《医学微生物学》第4章细菌遗传和变异课件

1、 第四章 细菌的遗传与变异医学微生物学与免疫学教研室 董海艳第1页，共52页。 主要内容概念细菌的变异现象细菌遗传和变异的物质基础细菌变异的机制第2页，共52页。概 念遗传（heredity）亲代的生物性状相对稳定地传给子代，使物种得以延续。变异（variation）在一定条件下，子代和亲代之间、子代和子代之间的生物学性状出现差异称为变异。第3页，共52页。细菌的变异分为遗传性变异（基因型变异）：-细菌的基因结构发生了改变，如：基因突变、转移、重组-特点：发生于个别细菌，不受环境影响，不可逆，新性状可遗传非遗传性变异（表型变异）： - 细菌在一定的环境条件影响下产生的变异，其基因结构未改变。如

2、：形态结构变异、菌落变异-特点：所有细菌出现相应变异，环境因素去除，变异的性状可复原，不遗传Back第4页，共52页。一、 细菌的变异现象 形态结构变异 毒力变异 耐药性变异 菌落变异第5页，共52页。细胞壁变异：有无 go荚膜变异：有无 如：肺炎链球菌 芽胞变异：有无 如：炭疽杆菌 鞭毛变异：有无（H-O变异） go1、细菌形态结构的变异第6页，共52页。（1） 细菌L型变异： 青霉素、溶菌酶正常形态细菌 L型细菌 (部分或完全失去胞壁)正常霍乱弧菌霍乱弧菌L型形态结构变异第7页，共52页。葡萄球菌L型变异细菌L型油煎蛋样菌落第8页，共52页。（2）荚膜变异第9页，共52页。（3）芽胞变异

3、42-43炭疽杆菌 失去形成芽胞能力, 毒性 10-20天 降低（4）鞭毛变异 鞭毛细菌 无鞭毛菌 形态结构变异（单个菌落） （迁徙生长） （点种在含0.1%石碳酸的培养基） 第10页，共52页。2、毒力变异- 棒状噬菌体白喉棒状杆菌 产生白喉毒素 增强第11页，共52页。2、毒力变异- 胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核杆菌卡介苗 13年(230代) （BCG）减弱1921年Albert Calmette Camille Guerin第12页，共52页。3、耐药性变异 概念：细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药。多重耐药：有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药 物，甚至产生药物依赖性。 含链霉素培养基

4、痢疾杆菌依链株(耐药菌株) 长期培养第13页，共52页。4、菌落变异（S-R变异） 在陈旧培养基中长期培养光滑(S)型菌落 粗糙(R)型菌落 或在有免疫力的人体内一般，S型菌落致病力强。第14页，共52页。二、细菌遗传变异的物质基础 细菌的遗传物质包括： 细菌的 染色体 染色体外遗传物质： 质 粒转位因子第15页，共52页。1、细菌染色体细菌染色体： 环状双螺旋DNA，缺乏组蛋 白, 无核膜包围。第16页，共52页。2、质粒（plasmid）概念：位于胞浆细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA，编码生物学性状，能自行复制。质粒的特征自我复制能力，为复制子决定细菌某些性状可自行丢失与消除

5、可转移性：通过结合、转化、转导可分为相容性和不相容性第17页，共52页。常见的质粒类型F质粒（致育质粒）编码性菌毛，介导细菌间的结合能力耐药性质粒：编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。包括：结合性（R质粒）和非结合性耐药质粒毒力质粒（Vi质粒）：编码与致病有关的毒力因子，如：ST质粒细菌素质粒：编码细菌素，如大肠菌素质粒Col质粒代谢质粒：编码产生与代谢相关的许多酶类第18页，共52页。3、转位因子（transposable element，Te）：概念：存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段特异性核苷酸序列片段，能在DNA分子中移动，不断改变它们在基因组的位置。从基因组一个位置转移到另

6、一个位置-即转位。转位因子第19页，共52页。转位因子分为3类 插入序列（insertion sequence，IS）： 最小的Te，仅含与转位相关的基因，两端为反向重复序列。 转座子（transposon，Tn）： 含转位相关基因及耐药性基因、 抗金属基因、毒素基因等其他结构基因。 - Tn可引起插入失活，也可带入耐药基因，导致耐药性的播散。（3）转座噬菌体：IS IS Resistance Gene(s) IS IS Resistance Gene(s) 第20页，共52页。三、细菌变异的机制非遗传性变异： 环境条件的变化遗传性变异：基因的突变与修复基因的转移和重组第21页，共52页。（二

