医学微生物学教学课件：遗传与变异

1、 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异 遗传遗传(heredity)：使微生物的性状保持相对稳定，且代代相 传,使其种得以保存。 变异变异(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。 细菌的变异分为遗传性变异遗传性变异和非遗传性变异非遗传性变异 遗传性变异：遗传性变异：是细菌的基因结构发生了改变，故又称 基因基因 型变异型变异。变异发生后是不可逆的，产生的新性状可稳定地遗传 给后代。 非遗传性变异：非遗传性变异：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，称为表型变异表型变异。当环境中的影响因素去除 后，变异的性状又可复原，表型变

2、异不能遗传. 第一节第一节 细菌的变异现象细菌的变异现象 形态结构的变异 毒力变异 耐药性变异 菌落变异 v细菌的大小和形态细菌的大小和形态在不同的生长时期可不同， 生长过程中受外界环境的影响也可发生变异。 如：鼠疫耶氏菌在陈旧培养物上细菌的多形态 性、细菌L型。 v细菌的特殊结构细菌的特殊结构如：荚膜（肺炎链球菌）、芽 胞（炭疽芽胞杆菌）、鞭毛也可发生变异（变 形杆菌H-O变异） 。 一一. 形态结构的变异形态结构的变异 毒力增强：毒力增强：无毒力的白喉棒状杆菌常寄居在咽 喉部，不致病；当感染了-棒状杆菌噬菌体后 变成溶原性细菌，则获得产生白喉毒素的能力， 引起白喉。 毒力减弱：毒力减弱：有

3、毒菌株长期在人工培养基上传代 培养，可使细菌的毒力减弱或消失。卡介苗 (BCG)是有毒的牛分枝杆菌在含有胆汁的甘油、 马铃薯培养基上，经过13年，连续传230代， 获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异 株。 二二. 毒力变异毒力变异 v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。 v从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的 不断增长是世界范围内的普遍趋势，给临床治 疗带来很大的困难，并成为当今医学上的重要 问题。 三三. 耐药性变异耐药性变异 细菌的菌落主要有光滑光滑(smooth,S)型型和粗糙粗糙(rough,R) 型型两

4、种。S型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐。经人工 培养多次传代后菌落表面变为粗糙、干燥、边缘不整 齐，称SR变异。 SR变异常见于肠道杆菌，是由于失去LPS的特异性 寡糖重复单位而引起的。 变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其它性状 也发生了变化。 S型菌的致病性强，但有少数R型菌的致病性强，如结 核分枝杆菌。 四四. 菌落变异菌落变异 S型菌落型菌落 R型菌落型菌落 第二节第二节 细菌的遗传物质细菌的遗传物质 染色体 质粒 噬菌体 转位因子 细菌染色体 (chromosome) 1 多数细菌基因组由一条双链环状DNA分子 组成，聚集在一起形成“拟核”。 2分子量26Mb，5000500个基因

5、。 3绝大多数细菌不含内含子，结构基因呈单 拷贝，rRNA 基因呈多拷贝。 4 功能相关基因组成操纵子结构。 v细菌染色体以外 的遗传物质，是 环状闭合的双链 DNA。 质粒质粒 (plasmid) 质粒具有自我复制的能力。 质粒DNA所编码的基因产物赋予细菌某 些性状特征。 质粒可自行丢失与消除。 质粒的转移性。 质粒可分为相容性与不相容性两种。 质粒质粒DNA的特征的特征 v重要的质粒： v1)致育质粒（致育质粒（F质粒）质粒）与有性生殖功能关联； v2)耐药性质粒耐药性质粒 （R质粒）编码细菌对抗菌药 物或重金属盐类的耐药性； v 3)毒力质粒（毒力质粒（Vi质粒）质粒） 编码与该菌致病

