课件：细菌的遗传与变异.ppt

Department of Microbiology, Hebei North University,细菌的遗传与变异,教学目的： 掌握细菌变异的物质基础及机理，熟悉细菌的各种变异现象，熟悉细菌基因转移和重组的过程，了解遗传变异的实际意义。,Department of Microbiology, Hebei North University,遗传(heredity)：使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其菌种得以保存。 变异(variation)：在一定条件下，子代与亲代之间以及子代与子代之间的生物学性状出现的差异。 遗传与变异是所有生物的共同特征，使生物物种得到沿续与进化。微生物遗传学研究是生命科学研究进展的一个热点。,Department of Microbiology, Hebei North University,细菌的变异,遗传性变异：是细菌的基因结构发生了改变，故又称 基因型变异。常发生于个别的细菌，不受环境因素的影响，变异发生后是不可逆的，产生的新性状可稳定地遗传给后代。 非遗传性变异：细菌在一定的环境条件影响下产生的变异，其基因结构未改变，称为表型变异。易受到环境因素的影响，凡在此环境因素作用下的所有细菌都出现变异，而且当环境中的影响因素去除后，变异的性状又可复原，表型变异不能遗传。,Department of Microbiology, Hebei North University,遗传性变异（基因型变异） 非遗传性变异（表型变异）,Department of Microbiology, Hebei North University,第一节 细菌的遗传物质,一.染色体（chromosome） 由两条环状双螺旋DNA长链组成，是遗传的主要物质基础。含细菌的遗传基因，控制细菌的遗传与变异。 二.质粒（plasmid） 细菌染色体外的遗传物质，编码细菌多种重要的生物学性状。,Department of Microbiology, Hebei North University,（一）染色体（chromosome） 一条环状双螺旋DNA长链，按一定构型反复回旋形成松散的网状结构； 缺乏组蛋白，无核膜包裹； 约含有4000个基因；基因编码效率高； 基因是连续的，没有内含子，转录后不需剪接加工。 只有一个复制启始位点。双向复制，全过程约20min。,Department of Microbiology, Hebei North University,结构两条互相平行而方向相反的多核苷酸链 功能储存、复制和传递遗传信息 复制半保留复制 特点复制中易发生错误基因突变,Department of Microbiology, Hebei North University,细菌DNA复制,Department of Microbiology, Hebei North University,遗传的中心法则（Central dogma),Department of Microbiology, Hebei North University,二、细菌的转录 基因 (gene)：核酸是遗传信息的携带者，将编码产生特定蛋白质的DNARNA序列称为基因。 结构基因(structural gene)：编码结构蛋白质 非结构基因(NS gene)：编码功能蛋白质 基因转录(transcription of gene)：遗传信息从DNA流向RNA的过程。 转录是不连续的、分区段进行的（不对称转录）。每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子。操纵子包括若干个结构基因及其上游的调控序列。,Department of Microbiology, Hebei North University,The coding strand (Sense strand) of DNA has the same sequence as the mRNA and is related by the genetic code to the protein sequence that it represents. The antisense strand (Template strand) of DNA is complementary to the sense strand, and is the one that acts as the template for synthesis of mRNA.,Department of Microbiology, Hebei North University,2.1 mRNA,Department of Microbiology, Hebei North University,Transcriptional unit,A terminator is a sequence of DNA that causes RNA polymerase to terminate transcription. A primary transcript is the original unmodified RNA product corresponding to a transcription unit.,A transcription unit is the distance between sites of initiation and termination by RNA polymerase; may include more than one gene.,Department of Microbiology, Hebei North University,原核细胞转录形成mRNA分子一般不需加工。合成后便作为模板参与蛋白质合成，tRNA与rRNA则需要转录后的加工。rRNA可以在核酸酶的作用下，剪切成三种RNA，即5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA.原核生物RNA基因高度保守，被广泛的应用于细菌的鉴定。,Department of Microbiology, Hebei North University,遗传信息的 翻译 翻译(translation)是以mRNA为模板合成蛋白质的过程，RNA通过翻译将分子中的核苷酸序列转变成蛋白质中的氨基酸序列，最后表达微生物的性状。 遗传密码 (genetic code)RNA上的碱基序列称为遗传密码。,Department of Microbiology, Hebei North University,IF2-fMet-tRNAf结合上来,Department of Microbiology, Hebei North University,tRNA和mRNA的行进路线,Department of Microbiology, Hebei North University,5.2.3 蛋白质合成的三个阶段简介,Initiation 30S subunit on mRNA binding site is joined by 50S subunit and aminoacyl-tRNA binds,Elongation Ribosome moves along mRNA，extending protein by transfer from peptidyl-tRNA to aminoacyl-tRNA,Termination Polypeptide chain is released from tRNA, and ribosome dissociates from mRNA,蛋白质合成的三个阶段简介,Department of Microbiology, Hebei North University,Department of Microbiology, Hebei North University,Department of Microbiology, Hebei North University,质粒(plasmid)：是细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。,（二） 质粒,第二节 细菌的遗传与变异,Department of Microbiology, Hebei North University,质粒具有自我复制的能力。 质粒DNA所编码的基因产物赋予细菌 某些性状特征。 质粒可自行丢失与消除。 质粒的转移性。 质粒可分为相容性与不相容性两种。,质粒DNA的特征,Department of Microbiology, Hebei North University,质粒的分类：,根据质粒能否通过细菌的接合作用进行传递 1 接合性质粒 2 非接合性质粒 根据质粒在细菌内拷贝数多少 1 严紧型质粒 2 松弛型质粒 根据相容性 1 相容性几种质粒同时共存于同一菌体内 2 不相容性不能同时共存 可借此对质粒进行分组、分群 根据所编码的生物学性状,Department of Microbiology, Hebei North University,质粒基因可编码多种重要的生物学性状：,致育质粒（fertility plasmid、F质粒）编码性菌毛，介导细菌之间的接合传递； 耐药性质粒（resistance plasmid、R质粒） 编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。分两类，一是接合性耐药质粒（R质粒），另一是非接合耐药性质粒（r质粒)； 毒力质粒（Vi质粒） 编码与该菌致病性有关的毒力因子； 细菌素质粒 编码细菌产生细菌素； 代谢质粒 编码产生相关的代谢酶。 目前普遍采用的质粒的命名方法是1976年Novick提出的，命名原则：质粒名称一般用三个英文字母表示，第一个字母一律用小写p（表示质粒），后两个缩写字母用大写，表示发现者、实验室名称、表型性状或其他特征；字母后的编号为阿拉伯数字，区分同一类型的不同质粒。pUC18和pUC19 。,Department of Microbiology, Hebei North University,细菌的变异,细菌的变异现象 形态结构的变异 毒力变异 耐药性变异 菌落变异 抗原性变异,Department of Microbiology, Hebei North University,细菌的大小和形态在不同的生长时期可不同，生长过程中受外界环境的影响也可发生变异。如：鼠疫耶氏菌在陈旧培养物上细菌的多形态性、细菌L型。 细菌的特殊结构如：荚膜（肺炎链球菌）、芽胞（炭疽芽孢杆菌）、鞭毛（变形杆菌H-O变异）也可发生变异。,形态结构的变异,第二节 细菌的遗传与变异,Department of Microbiology, Hebei North University,形态结构变异,青霉素、溶菌酶 正常形态细菌 L型变异 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁),正常霍乱弧菌,霍乱弧菌L型,Department of Microbiology, Hebei North University,有荚膜的肺炎球菌,无荚膜的肺炎球菌,细菌形态结构变异,Department of Microbiology, Hebei North University,毒力增强：无毒力的白喉棒状杆菌常寄居在咽喉部，不致病；当感染了-棒状噬菌体后变成溶原性细菌，则获得产生白喉毒素的能力，引起白喉。 毒力减弱：有毒菌株长期在人工培养基上传代培养，可使细菌的毒力减弱或消失。卡介苗(BCG)是强毒的牛结核分枝杆菌在含有胆汁的甘油、马铃薯培养基上，经过13年，连续传230代，获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异株。,毒力变异,第二节 细菌的遗传与变异,Department of Microbiology, Hebei North University,毒力变异,棒状噬菌体 白喉棒状杆菌 获得白喉毒素,Department of Microbiology, Hebei North University,细菌的菌落主要有光滑(smooth,S)型和粗糙(rough,R)型两种。