[所有分类]2012 09本噬菌体+ 遗传ppt课件

1、噬菌体噬菌体 概念概念 微生物的病毒微生物的病毒 特点特点 分布广泛分布广泛 结构简单结构简单 胞内寄生胞内寄生 特异性强特异性强 形态与结构形态与结构 三种形态三种形态： 蝌蚪形蝌蚪形 微球形微球形 细杆形细杆形 两种结构：两种结构： 外壳外壳蛋白质蛋白质 保护核酸保护核酸 决定外形决定外形 核酸核酸DNA 双股多双股多 RNA 单股多单股多 噬菌体与细菌的相互关系噬菌体与细菌的相互关系 严格特异性严格特异性 两种后果两种后果 （1） 裂解细菌裂解细菌毒性噬菌体毒性噬菌体 吸附吸附 增殖过程增殖过程 穿入穿入 生物合成生物合成 成熟与释放成熟与释放噬菌现象 液体培养基 混浊 澄清 固体培养基

2、 噬斑（plaque） 一定体积内的噬斑形成单位数目（pfu）一个噬菌体复制增殖裂解形成一个噬菌体复制增殖裂解形成Electron Mcrograph of Bacterial PhageA weakened bac-terial (20,000) cell crowded with viru-ses, has ruptured and released nume-rous virions thatcan then attack ne-arby susceptible ho-st cells. （2） 整合整合温和噬菌体温和噬菌体 temperate phage 不复制不复制 不裂解不裂解 核

3、酸整合核酸整合 前噬菌体前噬菌体prophage整合在细菌染色整合在细菌染色 体上的噬菌体基因体上的噬菌体基因 溶原性细菌溶原性细菌lysogenic bacterium 带有前噬带有前噬 菌体基因组的细菌，正常繁殖菌体基因组的细菌，正常繁殖 噬菌体小结噬菌体小结 概念概念感染微生物的病毒感染微生物的病毒 两种结构两种结构 蛋白质外壳核酸蛋白质外壳核酸 两种类型两种类型 毒性毒性 温和温和 前噬菌体前噬菌体 溶原性细菌溶原性细菌 溶原性转换溶原性转换 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异Bacterial heredity and variation 内容： 细菌的遗传物质细菌的遗传物质 细菌基因

4、表达的调节（自学）细菌基因表达的调节（自学） 基因的转移和重组基因的转移和重组 基因突变（自学）基因突变（自学） 细菌遗传变异在医学上的实际意义细菌遗传变异在医学上的实际意义细菌遗传物质细菌遗传物质染色体染色体（chromosome) 决定细菌基因型决定细菌基因型(genotype)和表型和表型(phenotype) Bacterial Heredity Substances 特点特点 小小 4000个基因个基因 一个复制起始位点一个复制起始位点 基因组连续基因组连续 无内含子无内含子 无组蛋白无组蛋白 基因组重复序列少而短基因组重复序列少而短 Electron Micrograph of A

5、n E.coli DNAAn E. coli bacillus was treated with an enzyme to weaken its wall, then placed in water, causing itsDNA to leak out.(16,000) 2 质粒质粒 Plasmid 特点特点 自主复制自主复制 转移性转移性 结合性质粒结合性质粒性菌毛性菌毛 非结合性质粒非结合性质粒噬菌体噬菌体 决定细菌特性决定细菌特性 致育性致育性 抗药性抗药性 抗原抗原 毒性毒性 与染色体结合与染色体结合 自行丢失自行丢失 不相容性不相容性 结构相似结构相似 密切相关的质粒密切相关的质粒

6、 不能共存于一个宿主菌不能共存于一个宿主菌 3 转座因子转座因子 transposable 在细菌染色体、质粒、或噬菌体之间能改在细菌染色体、质粒、或噬菌体之间能改变自身一段变自身一段DNA序列。序列。 特异性转座酶的作用特异性转座酶的作用 特点特点 原核生物和真核生物都有转座子。原核生物和真核生物都有转座子。 转座序列可沿染色体移动，可在不同染色体间跳跃（跳跃基因）转座序列可沿染色体移动，可在不同染色体间跳跃（跳跃基因） 转座子的发现转座子的发现 40年代年代B. McClintock研究玉米行为遗传学中研究玉米行为遗传学中 发现玉米粒上有色素发现玉米粒上有色素 和斑点的变化，提出生物体基因

7、中和斑点的变化，提出生物体基因中 有可移动的控制因子有可移动的控制因子 （controlling element)。 1952年发表转座子论文年发表转座子论文 1967年年Shapiro从从E.coli中发现了转座子后，中发现了转座子后， Mcclintock的理论引起的理论引起 重视重视 1980年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。 在转座过程中在转座过程中 转座子的一个拷贝留在原来位置上，新位点上出现的仅是拷贝转座子的一个拷贝留在原来位置上，新位点上出现的仅是拷贝 依赖于依赖于DNA的复制的复制两种：两种： 插入序列（插入序列（Insertion Sequence，IS） 分子量最小，结构最简单，

