细菌的遗传与变异

1、第第2章章 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异医学细菌学医学细菌学Medical Bacteriology目目 录录123细菌遗传与变异的物质基础细菌遗传与变异的物质基础细菌的变异现象及机制细菌的变异现象及机制 细菌遗传变异的医学意义及其应用细菌遗传变异的医学意义及其应用 细菌的遗传物质：质粒细菌的遗传物质：质粒 细菌遗传物质：细菌遗传物质：染色体、质粒、噬菌体。染色体、质粒、噬菌体。 质粒质粒 (plasmid)：细菌染色体外遗传物质，为双链环状：细菌染色体外遗传物质，为双链环状DNA，携带遗传信息并能自我复制，携带遗传信息并能自我复制，可丢失且不影响细菌可丢失且不影响细菌存活存活。 质粒质粒

2、通过接合、转化、转导方式通过接合、转化、转导方式在细菌间转移遗传物质在细菌间转移遗传物质。严紧型质粒严紧型质粒 (stringent plasmid)：复制与染色体同步。复制与染色体同步。松驰型质粒松驰型质粒 (relaxed plasmid)：复制与染色体无关。复制与染色体无关。 噬菌体噬菌体 (phage)：细菌的病毒，蛋白外壳：细菌的病毒，蛋白外壳+DNA或或RNA组组成，多为蝌蚪形。成，多为蝌蚪形。 噬菌体结构：头部噬菌体结构：头部=球状外壳球状外壳+核酸核酸 尾部尾部=尾板尾板(溶菌酶溶菌酶)+ 尾刺尾刺 + 尾丝尾丝(吸附细菌吸附细菌) 噬菌体噬菌体可通过转导、转换方式可通过转导、

3、转换方式在细菌间转移遗传物质在细菌间转移遗传物质。细菌的遗传物质：噬菌体细菌的遗传物质：噬菌体细菌的遗传物质：噬菌体细菌的遗传物质：噬菌体 毒性噬菌体毒性噬菌体(virulent phage) ：感染宿主菌后在菌体内以复：感染宿主菌后在菌体内以复制方式增殖，产生大量子代噬菌体并导致细菌裂解。该过制方式增殖，产生大量子代噬菌体并导致细菌裂解。该过程称为溶菌性周期程称为溶菌性周期 (bacteriolysis cycle)，分为吸附与穿入、，分为吸附与穿入、生物合成生物合成 、成熟与释放等阶段，。、成熟与释放等阶段，。 温和噬菌体温和噬菌体 (temperate phage)：感染宿主菌后其基因组

4、整：感染宿主菌后其基因组整合到宿主菌染色体合到宿主菌染色体DNA中，随宿主菌中，随宿主菌DNA复制而复制，复制而复制，并随宿主菌分裂而分配至子代菌染色体并随宿主菌分裂而分配至子代菌染色体DNA中，宿主菌不中，宿主菌不裂解。该过程称为溶原性周期裂解。该过程称为溶原性周期 (lysogenic cycle) 。 前噬菌体前噬菌体(prophage)：整合在细菌染色体中的噬菌体基因：整合在细菌染色体中的噬菌体基因组，可在某些因素刺激下脱落进入溶菌性周期组，可在某些因素刺激下脱落进入溶菌性周期 。 溶原性细菌溶原性细菌(lysogenic bacterium)：携带前噬菌体基因组。：携带前噬菌体基因组

5、。 溶菌性周期和溶原性周期：溶菌性周期和溶原性周期：细菌的遗传物质：噬菌体细菌的遗传物质：噬菌体转位因子转位因子 转位因子转位因子(transposable element) ：能在细菌基因组中：能在细菌基因组中移动位移动位置置的一段独特的一段独特DNA片段。片段。 插入序列插入序列 (insertion sequence，IS)：转座酶基因：转座酶基因+两端反向重两端反向重复序列，可宿主菌基因组的突变、失活或基因重排。复序列，可宿主菌基因组的突变、失活或基因重排。 转座子转座子(transposon，Tn)：IS+其他基因，能通过质粒在细菌其他基因，能通过质粒在细菌以及细菌与真核细胞之间转移

