遗传与变异生物学课件.ppt

第五章遗传与变异 heredityandvariation 遗传 子代与亲代的生物学性状基本相同 且代代相传 变异 子代与亲代以及子代与子代之间的生物学性状出现差异 变异遗传性变异 基因型变异genotypicvariation 非遗传性变异 表型变异phenotypicvariation 第一节遗传与变异原理 略 一 DNA的结构与功能结构 两条相互平行而方向相反的多核苷酸链组成功能 储存 复制和传递遗传信息二 基因与基因的转录三 遗传信息的翻译 第二节细菌的遗传与变异一 细菌的变异现象1 形态结构变异L型变异细菌的荚膜变异细菌的芽胞变异细菌的鞭毛变异 H O变异 2 抗原性变异3 菌落的变异 S R变异 4 毒力变异卡介苗5 耐药性变异 二 与细菌遗传变异相关的物质细菌的遗传物质是DNA 细菌的基因组是指染色体和染色体以外遗传物质所携带基因的总称 1 细菌染色体一条环状双螺旋DNA长链 附着在横隔中介体或细胞膜上 细菌基因组中的基因结构是连续的 其排列紧密 几乎无内含子 仅有的内含子序列也不编码蛋白 全基因组序列分析 细菌的种内和种间存在着广泛的遗传物质的交换 如耐药性基因和致病岛的获得 致病菌染色体上编码与毒力相关基因的外源性DNA片段是分子量较大的基因群 称致病岛 2 质粒概念 种类 致育质粒或称F质粒 耐药性质粒 毒力质粒或Vi质粒 细菌素质粒 代谢质粒 质粒DNA的特征 具有自我复制的能力拷贝数低者 复制往往与染色体的复制同步 称为紧密型质粒 拷贝数高者 与染色体的复制不相关 称松弛型质粒 编码的基因产物能赋予细菌某些特性 非细菌生命活动不可缺少的 质粒可自行丢失与消除 质粒的转移性 质粒的相容性与不相容性两种结构相似密切相关的质粒不能稳定共存于一个宿主菌的现象称为质粒的不相容性 几种不同的质粒同时共存于一个菌细胞内则称相容性 3 噬菌体概念 是感染细菌 真菌 放线菌和螺旋体等微生物的病毒 只能在活的宿主菌内复制增殖 生物学特性 1 基本形态有蝌蚪形 微球形和细杆形 2 大多为蝌蚪状 由头部和尾部组成 头部核酸 蛋白质衣壳六边形立体对称尾部尾须 尾领 尾髓 尾鞘 尾板尾刺和尾丝 感染的结果 增殖 1 毒性噬菌体建立溶菌性周期 噬菌体感染宿主菌 增殖 产生大量子代噬菌体 宿主菌溶解 感染其他敏感细胞 2 温和性噬菌体 溶原性噬菌体 建立溶原性周期 噬菌体感染细菌 核酸整合到细菌染色体 随细菌分裂而分配至子代细菌染色体中 这种整合在细菌染色体上的噬菌体基因称前噬菌体 染色体上带有前噬菌体的细菌称溶原性细菌 前噬菌体偶尔或自发地或在某些因素的诱导下脱离宿主菌染色体而进入溶菌周期导致细菌裂解 并去感染其他细菌 温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性周期 有些温和噬菌体可使溶原性细菌的表型发生改变 3 转座子 Tn 概念 是一类在细菌的染色体 质粒或噬菌体之间自行移动的遗传成分 是基因组中一段特异的具有转位特性的独立的DNA序列 分类 1 插入序列 IS 最简单的或序列较短的转座子 长度 2kbp 仅携带自身转座所需酶的基因 存在于多种细菌的染色体或质粒中 2 转座子或复合转座子序列长度一般超过2kbp 除携带与转座有关的基因外 还携带其他特殊功能的基因 耐药性基因 重金属抗性基因 肠毒素基因和其他结构基因等 三 细菌变异的机制细菌表型的变异不是基因的改变 只有细菌基因结构发生改变才能引起遗传性变异 细菌基因结构的改变 主要包括基因突变 基因损伤后修复 基因的转移与重组 一 基因突变概念 细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变 是DNA序列的永久性变化 不考虑细菌表型是否有可察觉的改变 突变自发发生人为诱变促其发生野生型 没有发生突变的基因 首次从自然界分离的存在于细菌中的形式 突变型 相对应某一性状的野生型基因发生突变 类型 1 