第五章-遗传与变异.ppt

第五章细菌的遗传和变异,概述,遗传（heredity）子代对亲代的模仿性和继承性变异（variation）子代对亲代模仿性的差异类型遗传型变异：又称基因型变异非遗传性变异：又称表型变异,遗传性变异（基因型变异）非遗传性变异（表型变异）,遗传物质类型,核染色体,核外染色体,真核生物细胞器,原核生物质粒,遗传物质在微生物细胞内的存在部位和方式,基因是一段DNA/RNA,基因是什么？,基因决定生物体的生、长、病、老死等一切生命现象,基因是生命的密码。,基因记录和传递遗传信息。,DNA,一、细菌的变异现象,形态结构变异：L型；特殊结构的变异（荚膜、芽胞、鞭毛H-O变异）抗原性变异：O和H抗原的变异菌落的变异：S-R变异毒力变异：毒力增强和减弱耐药性变异：细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药多重耐药菌株其它：营养缺陷突变、条件致死性突变、发酵阴性突变,一细菌的变异现象,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,形态结构变异,3-6%食盐鼠疫耶氏菌多形态性陈旧培基物,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),L型细菌典型的油煎蛋样菌落,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）,H-O变异,薄膜,无薄膜,细菌的变异现象,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边为粗糙、干燥、边缘不整齐，称S-R变异S-R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,S型菌落,R型菌落,S(smooth)菌落,R(rough)菌落,S-R变异,结核杆菌的干燥型菌落,毒力变异,毒力增强：,毒力减弱：,有毒力的牛型TB,卡介苗(BCG),细菌的变异现象,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。含链霉素培基痢疾杆菌依链株长期培养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,细菌的变异现象,其它：营养缺陷突变：细菌由原来能合成某种营养物质的原养型突变为不能合成该物质的营养缺陷型如his-缺陷型条件致死性突变：突变的菌株在某种特定条件下不能存活，而在另一适当条件下可正常生长，如温度敏感突变株（Temperature-sensitivemutant,ts株）发酵阴性突变：突变后由于某种酶的缺陷失去发酵某种糖的能力,二与细菌变异相关的物质,染色体质粒噬菌体转座子整合子,双股闭合环状，按一定构型反复回旋形成松散的网状结构，附着在横隔中介体或胞膜上，储存细菌的遗传信息，是细菌生命必不可少的成分,1.细菌染色体(bacterialchromosome),无组蛋白，无核膜，基因结构连续,dsDNA，无组蛋白，相对较小（3.25106bp），一个复制起始位点；复制快：105bp/min无内含子，为连续基因，不编码的DNA少；重叠基因少；结构基因多是单拷贝（编码rRNA的rDNA除外）；单倍体：突变后更易表现；功能相关的几个结构基因组成操纵子，转录一条mRNA，再分别合成各自的蛋白质。,细菌染色体的特征,DNAburstsfromthistreatedbacterialcell,大肠杆菌基因组,4288个基因，4.7106bp,遗传信息的连续性,功能相关的结构基因组成操纵子,基因的重复序列少而短,原核生物基因调控系统,操纵子（operon）：原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联排列组成的一个基因表达的协同单位（DNA序列）,一个操纵子=编码序列（2-6）+启动序列+操纵序列+(其他调节序列),乳糖操纵子的发现：细菌以葡萄糖为能量来源葡萄糖充分时：与葡萄糖代谢有关的酶基因-表达与其他糖代谢有关的酶基因-关闭葡萄糖耗尽时，乳糖存在（培养基）：与乳糖代谢有关的酶基因-表达与葡萄糖代谢有关的酶基因-关闭,I,P,O,Z,Y,A,控制位点结构基因,DNA,阻遏蛋白,启动子,操纵基因,半乳糖苷酶,通透酶,乙酰基转移酶,乳糖操纵子（lactoseopron）结构,RNA聚合酶结合位点,调控基因,2.质粒（plasmid）,细菌染色体外的遗传物质，闭合环状双股DNA分子，决定细菌的某些遗传性状，但不是细菌必不可少的成分。,特性编码细菌的某些遗传性状具不依赖染色体的自我复制能力（严紧型/松弛型）可自行丢失和消除可在细菌之间相互转移具有相容性和不相容性,致育性质粒/F质粒(fertilityplasmid):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，分接合性耐药质粒（R质粒，resistanceplasmid）和非接合性耐药质粒（噬菌体传递）细菌素质粒(bacteriocinPlasmid)：编码各种细菌素，如大肠杆菌的Col质粒，编码大肠菌素毒力质粒/Vi质粒(virulenceplasmid)：编码与致病性有关的毒力因子如ST质粒、LT质粒代谢质粒(Metabolicplasmids)：编码产生与代谢有关的酶,质粒的种类,质粒(plasmid),可通过接合、转化或转导等方式在细菌间转移接合性质粒带与接合传递相关的基因，较大，40100kbp，如F质粒。