6、。以及细菌与真核细胞之间转移。 整合子和转座噬菌体整合子和转座噬菌体 整合子整合子 (integron)：定位于细菌染色体、：定位于细菌染色体、能捕获和整合能捕获和整合外源性基因外源性基因的独特的独特DNA序列。序列。 整合子典型结构：整合位点可有一个或多个基因盒。整合子典型结构：整合位点可有一个或多个基因盒。 5-保守区保守区-整合酶整合酶- P1/P2启动子启动子-整合位点整合位点-3-保守区保守区v 转座噬菌体转座噬菌体 (mutation phage，Mu phage)：能整合入宿：能整合入宿主菌染色体主菌染色体DNA但无一定整合位置的温和噬菌体。但无一定整合位置的温和噬菌体。细菌的变

7、异现象细菌的变异现象 形态和结构变异：形态和结构变异：如细菌如细菌L型。型。 毒力变异：毒力变异：如卡介苗（如卡介苗（BCG）、白喉棒状杆菌被）、白喉棒状杆菌被-棒状杆棒状杆菌噬菌体感染后产生白喉毒素。菌噬菌体感染后产生白喉毒素。 耐药性变异：耐药性变异：产生对产生对1 种或多种抗生素耐药性。种或多种抗生素耐药性。 抗原性变异：抗原性变异：如如H和和O抗原变异，带来诊断困难的问题。抗原变异，带来诊断困难的问题。 菌落变异：菌落变异：光滑型光滑型 (smooth，S) 与粗糙型与粗糙型 (rough，R)菌落菌落变异变异(S-R)，常伴随，常伴随抗原性、毒力、酶活性等改变抗原性、毒力、酶活性等改

8、变。多数。多数S型细菌毒力强，少数型细菌毒力强，少数R型毒力强型毒力强 (结核分枝杆菌、炭疽芽胞结核分枝杆菌、炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶氏菌杆菌、鼠疫耶氏菌)。细菌变异机制细菌变异机制v 突变突变(mutation)：单、多点各种突变。：单、多点各种突变。v 基因转移基因转移(transfer)与与重组重组(recombination)：是细菌获得新：是细菌获得新遗传性状的主要途径。遗传性状的主要途径。v 细菌基因转移和重组的主要方式：细菌基因转移和重组的主要方式：转化、接合、转导、溶转化、接合、转导、溶原性转换原性转换。v 提供提供DNA的细菌称为的细菌称为供体菌供体菌(donor)，接受，接受D

9、NA并进行重组并进行重组的细菌称为的细菌称为受体菌受体菌(recipient)。 转化转化(transformation)：供体菌游离的：供体菌游离的DNA片段片段直接被受直接被受体菌摄取并重组体菌摄取并重组，使受体菌获得新的生物学性状。，使受体菌获得新的生物学性状。细菌变异机制：转化细菌变异机制：转化 被转化的被转化的DNA片段称为片段称为转化因转化因子子(transforming factor)，分子，分子量小于量小于107，最多不超过，最多不超过1020个基因。个基因。 转化后能重组并稳定地表达供体转化后能重组并稳定地表达供体菌遗传性状的外源性菌遗传性状的外源性DNA片段片段称为称为转化

10、子转化子(transformant)。 接受接受DNA片段的受体菌必须处片段的受体菌必须处于于感受态感受态(competence)。细菌变异机制：转化细菌变异机制：转化细菌变异机制：接合细菌变异机制：接合 接合接合(conjugation)：供体菌通过性菌毛将：供体菌通过性菌毛将质粒或染色体质粒或染色体DNA转移入受体菌，使受体菌获得新的生物学性状。转移入受体菌，使受体菌获得新的生物学性状。 F质粒：编码质粒：编码性菌毛性菌毛 (F+ 菌，又称供体菌或雄性菌菌，又称供体菌或雄性菌)。 受体菌或雌性菌：无受体菌或雌性菌：无F质粒、无性菌毛质粒、无性菌毛 (F- 菌菌)。F+F+F+F+F+F-F