6、性 有关的毒力因子； v4)细菌素质粒细菌素质粒 编码细菌产生细菌素； v5)代谢质粒代谢质粒 编码产生相关的代谢酶。 噬菌体噬菌体(bacteriophage，phage)：是感染细菌、 真菌、放线菌和螺旋体等微生物的病毒。 噬菌体具有病毒的一些特性：噬菌体具有病毒的一些特性：个体微小，可以通 过滤菌器；没有完整的细胞结构，主要由蛋白质构成 的衣壳和包含于其中的核酸组成；只能在活的微生物 细胞内复制增殖，是一种专性细胞内寄生的微生物。 噬菌体分布极广，凡是有细菌的场所，就可能有相应 的噬菌体的存在。 噬菌体噬菌体 噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状 噬菌体很小，在光镜下 看不见，需用电镜观

7、察。 不同的噬菌体在电镜下有 三种形态：蝌蚪形、微球 形和丝形。大多数噬菌体 呈蝌蚪形，由头部和尾部 两部分组成。 形态与结构形态与结构 蝌蚪形噬菌体结构模式图蝌蚪形噬菌体结构模式图 v毒性噬菌体毒性噬菌体(virulent phage)：在宿主细胞内 复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细 菌。 v温和噬菌体温和噬菌体(temperate phage)：噬菌体基 因与宿主染色体整合，噬菌体DNA能随细菌DNA 复制，并随细菌的分裂而传代。 v毒性噬菌体在敏感菌内以复制方式进行增殖，增 殖过程包括：吸附吸附、穿入穿入、生物合成生物合成、成熟成熟和释释 放放。 吸附吸附 吸附是噬菌体与菌体表

8、面 受体发生特异性结合的过 程，其特异性取决于噬菌 体蛋白与宿主菌表面受体 分子结构的互补性。 毒性噬菌体的复制周期毒性噬菌体的复制周期溶菌性周期溶菌性周期 在液体培养基中，噬菌现象可使浑浊菌液变得澄清。 在固体培养基上，若用适量的噬菌体和宿主菌液混合后接种培 养，培养基表面可有透亮的溶菌空斑出现。一个空斑系由一个 噬菌体复制增殖并裂解细菌后形成，称为噬斑噬斑(plaque),不同 噬菌体噬斑的形态与大小不尽相同 噬斑噬斑 荧光假单胞菌 前噬菌体前噬菌体(prophage): 整合在细菌基因组中的噬菌体基 因组。溶原性细菌溶原性细菌(lysogenic bacterium)：带有前噬 菌体基因

9、组的细菌。 前噬菌体偶尔可自发地或在某些理化和生物因素的诱导 下脱离宿主菌基因组而进入溶菌周期，产生成熟噬菌体， 导致细菌裂解。 温和噬菌体可有三种存在状态：A. 游离的具有感染性 的噬菌体颗粒；B. 宿主菌胞质内类似质粒形式的噬菌 体核酸；C. 前噬菌体。 某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变，这称 为溶原性转换溶原性转换(lysogenic conversion)。 温和噬菌体温和噬菌体 转位因子是一类不依赖于同源性重组可以 在细菌基因组（染色体、质粒和噬菌体） 中一个位置转移到另一个位置的独特的 DNA 片段。亦称跳跃基因或移动基因。 转位因子有三类：插入序列IS)；转座子 (Tn

10、)；转座噬菌体（Mu噬菌体） 。 转位因子转位因子(transposable element) 插入序列(insertion sequence,IS) 1 长度2000bp以下，末端具有反向重复序 列（inverted repeat,IR)。 2 只有转位酶基因，转位酶可识别IR并将基 因解离，插入到染色体、噬菌体或质粒其他 部位。 3 插入后在两端形成小段同向重复序列。 转座子（transposon,Tn) 是一类除了携带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、糖发 酵基因、肠毒素基因等。 复合型转座子: 由二个相同的IS连接在抗生 素抗性基因的两侧构成。容易在染色体、 噬

11、菌体和质粒间转移，是细菌耐药性产生 的原因之一。 Tn3系转座子：在转座有关的基因和抗生素 抗性基因的两端有反向或正向重复序列。 如Tn3 接合型转座子:无末端IR序列或同向重复序 列，在G+球菌（肠球菌）间可通过结合作 用转移。如Tn916 转座子（transposon,Tn) Mu噬菌体 温和噬菌体一般是整合到宿主染色体的一 定位置上。Mu具有转座作用的温和噬菌体， 核酸为线性DNA，可以随机插入宿主DNA 中形成前噬菌体。当前噬菌体切割脱离细 菌染色体时两端可携带宿主DNA的序列。 转位因子的转位方式 保留型转位： 转位因子从原来的位点上删 除下来后，再转移插入到另一位点中去。 复制型转

