05第5章+细菌的遗传变异.ppt

第5章 细菌的遗传变异 遗传 heredity 变异 variation 基因型变异 表型变异 遗传与变异是所有生物的共同生命特征 子代与亲代生物学性状基本相同 且代代相传 子代与亲代 子代与子代的生物学性状出现差异 基因型和表型变异的比较 基因型变异 表型变异 基因结构 变化未变 可逆性 不或极少可逆 稳定性 稳定不稳定 环境影响 涉及细菌数 不受影响受影响 个别全体 细菌的变异现象1 形态结构变异 外界环境因素所致细菌L型变异 荚膜变异 capsule 肺炎链球菌芽胞变异 spore 炭疽杆菌鞭毛变异 flagellum H O变异 失去鞭毛的变异有鞭毛 H Hauch 菌落 无鞭毛 O Ohnehauch 菌落 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 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 特殊结构的变异变形杆菌0 1 石炭酸迁徙生长 H 点状生长 单个菌落 O 鞭毛变异 2 毒力变异 Virulence 毒力 BCG 卡介苗 胆汁 甘油 马铃薯培养基牛分枝杆菌卡介苗13年 230代 毒力 白喉杆菌溶原化 3 耐药性变异 Drug resistance 细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异 金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的14 上升至目前的90 有些细菌还表现为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 耐药菌株 长期培养 4 菌落变异 Colony 特点 S R变异常伴有其他性状的变异 毒力 抗原性等 而造成全面的变异 菌落由光滑 S 型变为粗糙 R 型如肠道杆菌 S R变异 5 抗原性变异 Antigenicity 菌体抗原 O抗原 变异 鞭毛抗原 H抗原 变异 失去LPS的特异多糖 一 染色体 chromosome 二 质粒 plasmid 三 转座因子 transposableelement 四 整合子 integron In 五 噬菌体 phage 第一节细菌的遗传物质 特点 1 dsDNA 3 2 5 106bp2 基因以操纵子形式存在3 为连续基因 无内含子 转录后不需剪接加工4 基因组DNA大部分用来编码蛋白质5 结构基因无重叠现象6 结构基因单拷贝 rDNA多拷贝7 具有各种功能识别区 复制起始区 终止区等 一 细菌染色体 操纵子 operon 结构 乳糖操纵子 lacoperon 的结构 表达区 特点 1 dsDNA 3 2 5 106bp2 基因以操纵子形式存在3 为连续基因 无内含子 转录后不需剪接加工4 基因组DNA大部分用来编码蛋白质5 结构基因无重叠现象6 结构基因单拷贝 rDNA多拷贝7 具有各种功能识别区 复制起始区 终止区等 一 细菌染色体 二 质粒 plasmid 1 本质 能自主复制的染色体外遗传物质 为环状闭合的双链DNA 2 分类 根据质粒基因编码的生物学性状致育质粒 F fertility 质粒 编码性菌毛耐药性质粒 编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性 毒力质粒 Vi virulence 质粒 编码与该菌致病性有关的毒力因子细菌素质粒 编码各种细菌产生的细菌素如 Col质粒编码大肠埃希菌产生的大肠菌素代谢质粒 编码产生与代谢相关的许多酶类 3 质粒DNA基本特性 A 可自我复制 是一个复制子B 质粒DNA编码的基因产物能赋予细菌些性状特征致育性 耐药性 致病性等C 质粒可自然丢失与消除自然丢失率10 2 10 8 可用高温 紫外线等除去 D 质粒具有转移性 接合性质粒 通过性菌毛进行基因传递非接合性质粒 经接合性质粒诱动或经载体 噬菌体 进行基因传递E 质粒具有相容性和不相容性 三 转座因子 1 本质 细菌内能改变自身位置的DNA序列 为移动基因 movablegenes 2 转移方式 通过自身编码产生的转座酶导致其转移或移位 染色体内移位 A B 染色体与质粒间 不同质粒之间 3 种类 插入序列 insertionsequence IS 是最小的转位因子 2kb 转座子 transposon Tn 2kb 除两端的IS外 还携带与转座无关的耐药性基因 抗金属基因 毒素基因及其他结构基因 常见的插入序列和转座子 ISbpTn耐药或毒素基因 IS1768Tn1AP 氨苄青霉素 IS21327Tn6Kan 卡那霉素 IS31300Tn10Tet 四环素 IS41426Tn551Em 红霉素 IS51195Tn681E coliET 肠毒素 转座子介导的转座 四 整合子 integron In 定位于细菌染色体 质粒或转座子上基本结构 两端为保守末端 中间为可变区 含一个或多个基因盒整合子含有3个功能元件 重组位点 整合酶基因 启动子通过转座子或接合性质粒 使多种耐药基因在细菌中进行水平传播 五 噬菌体 bacteriophage 形态结构 蝌蚪形衣壳 蛋白质核酸 dsDNA 分布广 有菌就有噬菌体宿主特异性 流行病调查 分型参与细菌变异 转导 溶原性转换 变异 基因型变异 表型变异 基因重组基因突变染色体变异 细菌变异的机制 第三节基因的转移和重组 转移 供菌提供DNA 受菌接受DNA重组 受菌获得供菌DNA 类型基因来源转移方式 转化供菌受菌摄入 接合供菌通过性菌毛 转导供菌噬菌体媒介 溶原性转换噬菌体前噬菌体 一 转化 transformation 受菌直接摄取供体菌DNA供菌死亡时释放或人工方法提取DNA 例 溶菌时 裂解的DNA片段被另一细菌摄取 最早由Griffith在研究肺炎链球菌时发现此现象 肺炎链球菌 Griffith 转化试验 小鼠体内肺炎链球菌转化试验 