医学微生物学课件：5-遗传、变异

1、 细菌的遗传与变异第5章遗传（heredity） 微生物的生物学性状保持 相对稳定，且代代相传。变异（variation） 子代与亲代之间以及子 代与子代之间的生物学 性状出现差异。 微生物的变异 遗传性变异（基因型） 非遗传性变异（表型） 不受环境因素影响 受环境因素影响 基因结构改变 基因结构未改变 不可逆、可遗传 可逆、不能遗传 一、细菌遗传的物质1、细菌的染色体2、质粒3、转座因子（插入序列、转座子）4、整合子5、噬菌体基因组1、细菌染色体（bacterial chromosome)环状双旋DNA基因组上遗传信息具有连续性，无内含子 （基因：是具有一定生物学功能的核苷酸序列）复制：双向

2、复制功能相关的结构基因组成操纵子结构2、质粒（plasmid） 染色体以外的遗传物质，双股环状闭合DNA，编码某些生物学性状。 有自我复制的能力 一个质粒是一个复制子 紧密型：复制与染色体同步 松弛型：与染色体的复制不相关 特征： 编码某些表型： F质粒（致育性质粒） R质粒（耐药性质粒） Vi质粒（毒力质粒） 细菌素质粒（ Col质粒） 代谢质粒 可自行丢失或人工消除 消除质粒，其所赋予的特性也随之消失 可在细菌间转移 通过接合、转导、转化等方式 可分为相容性与不相容性两种 相容性：几种质粒共存于一个细菌内 不相容性：几种质粒不能共存于一个细菌内F质粒（接合性质粒） 与有性生殖功能有关。 F

3、+ 雄性菌（具有性毛） F- 雌性菌（无性菌毛）致育质粒（fertility plasmid,F质粒） 常见的质粒类型 编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的的耐药性。 接合性耐药质粒：通过细菌间接合进行传递。 （resistance plasmid,R质粒） 非接合性耐药质粒 ：通过噬菌体传递。 耐药性质粒分R质粒(Resistence plasmid)的接合 耐药转移因子 与F质粒相似，编码菌毛的产 （resistance transfer factor） 生和通过接合转移。 (RTF)R质粒 抗药（r）决定子 编码对抗菌药物的抗药性。Tn 9Tn 21Tn 10Tn 8RTFR determi

4、nant例：R100质粒(89kb)可使宿主对下列药物及 重金属具有抗性： 汞（mercuric ion ，mer）四环素（tetracycline，tet）链霉素(Streptomycin, Str)、磺胺(Sulfonamide, Su)氯霉素(Chlorampenicol, Cm)夫西地酸（fusidicacid，fus） 编码各种细菌产生细菌素。 如：大肠埃希菌 大肠菌素 Col质粒(Coliciogenic plasmid) 细菌素质粒 编码产生相关的代谢酶。如：沙门菌 发酵乳糖 代谢质粒 代谢质粒 编码与该菌致病性有关的毒力因子。如：大肠埃希菌 ST质粒 耐热肠毒素 LT质粒 不耐

5、热肠毒素 毒力质粒（ virulence plasmid，Vi质粒）3、转座因子（跳跃基因） 是细菌的基因组中能够从一个位置转移到另一位置的一段DNA序列。插入序列(insertion sequence, IS)转座子（transposon, Tn） 分类通过位移改变遗传物质的核苷酸序列影响插入点附近基因的表达转位因子本身携带一定的基因序列 作用方式插入序列（insertion sequence,IS） TransposaseABCDEFGGFEDCBA 不带有表现任何性状的基因，只带有编码转移时所需要的转座酶的基因。 携带转座基因 IS ISResistance Gene(s)IS ISRe

6、sistance Gene(s)转座子（transposon,Tn）结果：插入基因失活、突变 耐药性产生 细菌染色体畸变 携带转座基因 携带其他结构基因：抗药基因 毒素基因 抗金属基因转座子 携带耐药或毒素基因Tn1 Tn2 Tn3 AP（氨苄青霉素）Tn4 AP 、str（链霉素）、Su（磺胺）Tn5 Kan.Ble（博莱）。StrTn6 Kan（卡那霉素）Tn7 TMP（甲氧苄氨嘧啶）、strTn9 Cam（氯霉素）Tn10 Tet（四环素）tn551 Em（红霉素）Tn971 Em（红霉素）Tn681 E.coli ET (肠毒素）Tn903 Kna(卡那霉素)表1.转座子及携带的耐药性

7、基因或毒素基因携带piggyBac转座子的老鼠，它们的细胞表达了红色的荧光蛋白4、整合子（integron,In） 是一种运动性的DNA分子，具有独特结构，可捕获和整合外源性基因，使之转变成为功能性基因的表达单位。 通过转座子或接合性质粒，可使耐药性基因在细菌中水平转移。 5、噬菌体基因组 前噬菌体 溶原性细菌 溶菌周期 基因转移（gene transfer） 外源性遗传物质由供体菌转入某受体 菌内的过程。 基因重组（gene recombination） 转移的基因与受体菌DNA整合在一起。 二、细菌的变异的机制（一）基因转移和重组 受体菌直接摄取来自供体菌的游离的DNA片段，通过交换把它整