8、分子量最小，结构最简单， 转座效应转座效应 转座子（转座子（transposon，Tn） 结构复杂结构复杂 几个几个10几个基因几个基因 主要基因主要基因 转座基因转座基因 抗药基因抗药基因 Tn3氨苄氨苄 Tn6卡那卡那 Tn4-链链 Tn10四四 IS ISResistance Gene(s)Tn转座酶转座酶重复序列重复序列重复序列重复序列4 整合子整合子 integron, In概念：概念：可移动性基因元件可移动性基因元件,通过位点特异性重组通过位点特异性重组 捕获和整合并表达外源性基因捕获和整合并表达外源性基因 整合子是一种天然的克隆和表达载体整合子是一种天然的克隆和表达载体 分型：分

9、型： 根据含有的整合酶不同进行分型根据含有的整合酶不同进行分型 32种不同的整合酶基因 与细菌耐药性有关 主要有1型2型 3型整合 子 定位：定位：位于染色体位于染色体 质粒质粒 转座子转座子 结构：结构： 两端保守末端中间的可变区两端保守末端中间的可变区 可变序列有一个或多个基因盒可变序列有一个或多个基因盒59碱基元件碱基元件(59 base elements，59be）基因盒基因盒 由一个由一个ORF（通常是耐药基因）（通常是耐药基因）和一个反向不完全重复序列即和一个反向不完全重复序列即59-be 组成组成整合子整合子 两个保守片段即两个保守片段即5端和端和3端保守段组成端保守段组成 5端

10、保守段端保守段 有编码整合酶的有编码整合酶的Int基因、基因、 Int特异重组位点（特异重组位点（attI） 负责基因转录的启动子负责基因转录的启动子P1（Pant）和）和P2The integron mechanism of antibiotic-resistance gene cassette acquisition. The integron integrase is responsible for the integration of circular-resistance gene cassettes. It does this by catalysing site-specific

11、 recombination between the att sites on the gene cassette and the plasmid. Cassette clusters are assembled in linear arrays. AttC, attachment site (cassette); attI, attachment site (integron); intl1, integrase 1; Pant, promoter for gene cassette expression; qac, quaternary ammonium compound resistan

12、ce; sul, sulphonamide resistance 季胺化合物硫胺化合物 整合子有三个部分整合子有三个部分： 整合酶基因整合酶基因 intl1 重组位点重组位点 基因盒基因盒 AttC 整合子整合子 attI 启动子启动子 Pant 表达整合子上的基因盒表达整合子上的基因盒 整合酶：催化基因盒整合到重组位点上整合酶：催化基因盒整合到重组位点上 整合子是一种遗传因素,包含一个能捕获外源基因的位点特异重组系统，这些被捕获的外源基因通常是耐药基因（如编码氨基糖苷类、-内酰胺类、氯霉素、磺胺类等的基因）。这些耐药基因被包含在叫做基因盒的单一的移动单元。整合子由两个保守片段即整合子由两个保

13、守片段即5端和端和3端保守段组成，在端保守段组成，在5端保守段包含有编码端保守段包含有编码整合酶的整合酶的Int基因、基因、Int特异重组位点（特异重组位点（attI）和负责基因转录的启动子）和负责基因转录的启动子P1（Pant）和）和P2，但P2 仅少见于少数整合子。Int位于整合子5保守末端，属于酪氨酸整合酶家族，其编码的整合酶识别两个不同的重组整合位点，即位于整合子上的att位点和位于基因盒的59-be家族成员（attc位点）。位点）。整合酶负责催化att位点和一个59-be位点之间、两个59-be位点之间及两个att位点之间的重组，但两个att位点之间的重组效率比att位点和一个59-

14、be位点之间的重组效率低。3端保守段的结构则因整合子类型的不同而异。基因盒是单一的可移动的基因盒是单一的可移动的DNA分子，通常以环行独立的状态存在。只有当它被整合子捕获并整合到整分子，通常以环行独立的状态存在。只有当它被整合子捕获并整合到整合子中才能转录。基因盒通常不含启动子，但一旦基因盒插入整合子，这个基因就能在合子中才能转录。基因盒通常不含启动子，但一旦基因盒插入整合子，这个基因就能在5端的共同启端的共同启动子动子Pant作用下转录。作用下转录。 基因盒是由一个基因盒是由一个ORF（通常是耐药基因）和一个反向不完全重复序列即（通常是耐药基因）和一个反向不完全重复序列即59-be组成，组成

