病原生物学及免疫学第四章-细菌的遗传与变异课件

1、 第四章 细菌的遗传与变异第一篇 细菌学总论 【知识目标】1掌握细菌基因的转移与重组。2熟悉细菌的变异现象，以及细菌遗传性变异的物质基础。3了解细菌的变异在医学中的应用。【能力目标】具有对细菌的变异现象的认知能力【素质目标】运用所学知识，树立控制和消灭感染性疾病、保障人类健康意识学习目标遗传(heredity)：子代与亲代之间生物学性状的相似性变异(variation)：子代与亲代之间以及子代与子代之间生物学性 状的差异性使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其菌种得以保存使细菌适应外界因素的变化，从而得以进化和发展学习目标遗传性变异/基因型变异(genotypic variation) 生

2、物的基因结构发生了改变，变异的性状可遗传给子代，称为基因型变异。非遗传性变异/表型变异(phenotypic variation) 生物的性状受外界环境的影响发生改变，其基因结构未改变，不能遗传，这种变异称为表型变异。学习目标基因型和表型变异的比较基因型变异表型变异基因结构可逆性稳定性环境影响涉及细菌数 变化 未变 不或极少 可逆 稳定 不稳定不受影响 受影响 个别 全体第一节 细菌的变异现象形态结构的变异 菌落变异 毒力变异 耐药性变异 一. 形态与结构的变异细菌的L型变异（细胞壁缺陷型）荚膜变异（肺炎链球菌）芽胞变异（炭疽芽胞杆菌）鞭毛变异：变形杆菌H-O变异细菌结构变异 炭疽杆菌失去形成

3、芽胞能力, 毒性降低 变形杆菌（H） （O） 迁徙生长 单个菌落 10-20天42-431%石炭酸二. 菌落变异细菌的菌落:主要有光滑型(smooth,S) 和粗糙型(rough,R) 两种表面光滑、湿润、边缘整齐 表面粗糙、干燥、边缘不整齐SR变异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。SR变异常见于肠道杆菌，由于失去LPS的特异性寡糖重复单位而引起的。S型菌落R型菌落三. 毒力变异毒力增强毒力减弱 棒状噬菌体白喉棒状杆菌 获得白喉毒素 胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核杆菌 卡介苗 13年(230代)四. 耐药性

4、变异 细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。 金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的14%上升至目前的80%。 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) 长期培养第二节 细菌的遗传物质细菌遗传变异的物质基础主要包括：染色体质粒转座因子噬菌体 一、细菌染色体细菌染色体为一环状双股DNA链。革兰阳性菌核质连接在中介体上。革兰阴性菌核质连接在细胞膜某一点上。特征：相对较小，只有一个复制起始位点功能相关基因组成操纵子基因结构是连续的，无内含子基因组间无重叠现象不编码DNA比真菌细胞基因少第二节 细菌的遗传物质

5、二、质粒 (plasmid) 概念：质粒为细菌染色体外的遗传物质，环状双股DNA。质粒携带有遗传信息，控制某些特定的遗传性状，可独立复制，与细菌的遗传变异有关。第二节 细菌的遗传物质种类及功能：致育质粒-(fertility plasmid)F质粒，产生性菌毛-F+毒力质粒- (virulence plasmid) Vi质粒，产生相应毒素耐药质粒- (resistance plasmid) R质粒，编码细菌对抗菌药物的耐药性细菌素质粒-Col质粒，产生细菌素代谢质粒-编码产生相关酶如脲酶、枸橼酸盐利用酶等第二节 细菌的遗传物质质粒DNA 的基本特征有：质粒具有自我复制的能力 质粒DNA所编码的

6、基因产物赋予细菌某些性状特征 粒并非细菌生命活动不可缺少的遗传物质 质粒的转移性，质粒可通过接合、转化或转导等方式在细菌间转移 不相容性与相容性第二节 细菌的遗传物质概念： 是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间可自行移动的特异性的独立的DNA片段。三、转位因子 意义： 改变遗传物质的核苷酸序列 影响插入点附近基因的表达（失活） 直接插入一段新序列，造成基因的转移和重组以上均能造成细菌性状的变异转位因子有三类：插入序列(insertion sequence , IS)：最小，不超过2kb,是只携带与转座功能有关的基因，而不带任何有使细菌表现性状的基因的转位因子。转座子(transposon ,