小突变 点突变 一个或几个碱基的置换 插入或丢失 2 大突变 大段的DNA发生突变 DNA序列的改变包括碱基的置换和移码转换颠换 基因突变规律 1 突变率自然突变率约为每一世代10 10 10 6 如诱导细菌突变 可使诱导突变率提高10 1000倍 用高温 紫外线 X射线 烷化剂等理化因素 2 突变与选择突变是随机的 不定向的 要从菌群中找出个别突变菌 必须将菌群放在一种利于突变菌而不利于其他菌生长的环境中 才能将突变株选择出来 突变是细菌在接触抗生素之前已经发生 而且突变发生越早 产生抗性突变株的比例就越多 普通培养基 含抗生素培养基 3 回复突变细菌由野生型变为突变型是正向突变 有时突变株经过又一次突变可恢复为野生型的性状 这种第二次突变称为回复突变 二 DNA损伤修复修复机制对细菌的生命活动极其重要 但损伤修复本身也会出现错误 如切除损伤的DNA片段时 会同时切掉正常DNA序列 DNA损伤后的修复会发生差错 造成细菌的变异 三 基因的转移与重组基因转移 供体菌外源性的遗传物质受体菌外源性遗传物质 供体菌染色体DNA片段 可转移的质粒DNA及噬菌体的基因等 基因重组 被转移的基因在受体菌胞质中能自行复制与表达 或与受体菌DNA整合在一起 称为基因重组 基因重组使受体菌获得供体菌的某些特性 1 转化供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取 使受体菌获得新的性状 转化的条件 1 转化的DNA片段的分子量要小于1 107 最多不超过10 20个基因 2 受体菌只有进入感受态时才能摄取外源DNA 感受态的细菌 表面有一种吸附DNA的受体 感受态细菌一般出现在对数生长期的后期 维持几分钟至3 4h 细菌的感受态可用人工诱导的转化程序形成 人工感受态的转化系统最适用于质粒和噬菌体的DNA 2 接合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的方式 通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒 1 F质粒的接合F 菌接合F 菌F 菌F 菌 获得F质粒 F质粒受体菌单独存在和自行复制与细菌染色体整合 少数 整合后的细菌有可能提高转移染色体基因的频率 故称高频重组菌 Hfr Hfr接合F 菌F 菌 很难获完整F质粒 接合状态可自发解离或受外界因素影响中断 从Hfr菌中染色体上脱离下来的F质粒有时会携带相邻的染色体基因或DNA片段 称为F 质粒 该菌被称为F 菌 F 菌 Hfr F 三种菌都有性菌毛 均可通过接合方式进行基因的转移 2 R质粒的接合细菌的耐药性与染色体基因突变和R质粒的接合转移等相关 R质粒耐药传递因子 RTF 耐药 r 决定子这两部分可以单独存在 也可结合在一起 但单独存在时无接合传递R质粒的功能 RTF可编码性菌毛和通过接合转移r决定子能编码对抗菌药物的耐药性 可由几个转座子连接不同耐药性基因相邻排列 非接合性质粒不能单独接合传递非接合性质粒和接合性质粒 同在一宿主细胞 就会被诱动传递 3 转导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 供体菌一段DNA 温和噬菌体 受体菌 获得新性状 1 普遍性转导前噬菌体脱离溶原性细菌增殖时 误装入细菌DNA 故该噬菌体感染受体菌时 则将供体菌DNA带入受体菌内 因供体菌染色体或质粒的任何DNA片段都有可能被包装转导 则称为普遍性转导 供体菌的DNA片段在受体菌内重组 随其一起复制 称为完全转导 供体菌的DNA片段不能与受体菌重组 其本身不具有独立复制功能 转导的片段只能随细胞分裂沿单个细胞传递下去 称为流产转导 2 局限性转导前噬菌体从宿主菌染色体脱离时发生偏差 将前噬菌体两侧的宿主染色体基因转移到受体菌 使受体菌的遗传性状发生改变的过程 转导在G 菌和G 菌中均可发生 转导现象仅发生在同一种细菌内 4 