细菌的遗传和变异ppt课件

1、细菌的遗传和变异,由于细菌个体微小、遗传物质较为简单，易于人工培养，繁殖速度快，突变型容易识别和检出。因此，细菌一直被用做研究生物遗传与变异规律的实验材料。,由于细菌个体微小、遗传物质较为简单，易于人工培养，繁殖速度快，突变型容易识别和检出。因此，细菌一直被用做研究生物遗传与变异规律的实验材料。 利用分子生物学技术，构建“基因工程菌”，生产新药、疫苗、食品添加剂，或者用于环保等。,遗传（heredity） 遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其种属得以保存。 变异（variation） 在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代之间的差异称为变异。,细菌的遗传与变异,变异,遗传性变异（

2、基因型变异） 细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或重组，不可逆，可遗传给后代。 非遗传性变异（表型变异） 环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆，不可遗传。,细菌的变异现象,形态、结构变异 毒力变异 耐药性变异 菌落变异,形态结构变异,3-6%食盐鼠疫杆菌多形态性(衰残型)。 琼脂培基,形态结构变异,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),正常霍乱弧菌,霍乱弧菌L型,形态结构变异,特殊结构的变异 42-43炭疽杆菌失去形成芽胞能力, 毒性 10-20天 降低 变形杆菌（H） 1%石炭酸 （O） 迁徙生长 单个菌落,毒力变异,棒状噬菌体白喉棒状杆菌 获得白喉毒

3、素,毒力变异,胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核杆菌卡介苗 13年(230代),耐药性变异,细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。 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%。 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。 含链霉素培基痢疾杆菌依链株(耐药菌株) 长期培养,菌落变异,在陈旧培养基中长期培养光滑型菌落 粗糙型菌落 S 或在有免疫力的人体内 R 失去LPS的特异性多糖重复单位,细菌遗传变异的物质基础,细菌遗传物质DNA,细菌染色体是一个裸露的闭合环状的双链DNA分子，有核蛋白，缺乏组蛋白，无核膜包裹。,细菌基因组结

4、构的基本特征,1、遗传信息在基因组中排列的连续性 绝大部分不含插入序列 2、功能相关的基因组成操纵子 与转录调控有关，经济有效的调控机制 3、结构基因单拷贝及rRNA基因的多拷贝 有利于核糖体的快速组装 4、基因组的重复序列少而短。 反映了基因组结构的经济性和高效性 毒力岛,微生物基因组学,微生物基因组学(Genomics)是利用全基因组DNA序列研究微生物基因及功能的学科。 （1）核苷酸序列测定 （2）微生物基因组结构与功能研究 细菌全基因组序列测定完成后，更重要的任务是鉴定基因及尽可能确定基因的功能，称之为后基因组学。,质粒（plasmid）,质粒是细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链

5、DNA。 自主复制 所携带遗传信息赋予宿主菌某些生物学性状。 几种重要的质粒 致育质粒（F质粒） 耐药质粒 毒力质粒（Vi质粒） 细菌素质粒 代谢质粒,致育质粒（F质粒）,与有性生殖有关 带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛； 无F质粒的为雌性菌，无性菌毛,耐药性质粒,编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。 可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒，又称R质粒 不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通过噬菌体传递。,毒力质粒（Vi质粒）,编码与该菌致病性有关的毒力因子。 如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由ST质粒编码的。 细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。,细菌素质粒,编码

6、各种细菌产生的细菌素。 Col质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素,代谢质粒,编码产生相关的代谢酶。 沙门菌发酵乳糖的能力通常是由质粒决定的,质粒的特征,自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝 紧密型质粒和松弛型质粒 编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与消除 有转移性 可分为相容性和不相容性,转位因子,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，不断改变它们在基因组的位置，能从一个基因组转移到另一个基因组中。,转位因子,插入序列（insertion sequence,IS） 是最小的转位因子，长度不超过2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域，

7、往往是插入后与插入点附近的序列共同起作用，可能是原细胞正常代谢的调节开关之一。,转位因子,转座子（transposon,Tn） 长度一般超过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。因此当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。转座子可能与细菌的多重耐药性有关。,转座子的特征,转位因子,转座噬菌体或前噬菌体 是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状，如白喉棒状杆菌、肉毒梭菌等的外毒素就是由转座噬菌体的有关基因所编码的。另外，转座噬菌体从

8、细菌染色体分离脱落时，可能连带有细菌的DNA片段，故它还可能在遗传物质转移过程中起载体作用。,细菌的变异机制,基因的突变和损伤后修复 突变 基因突变率 DNA的损伤修复,突变（mutation）,点突变（point mutation） 染色体畸变（chromosome aberration） 转换（transition） 颠换（transversion） 移码突变（transhift mutation）,基因突变规律,突变率 自然突变率 诱导突变率 突变与选择 彷徨试验 影印培养试验 回复突变,基因的转移和重组,基因转移 外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移（gene t

9、ransfer） 。 重组 转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组（ recombination），使受体菌获得供体菌的某些性状。 细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合等方式进行。,转化（transformation）,转化是供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。 转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感嗜血杆菌等中被证实。,转化试验,转化,转化因子（transforming principle ） 在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子 ，分子量小于107，最多不超过1020个基因。 感受态（competence） 受体菌只有处于感

10、受态时，才能摄取转化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附DNA的受体.,转化,转化因子吸附在受体菌表面受体上，然后再被摄入 。 解链，一链进入受体菌，另一链为进入提供能量。 重组。 DNA复制重组菌繁殖后，获得新的性状的细菌称为转化菌的突变株。,转化,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DNA）从供体菌转移给受体菌。 接合性质粒：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、Col质粒和毒力质粒。,接合,F质粒的接合 F+F 高频重组菌（high frequency recombination,Hfr） F F+ 、 Hfr、

11、 F都为雄菌,接合,接合,接合,接合,接合,R质粒的接合 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。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。,接合,R质粒 耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF） 与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移 耐药（r）决定子 r-dir能编码对抗菌药物的耐药性，可由几个转座子连接相邻排列，如Tn9带有氯霉素耐药基因，Tn4带有氨苄青霉素、磺胺、链霉素的耐药基因，Tn5带有

12、卡那霉素的耐药基因。,接合,R质粒决定耐药的机制： 使细菌产生灭活抗生素的酶类 R质粒控制细菌改变药物作用的靶部位 R质粒可控制细菌细胞对药物的通透性,转导（transduction）,转导是以转导噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。 普遍性转导（generalized transduction） 局限性转导（restricted transduction）,普遍性转导,前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖，在裂解期的后期，噬菌体的DNA已大量复制，在噬菌体DNA装入外壳蛋白组成新的噬菌体时，在105107次装配中会发生一次装配错误，误将细菌的DNA片段装

13、入噬菌体的头部，成为一个转导噬菌体。转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌，并将其头部的染色体注入受体菌内。因被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分，故称为普遍性转导。,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,局限性转导,局限性转导或特异性转导， 所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。如噬菌体进入大肠埃希菌。,局限性转导,普遍性转导与局限性转导的区别,溶原性转换（ lysogenic conversion）,溶原性转换是当噬菌体感染

14、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致细菌获得新的性状。 白喉棒状杆菌,原生质体融合（protopast fusion),原生质体融合是将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行彼此融合的过程。 聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。 原生质体融合是一种人工基因转移系统，本质上与基因转移无关或关系很小。,细菌遗传变异的实际意义,在疾病的诊断、治疗与预防中的应用 在测定致癌物质中的应用 在流行病学中的应用 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 伤寒沙