细菌的遗传与变异

细菌的遗传与变异,1、遗传 VS 变异(1)遗传：生命体通过核酸的复制和分配使亲代的性状传递给子代，致使子代与亲代的生物学性状基本相同，且代代相传，遗传使细菌的性状保持相对稳定。 (2)变异：在一定条件下，子代与亲代、子代相互之间，生物学性状发生不同程度的稳定性差异。,A、遗传性变异（基因型变异） 基因结构的改变（基因或转移与重组）引起 的性状变化，这为基因型变异，其可遗传给 子代（稳定？）。B、非遗传性变异（表型变异） 一定环境条件的影响下发生的性状变化，但 基因结构没有改变，此为表型 变异（遗 传？稳定？）； 当环境中的影响因素去除后，表型变异的性状又可复原，且 这种变异不能遗传。,一、细菌的变异现象,形态、结构的变异抗原性变异毒力变异菌落变异耐药性变异,1、形态、结构变异 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。 细菌的特殊结构也可发生变异（外环境？） 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）,A 、 3-6%食盐 鼠疫杆菌多形态性(衰残型) 琼脂培基,NaCl,B、 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),X,正常霍乱弧菌,霍乱弧菌L型,C、特殊结构的变异 4243 炭疽杆菌 失去形成芽胞能 1020天 力、 毒性降低 1%石炭酸 变形杆菌菌落 单个菌落 （ H型，迁徙生长） （O型，失去鞭毛） 鞭毛变异,2、抗原性变异,肠道杆菌多糖重复单位-0抗原属特异性鞭毛H抗原，种的特异性-1相-2相,3、菌落变异： SR变异,细菌菌落的光滑(smooth,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 边缘变为为粗糙、干燥、边缘不整齐的粗糙型 (rough,R) 的现象。 这种变异现象对于从临床标本中分离致病菌时， 该如何挑选菌落具有实际指导意义（？）。,A、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。B、变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其 它性状（理化、抗原性、代谢酶活性、毒力） 也同时发生了变化。C、一般情况下，S型菌的致病性强（？），但有少 数细菌是R型菌的致病性强（？），如结核分枝 杆菌、炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶氏菌。,4、毒力变异增强or 减弱,胆汁、甘油、马铃薯培养基 A、牛型结核杆菌卡介苗 13年、230代 棒状噬菌体B、白喉棒状杆菌 白喉棒状杆菌 （获得白喉毒素基因）,5、耐药性变异当今医学的重要问题细菌对某种抗菌药物由敏感变成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，甚至产生药物依赖性。如： 淋球菌 （用第四代环丝氨酸） 结核 （耐异烟肼） 痢疾菌 （多重耐药菌株，药物依赖性菌株链霉素）,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80%。,A、金葡菌 青霉素 B、耐药金葡菌 甲氧西林 耐药金葡菌 万古霉素,耐万古霉素肠球菌以接合方 式传递,常见致病菌的耐药原因,抗菌药物的作用靶位,耐药性细菌在世界各地的分布,二、细菌遗传变异的物质基础,细菌的遗传物质是DNA，大多为单倍体基因组 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。 染色体DNA染色体外的核酸成份 A、质粒(多型) B、转座元件 C、整合子, 原核类细菌的染色体是几乎裸露的环 状、双螺旋DNA，不含组蛋白, 无核膜 包围，有核蛋白。细菌基因的结构是连续的, 无内含子细菌染色体DNA的复制在大肠埃希菌已 证明是双向半保留复制,1、细菌染色体,基因, 是具有一定生物学功能的核苷酸序列，如编码结构蛋白、酶等 功能。致病岛（毒力岛）：致病染色体上编码与毒力或致病相关因子之（相关）基因的（外源）DNA片段，是分子量较大的基因群。其两末端有重复序列、插入序列或tRNA，可水平传递（自身细胞内、细胞间）,2、质粒,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。据质粒基因编码的生物学性状分为：致育质粒（F质粒）：与“有性” 繁殖有关耐药性质粒：编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。是接合性耐药质粒（经由性菌毛，如R质粒），M大另一是非接合耐药性质粒（？，如噬菌体）， M小一定条件下，接合性可以活化、转导-传递非接合性的或宿主染色体,3)毒力质粒或Vi质粒： 编码与该菌致病性有关的毒力因子 如：金黄色葡萄球菌毒力质粒表皮剥脱素 大肠杆菌pST耐热性肠毒素 pLT不耐热性肠毒素 4)细菌素质粒：编码产生细菌素 含Col质粒的Eco. li.，编码产生大肠菌素5)代谢质粒：编码产生相关的降解酶 如：沙门菌-发酵乳糖能力,质粒DNA的特征质粒是一个完整的复制子，具有自我复制的能力 据其复制的性质分： A、紧密型：拷贝数少，仅与染色体同步复制 B、松弛型：拷贝数多，与染色体复制无关，可随时复制质粒DNA所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征 致育性、耐药性、致病性及生化性状,质粒可自行丢失与消除 但其丢失后，细菌仍存活。质粒的转移性 经结合、转导、转化等方式在细菌与细菌、细菌与 宿主细胞之间进行转移质粒可分为相容性与不相容性 两种结构（复制调控元件）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不相容性。