病原生物学细菌的遗传与变异

病原生物学细菌的遗传与变异第1页/共63页生命的特征——遗传和变异遗传：生命有机体在生殖过程中表现出来的子代与亲代之间的相似性。遗传使物种能保持相对稳定。变异：同种个体之间的差异性。变异增加了生物对环境的适应性和物种的多样性，为生物进化提供了选择的材料。第2页/共63页学习内容常见的细菌变异现象细菌遗传变异的物质基础细菌遗传性变异的机制细菌遗传变异的应用第3页/共63页学习要求1）熟悉细菌常见的变异现象，并掌握与细菌遗传变异有关的物质基础。2）熟悉细菌变异的机制以及细菌基因转移与重组的四种方式。3）了解其它内容。第4页/共63页概述遗传（heredity）亲子代间生物学性状的相似性称为遗传。变异（variation）亲子代间以及子代之间生物学性状的差异性称为变异。遗传性变异（基因型变异）：细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或重组，不可逆，可遗传给后代。非遗传性变异（表型变异）：环境因素改变所致，基因结构未发生变异，可逆，不可遗传。一、概念第5页/共63页（一）形态结构变异（1）形态变异（2）结构变异（二）生理特性变异（1）毒力变异（2）耐药性变异二、常见的细菌变异现象第6页/共63页（一）形态结构变异3%-6%食盐琼脂培养基

鼠疫杆菌(典型形态)────→多形态性(衰残型)第7页/共63页形态结构变异青霉素、溶菌酶

正常形态细菌──────→L型变异抗体或补体

(部分或完全失去胞壁)

正常葡萄球菌葡萄球菌L型第8页/共63页形态结构变异特殊结构的变异（芽胞、鞭毛从有→无）

42-43℃（1）炭疽杆菌────→失去形成芽胞能力,毒性

10-20天降低

（2）变形杆菌

1%石炭酸单个菌落（鞭毛）迁徙生长鞭毛变异（H菌落）（O菌落）第9页/共63页1、毒力变异（有利有弊）β棒状杆菌噬菌体

白喉棒状杆菌──────→获得白喉毒素

(无毒)(有毒)（二）生理特性变异第10页/共63页

胆汁、甘油、马铃薯培养基

牛型结核杆菌────────→卡介苗

（强毒

）13年(230代)（弱毒）卡介苗是由法国巴斯德研究所的卡默特和介林（Calmette&Guerin）两人首创的。卡介二氏于1908年对一株从乳牛脓液分离的毒力很强的牛型结核菌进行了研究，将有毒力的结核杆菌在含有胆汁的甘油马铃薯培养基上连续传代，经13年230代获得了减毒但保持免疫原性的菌株，为纪念卡默特与介林的功绩，称此菌苗为卡介苗，简称BCG。用于人工接种以预防结核病。第11页/共63页2、耐药性变异（变本加厉）概念：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。现状：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90%以上。敏感------单一耐药--------多重耐药性----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12页/共63页第13页/共63页第14页/共63页值得我们深思的问题：如何防止细菌的耐药性变异？（1）合理使用抗生素，用药要足量，疗程要合适，维持体内药物的抑菌浓度。（2）严格执行消毒隔离制度，防止耐药菌的交叉感染。（3）做好药物敏感试验，提供细菌对药物的敏感程度，供临床用药时参考。（4）加强药政管理，抗菌药物凭处方供应。（5）实行抗菌药物“轮休”制（6）研制新的抗菌药物。第15页/共63页（一）细菌染色体细菌属于原核细胞型微生物,细菌染色体是环状双螺旋DNA，不含组蛋白,无核膜包围。细菌基因组是具有一定生物学功能的核苷酸序列，可编码多种的结构蛋白和酶类;其基因结构是连续编码的、无内含子。细菌染色体DNA的复制：已证明大肠埃希菌的DNA是双向复制。第一节细菌遗传变异的物质基础(掌握)第16页/共63页细菌染色体DNA第17页/共63页（二）质粒质粒是细菌染色体外、不依赖于染色体而自我复制的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。几种重要的质粒致育质粒（F质粒）：编码性菌毛的合成耐药质粒（R质粒）：编码细菌对抗菌药物和重金属盐类的耐药性。毒力质粒（Vi质粒）：编码与该菌致病性有关的毒力因子。细菌素质粒（Col质粒）：编码各种细菌素。代谢质粒：编码与代谢相关的各种酶类。第18页/共63页质粒的特征自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝紧密型质粒和松弛型质粒编码产物赋予细菌某些性状特征可自行丢失与消除有转移性可分为相容性和不相容性第19页/共63页（三）噬菌体1.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，在葡萄球菌和志贺菌中首先发现。2.噬菌体的特性：个体微小，需用电镜观察，可以通过细菌滤器没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成专性细胞内寄生的微生物第20页/共63页蝌蚪形噬菌体结构模式图由核酸和蛋白质组成。核酸(DNA／RNA)——核心部分蛋白质——外壳部分化学组成和结构第21页/共63页3、噬菌体的种类毒性噬菌体(virulentphage)能在宿主菌细胞内复制增殖,产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体。温和噬菌体(temperatephage)噬菌体基因与宿主菌染色体整合，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，称为温和噬菌体或溶原性噬菌体。第22页/共63页