S型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐。经人工培养多次传代后菌落表面粗糙、干燥、边缘不整齐，称SR变异。 SR变异常见于肠道杆菌，是由于失去LPS的特异性寡糖重复单位而引起的。 变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其它性状也发生了变化。 S型菌的致病性强，但有少数R型菌的致病性强，如结核分枝杆菌。,菌落变异,第二节 细菌的遗传与变异,Department of Microbiology, Hebei North University,S型菌落,R型菌落,细菌菌落形态变异,Department of Microbiology, Hebei North University,耐药性变异：细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐药的变异。有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性。 从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的不断增长是世界范围内的普遍趋势，给临床治疗带来很大的困难，并成为当今医学上的重要问题。,耐药性变异,第二节 细菌的遗传与变异,Department of Microbiology, Hebei North University,突变(mutation)：是细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变异。 发生 表现型,自发突变（spontaneous mutation)突变率低10-1010-6,诱发突变（induced mutation)提高10-610-4,野生株（wild strain)没有发生突变的菌细胞,突变株（mutant strain)突变后的菌细胞,（基因型的具体表现）,突变与诱变,变异机制,Department of Microbiology, Hebei North University,突变的类型 点突变（point mutation）单个碱基的突变（置换、插入、缺失）导致同义突变、错义突变、无义突变、移码突变。 多点突变（multiple mutation）两个以上碱基对的变化（较大范围的染色体重排、倒位、重复、缺失等） 可影响多个基因。 诱变剂 是能显著提高突变率的各种理化因素（UV、高温、辐射及化学诱变剂）,Department of Microbiology, Hebei North University,突变规律： 稀有性 自发突变频率(spontaneous mutation) 10-610-9 诱导突变(inducing mutation) 提高101000倍 随机性 由环境因素诱导 ？是随机的，不定向的。 试验： 1943年Luria和Delbruck设计了有名的 彷徨试验(fluctuation test)； 1952年Lederberg等设计了 影印培养(replica plating)。,Department of Microbiology, Hebei North University,彷徨（波动）试验,103/ml 敏感菌,10ml,10ml,立即接种,37 24h,含噬菌体平板,含噬菌体平板,37 24h,Department of Microbiology, Hebei North University,Department of Microbiology, Hebei North University,结论： A. 突变是自发的，随机的，不定向的 B. 抗生素等不是突变的诱因 而是筛选突变株的因素,Department of Microbiology, Hebei North University,突变规律：,独立性:基因突变是独立发生的，一个基因的突变和另一个基因的突变没有相关性。 稳定性：这种突变是可以稳定的遗传的。 可逆性：突变效应可通过多种方法回复。,Department of Microbiology, Hebei North University,几种常见的突变株,温度敏感突变株（ts株）是一种典型的条件致死突变株，这种突变株在某一温度范围不能生长，但在另一温度下则可生长。 营养缺陷型突变株发生了参与合成生长所必需的基本化合物的基因突变，这种突变株需要外界提供已合成的营养成份后才能生长。 耐药性突变株指对某种药物有一定抵抗力的突变株。,Department of Microbiology, Hebei North University,突变株的分离,选择：提供只允许突变体生长的条件，从而将其挑选出来；包括正选择和反选择。 筛选：在突变体和野生株均能生长的培养基中，根据肉眼识别野生型和突变型菌落表型特征把两者区分开来。,Department of Microbiology, Hebei North University,诱变,应用理化因素诱发产生的突变称诱变。能显著提高突变频率的这些理化因素称为诱变剂，常见的诱变剂包括物理诱变剂和化学诱变剂。 化学诱变剂：碱基类似物、烷化剂、DNA分子嵌入剂、修饰DNA分子的化学药品。 物理诱变剂：紫外线、X射线,Department of Microbiology, Hebei North University,基因转移(gene transfer)：外源性的遗传物质由供体菌进入某受体菌细胞内的过程。 基因重组(recombination)：转移的基因与受体菌DNA整合在一起，使受体菌获得供体菌某些特性。 外源性遗传物质：供体菌染色体DNA，质粒DNA及噬菌体基因等。 细菌的基因转移和重组方式：转化、接合、转导、溶原性转换、原生质体融合。