细菌的遗传和变异.ppt

细菌的遗传和变异,遗传(heredity)：使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其种属得以保存。 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。,遗传性变异（基因型变异）：是基因结构发生了改变，特点是不可逆的，产生的新的性状可稳定的遗传给后代。 非遗传性变异（表型变异）：是影响因素去除后，变异的性状又可复原，不可遗传。,细菌的变异现象,形态、结构变异 毒力变异 耐药性变异 菌落变异,形态结构变异,形态改变 3-6%食盐 鼠疫耶氏菌 多形态性 陈旧培基物,L型变异 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),特殊结构的变异 42-43 炭疽杆菌 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天 变形杆菌 0.1%石炭酸 迁徙生长（H） 点状生长、单个菌落（O）,毒力变异,增强 棒状噬菌体 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),耐药性变异,细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。 金黄色葡萄球菌 1946年对青霉素的耐药率14%，目前超过80% 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。 含链霉素培基 痢疾杆菌 依链株 长期培养,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,细菌遗传变异的物质基础,基因组：染色体和染色体外遗传物质,质粒 噬菌体 转位因子,细菌的遗传物质是DNA,（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； 附着在横隔中介体上或细胞膜上； 缺乏组蛋白，无核膜包裹； 约含有4000-5000个基因； 双向复制，全过程约20min。,（二）质粒（plasmid）,细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。带有遗传性息，能自行复制，随细菌分裂转移到子代细胞，并非细菌生长所必需。 特征 自我复制能力 编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与人工消除 转移性（接合、转化或转导） 相容性和不相容性,几种重要的质粒（编码的生物学性状） 致育质粒（F质粒） 耐药质粒（R质粒） 毒力质粒（Vi质粒） 细菌素质粒（COL质粒） 代谢质粒,概念：噬菌体（bacteriophage，phage） 是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋 体等微生物的病毒。 特征：1. 个体微小，可通过滤菌器； 2. 没有完整的细胞结构； 3. 专性细胞内寄生，复制增殖。 分布：广泛。,（三）噬菌体,生物学特性,形态与结构 蝌蚪形、微球形和丝形 化学组成 蛋白质与核酸 抗原性 抵抗力,头部：内含DNA/RNA 尾部：包括中空尾管、尾鞘、尾丝、尾刺等。尾丝是吸附宿主细胞表面特殊受体部位。,头部,尾部,尾鞘收缩,尾丝与受体菌表面结合,特异性,特异性,特异性！,噬菌体的种类及与细菌的关系,毒性噬菌体（virulent phage） 能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体 温和噬菌体（temperate phage）/ 溶原性噬菌体（lysogenic phage） 噬菌体基因与宿主菌染色体整合，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,毒性噬菌体复制周期,吸附 穿入 生物合成 成熟与释放,噬菌现象,液体培养基 混浊 澄清 固体培养基中，出现噬斑（plaque） 一定体积内的噬斑形成单位数目（pfu）,温和噬菌体,前噬菌体（prophage） 溶原性细菌（lysogenic bacterium） 溶原性（lysogeny） 溶原性周期和溶菌性周期 溶原性转换,prophage: 整合在细菌基因组中的噬菌体基因组,溶原性细菌,噬菌体的应用,细菌的鉴定与分型 噬菌体与宿主菌的关系有高度特异性，可用于未知细菌的鉴定和分型。如应用伤寒沙门菌Vi噬菌体可将有Vi抗原的伤寒沙门菌分成96个噬菌体型。 分子生物学研究的重要工具 噬菌体基因数量少，结构比细菌和高等细胞简单得多，而且容易获得大量的突变体。 细菌感染的诊断与治疗 应用噬菌体效价增长试验可检测标本中的相应细菌。在怀疑有某种细菌存在的标本中，加入一定数量的已知噬菌体，37孵育68h，再测定该噬菌体的效价。 辅助治疗，如应用铜绿假单胞菌噬菌体治疗创口感染。,（四）转位因子 （transposable element）,是存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段特异性核苷酸序列片段，它能在DNA分子中移动，不断改变它们在基因组的位置，能从一个基因组转移到另一个基因组中。 意义： 改变遗传物质的核苷酸序列 影响插入点附近基因的表达（失活） 直接插入一段新序列，造成基因的转移和重组,插入序列（insertion sequence,IS） 是最小的转位因子，2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域 转座子（transposon,Tn） 2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因。 可能与细菌的多重耐药性有关。 