非接合性质粒不能通过接合传递，较小，15kbp，可通过与之共存的接合性质粒的诱动或噬菌体转导传递。,质粒(plasmid),不相容性(incompatibility)：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。相容性：几种不同的质粒同时共存于一个菌细胞内的现象。,质粒(plasmid),3.噬菌体(Bacteriophages或phage),噬菌体：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。噬菌体遗传物质可在其感染的宿主菌之间和宿主菌与噬菌体间传递，且赋予宿主菌某些性状。噬菌体具有病毒的特性。,噬菌体(Bacteriophages),噬菌体感染细菌有两个结果：噬菌体在宿主菌内增殖后使宿主菌裂解，释放的噬菌体再感染其他敏感细胞。建立溶菌性周期毒性噬菌体噬菌体感染细菌后不增殖，其核酸整合到细菌染色体上，随细菌染色体的复制而复制，并随细菌分裂而分配至子代细菌的染色体中，建立溶原性周期温和噬菌体,4.转座因子(transposableelement),转座因子：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序列转座(transposition)内源性转座子插入突变外源性转座子基因转移和重组。转座子分类：插入序列(insertionS,IS)转座子(Tn)或复合转座子(complexTn),转座子(transposon),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。转座子(Tn)或复合转座子(complexTn)：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。复合转座子是由一个编码功能基因的中心序列及两侧臂购成的Tn。,转座子(transposon),Tn携带的耐药性基因在细菌的染色体和质粒间或质粒之间转移，导致耐药性基因的传播是自然界中细菌耐药性产生的重要原因之一。,转座子转座示意图,flash,转座子结构示意图,转座子的类型,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1983,forherdiscoveryofmobilegeneticelements,BarbaraMcClintock(1902-1992),5.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,三细菌变异的机制,两种类型基因突变（genemutation）基因转移（genetransfer）与基因重组（generecombination）,(一)基因突变：细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变按突变的范围分：点突变和染色体畸变按突变的发生机理分：碱基置换和移码突变按突变的原因分：自发突变和诱发突变基因突变的规律突变率随机突变和不定向选择回复突变：突变株恢复野生型的性状,回复突变和抑制突变（reversemutation,suppressormutation）,回复突变并没有纠正正向突变的DNA序列，而只是抑制了正向突变的效应，故称抑制突变，以区别真正的原位回复突变到野生株。,影印试验(replicaplating),影印平板：自发的，随机的，非诱导的药物仅起选择作用,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。,彷徨试验：,（二）基因转移和重组,细菌基因转移和重组的类型转化接合转导溶原性转换原生质体融合,1.转化（transformation）,步骤DNA的获取重组,受体菌直接摄取供体菌游离的DNA片段并整合到自己的基因组中，从而获得新的遗传性状,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,受体细胞能接受转化的生理状态称为感受态，只有处于感受态的细菌才能接受转化因子，从出现到消失约为分钟(对数期的中期),感受态,感受态出现原因,细菌失去部分细胞壁的结果,细菌在细胞表面产生某种引起,感受态的决定决定因素,细胞遗传性决定,和菌龄有关,环腺苷酸cAMP可提高1000倍,Ca2+、Mg2能促使细胞进入感受态,感受态因子,是受体细胞表面上的一种蛋白质,功能使转化因子结合在受体细胞表面,以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA片段转移到受体菌内，使受体菌获得新的遗传性状据转导基因片段的范围，可分为普遍性转导：完全转导、流产转导局限性转导,2.