,基因的水平转移(基因的转移与重组）,Department of Microbiology, Hebei North University,1. 转化(transformation):细菌从周围环境吸取游离的DNA片段，整合到自身染色体基因组的过程。,Department of Microbiology, Hebei North University,1928年 Griffith的实验,1944年 Avery的实验,肺炎链球菌III S,肺炎链球菌II R,肺炎链球菌III S（死）,+,+,肺炎链球菌III S DNA,Department of Microbiology, Hebei North University,转化因子（transforming principle ） 在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子 ，分子量小于107，最多不超过1020个基因。 感受态（competence）,Department of Microbiology, Hebei North University,感受态,细胞处于能够吸收DNA的状态称感受态，处于感受态的细胞称作感受态细胞。 感受态细菌细胞表面有DNA受体和其他特异的转化蛋白，具有摄取外源DNA的能力。它是细菌培养物作为一个群体处于某个生长阶段的特征，感受态出现的时间和持续的时间因微生物的不同而不同，并且与生长的条件和周期有关。 细菌的感受态可通过诱导产生。,Department of Microbiology, Hebei North University,革兰阳性菌的转化机制,1、持续产生感受态因子并分泌到培养基中； 2、感受因子吸附细胞膜特定位点，启动某些基因表达某些自溶物质； 3、自溶物质造成细胞膜变化，暴露DNA结合蛋白和核酸酶； 4、双链DNA结合到细胞表面，核酸酶将其一条单链降解； 5、剩余另一单链与DNA结合蛋白进入细胞； 6、单链DNA整合于细菌的染色体，形成异源双链； 7、受体DNA复制起始形成两个双链DNA区域，其中之一与外源性DNA完全相同。,Department of Microbiology, Hebei North University,革兰阴性菌的转化机制,1、感受态细胞向外延伸的囊泡与外源性DNA结合； 2、囊泡向内凹陷，包裹外源DNA形成转化小体； 3、转化小体向染色体基因组移动，外源DNA整合入受体细胞染色体中。,Department of Microbiology, Hebei North University,阳性菌和阴性菌转化机制的主要区别,1).革兰阳性菌转化的DNA以单链形式进入受体细胞，而革兰阴性菌转化时DNA以双链形式进入受体细胞；2).革兰阳性菌的感受态由感受态因子介导和启动，革兰阴性菌则形成转化小体；3).转化过程中，革兰阳性菌摄取的DNA在细胞内以与蛋白质相结合的形式存在，革兰阴性菌摄取的DNA存在于转化小体中；4).革兰阳性菌在转化中可接受任何来源的同源性DNA，革兰阴性菌则只接受来自相同物种或亲缘关系相近物种的同源性DNA。,Department of Microbiology, Hebei North University,人工转化,许多细菌包括大肠埃希菌和鼠伤寒沙门氏菌等均无自然转化的能力，但经人工诱导可使其形成感受态，吸收外源DNA，即人工转化。 人工转化包括： 化学转化(chemical transformation)化学转化是指对数生长期的细菌培养物，经过钙等化学物质的处理后成为感受态细胞，具有摄取外源性DNA的能力。Ca2+低渗休克处理是制备感受态细菌的一种常用方法。 电转化(electrotransformation)在许多细菌和真核系统中，既无自然的感受态也不能用化学方法诱导建立感受态。DNA电转化技术可用于化学转化不能成功的许多细菌、真核细胞等，将细胞置于强电场之中时，细胞膜被极性化，会产生跨膜电位差。若这种电位差超过阈值，在细胞膜上会暂时形成小孔，允许像DNA这样的外源性大分子进入，从而成功转化。,Department of Microbiology, Hebei North University,转导：是以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。,转导(transduction),Department of Microbiology, Hebei North University,噬菌体 (phage),1. 定义： 是感染细菌、真菌、放线菌 或螺旋体等微生物的病毒 2. 特点： 个体微小 (small) 结构简单 (simple) 核酸单一 (single) 寄生特异 (special),4 S,Department of Microbiology, Hebei North University,尾部 尾领 尾 鞘 尾髓 尾板 尾刺 尾丝,头部 核心：核酸 衣壳：蛋白质,头部 核心：核酸 衣壳：蛋白质,3.形态与结构：多为蝌蚪状，少微球形、细杆形,噬菌体的结构模式图,Department of Microbiology, Hebei North University,噬菌体 (电镜图）,Department of Microbiology, Hebei North University,大肠埃希菌T4噬菌体形态(蝌蚪状) (TEM390,000),Department of Microbiology, Hebei North University,4、化学组成： 核酸(遗传物质)dsDNA(多) ssDNA(少) +/- ssRNA(少) dsRNA(最少) 蛋白质-衣壳组成成分 5、抵抗力：噬菌体对理化因素及多数化学消毒剂的抵抗力比一般细菌的繁殖体强，75 30min灭活，噬菌体能耐受低温和冰冻，但对紫外线和X射线敏感。,Department of Microbiology, Hebei North University,噬菌体感染细菌有两种结果： 毒性噬菌体 能在宿主细胞内复制增殖，产生许多 (virulent phage)子代噬菌体，并最终裂解细菌，建立 溶菌周期。 