八年制第5章细菌的遗传与变异2012

1、Chapter 5Heredity and variation of bacteria,本章学习要点 1.细菌的遗传物质与特征； 2.噬菌体的概念及应用； 3.细菌基因突变及类型； 4.细菌基因转移的方式和相关概念。,The phenomenon of bacterial variation,Variation in morphology and structure lose capsule ( Pneumococcus) H O Lose Spore L-form,Variation,Variation in virulence Bovine TB BCG 13years, 230 gene

2、ration C. diphtheriae b-corynephage, diphtheriae toxin,Variation,Variation in drug resistance Penicillin resistant strains of staphylococcus aureus Variation in colony S-R Variation in antigenicity Influenza virus,Genetic materials about bacterial variation,Chromosomes染色体 Plasmids质粒 Transposable ele

3、ments转座元件 Phage噬菌体 integron整合子,为双螺旋环状DNA长链，附着在横隔中介体或细胞膜上，长约10001300m，约30005000个基因，编码2000多种酶和其它结构蛋白。 细菌染色体与真核细胞染色体不同，除 rRNA基因是多拷贝以外，其余为单拷贝，很少有重复序列，基因结构连续，无内含子，RNA分子转录后不必再加工。 目前已完成几十种细菌的基因测序工作。,1. Chromosomes,Size E.coli 1300mm, 4,288gene Rolling-circle pattern of replication,2. Plasmids,是细菌染色体以外能进行自主

4、复制的遗传物质，为闭合环状的双链DNA分子，存在于胞质中，决定细菌的某些生物学性状，但不为细菌生长繁殖所必须。 质粒的大小范围为1Kb1000Kb（ 40kbp为大质粒）。 特性： Small double-stranded DNA molecules, usually circular exist independently of host chromosome autonomously replicating may disappear spontaneously or by induction (UV) compatibility and incompatibility,plasmid,

5、类型： Fertility plasmid, F质粒编码性菌毛 Resistance plasmid, R质粒使细菌产 生耐药性 Coliciogenic plasmid ，Col质粒编码细菌素 Virulence plasmid Vi质粒与细菌毒力有关 转移特性： Conjugative接合性质粒： 40-100kbp， e.g. F质粒、R质粒、Col质粒、毒力质粒等 Non-conjugative 非接合性质粒： 分子量小，无编码转移体系所需基因。 15kbp, transfer by mobilization，e.g. Col plasmid,3.transposable elemen

6、t转座因子,是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间自行转移位置的独特DNA片段，是细菌可移动的遗传物质，包括插入序列和转座子。 （1） insertion sequence （ IS，插入序列）是细菌染色体、质粒和某些噬菌体的正常组分，为最简单的一类转位因子。大小约7501,550bp。 IR:反向重复序列； Tnp：编码转位酶,（2） transposon （转座子Tn） 是一类除携带有与转座作用有关的基因外，还携带有其他基因（如耐药性基因）的转位因子。大小约2,00025,000bp。 Tn 的两侧为IS或重复序列，中间为转座功能相关的基因和抗生素抗性等基因组成。很容易将携带的耐药性基因在细

7、菌的染色体和质粒之间转移，导致耐药性基因的播散，是自然界中细菌耐药性产生的重要原因之一。 IR:反向重复序列；-Lac：内酰胺酶 TnpA：编码转位酶； TnpR：抑制基因,4. Bacteriophage, phage 噬菌体,Definition Virus of bacteria, fungi, actinomyces, and spirochete 是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。 1915年， Twort发现葡萄球菌菌落产生透明斑。1917年， dHerelle发现加有污水滤液的痢疾杆菌菌液由混浊变为清亮。因而将感染细菌并能使细菌裂解的病原因子称为噬菌体。,T4 ba

