遗传和变异2012上药本

1、 细菌的遗传和变异细菌的遗传和变异 概念概念 性状性状? 遗传遗传heredity细菌在适宜环境中增殖，通细菌在适宜环境中增殖，通 过过DNA 复制把性状传给子代复制把性状传给子代 亲代亲代-子代子代 相似相似 变异变异variation外界环境发生改变或不改变外界环境发生改变或不改变, 细菌细菌DNA改变或不改变，原改变或不改变，原 有性状改变有性状改变 亲亲子子 差异差异 第一节细菌遗传和变异的物质基础第一节细菌遗传和变异的物质基础 染色体染色体 chromosome, 质粒质粒 plasmid， 转座子转座子 transposon 整合子整合子 Intergron 噬菌体噬菌体 基因组基

2、因组 phage genome（一）（一） 染色体染色体 特点特点 DNA环状双螺旋环状双螺旋 几乎裸几乎裸DNA分子分子 无组蛋白无组蛋白 几乎无内含子几乎无内含子 双向半保留复制双向半保留复制 会变异会变异?错误率约为10 9 ，即每连续 10 9 个核苷酸才可能.纠错能力？纠错能力？ 2002年68种细菌完成测序种内和种间有广泛的基因片段交换。 和种间有广泛的基因片段交换 （二）（二） 质粒：质粒：染色体外遗传物质染色体外遗传物质 , 闭合环形双股闭合环形双股DNA 并非必需并非必需 质粒 1自我复制自我复制 autonomous replication 紧密型：拷贝数低紧密型：拷贝数低

3、 松弛型：拷贝数高松弛型：拷贝数高 2编码功能编码功能 3非必需非必需,自发消失自发消失 4能转移能转移 5相容和不相容相容和不相容 bacterium can carry one or several plasmid 1致育质粒或致育质粒或F质粒：质粒：fertility plasmid2耐药性耐药性R质粒：质粒： resistance plasmid3毒力质粒或毒力质粒或Vi质粒：质粒： 大肠大肠 肠毒素肠毒素 炭疽炭疽 毒素毒素4细菌素质粒：如大肠细菌素质粒：如大肠col质粒质粒5代谢质粒：编码与代谢有关的酶代谢质粒：编码与代谢有关的酶 如如 沙门菌发酵乳糖能力沙门菌发酵乳糖能力（三）转

4、座子（三）转座子(transposon,Tn(transposon,Tn转座因子）转座因子）转座子转座子: 染色体、质粒或噬菌体之间能改变自身位置的染色体、质粒或噬菌体之间能改变自身位置的一段一段DNA序列。序列。转座子和突变转座子和突变 特点：特点： 随机转移随机转移 在染色体或质粒或噬菌体在染色体或质粒或噬菌体 基因转移和重组基因转移和重组 外源性转座子外源性转座子 插入突变插入突变 内源转座子内源转座子 不能独立复制不能独立复制 靠染色体靠染色体 插入序列（插入序列（Insertion Sequence，IS） 分子量最小，结构最简单，小于等于分子量最小，结构最简单，小于等于2Kb 仅携

5、带转座酶基因仅携带转座酶基因 转座子（转座子（Transposon，Tn）序列长）序列长 结构复杂结构复杂 几个几个十几个基因十几个基因 主要基因主要基因 转座酶基因转座酶基因 耐药基因：耐药基因：Tn3氨苄氨苄 Tn5卡那卡那 Tn7-链链 Tn10四四 毒性基因：肠毒素基因毒性基因：肠毒素基因 噬菌体基因组噬菌体基因组 噬菌体噬菌体phage? 病毒病毒 特点：小，简单，寄生，特点：小，简单，寄生， 严格宿主特异性，严格宿主特异性， 存在广泛存在广泛3种形态种形态： 蝌蚪形蝌蚪形 微球形微球形 细杆形细杆形头部蝌蚪形噬菌体蝌蚪形噬菌体尾部尾丝尾刺尾髓尾鞘尾板核酸（DNA或RNA)衣壳结构：

6、结构：毒性噬菌体：引起细菌裂解毒性噬菌体：引起细菌裂解温和性噬菌体：不引起细菌裂解温和性噬菌体：不引起细菌裂解 毒性噬菌体生长繁殖：复制方式毒性噬菌体生长繁殖：复制方式 吸附吸附absorb 繁殖繁殖 穿入穿入penetration 生物合成生物合成 biosynthesis 组装成熟和释放组装成熟和释放 mature and release 后果：后果： 液体：澄清菌液变混又变清液体：澄清菌液变混又变清 固体固体: 嗜斑嗜斑 发酵生产药物不利发酵生产药物不利 温和噬菌体温和噬菌体 核酸整合核酸整合 不增殖不增殖 不裂解不裂解 前噬菌体前噬菌体(prophage)-整合在细菌染色体整合在细菌染

