细菌的遗传与变异教学课件

1、细菌的遗传与变异一、细菌的基因与基因组学二、细菌的基因突变三、细菌的基因转移与重组细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异1、遗传物质DNA有荚膜活菌肺炎链球菌感染小鼠实验一、细菌的基因与基因组学无荚膜活菌一、细菌的基因与基因组学有荚膜死菌一、细菌的基因与基因组学有荚膜活菌有荚膜活菌从何而来？一、细菌的基因与基因组学 毒力决定因子从死的有荚膜肺炎链球菌转入活的无荚膜肺炎链球菌体内。这一现象称为转化（transformation）。 引起转化现象的物质称为转化因子。一、细菌的基因与基因组学 1944年，Avery研究揭示，转化因子的本质是DNA。 一、细菌的基因与基因组学2、细菌的基因组结构 细菌的基因

2、组是指存在于细菌细胞内的所有基因以及非结构基因的DNA序列组成的总和。 多数细菌的基因组是一个共价闭合环状的双链DNA分子。 一、细菌的基因与基因组学 细菌基因组结构的主要特征： （1）遗传信息是连续的。一、细菌的基因与基因组学 （2）大多数情况下，编码相关功能的基因组成操纵子结构，自一个启动子开始，转录成多基因的mRNA分子，翻译成多种功能相关的蛋白质。一、细菌的基因与基因组学 （3）结构基因单拷贝，但编码rRNA的基因往往是多拷贝的。 一、细菌的基因与基因组学 （4）基因组重复序列少而短。 一、细菌的基因与基因组学 微生物基因组学(Genomics)是利用全基因组DNA序列研究微生物基因及

3、其功能的学科。 3、微生物基因组学一、细菌的基因与基因组学 细菌是研究和分析基因组序列与相关生物学功能关系的理想模式。 一、细菌的基因与基因组学 先用超声波将细菌染色体DNA随机切割成一定大小的DNA片段，分别插入测序（质粒）载体中，以构建文库。 （1）核苷酸序列测定 文库构建完后，可进行大规模的测序。 一、细菌的基因与基因组学 对DNA序列加以拼接，之后，经过计算机分析，完成全基因组各个区域的编号和注释，最后存入数据库，并在互联网上发表以供全世界的科学家参考和使用。 一、细菌的基因与基因组学 细菌全基因组序列测定完成后，更重要的任务是鉴定基因及尽可能确定基因的功能，称之为后基因组学。 一、细

4、菌的基因与基因组学（2）微生物基因组结构与功能研究 通常采用开放读码框（ORF）推定、密码子使用和同源性比较等技术鉴定基因。应用生物信息学分析软件，将基因组中的功能性序列序区鉴定出来。 一、细菌的基因与基因组学 研究病原微生物的致病机制及其与宿主的相互关系 （3）微生物基因组学研究的意义一、细菌的基因与基因组学 根据病原微生物的全基因组序列，应用现代生物信息软件对基因序列进行分析，可以确定哪些基因与毒力有关，那些与体内定居有关，哪些与体内持续感染有关，从而阐明病原微生物致病基因及其产物。 一、细菌的基因与基因组学 从分子和细胞水平上，揭示微生物与宿主之间的相互作用，更深入地阐明病原微生物的致病

5、机制，诸如细胞中微生物的受体，侵入细胞内微生物的定位和新表位的发现，对宿主免疫系统的反应等。一、细菌的基因与基因组学 建立更灵敏特异的分子诊断技术 传统的病原体诊断依赖于致病微生物的形态和培养特征。 通过测定多种致病与非致病微生物的基因组序列，可以获得大量的基因信息。如特异DNA序列用于诊断，菌株特异性基因用于分型。 一、细菌的基因与基因组学 开发抗微生物新药和新疫苗 病原菌全基因组序列的测定，一方面，能揭示细菌耐药的确切机制，对现有抗菌药物进行改造或开发新型药物；一、细菌的基因与基因组学 另一方面，可找到对细菌生存必不可少并在感染过程中常优先表达的因子，选择这些因子作为抗菌药物的靶位点，可设