溶原性转换噬菌体感染细菌 整合了噬菌体的DNA片段 获得新的遗传性状 溶原性转换 溶原性转换可使某些细菌发生毒力变异或抗原性变异 5 原生质体融合两种不同细菌失去细胞壁两种原生质体聚乙二醇原生质体融合 第三节病毒的遗传与变异病毒的基因组较简单 每种病毒有一种核酸 基因数仅3 10个 病毒增殖速度极快 是最早研究遗传学的工具 病毒遗传与变异的研究将在病毒感染的诊断与防治 特别是在制备病毒疫苗 有效防治病毒性疾病中发挥更大作用 一 病毒的基因组病毒核酸仅含有一种类型 但却呈现多样性 病毒基因组的多样性是由不同病毒和宿主细胞的复杂关系决定的 病毒基因组中的多种基因常以互相重叠的形式存在 即基因中的编码序列外显子之间有重叠 并通过内含子将相互重叠的外显子分隔开 二 基因突变病毒在增殖过程中常发生基因组中碱基序列的置换 缺失或插入 引起基因突变 基因突变自发物理 化学因素诱发由基因突变产生的病毒表型性状改变的毒株为突变株 突变株可呈多种表型 1 条件致死型突变株只能在某种条件下增殖 而在另一种条件下则不能增殖的病毒株 如温度敏感性突变株 ts 28 35 C增殖 37 40 C不能增殖ts突变株常具有减低毒力而保持其免疫原性的特点 是生产减毒活疫苗的理想株 但ts株容易出现回复突变 因此在制备疫苗株时 必须经多次诱变后 才获得在一定宿主细胞内稳定传代的突变株 亦称变异株 2 缺陷型干扰突变株 DIM 因病毒基因组中碱基缺失突变引起 其所含核酸较正常病毒明显减少 并产生各种各样的结构重排 在辅助病毒存在时 可复制 并可干扰野毒株的增殖 DIM在一些疾病中起重要作用 特别是与某些慢性疾病的发病机制有关 3 宿主范围突变株病毒基因组突变影响了对宿主细胞的感染范围 能感染野生型病毒所不能感染的细胞 4 耐药突变株临床上应用针对病毒酶的药物后 有时病毒经短暂被抑制后又重新复制 常因编码病毒酶基因的改变而降低了靶酶对药物的亲和力或作用 从而使病毒对药物产生抗药性而能继续增殖 三 基因重组与重配基因重组 两种病毒感染同一种宿主细胞发生基因的交换 产生具有两个亲代特征的子代病毒 并能继续增殖 其子代病毒称为重组体 基因重组可发生在两种活病毒之间 一活病毒和一灭活病毒之间 两种灭活病毒之间 重配 基因分节段的RNA病毒 可以通过交换RNA节段而进行基因重组 已灭活的病毒在基因重组中可成为具有感染性的病毒 交叉复活 经紫外线灭活的病毒与另一近缘的活病毒感染同一宿主细胞 基因重组后使灭活病毒复活 多重复活 两种或两种以上的近缘的灭活病毒感染同一细胞时 经基因重组而出现感染性的子代病毒 四 基因整合在病毒感染宿主细胞的过程中 病毒基因组与细胞基因组的重组过程 整合既可引起病毒基因的变异 也可引起宿主细胞染色体基因的改变 导致细胞转化发生肿瘤等 五 病毒基因产物的相互作用1 互补作用和加强作用互补作用 两种病毒感染同一细胞时 其中一种病毒的基因产物促使另一病毒增殖 可发生于感染性病毒与缺陷病毒或灭活病毒之间 两种缺陷病毒之间 2 表型混合与核壳转移表型混合 两株病毒共同感染同一细胞时 一种病毒复制的核酸被另一病毒所编码的蛋白质衣壳或包膜包裹 这种改变不是遗传物质的交换 而是基因产物的交换 表型混合获得的新性状不稳定 经细胞传代后又可恢复为亲代表型 核壳转移 无包膜病毒发生的表型混合 第四节微生物遗传变异在医学上的应用一 在疾病诊断和防治中的应用1 病原性诊断充分了解微生物的变异现象和规律 才能对感染性疾病作出正确的诊断 现有许多快速诊断方法用于微生物的鉴定 2 特异性防治检出病原菌的毒力岛 致病岛 或质粒的多重耐药基因是判定细菌耐药性变异的极好方法 有利于指导正确选择抗菌药物和防止耐药性菌株的扩散 用减毒性活疫苗进行特异性防治对传染病的预防有意义 二 微生物基因组的研究有助于人们从基因水平上了解各种微生物不同生命活动方式的基础 研究致病机制 设计新型治疗药物 寻找能用于生产疫苗和开发诊断工具的基因产物 三 在检测致癌物质方面的应用细菌的基因突变可由诱变