7、色体 上的噬菌体基因上的噬菌体基因溶源性细菌溶源性细菌-带有前噬菌体的细菌带有前噬菌体的细菌溶原性转换溶原性转换前嗜菌体可导致细菌基因型和性状前嗜菌体可导致细菌基因型和性状 发生转变发生转变 溶原性周期溶菌性周期噬菌体与细噬菌体与细菌的相互作菌的相互作用示意图用示意图high host-specific parasitism 两种后果两种后果 噬菌体在医药中的应用噬菌体在医药中的应用1.细菌的鉴定和分型细菌的鉴定和分型2.耐药性细菌感染的治疗耐药性细菌感染的治疗3.分子生物学研究的工具：基因克隆的载体分子生物学研究的工具：基因克隆的载体4.遗传工程中表达目的蛋白遗传工程中表达目的蛋白5.危机发

8、酵业危机发酵业 基因型：全部基因组合 表型：在一定条件下，特定基因实际表现出来 的各种性状 遗传性(transmissibility)变异：基因型变异 非遗传性变异(non-transmissibility) ：表型变异第四节第四节 微生物变异的机制和修复微生物变异的机制和修复 二 变异现象 1 形态结构变异 炭疽杆菌 变形杆菌 2 毒力变异 1 大小、形态和结构大小、形态和结构 炭疽杆菌炭疽杆菌 变形杆菌变形杆菌伤寒菌伤寒菌：H-O变异变异 肺炎链球菌肺炎链球菌：无毒肺双无毒肺双 强毒强毒 小鼠腹腔小鼠腹腔 结核杆菌结核杆菌：L型菌型菌 少量青霉素串珠试验石碳酸表表 型型 变变 异异 遗遗

9、传传 型型 变变 异异1 毒力变异毒力变异 virulence reduce 强毒强毒弱毒或无毒弱毒或无毒 结核杆菌结核杆菌 无毒无毒 BCG 胆汁胆汁 230次次 13年年 virulence hoist 白喉白喉 无毒无毒 有毒有毒 2 抗原变异抗原变异 肠道杆菌肠道杆菌:O抗原（属）脂多糖抗原（属）脂多糖 H抗原（种）抗原（种） 鞭毛鞭毛 金葡菌对青霉素金葡菌对青霉素 常见耐药菌常见耐药菌 痢疾菌（多重耐药菌株，痢疾菌（多重耐药菌株， 药物药物 依赖性菌株）依赖性菌株） 淋球菌淋球菌 （第四代环丝氨酸）（第四代环丝氨酸） 结核结核 （耐异烟肼耐多种药）（耐异烟肼耐多种药） 3 耐药性变异

10、耐药性变异 第四节第四节 基因突变基因突变 基因结构的改变：基因转移和重组基因结构的改变：基因转移和重组 基因突变基因突变 基因突变：基因突变：DNA碱基对的置换、插入或缺失碱基对的置换、插入或缺失 点突变点突变 转换转换 染色体畸变染色体畸变 ：多点突变：多点突变 颠换颠换 突变：核苷酸序列改变突变：核苷酸序列改变 一、基因突变的特性和分子机制一、基因突变的特性和分子机制 染色体畸变（大突变） 大段的DNA片段 频率低频率低点突变（小突变） 一个或几个碱基 频率高频率高 基因突变：基因内部一对或少数基因突变：基因内部一对或少数DNA碱基对碱基对 的置换、的置换、 插入或缺失插入或缺失置换:

11、转换和颠换 移码突变: 插入或缺失（一）突变（一）突变:a stable heritable change of bacterial gene。 自发突变自发突变细菌在自然条件下生长，细菌在自然条件下生长， 出现突变。出现突变。 诱导突变诱导突变受理化因素作用，突变率受理化因素作用，突变率 升高。升高。 一、基因突变的特性一、基因突变的特性 1 自发突变与诱发突变自发突变与诱发突变 自发性自发性 无诱变剂因素下自发产生无诱变剂因素下自发产生 随机性随机性 无选择性无选择性 诱变性诱变性 诱变剂提高自发突变率诱变剂提高自发突变率 2突变率：突变率： 自发突变自发突变 率率 1次次/109106次

12、次 突变率极低突变率极低稀有性稀有性 诱发突变诱发突变 提高突变率提高突变率10-1000倍倍 3突变和选择：突变和选择：突变是自发、随机、多方向的突变是自发、随机、多方向的 平板影印试验平板影印试验 抗生素敏感菌抗生素敏感菌 点种无抗生素平板点种无抗生素平板 再印迹有抗生素平板再印迹有抗生素平板 出现抗生素出现抗生素 耐药菌耐药菌 移种含移种含抗生素抗生素的肉汤的肉汤 不对应性不对应性 突变的性状与突变的原因突变的性状与突变的原因? 青耐药青耐药 用药还是细菌本身？用药还是细菌本身？ 药物起什麽作用？药物起什麽作用？用药前用药前用药后用药后4可逆性：可逆性：回复突变与抑制突变回复突变与抑制突