8、cteriophages infecting E.coli.,characteristics,viral common properties：smallest ，simple structure DNA/RNA parasite in living cell widespread existence high host specific parasitism 体积微小：必须电镜观察，能通过滤菌器 结构简单：无细胞结构，仅有蛋白加核酸 严格的活细胞内寄生 严格的宿主特异性 分布广泛,Biological properties,1. Shape and structure 三种形态: Tadpol

9、e （蝌蚪型） microsphere (微球形) rod (丝形） 结构： head（core-DNA/RNA ， capsid ） sheath tail（ pipe-like ， protein coat ， base plate， tail fiber ）,2. Composition Nucleic acid核酸+ Protein蛋白质 核酸单一核酸（DNA或RNA），单股或双股（ss、ds). 蛋白构成外壳及尾部结构 3. antigenicity抗原性 能刺激机体产生特异性抗体。 4. resistive抵抗力 比细菌繁殖体强，耐低温，冰冻，对一般化学消毒剂有抵抗力，对紫外线敏感

10、。 Bacteria 75, 30 ，sensitive to rays 噬菌体根据其对宿主细胞的作用特点可分成 Lytic or virulent phage毒性噬菌体（ e.g., T4 ） Lysogenic or temperate phage温和噬菌体（ e.g., l ）,Virulent phage毒性噬菌体,Phage that can only multiply within bacteria and kill the cell by lysis. 能在宿主细胞中复制增殖，产生子代 噬菌体，并最终裂解细菌。 virulent phage multiplication cycl

11、e attachment吸附：噬菌体与细菌表面受体发生特异性结合的过程 penetration穿入：噬菌体核酸进入宿主细胞的过程 biosynthesis生物合成：噬菌体利用宿主细胞的原料，合成 自身的核酸和蛋白质 maturation release成熟与释放：将合成好的核酸和蛋白质按一定程序装配成完整的成熟噬菌体，最终细胞破裂，噬菌体释放出来。,Bacteriophagia 噬菌现象,液体培养基混浊菌液 澄清 固体培养基plaque 噬菌斑 噬菌体数量测定法plaque forming unit 噬斑形成单位（ pfu）,温和噬菌体Temperate Phage,temperate pha

12、ge (lysogenic phage): 侵入菌细胞后，噬菌体的基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但可随细菌DNA的复制和细菌分裂而传代。 毒性噬菌体（virulent phage): 侵入菌细胞后,在其中增殖引起细菌裂解，释放大量子代噬菌体。 其复制周期包括两种: lysogenic cycle 溶原性周期 lytic cycle 溶菌性周期,prophage: 整合在细菌基因组中的噬菌体基因组,溶原性细菌,phage,prophage（前噬菌体）整合在细菌基因组中的噬菌体基因。 lysogenic bacterium（溶原性细菌）带有前噬菌体基因的细菌。 lysogen（溶原性）

13、产生成熟子代噬菌体及溶解细菌细胞的潜在能力。,lysogenic cycle （溶原性周期）噬菌体基因整合在染色体上随细菌分裂传代。 lytic cycle （溶菌性周期）噬菌体基因直接复制繁殖产生子代噬菌体并使菌细胞破裂。 lysogenic conversion（溶原性转换）当温和噬菌体感染宿主菌使之溶原化时，由于噬菌体基因整合于宿主菌染色体上，而使宿主菌获得新的遗传性状的现象，称之为溶原性转换。,5整合子integron,1989年Strokes和Hall首次提出其概念。 整合子是一种运动性的DNA分子，具有独特结构可捕获和整合外源性基因，使之转变为功能性基因的表达单位。它通过转座子或接

14、合性质粒，使多重耐药基因在细菌中进行水平传播。整合子存在于许多细菌中，定位于染色体和质粒或转座子上，是细菌固有的一种遗传单位，并通过捕获外源性基因来增强细菌生存的适应性。,整合酶基因、重组位点和启动子,Mechanism of variation,Phenotypic variation（表型变异或非遗传性变异）基因结构正常，由环境因素的改变诱导生物学特性发生改变。 Genotypic variation（遗传性变异）基因结构发生改变，导致生物学性状发生改变，又称基因型变异。 变异的方式包括： Mutation突变 Gene transfer and recombination基因转移与重组,

