细菌的遗传变异

1、 遗 传（heredityheredity） 变 异（variationvariation） 基因型变异 表型变异 遗传与变异是所有生物的共同生命特征 子代与亲代生物学性状基本 相同, ,且代代相传 子代与亲代, ,子代与子代的生 物学性状出现差异 稳定 不稳定 细菌的变异现象 1. 1.形态结构变异-外界环境因素所致 细菌L L型变异: : 荚膜变异(capsule): (capsule): 肺炎链球菌 芽胞变异(spore):(spore):炭疽杆菌 鞭毛变异(flagellum):(flagellum): H-O H-O变异-失去鞭毛的变异 有鞭毛：H H（HauchHauch）菌落。

2、无鞭毛：OO（Ohne hauchOhne hauch）菌落。 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 L型 特殊结构的变异 42-43 炭疽杆菌 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天 特殊结构的变异 变形杆菌 0.1%石炭酸 迁徙生长（H） 点状生长、单个菌落（O） 鞭毛变异 2. 2.毒力变异： (Virulence) 毒力 ：BCGBCG（卡介苗） 毒力 ：白喉杆菌溶原化 3.3.耐药性变异: : (Drug-resistance) 细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异。 金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从

3、1946年的 14%上升至目前的90%。 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 4. 4.菌落变异：(Colony) 特点：S-RS-R变异常伴有其他性状 的变异（毒力，抗原性等）而造 成全面的变异 菌落由光滑（S S）型变为粗糙（R R）型 如肠道杆菌 S-RS-R变异 5 5、抗原性变异( (Antigenicity) 菌体抗原（OO抗原）变异；鞭毛抗原（H H抗原）变异 失去LPS的特异多糖 一、染色体 (chromosome)(chromosome) 二、质粒 (plasmid)(plasmid)

4、 三、转座因子 (transposable element)(transposable element) 四、整合子(integron,In)(integron,In) 五、噬菌体（phage phage ） 基因以操纵子形式存在 转录后不需剪接加工 基因组DNADNA大部分用来编码蛋白质 5.5.结构基因无重叠现象 6.结构基因单拷贝，rDNA多拷贝 7.具有各种功能识别区：复制起始区、终止区等 一、 细菌染色体 操纵子(operon) 结构 编码序列 启动序列 操纵序列 其他调节序列 (promoter) (operator) 乳糖操纵子(lac operon)的结构 调控区 CAP结合位

5、点 启动序列 操纵序列 结构基因 Z： -半乳糖苷酶 Y： 透过酶 A：乙酰化酶 ZYAOP DNA 表达区 基因以操纵子形式存在 转录后不需剪接加工 基因组DNADNA大部分用来编码蛋白质 5.5.结构基因无重叠现象 6.结构基因单拷贝，rDNA多拷贝 7.具有各种功能识别区：复制起始区、终止区等 一、 细菌染色体 1. 1.本质： 能自主复制的染色体 外遗传物质，为环状闭合的 双链DNADNA。 2. 2. 分类： 根据质粒基因编码的生物学性状 致育质粒/F (fertility) /F (fertility) 质粒 编码性菌毛 耐药性质粒 编码细菌对抗菌药物或 重金属盐类的耐药性 毒力质

6、粒/Vi (virulence) /Vi (virulence) 质粒 编码与该菌致病性有关的毒力因子 细菌素质粒 编码各种细菌产生的细菌素 如：Col Col 质粒编码大肠埃希菌产生的大肠菌素 代谢质粒 编码产生与代谢相关的许多酶类 3.3.质粒DNADNA基本特性： A. A. 可自我复制；是一个复制子 B. B. 质粒DNADNA编码的基因产物能赋予细菌 些性状特征 致育性、耐药性、致病性等 C. C. 质粒可自然丢失与消除 自然丢失率1010-2 -210 10-8 -8；可用高温、紫外 线等除去 D. D. 质粒 具有转移性： 接合性质粒 通过性菌毛进行基因传递 非接合性质粒经接合性

7、质粒诱动 或经载 体( (噬菌体) )进行基因传递 E. E. 质粒具有相容性和不相容性 1. 1. 本质：细菌内能改变自身位置的DNADNA序列， 为移动基因（movable genesmovable genes） 2. 2. 转移方式： 通过自身编码产生的转座酶导致 其转移或移位 染色体内移位（A AB B） 染色体与质粒间 不同质粒之间 3. 种类： 插入序列（insertion sequence,ISinsertion sequence,IS） 是最小的转位因子，2kb 重复 序列 Transposase Gene 重复 序列 转座子（transposon, Tn） 2kb，除两端的I