温和噬菌体 噬菌体基因与宿主染色体整合，成为前 (temperate phage)：噬菌体，细菌变成溶原性菌，不产 生子代噬菌体，但噬菌体DNA能 随细菌DNA复制，并随细菌的分 裂而传代，建立溶原状态。,噬菌体的生活周期,噬菌体,Department of Microbiology, Hebei North University,吸附absorption,穿入penetration,生物合成 biosynthesis,装配assembly,释放release,毒性噬菌体的生活周期,Department of Microbiology, Hebei North University,吸附,穿入,生物合成,成熟、释放,毒性噬菌体的溶菌性周期,Department of Microbiology, Hebei North University,穿入,吸附,成熟释放,生物合成,噬菌体的增殖过程,Department of Microbiology, Hebei North University,温和噬菌体的生活周期,吸附absorption,穿入penetration,整合 integration,整合前环化,Department of Microbiology, Hebei North University,Department of Microbiology, Hebei North University,温和噬菌体的溶菌性周期,Department of Microbiology, Hebei North University,感染,终止,治愈,整合,溶原周期,溶菌周期,正常周期,噬菌体与细菌相互作用示意图,温和噬菌体可有溶原性周期和溶菌性周期; 毒性噬菌体只有一个溶菌性周期,Department of Microbiology, Hebei North University,转导的类型,根据转导基因片段的范围，可将转导分为两类：普遍性转导（转导的DNA可是供菌染色体上的任何部分）、局限性转导（转导的DNA只限供菌染色体上的特定基因）。,Department of Microbiology, Hebei North University,普遍性转导机制 （generalized transduction),供体菌DNA误装入噬菌体（转导噬菌体） 转导噬菌体感染新宿主菌 受体菌获得供体菌DNA,Department of Microbiology, Hebei North University,Department of Microbiology, Hebei North University,普遍性转导中外源DNA的结果 1)完全转导： 供体菌的DNA与受体菌染色体重组，形成稳定的转导子而随之传代 2)流产转导(abortive transduction): 供体菌的DNA与受体菌染色体不能进行重组转导的片断只能随细胞分裂沿单个细胞传递下去,Department of Microbiology, Hebei North University,普遍性转导示意图,完全转导 （整合）,流产转导 （未整合）,细菌DNA,Department of Microbiology, Hebei North University,局限性转导(restricted transduction) - 前噬菌体从宿主菌染色体上脱落时发生偏差,将前噬菌体两侧的宿主染色体基因转移到受体菌,使受体菌遗传发生改变的过程.,Department of Microbiology, Hebei North University,局限性转导示意图,前噬菌体,正常脱离,断裂和再接,偏差脱离,gal,bio,bio,gal,bio,断裂和再接,局限性转导,Department of Microbiology, Hebei North University,第一寄主菌,转导示意图,第二寄主菌,Department of Microbiology, Hebei North University,普遍性转导与局限性转导的区别,Department of Microbiology, Hebei North University,接合(conjugation),接合：是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。能通过结合方式转移的质粒称为接合性质粒，不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒为非接合性质粒。,Department of Microbiology, Hebei North University,细菌的“接合”状态,Department of Microbiology, Hebei North University,染色体,染色体,质粒,F+菌,F- 菌,F质粒的半保留转移,F+菌,Department of Microbiology, Hebei North University,染色体,Hfr,质粒,F+菌,F质粒转移的不同结果,F 质粒,Department of Microbiology, Hebei North University,F质粒的接合,F+ 即F质粒，编码性菌毛，称雄性菌 HfrF质粒整合到细菌染色体上，使细菌能高效地转移染色体上的基因，故称高频重组菌 FHfr菌中的F质粒可从染色体上脱离下来，并带染色体上几个邻近的基因，故称F 三者均有性菌毛，均可发生接合。,Department of Microbiology, Hebei North University,Department of Microbiology, Hebei North University,Department of Microbiology, Hebei North University,细菌的耐药性与耐药性的基因突变及R质粒的接合转移等有关。 R质粒有耐药传递因子(RTF)和耐药决定子(r)两部分组成。RTF的功能与F质粒相似，可编码性菌毛的产生和通过接