15、Mutation,a stable heritable change of bacterial gene （changes in DNA sequences） 指遗传物质的结构发生了突然而稳定的改变，而引起的遗传性变异。 根据DNA片段变化的大小，可分为大突变和小突变。 micromutation小突变： Base substitutions, deletions, insertions, rearrangements DNA序列上个别碱基置换、插入、缺失影响到一个或几个基因改变，又称point mutation点突变 macromutation大突变：染色体上一段DNA分子的插入或丢失，引起

16、chromosomal aberration染色体畸变。,突变的机制与规律 突变可自发，也可诱发，均具有一定的突变率，其机制与规律不同。 自发突变：106109 诱发突变：104106,1. Spontaneous mutation,特点： 自发突变表现为随机性与不定向性。 突变是随机的、自发的，不是由外界因素诱导产生的。,耐药性变异中药物的筛选作用。（影印培养试验）,Without antibiotic,With antibiotics,Without antibiotic,Drug resistants grow,2.induced mutation,由诱变剂（化学、物理和生物因素）诱发的

17、突变，称为诱发突变。 诱变剂的种类多，诱发突变率高。 化学诱变剂一般均有致癌的可能性，检测一种物质是否为致癌物可用Ames 试验,Ames试验 野生型菌 突变型菌 组氨酸营养缺乏型鼠伤寒沙门菌(His-)在无组氨酸的培养基中不能生长,当回复突变成His+后,则能在该培养基中生长。诱导剂可诱导细菌回复突变。应用这一试验可检测物品是否有诱发突变作用。,mutagen,Test chemical,常见的突变类型,resistant mutation 抗性突变 nutrient deficient mutation 营养缺陷性突变 virulence mutation 毒力突变 conditional

18、 lethal mutation条件致死性突变,二、 Gene transfer and recombination,外源性遗传物质由donor bacteria供体菌转入某recipient bacteria受体菌细胞内的过程，称为gene transfer 基因转移。转移的基因与受体菌DNA整合在一起，称为recombination重组。,基因转移 与 重组方式,Lysogenic conversion溶原性转换,Conjugation接合,Transduction转导,Transformation转化,protoplast fusion细胞融合,1.transformation,reci

19、pient bacteria takes up exogenous DNA of donor bacteria(供体菌游离的DNA片段直接进入受体菌,使受体菌获得新的遗传性状),称为transformation转化. 经典试验1928年Griffiths experiment(肺炎球菌转化试验),1994年，Avery等,2.conjugation,bacterial DNA is transferred from donor bacteria to recipient bacteria by F pilus. Hfr(high frequent recombinant bacterium )

20、 细菌通过性菌毛相互连接沟通，将质粒或染色体的DNA从供体菌转移给受体菌的过程，称为接合。 接合与转化不同，需要供菌与受菌之间通过中空的管道（即性菌毛）连接将遗传物质从供菌转移给受体菌。性菌毛的产生由质粒基因编码。,接合质粒的转移方式 F plasmid （fertility factor, F质粒）接合 F质粒又称为致育因子 F+ (雄性菌） F-（雌性菌） F+,F plasmid,Hfr, high frequency of recombination,Physiological States F plasmid,F plasmid,高频重组菌 （high frequency recombinant, Hfr）,Conjugation with a F plasmid, Resistance plasmid ( drug resistance R质粒)接合 耐药性质粒有两部分组成： resistance transfer factor （ RTF耐药性传递因子)编码性菌毛。 R determinant（耐药决定因子）携带耐药基因。,3.transduction,以温和噬菌体为媒介，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新性状。 普遍性转导 其转移方式有两种,局限性转导, Generalized transduction普遍性转导,普遍性转导