7、Tn)：长度一般超过2kb，是一类除携带与转位有关的基因外还携带其他基因的转位因子。转座噬菌体或前噬菌体：前噬菌体有时也具有转位功能，成为溶原菌的一种基因，编码某些产物，改变细菌某些性状，如白喉毒素、肉毒毒素的产生。三、转位因子常见的插入序列和转座子IS bp Tn 耐药或毒素基因 IS1 768 Tn1 AP（氨苄青霉素） IS2 1327 Tn6 Kan（卡那霉素） IS3 1300 Tn10 Tet（四环素） IS4 1426 Tn551 Em（红霉素） IS5 1195 Tn681 E.coli ET（肠毒素）四、噬菌体 概念： 噬菌体 (bacteriophage,phage)：是感

8、染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒，在葡萄球菌和志贺菌中首先发现。 特点： 个体微小，可以通过细菌滤器。 没有完整的细胞结构。 专性活的微生物细胞内寄生。 分布极广。 有严格的宿主特异性。（一） 噬菌体的生物学性状 1.形态与结构 噬菌体有三种基本形态，即蝌蚪形、微球形和细杆形。大多数噬菌体呈蝌蚪形。蝌蚪形微球形细杆形噬 菌 体 的 形 态电镜下见噬菌体40000电镜下见噬菌体与宿主菌细胞膜表面接合40000结构：由头部和尾部组成；头部：内含DNA/RNA尾部： 中空尾管 尾鞘 尾丝 尾刺尾丝是吸附宿主细胞表面特殊受体部位。噬菌体感染细菌有两种结果：毒性噬菌体 (virulent ph

9、age)：能在宿主细胞内复制 增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，建立 溶菌周期。温和噬菌体 (temperate phage)：噬菌体基因与宿主染色体整合，成为前 噬菌体，细菌变成溶原性菌，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌的分裂而传代，建立溶原状态。 二、噬菌体与细菌相互关系1.毒性噬菌体 概念: 能在宿主菌内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌。 复制周期: 毒性噬菌体在宿主菌内的增殖过程（复制周期或溶菌周期）包括吸附、穿入、生物合成、成熟与释放等四个阶段。 （1）吸 附 是噬菌体与细菌表面相应受体特异性结合的过程1.毒性噬菌体 （2）穿 入 有尾

10、噬菌体将头部的DNA注入宿主菌内。无尾噬菌体经脱壳进入宿主菌内，类似于动物病毒的穿入过程1.毒性噬菌体 （ 3）生物合成 是指利用宿主菌的酶、能量复制核酸及合成蛋白质的过程。1.毒性噬菌体 （4） 成熟与释放程序组装菌细胞裂解，噬菌体释放1.毒性噬菌体 毒性噬菌体溶菌现象液体培养基：使浑浊菌液变为澄清.固体培养基：菌膜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的，称为噬斑（plaque）若将噬菌体按一定倍数稀释，通过噬斑计数，可测知一定体积内的噬斑形成单位数目，即噬菌体的数量。噬斑 概念： 温和噬菌体是指基因组能与宿主菌基因组整合，并随细菌分裂传至子代细菌的基因

11、组中，不引起细菌裂解。 整合在宿主菌核酸中的噬菌体基因组称为前噬菌体。带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌。2.温和噬菌体 溶原性细菌具有以下特征：能正常分裂，并将前噬菌体传给子代；前噬菌体可编码阻遏蛋白抑制后进入毒性噬菌体生物合成；整合的前噬菌体给细菌带来新的性状；前噬菌体可偶尔自发地或在某些理化和生物因素的诱导下，脱离宿主染色体进入溶菌周期，导致细菌裂解。2.温和噬菌体 温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性周期，而毒性噬菌体只有一个溶菌性周期。2.温和噬菌体第三节 细菌遗传性变异的发生机制细菌遗传性变异主要是通过基因突变、DNA的修复、基因的转移与重组等来实现的。一、基因突变与DNA的修复 突