13、变 野生型：首次从自然界分离的未发生突变的细菌 突变型：相对于野生型，突变后性状改变的菌株 正向正向 野生型野生型 突变型突变型 回复回复 一般抑制了第一次突变所致的性状改变一般抑制了第一次突变所致的性状改变 二二 基因的转移和重组基因的转移和重组 基因转移基因转移gene transfer ：基因或DNA片段在不同细菌 个体之间的传递 重组重组 combination ：同源重组：同源重组 非同源重组非同源重组 五种方式：转化，接合，转导，溶原性转换，五种方式：转化，接合，转导，溶原性转换， 原生质体融合原生质体融合1 转化转化 Transformation 受体菌摄取供体菌受体菌摄取供体菌

14、DNA 片段片段 1928年年Griffith 发现的经典转化试验发现的经典转化试验 肺炎双球菌肺炎双球菌 注射pneumococcusIIIS live separate cultureIIIS IIIS dead + +Donor bacteria DNARecipient bacteria供体DNA一股降解 子代细胞基因转化模式图基因转化模式图原型菌转化型菌 转化的因素： 感受态细胞： 对数期 环境因素：氯化钙处理 片段：分子量10*7 ，10-20个基因 适用于： 质粒和噬菌体 基因工程常用的载体 2 接合接合 Conjugation _通过性菌毛细菌通过性菌毛细菌DNA 从供体菌传到

15、受体菌。从供体菌传到受体菌。 接合性质粒：接合性质粒：F质粒质粒( F Plasmid) R质粒质粒(R Plasmid) （1） F质粒接合质粒接合F质粒（致育质粒）质粒（致育质粒） 性菌毛性菌毛(sex pilus) F+ 雄性菌雄性菌 F- 雌性菌雌性菌 F质粒接合 （2）R质粒的接合质粒的接合 传染性耐药因子传染性耐药因子 RTF耐药传递因子耐药传递因子 (resistance transfer factor) 决定性菌毛产生通过接合转移。决定性菌毛产生通过接合转移。 r-det 耐药决定因子耐药决定因子(resistance deteminant) 编码对各种编码对各种结构结构 抗生

16、素耐药，可由转座子连在一起。抗生素耐药，可由转座子连在一起。T TT n9Tn4Tn5氨RTFr Hfr 3 转导转导 transduction:供体菌的供体菌的DNA通过噬菌体传给通过噬菌体传给 受体菌受体菌 普遍性转导普遍性转导 局限性转导局限性转导 普遍性转导普遍性转导general transduction 在供体菌内噬菌体生物合成后，在供体菌内噬菌体生物合成后，装配时误将装配时误将供体菌供体菌DNA或质粒装入，或质粒装入， 感染受体菌后，把供菌感染受体菌后，把供菌DNA 带入到受体菌。带入到受体菌。 转导的片段比转化大，效率高转导的片段比转化大，效率高105-107 完全转导完全转导

17、 整合整合 流产转导流产转导 不整合不整合完全转导完全转导流产转导流产转导 transductionBacteria DNA 局限性转导局限性转导:the fragment near attachment is transfered 温和性噬菌体为载体温和性噬菌体为载体 局限性转导局限性转导specific transduction 正常脱离正常脱离 留细菌留细菌 偏差脱离偏差脱离 噬带菌噬带菌 4溶原性转换溶原性转换 lysogenic conversion 温和噬菌体感染细菌后，温和噬菌体感染细菌后， 噬菌体噬菌体DNA整合到细菌染色体整合到细菌染色体 如白喉杆菌如白喉杆菌 转换无毒白喉杆

18、菌有毒白喉杆菌噬菌体 5 原生质体融合protoplast fusion 将两种不同的菌处理失去细胞壁变为原生质体后融合， 形成双倍体，基因交换和重组。 特点 * 同种细菌间或异种细菌间基因转移 *细胞间基因转移的重要技术 如单克隆抗体第五节细菌遗传变异在医学上的意义第五节细菌遗传变异在医学上的意义 影响细菌学诊断治疗预防 检测致癌物 流行病学调查：调查耐药菌 基因工程应用:基因工程药物， 基因工程疫苗形态、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；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。L型细菌的形成影响细菌学诊断耐药菌株日益增多，因此以药敏实验为指导合理用药，防治耐药菌筛选治疗耐药菌金黄色葡萄球菌痢疾杆菌减毒菌株和无毒株可制备成疫苗结核分枝杆菌-BCG预防制备菌苗凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。 Ames实验伤寒沙门菌（his-）（his+）检测致癌物 基因工程是根据遗传变异中细菌可因基因转移和重组而获得新性状的原理设计的 切取目的基因连接到载体上转移到工程菌内，大量表达目的基因产物 目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、