15、，59-be片段交换位点长度从50 bp 150 bp不等。在反向重复序列的5端有一个长7 bp反向核心位点RYYYAAC；在3端有一个核心位点GTTRRRY（R为嘌呤，Y为嘧啶）。基因盒插入att位点导致基因盒下游的此级位点（attc）的形成。一个整合子可以捕获一个或多个基因盒，被捕获的基因盒5端与att位点，3端的59-be片段与attc位点发生特异重组。整合子-基因盒结构如图13 基因盒的结构3.1 基因盒的结构基因盒是一种可移动性基因元件，可以环状的形式独立存在，也可整合入整合子中而成为整合子结构的一部分1。基因盒的结构如图2，由单一基因(结构基因)和一个整合位点attC组成。由于第一

16、个被发现的由于第一个被发现的attC长度为长度为59bp，所以，所以attC又称为又称为59碱基元件碱基元件(59 base elements，59be)。第四类整合子的attC位点称为霍乱弧菌重复序列(Vibrio cholera repetitive sequences，VCRs)。attC位点的长度为57141bp，是一个不完全的反向重复序列，并含有可被整合酶识别的特异性整合位点。attC位点的两端分别为一7碱基对的保守片段，分别称为核心位点(core site，CS)和反向核心位点(inverse core site，ICS)。核心位点的共同序列为GTTRRRY(R：嘌吟，Y：嘧啶)，

17、核心位点位于attC位点的右侧，互补的反向核心位点序列为RYYYAAC，位于attC位点的左侧。当游离的环状基A：环状基因盒； B：线性基因盒 基因盒的结构因盒在整合酶的催化下与整合子的attI发生位点特异性重组时。 作用：作用：介导和传播细菌耐药性介导和传播细菌耐药性整合子在多种临床耐药菌中广泛存在整合子在多种临床耐药菌中广泛存在 位于转座子和质粒可移动基因元件上，加快耐药基因在细菌中的位于转座子和质粒可移动基因元件上，加快耐药基因在细菌中的播散播散抗生素在养殖业中的广泛使用导致多重耐药的整合子可通过抗生素在养殖业中的广泛使用导致多重耐药的整合子可通过食物食物链链传给人传给人 目前重点研究：

18、整合子在细菌耐药性作用和机制深入研究。目前重点研究：整合子在细菌耐药性作用和机制深入研究。 5 噬菌体基因组噬菌体基因组 基因的转移和重组基因的转移和重组 基因转移基因转移（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外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程 重组（重组（ recombination） 转移的基因与受体菌转移的基因与受体菌DNA整合在一起，使受体菌获得供体菌的性状整合在一起，使受体菌获得供体菌的性状 同源重组同源重组 homologous recombination 紧密相关的紧密相关的DNA之间之间 外源一段单链外源一段单链DNA重组酶重

19、组酶取代宿主菌染色体上的一段取代宿主菌染色体上的一段DNA 非同源重组非同源重组 无关的无关的DNA之间之间基因的转移与重组基因的转移与重组 （gene transfer and recombination）1 1. . 转化转化（transformation）2. 2. 接合接合（conjugation）3. 3. 转导转导（transduction）4. 4. 溶源性转换溶源性转换（lysogenic conversion）5. 融合（融合（fusion）细细 菌菌 的的 遗遗 传传 与与 变变 异异 供体菌游离的供体菌游离的DNA片段直接进入受体菌，使受体菌片段直接进入受体菌，使受体菌获

20、得新的遗传性状。获得新的遗传性状。细细 菌菌 的的 遗遗 传传 与与 变变 异异intoF.Griffiths transformation test细细 菌菌 的的 遗遗 传传 与与 变变 异异细细 菌菌 的的 遗遗 传传 与与 变变 异异接合接合conjugation 细菌通过性菌毛相互连接沟通，将细菌通过性菌毛相互连接沟通，将供体菌的遗传物质转移至受体菌，使受供体菌的遗传物质转移至受体菌，使受体菌获得新的遗传性状的过程。体菌获得新的遗传性状的过程。细细 菌菌 的的 遗遗 传传 与与 变变 异异 只有只有F因子或类似因子或类似F因子传递装置的细菌才能结合，主要的因子传递装置的细菌才能结合，

21、主要的结合质粒有结合质粒有F质粒、质粒、R质粒。质粒。 F质粒接合质粒接合性菌毛性菌毛 F+菌与菌与F-菌接合，质粒菌接合，质粒DNA一股进入受体菌，一股进入受体菌， 两个菌的单股各合成互补股。（雄两个菌的单股各合成互补股。（雄+雌）雌） F+F_Sex pili细细 菌菌 的的 遗遗 传传 与与 变变 异异F+F+F_细细 菌菌 的的 遗遗 传传 与与 变变 异异Electron Micrograph of Bacterial Sex PiliThree bacteria (20,000) in the process of conjuga-ting. Clearly evident are