11、+F-F+F- F质粒还可质粒还可整合整合入细菌染色体入细菌染色体DNA中，称为中，称为Hfr菌株菌株。 转移过程：染色体转移过程：染色体DNA在在F质粒转移启始位点处的一股单质粒转移启始位点处的一股单链断开后链断开后先经性菌毛进入受体菌先经性菌毛进入受体菌，F质粒质粒DNA后进入受体后进入受体菌菌，该过程易中断，故受体菌常获得不同长度，该过程易中断，故受体菌常获得不同长度Hfr菌株染菌株染色体色体DNA片段，但不易获得片段，但不易获得F质粒质粒DNA。细菌变异机制：接合细菌变异机制：接合F-HfrHfrF-HfrHfrF-F-细菌变异机制：接合细菌变异机制：接合 F菌株：少见。整合的菌株：少

12、见。整合的F质粒从染色体质粒从染色体DNA上脱落，但上脱落，但携携带了邻近染色体带了邻近染色体DNA片段片段，称为，称为F质粒及质粒及F菌株，可通过菌株，可通过F+ 与与F- 菌株相似的过程，将菌株相似的过程，将F质粒及其可能携带的供体菌质粒及其可能携带的供体菌染色体染色体DNA片段转移给片段转移给F- 受体菌。受体菌。FHfrFFFF-细菌变异机制：接合细菌变异机制：接合 耐药质粒耐药质粒 耐药传递因子耐药传递因子(resistance transfer factor，RTF)。 耐药决定子耐药决定子(r determinant)：也即耐药基因。：也即耐药基因。 Tn 9Tn 21Tn 10

13、Tn 8RTFr determinant 转导转导(transduction)：温和噬菌体为载体温和噬菌体为载体将将供体菌供体菌DNA片段片段转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。 可分为普遍性转导和局限性转导。可分为普遍性转导和局限性转导。 普遍性转导普遍性转导(generalized transduction)：装配错误装配错误。细菌变异机制：转导细菌变异机制：转导 局限性转导局限性转导(restricted transduction)：前噬菌体从染色体中：前噬菌体从染色体中脱落时带有脱落时带有整合部位一或两侧染色体整合部位一或两侧染色体DNA片段片段

14、，感染细菌，感染细菌时可将该供体菌时可将该供体菌DNA片段转移到新的受体菌内。片段转移到新的受体菌内。细菌变异机制：转导细菌变异机制：转导 溶原性转换溶原性转换(lysogenic conversion)：溶原菌染色体：溶原菌染色体DNA中中整合的整合的前噬体基因前噬体基因使宿主菌获得新的遗传性状的过程。使宿主菌获得新的遗传性状的过程。 白喉棒状杆菌被携带毒素基因的白喉棒状杆菌被携带毒素基因的-棒状杆菌噬菌体感染后棒状杆菌噬菌体感染后才能产生白喉外毒素。才能产生白喉外毒素。细菌变异机制：转换细菌变异机制：转换诊断和治疗及预防方面的应用：诊断和治疗及预防方面的应用：抗原抗原变异、耐药产生、制备疫苗等。变异、耐药产生、制备疫苗等。 流行病学方面的应用：流行病学方面的应用：确定优势流行确定优势流行菌株和耐药基因等、病原追踪与溯源，菌株和耐药基因等、病原追踪与溯源，如如PCR + RFLP、质粒指纹图谱、质粒指纹图谱。分子生物学和基因工程中的应用：分子生物学和基因工程中的应用：载载体体(质粒、噬菌体、腺病毒质粒、噬菌体、腺病