細(xì)菌的遺傳變異

1、 遺 傳（heredityheredity） 變 異（variationvariation） 基因型變異 表型變異 遺傳與變異是所有生物的共同生命特征 子代與親代生物學(xué)性狀基本 相同, ,且代代相傳 子代與親代, ,子代與子代的生 物學(xué)性狀出現(xiàn)差異 穩(wěn)定 不穩(wěn)定 細(xì)菌的變異現(xiàn)象 1. 1.形態(tài)結(jié)構(gòu)變異-外界環(huán)境因素所致 細(xì)菌L L型變異: : 莢膜變異(capsule): (capsule): 肺炎鏈球菌 芽胞變異(spore):(spore):炭疽桿菌 鞭毛變異(flagellum):(flagellum): H-O H-O變異-失去鞭毛的變異 有鞭毛：H H（HauchHauch）菌落。

2、無鞭毛：OO（Ohne hauchOhne hauch）菌落。 形態(tài)結(jié)構(gòu)變異 青霉素、溶菌酶 正常形態(tài)細(xì)菌 L型變異 抗體或補(bǔ)體 (部分或完全失去胞壁) 正常霍亂弧菌 霍亂弧菌L L型 特殊結(jié)構(gòu)的變異 42-43 炭疽桿菌 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天 特殊結(jié)構(gòu)的變異 變形桿菌 0.1%石炭酸 遷徙生長（H） 點(diǎn)狀生長、單個(gè)菌落（O） 鞭毛變異 2. 2.毒力變異： (Virulence) 毒力 ：BCGBCG（卡介苗） 毒力 ：白喉?xiàng)U菌溶原化 3.3.耐藥性變異: : (Drug-resistance) 細(xì)菌對(duì)某種抗菌藥物由敏感變成耐藥的變異。 金黃色葡萄球菌耐青霉素的菌株已從

3、1946年的 14%上升至目前的90%。 有些細(xì)菌還表現(xiàn)為同時(shí)耐受多種抗菌藥物，即 多重耐藥性，甚至產(chǎn)生藥物依賴性。 含鏈霉素培基 痢疾桿菌依鏈株(耐藥菌株) 長期培養(yǎng) 4. 4.菌落變異：(Colony) 特點(diǎn)：S-RS-R變異常伴有其他性狀 的變異（毒力，抗原性等）而造 成全面的變異 菌落由光滑（S S）型變?yōu)榇植冢≧ R）型 如腸道桿菌 S-RS-R變異 5 5、抗原性變異( (Antigenicity) 菌體抗原（OO抗原）變異；鞭毛抗原（H H抗原）變異 失去LPS的特異多糖 一、染色體 (chromosome)(chromosome) 二、質(zhì)粒 (plasmid)(plasmid)

4、 三、轉(zhuǎn)座因子 (transposable element)(transposable element) 四、整合子(integron,In)(integron,In) 五、噬菌體（phage phage ） 基因以操縱子形式存在 轉(zhuǎn)錄后不需剪接加工 基因組DNADNA大部分用來編碼蛋白質(zhì) 5.5.結(jié)構(gòu)基因無重疊現(xiàn)象 6.結(jié)構(gòu)基因單拷貝，rDNA多拷貝 7.具有各種功能識(shí)別區(qū)：復(fù)制起始區(qū)、終止區(qū)等 一、 細(xì)菌染色體 操縱子(operon) 結(jié)構(gòu) 編碼序列 啟動(dòng)序列 操縱序列 其他調(diào)節(jié)序列 (promoter) (operator) 乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu) 調(diào)控區(qū) CAP結(jié)合位

5、點(diǎn) 啟動(dòng)序列 操縱序列 結(jié)構(gòu)基因 Z： -半乳糖苷酶 Y： 透過酶 A：乙?；?ZYAOP DNA 表達(dá)區(qū) 基因以操縱子形式存在 轉(zhuǎn)錄后不需剪接加工 基因組DNADNA大部分用來編碼蛋白質(zhì) 5.5.結(jié)構(gòu)基因無重疊現(xiàn)象 6.結(jié)構(gòu)基因單拷貝，rDNA多拷貝 7.具有各種功能識(shí)別區(qū)：復(fù)制起始區(qū)、終止區(qū)等 一、 細(xì)菌染色體 1. 1.本質(zhì)： 能自主復(fù)制的染色體 外遺傳物質(zhì)，為環(huán)狀閉合的 雙鏈DNADNA。 2. 2. 分類： 根據(jù)質(zhì)粒基因編碼的生物學(xué)性狀 致育質(zhì)粒/F (fertility) /F (fertility) 質(zhì)粒 編碼性菌毛 耐藥性質(zhì)粒 編碼細(xì)菌對(duì)抗菌藥物或 重金屬鹽類的耐藥性 毒力質(zhì)