死亡 死亡 影响因素 供受菌基因型 同源性 亲缘关系近 转化率高感受态 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 二 接合 conjugation 通过性菌毛将供菌DNA转给受体菌 受体菌获得供体菌性状 主要接合性质粒 F质粒 R质粒 Col质粒 Vi质粒 大肠埃希菌与肠道杆菌接合 电镜扫描图 F质粒 fertilityfactor 致育因子 作用 编码性菌毛转移 F质粒进入F 菌 1分钟完成复制 F 菌转为F 菌 F F F F 存在 F 菌 含游离的F质粒F 菌 含带宿主菌基因的F质粒Hfr菌 highfrequencyrecombinant 高频重组菌 F质粒整合于细菌染色体中 F质粒存在的生理状态 大肠杆菌F质粒的各种存在状态间的转变 F 菌 F 菌 Hfr菌 F 菌 lac 与F 菌接合 丢失 整合 切离 偏差切离 丢失 整合 与F 菌接合 Hfr 高频重组菌株 F质粒与染色体整合具有结合和转移功能细菌染色体转移频率高 F质粒低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 1 两者结合2 DNA一条链断开 染色体DNA经性菌毛进入F 菌3 接合作用可随时中断 自发或外界因素 受体菌一般仍是F 菌 R质粒作用 决定细菌的耐药性结构 1 RTF resistancetransferfactor 耐药传递因子 编码性菌毛 与复制 接合及转移有关2 Rdeterminant r决定子 编码对抗菌药物的耐药性 结合 游离 耐药传递因子 RTF r决定子 IS IS r决定子 存在a 复合物形式 RTF r决定子b 游离形式 两部分单独存在时无接合传递R质粒的功能 耐药传递因子 三 转导 transduction 噬菌体媒介将供菌DNA转给受菌分普遍性转导和局限性转导 毒性噬菌体 温和噬菌体包装错误 任何部位细菌DNA片段转导性噬菌体 供体菌DNA误装入噬菌体受菌接受转导噬菌体 供菌 DNA受菌获得供菌性状 普遍性转导 generalizedtransduction 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 随染色体复制而随之传代2 流产转导 abortivetransduction 供体菌的DNA与受体菌染色体不能进行重组 转导的片断不能自身复制 也不能传代 局限性转导 restrictedtransduction 温和性噬菌体介导 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 局限性转导机制 bio 生物素基因gal 糖苷酶基因 正常切离 偏差切离 缺陷噬菌体 正常噬菌体 前噬菌体 局限性转导与普遍性转导的主要区别普遍性转导局限性转导转导时间温和噬菌体裂解期温和噬菌体溶原期转导基因供体菌染色体DNA的噬菌体DNA及供菌染色任何部位或质粒体DNA的特定部位片断转导频率低高转导结果完全转导获得供体菌DNA流产转导特定部位的遗传特性 四 溶原性转换 lysogenicconversion 温和噬菌体DNA与菌染色体整合受菌获得新的性状如白喉杆菌 噬菌体 外毒素基因不产毒白喉杆菌产毒白喉杆菌 原生质体融合 protoplastfusion A细菌 B细菌 A原生质体 B原生质体 重组融合体 不同重组菌 培养 聚乙二醇 青霉素等 细菌基因转移与重组的几种方式比较方式基因来源转移机制 转化供体菌直接摄取接合雄性菌性菌毛沟通普遍转导供体菌噬菌体介导局限转导溶原菌温和噬菌体介导溶原转换温和噬菌体温和噬菌体感染融合原生质体原生质体融合 2 类型 碱基置换 转换 颠换碱基插入碱基缺失 1 定义 DNA碱基对的置换 插入或缺失所致的基因结构的变化 分点突变和染色体畸变 第四节基因突变 移码突变 3 突变规律 自发突变与诱发突变突变率自发突变 10 6 10 9诱发突变 提高10 1000倍突变与选择 突变是随机的 不定向的试验 1943年Luria和Delbruck设计了有名的彷徨试验 fluctuationtest 1952年Lederberg等设计了影印培养 replicaplating 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 彷徨试验 随机的 非定向的突变是在接触噬菌体之前就已发生 噬菌体对突变仅起筛选而不是诱导作用 影印平板 自发的 随机的 抗生素仅起选择作用 回复突变与抑制突变 野生株 wildstrain 突变株 mutantstrain 正向突变回复突变 回复突变原因 突变株中的一个抑制基因突变所致 回复突变可自发或诱导发生 回复突变 基因内抑制 intragenicsuppressor 抑制基因突变发生在同一基因内的不同部位 基因间抑制 extragenicsuppressor 抑制基因突变发生在不同基因 回复突变基因型模式图 基因型回复突变机制菌株表型 突变前野生株敏感 突变后突变株耐药 基因内抑制回复突变株敏感 基因间抑制回复突变株敏感 4 突变型细菌及其分离 耐药性突变型药敏试验营养缺陷突变型营养物质筛选条件致死性突变型温度敏感试验发酵阴性突变型乳糖发酵试验 诊断困难H O变异 如伤寒沙门菌鞭毛S R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 第五节细菌遗传变异在医学上的实际意义 检测致癌物 细菌突变的诱因往往是化学物质 这种致变物质一般均有致癌的可能性 因此采用细菌作为模型来进行可疑致癌物的筛选 Ames试验过程 组氨酸营养缺陷株 含组氨酸培养基 缺组氨酸培养基 缺组氨酸培养基含待测化学物 接种 回复突变株 无待测化学物 正常细胞 致癌物质诱导 肿瘤细胞 组氨酸营养缺陷株 诱导化学物质95 回复突变株 90 医学应用 Ames试验阳性和致癌之间有十分明显的相关性 诱变剂的