8、合到自己的基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的现象。1、转化（transformation) Griffith -1928 Avery -1944转化基本过程： 感受态细胞吸收DNA（转化因子） DNA掺入细胞后的整合 转化因子 分子量小于1107 ，最多不超过10-20个基因。 同源的、未变性的双链DNA分子。 感受态 是指受体菌能够从周围环境中吸收外源性DNA分子进行转化的生理状态。（吸附DNA的受体、带正电荷、通透性增加） 出现时间 自然转化、人工转化发生转化的条件转化过程示意图Transformation in Bacteria 供体菌通过性菌毛与受体菌直接接触，将遗传物质从供体菌转

9、移给受体菌。使后者获得新的遗传性状。2、接合（conjugation）大肠埃希菌与肠道杆菌接合 （电镜扫描图）接合性质粒： F、R、Col和毒力质粒。 （1）F质粒的接合（fertility plasmid)F+菌F-菌 高频重组菌（high frequency recombinant,Hfr） 整合有F质粒的菌株能够高效转移自身染色体基因至受体菌，故被称为高频重组菌（Hfr）。 F+菌Hfr菌 F 菌 Hfr菌株细胞内的F质粒由于不正常切割 而脱离核染色体组时重新形成的游离的携带 整合位点一小段核染色体基因的F 质粒。 带有F质粒的细菌： F菌Hfr菌 F菌不同状态的菌株：F+菌株F-菌株H

10、fr菌株F菌株1) F+和F的杂交F+ F质粒在末端，F-菌获的F质粒的机会很少。 2) Hfr和F的杂交F-3) F和F的杂交F+大肠杆菌 F质粒的各种存在状态间的转变 F-菌F+ 菌F菌Hfr菌与F+菌接合消除切离整合偏差切离整合与F菌接合 丢失（2）R质粒的接合(resistence plasmid) 耐药传递因子 与F质粒相似，编码菌毛的产 （resistance transfer factor） 生和通过接合转移。 (RTF)R质粒 耐药（r）决定子 编码对抗菌药物的耐药性。Tn 9Tn 21Tn 10Tn 8RTFR determinantR- Plasmid Conjugatio

11、n R质粒的接合：3、转导（transduction） 通过噬菌体为媒介，将供体细胞的DNA片段携带入受体细胞中，通过交换和整合，使后者获得前者的部分遗传性状。普遍转导局限转导转导的类型完全转导流产转导 通过噬菌体对供体菌基因组上任何小片段DNA进行“误包”，而将其遗传性状传递给受体菌。1）普遍性转导(generalized transduction)受体菌供体菌 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。 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。 普遍性转导 两种结局 通过温和噬菌体将供体菌少量特定基因带入受体菌，并与后者的基因组整合、重组。

12、 2）局限性转导（restricted transduction）E. coli的噬菌体普遍转导：装配错误局限转导：脱落错误 普遍转导 局限转导能转导的基因 任何基因 特定基因噬菌体类型 温和或烈性 温和获得转化噬菌 敏感菌的裂解 溶源菌的诱导体的方式 普遍性转导和局限性转导的比较 4、溶原性转换（lysogenic conversion） 当温和噬菌体感染细菌时，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使细菌获得新的性状。 例： 带有-棒状杆菌噬菌体的白喉棒状杆菌 产生 白喉外毒素 5、原生质体融合（protopast fusion） 是将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素

13、等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行相 互融合的过程。（二）、基因突变 是指DNA碱基对的置换、插入或缺失所致的基因结构的变化。 点突变 染色体畸变 自发1、基因突变诱发2、 基因突变的规律 自发突变和诱发突变 突变率： 自然突变率 （109 106） 诱导突变率 （106104） 突变与选择 回复突变与抑制突变由微生物自身有害代谢产物引起由DNA复制过程中碱基配对错误引起由背景辐射和环境因素引起 自发突变彷徨试验彷徨试验诱变 利用物理、化学或生物因素显著提高基因自发突变频率的手段。 碱基置换（Substitution） 移码突变（Frame-shift Mutation） 染色体畸变（Chr

14、omosomal aberration） 诱发突变引起染色体畸变的诱变剂引起染色体畸变的诱变剂射线：紫外线UV，化学：亚硝酸盐影印培养法1952年 Lederberg影印平板培养法1952年 Lederberg回复突变野生株 (wild strain)突变株 (mutant strain) 正向突变 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 类型: 回复突变基因内抑制： 抑制基因突变发生在同一基因内的不同部位。 基因间抑制: 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 敏感突变后 突变株 耐药 基因内抑制 回复突变株 敏感 基因间抑制 回复突变株 敏感 由于由原来能合成某种营养物 质的原养型突变为不能合成该物质 的营养缺陷型。（1）营养缺陷型3、突变型的细菌及其分离（2）抗性突变型指野生型菌株由于发生基因突变而产生了对某化学药物或致死物理因子的抗性变异类型化学药物或致死物理因子抗生素、紫外线抗性突变株（3）条件致死突变型 经基因突变后，在某条件下可正常生长、繁殖，表现其正常的表型，在另一条件下无法生长、繁殖的突变类型。 E.coli：30下正常生长、42下不能生长 T4噬菌体：25 下具有感染