7、）细菌的基因转移和重组基因转移（gene transfer） 外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞内的过程称为基因转移。重组（ recombination）转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组，使受体菌获得供体菌的某些性状。基因转移和重组的方式： 转化、接合、转导、溶原性转换、原生质融合第22页，共52页。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）原生质融合（protopast fusion）Back第23页，共52页。1、转化（transform

8、ation）概念： 受体菌直接从周围环境中摄取供体菌裂解游离的DNA片段，从而获得供体菌部分遗传性状的过程。证实： 转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感嗜血杆菌等中被证实。第24页，共52页。转 化转化因子（transforming principle ）在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子 ，分子量小于107，最多不超过1020个基因。感受态（competence）受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附DNA的受体.第25页，共52页。转化的过程及其机制：感受态受体菌摄取同源游离的DNA后发生重组置换性重组第26页，共52页。细菌的转化第27页，

9、共52页。2、接 合（conjugation）概念： 是细菌通过性菌毛相互连接沟通，供体菌将遗传物质（主要是质粒DNA）转移给受体菌，使受体菌获得供体菌的遗传性状。 接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，包括：F质粒 R质粒 Col质粒和毒力质粒。第28页，共52页。根据大肠埃希菌是否存在F质粒，分为：F+菌F菌 goF+菌F 菌第29页，共52页。F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipientF质粒接合过程第30页，共52页。 Hfr菌（高频重组菌，high frequency recombination,Hfr） 概念：细菌的F质粒通过同源重组整合到宿主菌的染色

10、体上，并随染色体复制而复制，整合后的细菌能高效地转移染色体上的基因称为Hfr菌。第31页，共52页。高频重组菌（Hfr)与 F菌接合，传递细菌基因片断HfrF -HfrF -HfrF -HfrF -第32页，共52页。高频重组菌（Hfr）与 F菌接合，传递细菌基因片断第33页，共52页。FHfrF+F 菌Hfr菌中的F质粒有时从染色体上脱落，终止Hfr状态， 脱离的质粒带有染色体 上邻近基因称为F 质粒。第34页，共52页。2）R质粒接合R质粒包括两部分 耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF）功能：与F质粒相似，编码性菌毛和接合转移 耐药决定子（r-dir

11、）功能：编码对抗菌药物的耐药性第35页，共52页。RTFr决定子ISTn9Tn4Tn5R质粒结构图第36页，共52页。R质粒接合第37页，共52页。3、转导（transduction）概念： 以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移入受体菌，使受体菌获得新的性状。 根据转导基因片断范围，分为： 普遍性转导（generalized transduction）局限性转导（restricted transduction）第38页，共52页。噬菌体（bactriophage，phage）概念：噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒，只能在活的宿主菌内复制增殖。形态结构：第39页，共5

12、2页。噬菌体与宿主菌的关系噬菌体感染细菌有两种结果裂解细菌，完成溶菌周期 毒性噬菌体细菌不裂解，建立一种溶原状态 温和噬菌体第40页，共52页。温和噬菌体第41页，共52页。前噬菌体: 整合在细菌基因组中的噬菌体基因组溶原性细菌温和噬菌体第42页，共52页。（1）普遍性转导 （generalized transduction）概念： 通过噬菌体将供体菌任意DNA片段转移至受体菌的转导现象。第43页，共52页。普遍性转导的过程前噬菌体从溶原菌染色体上脱离进行增殖，噬菌体大量复制其子代DNA，合成子代噬菌体结构蛋白，同时编码产生核酸酶。核酸酶对宿主菌染色体进行切割，产生许多大小不一的DNA片段。噬

13、菌体组装时，发生错误（105107），误将细菌的DNA片段装入噬菌体的外壳蛋白，感染受体菌将供体菌DNA带入。因为错误是随机的，被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分，故称为普遍性转导。 第44页，共52页。第45页，共52页。普遍性转导的过程 第46页，共52页。普遍性转导的结果：携带供体菌基因的噬菌体感染受体菌时，将供体菌基因注入受体菌，结果分为：完全转导（complete transduction）进入的DNA片段与受体菌的染色体整合重组，并随染色体而传代，称完全转导 流产转导（abortive transduction）进入的DNA片段游离在胞质中,既不能与受体菌染色体整合，也不能自身复制，称为流产转导 第47页，共52页。（2）局限性转导概念：前噬菌体从宿主菌染色体上脱落时发生偏差，将前噬菌体两侧的宿主染色体基因转移给受体菌，使受体菌的遗传性状发生改变的过程。能进行局限性转导的多是温和噬菌体：如噬菌体进入大肠埃希菌K12。第48页，共52页。局限性转导第49页，共52页。4、溶原性转换(lysogenic conversion)概念：当噬菌体感染细菌时