6、计出具有针对性很强的药物。一、细菌的基因与基因组学 病原微生物全基因组序列的测定还可大大加速新疫苗的研制。 通过生物信息学软件对全基因组序列进行分析，可以预测出病原体的具有很高免疫原性的保护性抗原及其表位。一、细菌的基因与基因组学 将抗原基因或表位在合适的载体系统中表达，纯化该抗原。最后，测定该抗原的安全性和有效性。一、细菌的基因与基因组学 随着微生物基因组被解码和微生物功能基因组的研究与开发，微生物学正面临着革命性的飞跃。微生物基因组研究所获得的信息将迅速地转化为生产力，如微生物感染性疾病的防治与诊断将会彻底得到改观。 一、细菌的基因与基因组学一、细菌的基因与基因组学二、细菌的基因突变细菌的

7、遗传与变异 亦称为点突变，是指细菌的遗传基因发生突然而稳定的结构改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换。1、基因突变(gene mutation)的概念二、细菌的基因突变2、基因突变的特点 随机发生 稳定 突变菌株产生的频率为10-1010-7二、细菌的基因突变3、常见的突变类型 耐药性突变 毒力突变 营养缺陷体突变 形态突变 条件致死突变 二、细菌的基因突变 日本曾发生过一次细菌性痢疾大流行。从病人粪便中同时分离到痢疾杆菌敏感株和耐药株（耐链霉素、氯霉素、四环素、磺胺类），且大肠杆菌与痢疾杆菌有完全相同的多重耐药性。多重耐药性传播迅速。耐药菌在传代过程中可自发失去耐药性。能否用基因突

8、变来解释痢疾杆菌多重耐药性的产生？二、细菌的基因突变一、细菌的基因与基因组学二、细菌的基因突变三、细菌的基因转移与重组细菌的遗传与变异 供体菌(如耐药菌株)可将遗传物质(耐药基因)转移至受体菌(如敏感菌株)中，使后者获得新的生物学性状 (如耐药性)。基因转移(gene transfer)三、细菌的基因转移与重组 质粒(plasmid) 转座子(transposon) 温和噬菌体(temperate phage) 基因转移元件三、细菌的基因转移与重组 接合(conjugation) 转化(transformation) 转导(transduction) 转座(transposition) 基因转

9、移方式三、细菌的基因转移与重组 质粒是细菌染色体外的遗传物质，大多由闭合环状双链DNA组成。1、质粒接合转移三、细菌的基因转移与重组 具有自我复制的能力 所携带的基因往往赋予宿主菌新 的生物学性状（如F质粒、R质粒、 毒性质粒、代谢质粒），增加细 菌在不利环境下的存活机会 一般是非必需的，可自行丢失或 消除 可在细菌之间转移质粒DNA的特征三、细菌的基因转移与重组质粒供体菌受体菌质粒接合转移三、细菌的基因转移与重组 接合：两个细菌通过性菌毛直接接触，供体菌将遗传物质转移给受体菌内，使受体菌获得新的遗传性状。三、细菌的基因转移与重组赋予宿主菌的耐药性 能编码性菌毛，决定自主复制与接合转移三、细菌

10、的基因转移与重组 R质粒不仅在同一种、属细菌间转移，而且可在不同种属细菌间互相传递，造成耐药性的广泛传播。 R质粒从耐药菌传递给敏感菌，使后者变为耐药菌。三、细菌的基因转移与重组 质粒作为一种独立的复制子，能从细胞中很方便地分离出来，并易于在体外进行操作和转入到合适的受体细胞中，已成为现代分子生物学研究和遗传工程的重要工具。三、细菌的基因转移与重组 质粒可以作为载体，在原核生物（大肠杆菌）和真核生物（酵母）中表达外源基因，获得目的蛋白。 1、复制 2、选择性标记（常用耐药性标记） 3、限制性酶切位点三、细菌的基因转移与重组SARS冠状病毒基因组结构及其编码蛋白三、细菌的基因转移与重组 SARS