转导（transduction）,普遍性转导,普遍性转导,完全转导外源性DNA片段与受体菌的染色体整合，并随染色体而传代，称完全转导流产转导外源性DNA片段游离在胞质中,既不能与受体菌染色体整合，也不能自身复制，称为流产转导,普遍性转导(generalizedtransduction),局限性转导(restrictedtransduction),前噬菌体从宿主菌染色体上脱离时发生偏差，浆其两侧的宿主染色体基因转移至受体菌，使受体菌遗传性状发生改变,普遍性转导与局限性转导的区别,3.溶原性转换(lysogenicconversion),当温和噬菌体感染细菌时，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，而使细菌获得新的性状。白喉,4.接合(conjugation),两个细菌通过性菌毛相互接触，使供体菌的遗传物质转移到受体菌内，从而改变了受体菌的遗传性状接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒包括：F质粒、R质粒,F质粒的结合,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,F,F,F,F,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合转移；R决定子能编码对抗菌药物的耐药性。,R质粒的接合,StructureofRFactors,RTF(ResistanceTransferFactor)carriesthetransfergenes.,RdeterminantResistancegenesTransposons,三者根本区别在于DNA转移的方式不同,转化：供体DNA片断受体细胞，通过细胞膜,接合：供体进入受体通过性菌毛,转导：供体DNA片断通过媒介噬菌体携带进入受体,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,原生质体融合(protoplastfusion),两种不同的细菌失去细胞壁成为原生质体后彼此融合,第四节微生物遗传变异在医学上的应用,微生物遗传变异在医学上的应用,在疾病的诊断、治疗与预防中的作用。微生物基因组研究。在测定致癌物质中的应用。在流行病中的应用。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，使得诊断复杂化如金黄色葡萄球菌的耐药性菌株增加，绝大由金黄色变成灰白色，血浆凝固酶阴性的葡萄球菌也成为致病菌，给诊断带来困难；伤寒沙门菌有10%不产生鞭毛，检查无动力，无H抗体，影响正确判断。耐药菌株日益增多，因此以药敏实验为指导减毒菌株和无毒株可制备成疫苗,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（PEP）对噬菌体的敏感性，对细菌素的敏感性,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实验鼠伤寒沙门菌（his-）（his+）,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得新性状的原理设计的切取目的基因连接到载体上转移到工程菌内，大量表达目的基因产物目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、rIL-2等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品,基因工程：,思考题,名词：质粒、转座因子、转化、转导、溶原性转换、接合细菌的遗传物质有哪些质粒的特性细菌基因转移和重组的方式名词：噬菌体、毒性噬菌体、温和噬菌体、前噬菌体、溶原性细菌噬菌体的特性噬菌体的溶菌过程,酵母菌基因组,染色体,长度Kb,基因数,1,2,3,4,5,6,7,8,染色体,长度Kb,基因数,439,745,666,1078,924,784,1092,948,230,423,173,814,292,136,573,291,231,387,334,550,487,421,571,499,13,10,27,13,10,33,11,10,24,16,22,21,15,20,17,4,第三节病毒的遗传和变异,病毒的遗传与变异,一.遗传型变异机理：基因突变和基因重组（一）基因突变1.条件致死性突变株2.宿主适应性突变株：例如狂犬病病毒在兔脑传代培养，使之在兔脑内增殖，并由“衔毒”变为“固定毒”，可制备狂犬疫苗。3.蚀斑突变株：产生与野生型不同的蚀斑。4.抗药性突变：5.缺陷干扰突变株,条件致死性突变株：指病毒突变后在特定条件下能生长，而在原来条件下不能繁殖而被致死。主要有：温度敏感性突变株（Temperature-sensitivemutant,ts株），又称冷适应株，在特定温（2835）下孵育则能增殖，在非特定温度（3740）下孵育则不能繁殖，而野生型在两种温度均能增殖。显然是由于在非特定温度下，突变基因所编码的蛋白缺乏其应有功能。因此大多数ts株同时又是减毒株。现已从许多动物病毒中分离出ts株，选择遗传稳定性良好的品系用于制备减毒活疫苗，如流感病毒及脊髓灰质炎病毒ts株疫苗。是得到减毒疫苗一种方法,病毒的遗传与变异,（二）基因重组1.概念：几种不同而又有亲缘关系的病毒感染同一病毒时，发生遗传物质交换，称