,3、转座元件（转座子）转座子，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（转位），不断改变它们在基因组的位置，能从一个复制子单元转移到另一个复制子单元中。A、一段特异性核苷酸，在自身转座酶的作用下可移动（分子内/间）而变换位置；插入位点无需同源核酸片段，分保留性转位、复制性转位；B、其影响视转位因子本身特征、被整合染色体或质粒的整合后状态；,转座因子有三类A、插入序列（insertion sequence, IS） 三者中最小，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 结构基因等；可随机转位，不能独立复制。可能有顺/反向重复序列，当Tn插入某一基因 时，一方面可引起插入基因失活产生基因突变； 另一方面可因带入耐药性基因而使细菌获得 耐药性。,Tn分为复合型、Tn3系、接合性转座子复合型：ISORFIS;Tn3系：RORFR接合性：-ORF-，经性菌毛的转位转座子可能与细菌的多重耐药性有关。自身游离时也无独立自主复制能力。,转座子示例,4、整合子,整合子是一种运动性的DNA分子，具有独特的结构而可捕获和整合外源性基因，使之转变成为自身表达性基因的表达单位。定位于染色体、质粒或转座子基本结构两端的保守末端中间的可变区：基因盒（多为耐药基因）5保守末端含有功能元件整合酶基因，产物催化基因盒的整合与切除重组位点启动子,三、细菌变异的机制 基因的突变与损伤后修复 基因的转移与重组,突变(mutation)：是细菌遗传物质的结构发生突然、稳定碱基对且可遗传的变异，导致细菌某些性状发生遗传性的变异。DNA的损伤修复：当细菌DNA受到损伤单链时， 细胞会用有效的DNA修复系统进行修复，以保证遗传的稳定性，维持细胞的存活，并使损伤降为最小。,（一）. 基因的突变与损伤后修复,基因突变规律：自发性、独立性、稀少性：突变率低10-10-10-6/代遗传性、不对应性： 突变性状优势存活突变原因自然突变与选择：突变是随机的，不定向的，但可 人为筛选或以理化诱导，提高突变率。可逆性： 恢复突变抑制突变（基因内/外）,彷徨试验(fluctuation test) 选择,The method of a serial dilutions for viable counting,影印试验(replica plating) 选择,基因突变的机制1、自发突变机制（1） 低剂量诱变因素的长期综合效应（2） 碱基结构的变化 互变异构效应 5甲基胞嘧啶自发脱氨作用（3） 环出效应颈环跳跃,2、人工诱变机制（1）碱基对置换： 转换嘌呤间、嘧啶间 颠换嘌呤与嘧啶间（2）移码突变（3）缺失或插入突变（4）紫外线的诱变机制 骨架断裂、嘧啶水解、胸嘧啶二聚体,DNA的损伤后修复1、光修复： 紫外诱变或杀伤可见光能光复活酶2、切除修复 UvrC两切口（单链）合成连接3、重组修复A、跳跃复制缺口重组Pr.借用完整 母链片断连接修补缺失母链B、突变母链仍以切除修复4、SOS修复倾向差错的修复 DNA大范围损伤的应急反应,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、细胞融合。,(二). 基因的转移与重组,1. 转化(transformation),转化是供体菌裂解游离的DNA片段转入某受体菌细胞内的过程自然、人工。发生事件：宿主菌处于感受态（解链期）自然发生时大多是导入一条链，同源重组生成异源双链；人工时大多是超螺旋双链，不一定发生同源重组（游离）影响因素供受体细胞之核酸的同源性，受体菌的生理状态（感受态），带正电荷（+）外围离子氛（强度）：Ca2+ 、Mg2+、cAMP,2. 接合(conjugation),接合：是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒一条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。,F质粒：自orit 5切割单链并传递该单链,高频重组菌（Hfr）一小部分F质粒可整合入受体菌染色体 DNA而 随同复制，此菌即高频重组菌（Hfr），但该细 菌可高效转移其染色体上的基因。F质粒整合入受体菌染色体 DNA的末端，对基 因转移起发动功效。F质粒可从Hfr的染色体上脱离而终止其Hfr状态， 同时F质粒可带下原Hfr染色体上的的几个基因， 形成新的质粒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。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。R质粒与耐药性有关，尤其与多重耐药性有关。耐药质粒可从一个细菌转移到另一个细菌中。,R质粒的接合,R质粒有耐药传递因子(RTF)和耐药决定子(r-det)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-det决定子能编码对抗菌药物的耐药性。传染性耐药因子：R质粒有时可诱导非接合性耐药质粒经性菌毛传递,转导：是以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，是受体菌获得新的性状，片段大于转化。根据转导基因片段的范围，可将转导分为两类（见P66表）：普遍性转导（转导的DNA可为供菌染色体上的 任何部分）：完全转导、流产转导局限性转导（转导的DNA只限供菌染色体上的 特定基因）。,3. 转导(transduction),普遍性转导可为供体菌染色体的任一部分,局限性转导( restricted transduction),普遍性转导与局限性转导的区别,4. 溶原性转换(l