毒性噬菌体和其溶菌周期

吸附穿入生物合成装配与成熟释放第23页/共63页固体培养基上形成噬斑液体培养基中混浊菌液变沌清第24页/共63页温和噬菌体前噬菌体整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体（prophage）溶原性细菌带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌（lysogenicbacterium）第25页/共63页温和噬菌体溶原性转换（lysogenicconversion）当细菌处于溶原期，某些前噬菌体携带的外源性基因会在细菌内表达，从而改变细菌的某些生物学性状，称为溶原性转换。白喉棒状杆菌产生白喉毒素，是因其前噬菌体（β-棒状噬菌体）带有毒素蛋白结构基因（tox基因）。第26页/共63页温和噬菌体的溶原性：前噬菌体偶尔可自发或在某些理化和生物因素的诱导下脱离宿主菌基因组而进入溶菌周期，产生成熟噬菌体，导致细菌裂解。温和噬菌体的这种产生成熟噬菌体颗粒和溶解宿主菌的潜在能力称为溶原性（lysogeny）。温和噬菌体感染细菌后有二种生活周期：溶源性周期:随宿主菌DNA复制传递给子代菌；溶菌性周期:在宿主菌内生物合成，裂解宿主菌，产生子代噬菌体。温和噬菌体第27页/共63页温和噬菌体二种周期第28页/共63页（四）转位因子（转座子）概念：是存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段可移动的特异性核苷酸序列，能不断地改变它们在基因组的位置，能从一个基因组转移到另一个基因组中。种类：插入序列（IS）：最简单或序列较短的转座子，长度不超过2kbp，仅携带转座基因。转座子（Tn）：长度超过2kbp，有转座基因，还有其它特殊功能的基因，如耐药性基因。转座噬菌体：属温和噬菌体，含有与转位功能有关的基因和反向重复序列，如大肠埃希菌Mu噬菌体。我是个活跃分子噢！第29页/共63页插入序列：是最小的转位因子，长度不超过2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域，往往是插入后与插入点附近的序列共同起作用，可能是原细胞正常代谢的调节开关之一。TransposaseABCDEFGGFEDCBA转座子：长度一般超过2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗重金属基因、毒素基因及其他结构基因等。因此当Tn插入某一基因时，一方面可引起插入基因失活产生基因突变，另一方面可因带入耐药性基因而使细菌获得耐药性。转座子可能与细菌的多重耐药性有关。IS

ISResistanceGene(s)IS

ISResistanceGene(s)第30页/共63页转座噬菌体tranposablephageorprophage

大肠杆菌Mu噬菌体：温和噬菌体、同时含有与转座功能有关的基因和反向重复序列。第31页/共63页小结细菌遗传变异的物质基础：1、细菌染色体2、质粒3、噬菌体4、转位因子第32页/共63页说了这么多，严重记不住！开开心吧！第33页/共63页一、基因的突变与损伤后修复突变DNA的损伤修复二、基因的转移与重组转化接合转导溶源性转换第二节细菌遗传性变异的机制（熟悉）第34页/共63页一、基因突变与损伤后的修复多位点突变（multisitemutation)点突变（pointmutation）转换（transition）颠换（transversion）移码突变（transhiftmutation）损伤后的修复：细菌DNA受到损伤时，细菌会启用DNA修复系统对损伤进行细致的修复，以使损伤降为最小，但损伤修复本身也会出现错误。第35页/共63页基因突变的特点（了解）1.自发性和不对应性2.稀有性自然突变率极低。（10-6～10-9