11、冠状病毒M蛋白参与病毒蛋白的组装和出芽，引起T细胞亚群的改变，在B细胞表面具有多个抗原表位，可引起免疫反应。三、细菌的基因转移与重组 SARS冠状病毒M基因克隆与表达，制备针对M蛋白的单克隆抗体，作为早期诊断试剂；探讨重组M蛋白作为侯选疫苗的可能性。研究目的三、细菌的基因转移与重组SARS冠状病毒M基因的获取 M基因的克隆及测序 (M基因序列分析) 构建表达载体 M蛋白的表达 M蛋白的鉴定、纯化与复性 单克隆抗体的制备技术路线三、细菌的基因转移与重组2000bp1000bp750bp500bp250bp100bp RT-PCR扩增M基因(666bp) M基因的获取实验结果三、细菌的基因转移与重

12、组 M基因测序及序列分析三、细菌的基因转移与重组PET-22b(+) M基因C区克隆至表达载体 bp 100015000750050002500M 1 2 1：EcoR I/Xho I双酶 切pET32a(+)/Mc2： PCR 扩增Mc区三、细菌的基因转移与重组100007500500025001000250bp15000以NdeI/BamHI 双酶切重组Mc基因的pET-22b(+)对重组Mc基因的pET-22b(+)进行PCR鉴定三、细菌的基因转移与重组 Mc基因测序及序列分析三、细菌的基因转移与重组 M蛋白在大肠杆菌中的表达M 1 2 3Kda97.466.243.031.020.11

13、4.4Kda97.466.243.031.020.114.4M 1 2 三、细菌的基因转移与重组 受体菌从环境中直接摄取供体菌游离的DNA片段。 2、转化三、细菌的基因转移与重组自然转化过程 1、受体菌处于感受态(competence) Ca2+诱导法、电穿孔法三、细菌的基因转移与重组 2、转化因子的结合与进入 DNA以双链状态结合在细胞表面，其中一条链与感受态特异蛋白质结合，进入细胞。三、细菌的基因转移与重组 3、转化因子的整合 单链DNA不经复制，与受体菌DNA的单链配对，被取代的受体菌DNA单链被降解。三、细菌的基因转移与重组 转导是指以温和噬菌体为媒介，将供体菌DNA片段转移到受体菌内

14、。3、转导三、细菌的基因转移与重组 噬菌体(phage)是感染细菌、真菌等微生物的病毒。 噬菌体主要由核酸和蛋白质组成，可分为头部和尾部。三、细菌的基因转移与重组噬菌体感染细菌有两种后果： (1) 噬菌体增殖，产生许多子代噬菌体，最终裂解细菌，建立溶菌周期，故称为烈性噬菌体(virulent phage)。 三、细菌的基因转移与重组 (2) 噬菌体感染细菌后不增殖，不裂解细菌，其核酸可整合到细菌染色体中，成为细菌DNA一部分，并与细菌DNA一起复制，当细菌分裂时又能传至子代细菌，细菌并不裂解。这种噬菌体称为温和噬菌体(temperate phage)。三、细菌的基因转移与重组 整合在细菌基因组

15、中的噬菌体基因组，称为前噬菌体(prophage)。 带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌(lysogenic bacterium)。三、细菌的基因转移与重组 少数溶原性细菌的前噬菌体可从染色体上脱离、增殖，装配成新的子代噬菌体，使细菌裂解。大约在105107次装配中发生一次错误，将大小合适的供体菌DNA片段误装入噬菌体头部外壳中。 供体菌假噬菌体三、细菌的基因转移与重组受体菌 当“假噬菌体”再度感染受体菌时，将供体菌DNA带入受体菌内。完全转导流产转导普遍性转导局限性转导三、细菌的基因转移与重组 转座子是一个DNA片段，可在质粒之间或质粒与染色体之间随机转移，称为“跳跃基因” 。4、转座三、细菌的基因转移与重组 中心序列：带有遗传信息，如常带有耐药基因和整合酶（或转座酶）基因。转座子可分为： 2个末端反向重复序列：能为整合酶