第五章-细菌的遗传与变异2011.ppt

1、第5章,细菌的遗传与变异,遗传与变异,遗传(heredity)：微生物的性状保持相对稳定，亲代与子代基本相同，且代代相传。变异(variation)：在一定条件下，子代与亲代之间以及子代与子代之间的生物学性状出现的差异。基因型(genotype)：指构成生物遗传基础的基因组成。它决定着生物的遗传特性。表型(phenotype)：在一定条件下，特定基因实际表现出来的各种性状。基因型变异(genotypicvariation)：基因结构发生改变。遗传性变异。表型变异(phenotypicvariation)：细菌在一定的环境条件影响下产生的变异，其基因结构未改变。非遗传性变异。,细菌的变异现象,形

2、态结构的变异菌落变异(S-R)毒力变异(强弱)耐药性变异(敏感耐药),1.形态结构的变异,正常形态细菌细菌L型H-O变异：鞭毛脱落，动力消失,青霉素、溶菌酶,2.毒力变异,增强棒状噬菌体白喉棒状杆菌产生白喉毒素减弱胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核分枝杆菌卡介苗13年(230代),3.菌落变异,S-R变异,S(smooth)菌落,R(rough)菌落,4.耐药性变异,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。,第一节细菌的遗传物质,染色体染色体以外的遗传物质,质粒转座因子噬菌体基因组,1.细菌的染色体,仅由一条环状双链DNA分子组成，

3、聚集形成一个较为致密的区域称为类核(nucleoid)；相对较小，只有一个复制起始位点；具有操纵子结构，由结构基因和调控序列组成；基因连续，结构基因中不含内含子；结构基因在基因组中所占的比例远远大于真核生物基因组，但小于病毒基因组；结构基因多为单拷贝基因。,2.质粒(plasmid),细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA；具有自我复制的能力；编码细菌某些性状特征；可自行丢失与消除；可在细菌间转移；相容性与不相容性。,根据编码的生物学性状进行分类,致育质粒（fertilityplasmid,F质粒）编码性菌毛，介导细菌之间的接合传递；耐药性质粒（resistanceplasmid,R

4、质粒）编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。接合性耐药质粒（R质粒）非接合耐药性质粒（r质粒)毒力质粒(virulenceplasmid,Vi质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子；细菌素质粒编码产生细菌素；代谢质粒编码产生相关的代谢酶。,3.转座因子(transposableelement),细菌基因组中能改变自身位置的一段DNA序列，这种转移可发生在细菌染色体、质粒之间。,插入序列,转座子,转座因子是基因组的正常组成成分，不以独立的形式存在（如噬菌体或质粒DNA）。转座的发生不依赖于转座子和靶位点之间任何的序列同源性，在基因组内由一个部位直接转移到另一个部位。转座以很低的频率发生，而且转座

5、子的插入是随机的。转座因子有时插入到一个结构基因或基因调节序列内，引起基因表达的改变。,插入序列(insertionsequence,IS)最简单的转座因子，不超过2kb；两端有反向重复序列；只携带转座酶（transposase）基因，而不带有任何使细菌表现性状的基因。,转座子(transposon,Tn)除了具有与转座有关的功能外，还携带药物抗性（或其他）标志。长度一般超过2kb，中心区携带药物抗性标志，两侧为由IS元件组成的臂。,转座发生的机制,转座因子插入到一个新的部位的通常步骤是：在靶DNA上制造一个交错的切口，然后转座因子与突出的单链末端相连接，并填充切口。转座的结果是靶部位序列形成

6、了两个正向重复序列。链的切口之间的交错决定了正向重复的长度。反向重复序列标明了转座因子的末端。所有类型转座因子的转座皆需转座酶对末端的识别。,复制型转座（replicativetransposition）：转座的DNA序列是原转座因子的一个拷贝，而不是它本身。转座子作为移动的拷贝，即一个拷贝留在原处，另一拷贝插入到新的靶位点。,非复制型转座（nonreplicativetransposition）：转座因子直接从原位点移到靶位点，同时在供体留下产生一个双链断裂的位点。这个双链断裂位点需要修复系统的识别和修复。,保守转座（conservativetransposition）：转座因子从供体位点上

7、切离，插入到靶位点上，供体位点恢复原状。,一种运动性DNA分子，具有独特结构可捕获和整合外源性基因，使之转变成为功能性基因的表达单位；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。,4.整合子(integron,In),整合子介导的获得耐药基因盒的机制Theintegronmechanismofantibiotic-resistancegenecassetteacquisition,基因盒是较小的、可移动的DNA分子，常以环形独立状态