转座噬菌体或前噬菌体 是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状。,Tn,转座子的特征,细菌的变异机制,基因的突变 基因的转移和重组,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,（一）. 突变,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,基因突变规律,随机发生，不定向； 突变与选择 突变是随机的、不定向的，外界环境不能决定突变，只能对突变进行选择。 以耐药突变体为例 实验：影印试验 说明：耐药突变株在接触药物之前出现，药物的作用是选择耐药株，淘汰敏感株 结论：细菌基因突变产生耐药性，与抗生素的使用无关 具有相对稳定性； 可发生回复突变,突变与选择证明实验 影印培养 replica plating (Lederberg 1952),（二）基因的转移和重组,基因转移（gene transfer） 外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移。 重组（ recombination） 转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组，使受体菌获得供体菌的某些性状。 细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、溶原性转换和原生质体融合等方式进行。,转化（transformation）,供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。,转化试验,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）,接合（conjugation）,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。 接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒等。,F质粒的接合,F+,F-,F+,F-,F+,F+,F+,F+,Donor,Recipient,F+,高频重组菌（high frequency recombination）,Hfr：少数F质粒可整合至受体菌染色体上，与染色体一起复制，这种与F质粒重组的细菌称为Hfr。,F质粒,高频重组菌中的F质粒有时从染色体上脱离下来，带有染色体上邻近的基因，称为F质粒。 F+菌，Hfr，F菌都是雄性菌。,R质粒的接合 日本首先分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重耐药株，多重耐药性很难用基因突变解释。 健康人中大肠埃希菌30%50%有R质粒，而致病性大肠埃希菌90%有R质粒。 与多重耐药性有关。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。,R质粒 耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF） 与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移 耐药（r）决定子,转导（transduction）,以温和噬菌体为载体，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。 普遍性转导（generalized transduction） 局限性转导（restricted transduction）,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。,供体菌,结果 完全转导 流产转导,局限性转导restricted transduction,或称特异性转导， 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。当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）,当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的DNA片段，使其成为溶原状态时而致细菌获得新的性状。 白喉棒状杆菌、A群链球菌、肉毒梭菌、产气荚膜梭菌、霍乱弧菌,原生质体融合 protoplast fusion,概念：将二种经处理后失去细胞壁的细菌（称为原生质体）进行融合，获得的新的细菌个体。原生质体融合是一种有价值的实验手段。,G +菌形成原生质体后，在聚乙二醇（PEG）作用下，可使两种不同的细菌细胞发生融合的过程。 融合后形成双倍体细胞，可短期生存，染色体重组，获得多种不同表型的重组融合体。 人为实验基因转移与重组。,细菌遗传变异的实际意义,在疾病的诊断、治疗与预防中的应用 在测定致癌物质中的应用 在流行病学中的应用 在基因工程中的应用,在疾病的诊断、治疗与预防中的应用,形态、结构、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的变异，使得诊断复杂化 耐药菌株日益增多，预防耐药性 药敏实验 早期足量 要有一定疗程,联合用药 不要滥用 减毒菌株和无毒株可制备成疫苗,在测定致癌物质中的应用,凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。 Ames实验 伤寒沙门菌（his-） （his+）,诱变剂,在流行病学中的应用,分子生物学分析方法已被用于流行病学调查 质粒指纹图（PFP） 研究流行菌株的同源性，检测对噬菌体的敏感性和溶原性，对细菌素的敏感性,在基因工程中的应用,基因工程是根据遗传变异中细菌可因基因转移和重组而获