12、位：转位因子的一个拷贝插到靶 位点，另一拷贝仍然保留在供体体原来的 位置上。 遗传性变异：遗传性变异：是由基因结构发生改变所致， 主要通过基因突变、基因损伤后的修复、基因 的转移与重组来实现。 非遗传性变异：非遗传性变异：是细菌在环境因素等影响下 出现的变化，这种变化不是因基因结构的变化 而产生的。 第三节第三节 细菌变异的机制细菌变异的机制 突变突变(mutation)：是细菌遗传物质的结构 发生改变，并且可以稳定遗传。 自然突变：自然发生，突变率10-10 10-6 ； 突变是随机的，不定向的。 突变的类型 点突变：碱基置换、碱基插入 或缺失；多点突变：染色体重排 一一. 基因的突变基因的

13、突变 彷徨试验彷徨试验(fluctuation test) 影印试验影印试验(replica plating) 诱变剂 可使突变率提高10100倍。常用的物 理因素有紫外线、高温、辐射等；化学因素包 括所用的致突变药物。 回复突变：细菌由野生型变为突变型为正向突 变；突变株经过第二次突变可恢复野生型的性 状，这种第二次突变为回复突变。 回复突变包括基因内抑制和基因间抑制。 常见的突变体 耐药性突变体 ：细菌突变产生了对抗菌药 物抗性。 营养缺陷型突变体：细菌的参与生物合成 酶的基因发生突变，失去合成某种必需代 谢产物的能力，必须依赖外界提供自身不 能合成的物质才能生长。 条件型突变体：在许可条

14、件下细菌生长， 在非许可条件下细菌死亡。如温度敏感突 变体 基因转移基因转移(gene transfer)：外源性的遗传物质由供体 菌进入某受体菌细胞内的过程。基因重组基因重组 (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。 外源性遗传物质：供体菌染色体DNA，质粒DNA及噬 菌体基因等。 细菌的基因转移和重组方式：转化、接合、转导、溶 原性转换、细胞融合。 二二. 基因的转移与重组基因的转移与重组 1. 转化转化(transformation):供体菌裂解游离的 DNA片段转入某受体菌细胞内的过程。 在生物工程研究中，常将带有目的基因的 质

15、粒转化感受态大肠杆菌等。 感受态E.Coli的制备：对数期细菌中加入 0.1M CaCl2冰浴1h。 转化：质粒+感受态菌冰浴30min 4290sec冰浴2min37 液体培养 45min含抗生素培养基培养。 可用电穿孔方法制备感受态菌。 2. 接合接合(conjugation) 接合：接合：是细菌通过性菌 毛相互连接沟通，将遗 传物质（质粒或染色体 DNA）从供体菌转移给 受体菌。能通过结合方 式转移的质粒称为接合 性质粒，不能通过性菌 毛在细菌间转移的质粒 为非接合性质粒。 细菌的耐药性与耐药性的基因突变及R质粒的 接合转移等有关。 R质粒有耐药传递因子(RTF)和耐药决定子(r)两 部

16、分组成。RTF的功能与F质粒相似，可编码 性菌毛的产生和通过接合转移；R决定子能编 码对抗菌药物的耐药性。 R质粒的接合质粒的接合 非接合质粒分子量较小，不能编码性菌毛，因 此不能通过接合传递。如果在宿主细胞内存在 接合性质粒，则可以被诱动传递。如大肠杆菌 素ColE1质粒。 转导：转导：是以温和噬菌体为载体，将供体菌的一 段DNA转移到受体菌内，是受体菌获得新的性 状。 根据转导基因片段的范围，可将转导分为两类： 普遍性转导普遍性转导（转导的DNA可是供菌染色体上的 任何部分）、局限性转导局限性转导（转导的DNA只限供 菌染色体上的特定基因）。 3. 转导转导(transduction) 普遍性转导普遍性转导( generalized transduction) 局限性转导局限性转导( rest