22、 the sex pili forming mu-tual conjugation bridges between a donor ( upper cell ) and two recipients (two lower cells). F+F_F_Sex pili 细细 菌菌 的的 遗遗 传传 与与 变变 异异 F 质粒质粒Hfr中的中的F质粒有时从染色质粒有时从染色体上脱离下来，有时带有染色体上几体上脱离下来，有时带有染色体上几个邻近基因。个邻近基因。 Hfr R质粒的接合质粒的接合 （耐药性因子）（耐药性因子） 日本首先分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重耐药株日本首先分离到抗多种药物的宋内

23、志贺菌多重耐药株 健康人中大肠埃希菌健康人中大肠埃希菌30%50%有有R质粒，而致病性大肠埃质粒，而致病性大肠埃希菌希菌90%有有R质粒。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 RTF耐药性转移因子，决定性菌毛产生耐药性转移因子，决定性菌毛产生 结构结构 通过接合转移。通过接合转移。 r决定因子决定因子 耐药决定因子，编码对各种耐药决定因子，编码对各种 抗生素耐药。抗生素耐药。T T氨 R质粒决定耐药机制质粒决定耐药机制 R质粒基因编码产生各种酶，使抗生素质粒基因编码产生各种酶，使抗生素水解。如金葡菌水解。如金葡菌耐青质

24、粒耐青质粒产生产生B内酰内酰胺酶胺酶水解青分子的水解青分子的B内酰氨环内酰氨环青霉酸青霉酸失活。失活。 R因子控制细菌细胞膜的通透性，使药因子控制细菌细胞膜的通透性，使药物不物不 能进入菌体。能进入菌体。 控制细菌改变药物的作用部位控制细菌改变药物的作用部位。 转导转导transduction 以温和噬菌体以温和噬菌体 ( temperate phage )作为载体作为载体 (vector) ，将供体菌的遗传物，将供体菌的遗传物质转移至受体菌中，使受体菌获得新的质转移至受体菌中，使受体菌获得新的遗传性状。遗传性状。细细 菌菌 的的 遗遗 传传 与与 变变 异异细细 菌菌 的的 遗遗 传传 与与

25、 变变 异异细细 菌菌 的的 遗遗 传传 与与 变变 异异细细 菌菌 的的 遗遗 传传 与与 变变 异异 两种转导：两种转导： 普遍转导普遍转导generalization transduction 裂解期的噬菌体装配供体菌裂解期的噬菌体装配供体菌DNA的噬菌的噬菌 体感染受体菌后体感染受体菌后,供菌核酸整合到受体菌供菌核酸整合到受体菌. 局限性转导局限性转导 restricted transduction 温和噬菌体介导温和噬菌体介导 受体菌受体菌转导噬菌体转导噬菌体细菌细菌DNA噬菌体噬菌体DNA供体菌供体菌 普遍性转导结果 完全转导 流产转导未整合未整合整合整合 局限性转导局限性转导 r

26、estricted transduction 溶原期和裂解期噬菌体溶原期和裂解期噬菌体 转导的只限于供菌染色体上特定基因转导的只限于供菌染色体上特定基因 溶原噬菌体溶原噬菌体_整合在细菌染色体半乳糖酶整合在细菌染色体半乳糖酶Gal与生物素基因与生物素基因Bio之间之间 理化因素理化因素_裂解期裂解期_噬菌体噬菌体DNA脱离细脱离细 菌染色体菌染色体 正常脱离正常脱离 留细菌留细菌 偏差脱离偏差脱离 噬带菌噬带菌普遍性转导与局限性转导的区别区别要点区别要点普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导基因转导发生的时期基因转导发生的时期裂解期裂解期溶原期溶原期转导的遗传物质转导的遗传物质供体菌染色体供

27、体菌染色体DNA任何部位或质粒任何部位或质粒噬菌体噬菌体DNA及供体及供体菌菌DNA的特定部位的特定部位转导的后果转导的后果完全转导完全转导流产转导流产转导受体菌获得供体菌受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗特定部位的遗传特性传特性转导频率转导频率受体菌的受体菌的10-7转导频率较普遍转转导频率较普遍转导增加导增加1000倍倍(10-4)转导转导 接合接合 转化转化 4 转换转换 是温和噬菌体感染细菌后，是温和噬菌体感染细菌后， 噬菌体噬菌体DNA整合到细菌染色体整合到细菌染色体 如白喉杆菌如白喉杆菌 转换无毒白喉杆菌有毒白喉杆菌噬菌体 融合 原生质体融合Protoplast fusion 细菌形成原生质体 聚乙二醇作用 两菌细胞发生融合 双倍体细胞短期生存 染色体之间发生基因交换 和重组 形成多种不同表型的重组融合体基因来源转移方式transformation供体菌直接摄取conjugation供体菌性菌毛transducti