8、存在。只有被整合子捕获并整合到整合子中才能转录。整合子通过整合酶催化基因盒上的attC位点和整合子上的attI位点之间的位点特异性重组，可以将游离的耐药基因盒整合到自身的染色体上。基因盒在整合子的启动子带动下得以表达。attC，基因盒的重组位点；attI，整合子的重组位点；Pant，基因盒表达的启动子；qac，季铵盐类化合物耐药基因;sul，磺胺类耐药基因。,5.噬菌体基因组,溶原性转换lysogenicconversion,第二节细菌基因表达的调节,操纵子（operon）-原核生物中几个功能相关的结构基因串联排列在一起，与其上游的启动子和操纵基因序列共同构成的一个转录单位。调节基因-位于操纵

9、子上游，编码的蛋白能够与操纵基因序列结合，调节结构基因的表达。,大肠埃希菌乳糖操纵子(lacoperon),抑制基因转录,阻遏蛋白(repressor)与操纵基因结合，阻断启动子与RNA聚合酶结合或结合后不能移动，从而阻止基因转录。,阻遏蛋白与诱导物结合时，迫使阻遏蛋白-诱导物复合物脱离DNA链，去除阻遏蛋白的抑制作用。,促进基因转录,分解物基因激活蛋白(CAP),第三节基因的转移和重组,基因转移(genetransfer)：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。同源重组：发生在紧密相关

10、的DNA之间。在细菌rec基因编码的重组酶作用下，由外源性一段单链DNA取代宿主染色体上一段DNA。非同源重组：发生在无关的DNA之间，在位点专一重组酶的作用下，将缺失或插入的DNA重新连接。细菌的基因转移和重组方式：转化、接合、转导、溶原性转换、原生质体融合。,一、转化(Transformation),小鼠体内肺炎链球菌转化试验,受体菌直接摄取供体菌裂解释放的DNA片段，获得新的遗传性状的过程称为转化。,转化因子（transformingfactors）在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子。影响因素供受菌基因型：亲缘关系愈近，转化率愈高受菌的生理状态：感受态（competence）-生

11、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),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称为接合。能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒。（F质粒、R质粒）,1.F质粒的接合,F质粒（fertilityfactor,致育因子）,F质粒整合到细菌染色体上，形成高频重组株(highfrequencyrecombinant,Hfr)，能高效地转移染色体上的基因至F-菌。,Hfr菌的接合,Hfr菌中的F质粒可从染色体上脱离下来，并携带染色体上几个邻近的基因，故称F质粒。F+、Hfr、F三者均有性菌毛

12、，均可发生接合。,2.R质粒的接合,R质粒(resistanceplasmid)耐药传递因子（RTF):与F质粒功能相似，编码性菌毛，决定质粒的复制、接合及转移。耐药决定因子（r-det)：带有不同耐药基因的转座子。,AmpR,三、转导(transduction),转导是以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得供体菌的部分遗传性状。普遍性转导-转导的DNA可是供菌染色体上的任何部分。完全转导：供体菌DNA片段与受体菌染色体整合流产转导：供体菌DNA片段游离在细胞质中局限性转导-转导的DNA只限供菌染色体上的特定基因。,1.普遍性转导,毒性噬菌体，温和噬菌体均能介导普遍性

13、转导,2.局限性转导,2.局限性转导,温和噬菌体介导局限性转导,四、溶原性转换(lysogenicconversion),细菌因染色体上整合有前噬菌体而获得新的遗传性状称为溶原性转换。,五、原生质体融合(protoplastfusion),将两种遗传性状不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，形成原生质体后，在聚乙二醇（PEG）作用下，使两种不同的细菌细胞发生融合的过程。融合后形成双倍体细胞，可短期生存，染色体之间发生交换和重组。,第三节基因突变,基因突变(mutation)：指由于DNA碱基对的置换、插入或缺失导致基因结构发生变化。,一、基因突变规律,1.自发突变与诱发突变彷徨试验：随机的、非定向

14、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。,自发突变率为一世代109106，诱发突变率达106104。,野生型（wildtype)：从自然界分离的未发生突变的菌株。突变型(mutanttype)：相对于野生型菌株发生某一性状的改变。正向突变：细菌由野生型变为突变型。回复突变(reversemutation)：突变株经过又一次突变可恢复为野生型的性状。抑制突变(suppressormutation)：真正的原位回复突变很少，大多数回复突变都是第二次突变抑制了第一次突变造成的表型，使野生表现型得以恢复或部分恢复。回复突变往往不是基因型回复，而是表型的回复。,2.回复突变和抑制突变,3.突变与选择,耐药突变株在接触抗生素之前已经出现，抗生素的作用仅仅是选择耐药株，淘汰敏感株。,影印试验(replicaplating),二、突变型细菌及其分离,抗性突变型影印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,第五节细菌遗传变异在医学上的实际意义,对细菌学诊断造成困难耐药使得治疗困难制备菌