8、S外，还携带与转座无关的耐药性 基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因。 IS ISResistance Gene(s) 转座子介导的转座 变 异 基因型变异 表型变异 基因重组 基因突变 染色体变异 细菌变异的机制 例：溶菌时，裂解的DNADNA片段被另一细菌摄取。 小鼠体内肺炎链球菌 转化试验 死亡 死亡 主要接合性质粒： F F质粒、R R质粒、ColCol质粒、 ViVi质粒 大肠埃希菌与肠道杆菌接合 （电镜扫描图） 作用：编码性菌毛 存在： F+ F+ 菌-含游离的F F质粒 F F 菌-含带宿主菌基因的F F质粒 HfrHfr菌(high frequency recombinan

9、t)(high frequency recombinant) 高频重组菌- F- F质粒整合于细菌染色体中 F F质粒存在的生理状态 F F- - 菌F F+ + 菌 Hfr Hfr 菌 与 F+菌接合 丢失 整合 切离 偏差切离 丢失 整合 与菌接合 1.1.两者结合 2.DNA2.DNA一条链断开，染色体 DNADNA经性菌毛进入F F- - 菌 3.3.接合作用可随时中断（自 发或外界因素），受体菌一 般仍是F F- - 菌 R R质粒 作用：决定细菌的耐药性 结构： 1.RTF (resistance transfer factor) 耐药传递因子 -编码性菌毛，与复制、接合及转 移有

10、关 2.R determinant （r决定子） -编码对抗菌药物的耐药性 结合游离 耐药传递因子 （RTFRTF） r r决定子 IS IS r r决定子 存在 a. a. 复合物形式：RTF- rRTF- r决定子 b. b. 游离形式： 两部分单独存在时无接合传递R R质粒的功能 耐药传递因子 供体菌DNADNA误装入噬菌体 （generalized transduction) 普遍性转导中外源DNADNA的结果 1.1.完全转导： 供体菌的DNADNA与受体菌染色体重组， 随染色体复制而随之传代 2.2.流产转导(abortive transduction): 供体菌的DNADNA与受

11、体菌染色体不能 进行重组, ,转导的片断不能自身复制，也 不能传代 (restricted transduction) - - 前噬菌体从宿主菌染色体上脱落时发 生偏差, ,将前噬菌体两侧的宿主染色体基因转 移到受体菌, ,使受体菌遗传发生改变的过程. . 局限性转导机制 ubio-bio-生物素基因 ugal-gal-糖苷酶基因 正常切离偏差切离 缺陷噬菌体 正常噬菌体 前噬菌体 局限性转导与普遍性转导的主要区别 普遍性转导 局限性转导 转导时间 温和噬菌体裂解期 温和噬菌体溶原期 转导基因 供体菌染色体DNADNA的 噬菌体DNADNA及供菌染色 任何部位或质粒 体DNADNA的特定部位片

12、断 转导频率 低 高 转导结果 完全转导 获得供体菌DNADNA 流产转导 特定部位的遗传特性 原生质体融合 (protoplast fusion)(protoplast fusion) A A 细 菌 B B 细 菌 A A 原生质体 B B 原生质体 重组融合体 不同重组菌 培 养 聚乙二醇 青霉素等 细菌基因转移与重组的几种方式比较 方式 基因来源 转移机制 转化 供体菌 直接摄取 接合 雄性菌 性菌毛沟通 普遍转导 供体菌 噬菌体介导 局限转导 溶原菌 温和噬菌体介导 溶原转换 温和噬菌体 温和噬菌体感染 融合 原生质体 原生质体融合 2. 2. 类型： 碱基置换：转换、颠换 碱基插入

13、 碱基缺失 1. 1. 定义： DNA碱基对的置换、插入或缺失所致的基因结构 的变化，分点突变和染色体畸变。 移码突变 3. 3. 突变规律： 自发突变与诱发突变 突变率 自发突变： 诱发突变：提高1010 10001000倍 突变与选择：突变是随机的，不定向的 试验： 19431943年Luria和Delbruck设计了有名的彷徨试 验( (fluctuation test) )； 19521952年Lederberg等设计了影印培养 (replica plating)。 103/ml 敏感菌 10ml10ml 立即接种37 24h37 24h 含噬菌体平板 含噬菌体平板 37 24h37 24h 回复突变与抑制突变 野生株 (wild strain) 突变株 (mutant strain) 正向突变 回复突变 回复突变原因: : 突变株中的一个抑制基因突变所致. .回复突变可 自发或诱导发生。 回复突变 基因内抑制(intragenic suppressor)(intragenic suppressor) 抑制基因突变发生在同一基因内的不同部位 基因间抑制(extragenic suppressor)(extragenic suppressor) 抑制基因突变发生在不同基因 回复突变基因型模式图 基因型 回复突变机制 菌株 表型 突变前 野生株 敏感 突变