）3.可诱发性4.独立性5.稳定性6.可逆性（回复突变恢复原先的表型，但不一定是原先的基因型。）第36页/共63页影印试验(replicaplating)第37页/共63页二、基因的转移和重组基因转移概念：外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移（genetransfer）。重组概念：转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组（recombination），使受体菌获得供体菌的某些性状。基因转移和重组的方式：可通过转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合等方式进行。（重要）第38页/共63页（一）转化（transformation）转化是供体菌裂解后，游离的DNA片段被受体菌直接摄取，并整合到受体菌的基因组中，使受体菌获得新的性状。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。1928年Griffith等设计的肺炎双球菌的转化试验。S型细菌，菌体有荚膜，有毒性,菌落光滑。R型细菌，菌体无荚膜，无毒性,菌落粗糙。第39页/共63页肺炎链球菌的转化试验

第40页/共63页1944年，艾弗里等人的实验不仅揭开了“格里菲斯之谜”，并且在世界上第一次证明基因就在DNA上。

OswaldTheodoreAvery

（1877～1955）第41页/共63页第42页/共63页转化因子（transformingprinciple）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10~20个基因。感受态（competence）受体菌能从周围环境吸收外源性DNA进行转化的生理状态。可自发产生，也可人工诱导。第43页/共63页（二）接合（conjugation）接合是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒。第44页/共63页1.质粒的接合(F+XF-F+）

F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipientoriT第45页/共63页高频重组菌(Highfrequencyrecombinant,Hfr)：F质粒能稳定地被整合到染色体所形成的细菌。HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-第46页/共63页Hfr接合F-菌F-菌（接合状态可自发解离或受外界因素影响中断，很难获完整F质粒）从Hfr菌中染色体上脱离下来的F质粒有时会携带相邻的染色体基因或DNA片段，称为F’质粒（该菌被称为F’菌）。F+菌、Hfr、F’三种菌都有性菌毛，均可通过接合方式进行基因的转移。第47页/共63页2.R质粒的接合R质粒发现1959年首先由日本学者分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重耐药株，多重耐药性很难用基因突变解释。健康人中大肠埃希菌30%~50%有R质粒，而致病性大肠埃希菌90%有R质粒。R质粒与耐药性有关，尤其与多重耐药性有关。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。第48页/共63页耐药传递因子（RTF）：与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移耐药（r）决定子：r-dir能编码对抗菌药物的耐药性，可由几个转座子（Tn）连接相邻排列，如Tn9带有氯霉素耐药基因，Tn4带有氨苄青霉素、磺胺、链霉素的耐药基因，Tn5带有卡那霉素的耐药基因。r决定子在与RTF结合的状态下,才能传递给受体菌。R质粒的组成第49页/共63页R质粒决定耐药的机制使细菌产生灭活抗生素的酶类；R质粒控制细菌改变药物作用的靶部位；R质粒可控制细菌细胞对药物的通透性。Tn9Tn21Tn10Tn8RTFRdeterminant第50页/共63页（三）转导（transduction）转导是以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得供体菌的某些性状。普遍性转导（generalizedtransduction）局限性转导（restrictedtransduction）第51页/共63页（1）普遍性转导普遍性转导：是毒性噬菌体在复制过程中，或者前噬菌体在脱离溶原菌染色体进入裂解期的后期，噬菌体的DNA已大量复制，装配时可能会发生装配错误，误将细菌的DNA片段装入噬菌体的头部，成为一个转导噬菌体。转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌，并将其头部的染色体注入受体菌内。被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分。第52页/共63页普遍性转导第53页/共63页普遍性转导的结果完全转导外源性DNA片段与受体菌的染色体整合，并随染色体而传代，称完全转导流产转导外源性DNA片段游离在胞质中,既不能与受体菌染色体整合，也不能自身复制，只能进行转录、翻译，表达相应的生物学性状，称为流产转导