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文档简介
细菌的遗传与变异 林旭瑷 副教授 浙江大学医学院,掌握内容:细菌的遗传物质;基因转移与重组方式的种类及定义;噬菌体及其相关概念。 熟悉内容:细菌的变异类型;噬菌体与宿主菌相互关系。 了解内容:细菌的变异现象;细菌遗传变异研究的实际意义。,遗传(heredity): 变异(variation): 基因型变异(genotypic variation) 表型变异(phenotypic variation),基因型和表型变异的比较,BCG:牛型结核杆菌(有毒株) 胆汁-甘油-马铃薯培养 13年,230次传代 减毒株(BCG) 基因型变异:BCG 表型变异:细菌L型,第一节 细菌的变异现象,形态、结构变异:细菌L型 、H-O变异 抗原性变异 菌落变异: S-R变异 毒力变异 耐药性变异,一、形态结构变异,L型变异 青霉素、溶菌酶 - 正常形态细菌 L型细菌 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁) 芽孢变异 42-43 - 炭疽杆菌 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天 鞭毛变异(H-O变异) 0.1%石炭酸 - 变形杆菌 点状生长、单个菌落 (O) 迁徙生长(H),二、菌落变异,在陈旧培养基中长期培养 光滑型菌落 粗糙型菌落 S R 原因:失去LPS的特异多糖,三、毒力变异,增强 感染棒状杆菌噬菌体 白喉棒状杆菌 获得白喉毒素 减弱 胆汁、甘油、马铃薯培养基 牛分枝杆菌 卡介苗 13年(230代),四、耐药性变异,细菌对某种抗菌药物从敏感变成耐药的变异 金黄色葡萄球菌 MRSA 有些细菌还同时耐受多种抗菌药物,即多重耐药性,甚至产生药物依赖性 含链霉素培养基 痢疾志贺菌 痢疾志贺菌依链株 长期培养,第二节 细菌的遗传物质,细菌染色体 质粒 噬菌体 转座子,dsDNA,3.2-5106 bp 按一定构型反复回旋而成的松散网状结构 复制快:105 bp/min 无组蛋白,无内含子,为连续基因 单倍体:突变后更易表现,细菌染色体(chromosome),质粒(plasmid),复制能力 控制某些性状 转移能力 相容性与不相容性 丢失或消除,功能:F质粒性菌毛;Vi质粒毒力 R质粒耐药;Col质粒细菌素,噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒 个体微小,可以通过细菌滤器 无细胞结构,由衣壳(蛋白质)和核酸组成 只能在活的微生物细胞内复制增殖,是一种专性胞内寄生的微生物 噬菌体分布极广,有菌即有噬菌体,噬菌体(bacteriophage),1. 噬菌体结构,头部 核心:DNA 或 RNA 衣壳:蛋白质,尾部 蛋白质 与吸附宿主有关,噬菌体的复制,2.噬菌体类型 1.毒性噬菌体:能在宿主菌内复制增殖,产生许多子代噬菌体,并最终裂解细菌。 2.温和噬菌体或溶原性噬菌体:噬菌体基因组整合于宿主菌染色体中,不产生子代噬菌体,也不引起细菌裂解。,溶菌性周期,毒性噬菌体在宿主菌内的增殖过程(复制周期或溶菌周期)包括吸附穿入、生物合成、成熟释放等3个阶段。,溶原性周期,温和噬菌体感染细菌后不增殖,其核酸整合到细菌染色体上,成为前噬菌体。并随细菌复制而复制,随细菌的分裂而分配到子代细菌染色体中。,溶原性细菌:带有前噬菌体的细菌。 温和噬菌体可以自发或在有些因素的诱导下,整合的前噬菌体可以从染色体上脱离,进入溶菌性周期。 溶原性:温和噬菌体具有的这种产生成熟子代 噬菌体颗粒和裂解宿主菌的潜在能力。,温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性周期, 而毒性噬菌体只有一个溶菌性周期。,溶原性转换 某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变。 例如白喉棒状杆菌产生白喉毒素的机理:由于-棒状杆菌噬菌体DNA携带白喉毒素基因,其感染白喉棒状杆菌后,使无毒的白喉棒状杆菌获得产生白喉毒素的能力。