12、变（mutation）是指细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，导致细菌某些性状的遗传性变异。 突变包括基因突变和染色体畸变。 突变的规律：突变率：10-610-9自发突变与诱发突变突变与选择回复突变与抑制突变第三节 细菌遗传性变异的发生机制彷徨试验：随机的、非定向的突变是在接触噬菌体之前就已发生，噬菌体对突变仅起筛选而不是诱导作用第三节 细菌遗传性变异的发生机制二、基因的转移与重组二个细菌间部分遗传基因，可以发生转移(gene transfer)和重组(recombination)，使受体菌获得新的遗传性状。转移：供菌提供DNA；受菌接受DNA重组：受菌获得供菌DNA第三节 细菌遗传性变异

13、的发生机制类型 基因来源 转移方式 转化 供菌 受菌摄入 接合 供菌 通过性菌毛转导 供菌 噬菌体媒介 溶原性转换 噬菌体 前噬菌体细菌基因转移和重组的方式：转化 （transformation)、接合 (conjugation)转导 (transduction)、溶原性转换 (lysogenic conversion)第三节 细菌遗传性变异的发生机制1.转化 transformation概念：供体菌游离的DNA片段直接被受体菌摄取，使受体菌获得新的性状小鼠体内肺炎球菌转化经典试验受菌主动摄取外源性DNA供菌死亡时释放或人工方法提取DNA第三节 细菌遗传性变异的发生机制1.转化 transfo

14、rmation第三节 细菌遗传性变异的发生机制转化的DNA片段称 转化因子转化因子分子量小于1107，不超过1020个基因，才可能被受体菌摄取受体菌必须处于感受态 competence时，才能摄取转化因子摄入的供体菌DNA片段与受体菌相应DNA重组 重组菌；重组菌繁殖时，就可形成重组突变株，获得供体菌的某些性状。第三节 细菌遗传性变异的发生机制 影响因素：供受菌基因型： 同源性；亲缘关系近，转化率高感受态（competence）： 生理活动过程中摄取 转化因子的最佳时期 环境因素： Mg2、Ca2等可促进转化第三节 细菌遗传性变异的发生机制2.接合（conjugation）概念：通过性菌毛将供

15、菌遗传物质（质粒）转给受体菌，使受体菌获得供体菌性状。接合性质粒：指能通过接合方式转移的质粒称为，主要包括F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒等。 第三节 细菌遗传性变异的发生机制（1）F质粒的接合F+ 即F质粒，编码性菌毛，称雄性菌无性菌毛相的为雌性菌（ F-菌）。目前，临床上多重耐药菌株的出现与R质粒通过接合传递密切有关。 R质粒组成： 耐药传递因子(resistance transfer factor, RTF) RTF类似F因子，可编码产生性菌毛并以接合方式转移。 耐药决定因子(r决定因子)：r决定因子两端的IS可与RTF相连；且可有多个Tn连接排列是造成多重耐药的原因。（2）R质粒的

16、接合概念：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，使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（转导的DNA可是供菌染色体上的任何部分）和局限性转导（转导的DNA只限供菌染色体上的特定基因）。3. 转导(transduction)毒性噬菌体和温和噬菌体都能介导 包装错误：任何部位细菌DNA片段受菌接受转导噬菌体(供菌)DNA；受菌获得供菌性状 普遍性转导的结果有二种-完全转导、和流产转导（1） 普遍性转导： 所转导的DNA片段只限于供体菌染色体中个别特定的基因（如大肠杆菌染色体转导的半乳糖酶基因或生物素基因） 局限性转导与温和噬菌体的溶原期有关(2)局限性转导局限性转导示意图galbio噬菌体DNAgalbio噬菌体DNAgalbio噬菌体DNAgalbio噬菌体DNAgalbio噬菌体DNA噬菌体DNAgalbio4.溶原性转换 (lysogenic conversion) 概念:温和噬菌体以前噬菌体形式存在