,转位因子(transposable element),是一类不依赖于同源性重组可以在细菌的基因组(染色体、质粒、噬菌体)中从一个位置转移到另一个位置上的独特DNA片段,也称为跳跃基因(jumping genes)或移动基因(movable genes)。 包括:插入序列(IS) 转座子(transposon, Tn) Mu 噬菌体,插入序列 (insertion sequence, IS):750-1550 bp 两端有反式重复序列,与插入有关 中心序列有转位酶基因,没有其他基因,转座子 (transposon, Tn): 2-25 kb,两端为IS 中心序列有与转位无关的基因 如:毒素基因、耐药基因等,常见的插入序列和转座子,Mu 噬菌体:是一类具有转位作用的温和噬菌体, 可随机插入宿主菌的DNA中。,基因突变是指DNA碱基对的置换、插入或缺失所致的基因结构变化,分为点突变和多点突变。 基因突变是生物变异的主要原因,也是生物进化的主要因素。,第三节 细菌变异的机制,一、基因突变,基因突变规律: 自发突变与诱发突变 彷徨试验 突变率:自发10-1010-6,诱发10-610-4 突变与选择 影印试验 回复突变与抑制突变 野生型 突变型,二、基因转移与重组,转移:供体菌DNA转移给受体菌的过程 重组:进入受体菌的外源DNA能够复制,导致其基因型发生改变成为重组体或重组菌,转化(transformation) 受体菌直接摄取外源性DNA(供菌死亡时释放或人工方法提取的DNA)并整合到自己的基因组中,获得新的遗传性状的过程。,肺炎链球菌的转化试验,影响转化的因素: 供受菌基因型:亲缘关系越近,转化率越高 感受态(competence):生理活动过程中摄取转化因子的最佳时期 环境因素:Mg2、Ca2等可促进转化,接合(conjugation) 两个细菌接触,供体菌通过性菌毛将DNA直接转入受体菌内,使受体菌获得新的遗传性状的过程 。,F质粒(fertility factor, 致育因子),接触:细胞质沟通 转移:F质粒进入F菌,1分钟完成 复制:F菌转为F菌,Hfr(高频重组菌株):,F质粒与染色体整合形成Hfr 具有高频转移自身染色体至F-菌的功能 细菌染色体转移频率高,F质粒低,很少使受菌成为F菌 受体菌获得供体菌性状 用于绘制基因图,Hfr转移细菌染色体过程,R质粒 耐药传递因子(RTF):编码性菌毛 r决定因子:决定耐药,转导(transduction) 以噬菌体为媒介,将供体菌DNA片段转移到受体菌内,使受体菌获得新的遗传性状。,普遍性转导 generalized transduction,前噬菌体从溶原菌染色体上脱离,进行增殖,在裂解期的后期,噬菌体的DNA已大量复制,装配时可能会发生装配错误,误将细菌的DNA片段装入噬菌体的头部,成为一个转导噬菌体。转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌,并将其头部的染色体注入受体菌内。,被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分,局限性转导 restricted transduction,特异性转导,所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。 溶原期时,噬菌体DNA整合在细菌染色体特定部位,噬菌体DNA发生偏差分离,将自身的一段DNA留在细菌染色体上,而带走了细菌DNA上两侧的基因。 其转导并整合到受体菌中,使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。,所转导的只限于供体菌上个别的基因,普遍性转导与局限性转导的区别,溶原性转换(lysogenic conversion) 溶原性细菌因染色体上整合有前噬菌体而获得新的性状。,原生质体融合 (protoplast fusion),将两种不同细菌的原生质体混合,滴加聚乙二醇促使原生质体融合。,诊断困难 HO变异:如伤寒沙门菌鞭毛 SR变异:消失荚膜或多糖 抗原性改变 毒力下降,生化反应改变 治疗困难:耐药 预防:BCG,第四节 细菌遗传变异 在医学上的实际意义,Ames试验检测致癌物,以细菌为模型检测可疑致癌物的常用方法 突变菌在诱变剂的作用下,可能发生回复突变
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