6、粒/Vi (virulence) /Vi (virulence) 質(zhì)粒 編碼與該菌致病性有關(guān)的毒力因子 細(xì)菌素質(zhì)粒 編碼各種細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素 如：Col Col 質(zhì)粒編碼大腸埃希菌產(chǎn)生的大腸菌素 代謝質(zhì)粒 編碼產(chǎn)生與代謝相關(guān)的許多酶類 3.3.質(zhì)粒DNADNA基本特性： A. A. 可自我復(fù)制；是一個(gè)復(fù)制子 B. B. 質(zhì)粒DNADNA編碼的基因產(chǎn)物能賦予細(xì)菌 些性狀特征 致育性、耐藥性、致病性等 C. C. 質(zhì)?？勺匀粊G失與消除 自然丟失率1010-2 -210 10-8 -8；可用高溫、紫外 線等除去 D. D. 質(zhì)粒 具有轉(zhuǎn)移性： 接合性質(zhì)粒 通過性菌毛進(jìn)行基因傳遞 非接合性質(zhì)粒經(jīng)接合性

7、質(zhì)粒誘動(dòng) 或經(jīng)載 體( (噬菌體) )進(jìn)行基因傳遞 E. E. 質(zhì)粒具有相容性和不相容性 1. 1. 本質(zhì)：細(xì)菌內(nèi)能改變自身位置的DNADNA序列， 為移動(dòng)基因（movable genesmovable genes） 2. 2. 轉(zhuǎn)移方式： 通過自身編碼產(chǎn)生的轉(zhuǎn)座酶導(dǎo)致 其轉(zhuǎn)移或移位 染色體內(nèi)移位（A AB B） 染色體與質(zhì)粒間 不同質(zhì)粒之間 3. 種類： 插入序列（insertion sequence,ISinsertion sequence,IS） 是最小的轉(zhuǎn)位因子，2kb 重復(fù) 序列 Transposase Gene 重復(fù) 序列 轉(zhuǎn)座子（transposon, Tn） 2kb，除兩端的I

8、S外，還攜帶與轉(zhuǎn)座無關(guān)的耐藥性 基因、抗金屬基因、毒素基因及其他結(jié)構(gòu)基因。 IS ISResistance Gene(s) 轉(zhuǎn)座子介導(dǎo)的轉(zhuǎn)座 變 異 基因型變異 表型變異 基因重組 基因突變 染色體變異 細(xì)菌變異的機(jī)制 例：溶菌時(shí)，裂解的DNADNA片段被另一細(xì)菌攝取。 小鼠體內(nèi)肺炎鏈球菌 轉(zhuǎn)化試驗(yàn) 死亡 死亡 主要接合性質(zhì)粒： F F質(zhì)粒、R R質(zhì)粒、ColCol質(zhì)粒、 ViVi質(zhì)粒 大腸埃希菌與腸道桿菌接合 （電鏡掃描圖） 作用：編碼性菌毛 存在： F+ F+ 菌-含游離的F F質(zhì)粒 F F 菌-含帶宿主菌基因的F F質(zhì)粒 HfrHfr菌(high frequency recombinan

9、t)(high frequency recombinant) 高頻重組菌- F- F質(zhì)粒整合于細(xì)菌染色體中 F F質(zhì)粒存在的生理狀態(tài) F F- - 菌F F+ + 菌 Hfr Hfr 菌 與 F+菌接合 丟失 整合 切離 偏差切離 丟失 整合 與菌接合 1.1.兩者結(jié)合 2.DNA2.DNA一條鏈斷開，染色體 DNADNA經(jīng)性菌毛進(jìn)入F F- - 菌 3.3.接合作用可隨時(shí)中斷（自 發(fā)或外界因素），受體菌一 般仍是F F- - 菌 R R質(zhì)粒 作用：決定細(xì)菌的耐藥性 結(jié)構(gòu)： 1.RTF (resistance transfer factor) 耐藥傳遞因子 -編碼性菌毛，與復(fù)制、接合及轉(zhuǎn) 移有

10、關(guān) 2.R determinant （r決定子） -編碼對(duì)抗菌藥物的耐藥性 結(jié)合游離 耐藥傳遞因子 （RTFRTF） r r決定子 IS IS r r決定子 存在 a. a. 復(fù)合物形式：RTF- rRTF- r決定子 b. b. 游離形式： 兩部分單獨(dú)存在時(shí)無接合傳遞R R質(zhì)粒的功能 耐藥傳遞因子 供體菌DNADNA誤裝入噬菌體 （generalized transduction) 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)中外源DNADNA的結(jié)果 1.1.完全轉(zhuǎn)導(dǎo)： 供體菌的DNADNA與受體菌染色體重組， 隨染色體復(fù)制而隨之傳代 2.2.流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)(abortive transduction): 供體菌的DNADNA與受

11、體菌染色體不能 進(jìn)行重組, ,轉(zhuǎn)導(dǎo)的片斷不能自身復(fù)制，也 不能傳代 (restricted transduction) - - 前噬菌體從宿主菌染色體上脫落時(shí)發(fā) 生偏差, ,將前噬菌體兩側(cè)的宿主染色體基因轉(zhuǎn) 移到受體菌, ,使受體菌遺傳發(fā)生改變的過程. . 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制 ubio-bio-生物素基因 ugal-gal-糖苷酶基因 正常切離偏差切離 缺陷噬菌體 正常噬菌體 前噬菌體 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)與普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要區(qū)別 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo) 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo) 轉(zhuǎn)導(dǎo)時(shí)間 溫和噬菌體裂解期 溫和噬菌體溶原期 轉(zhuǎn)導(dǎo)基因 供體菌染色體DNADNA的 噬菌體DNADNA及供菌染色 任何部位或質(zhì)粒 體DNADNA的特定部位片

12、斷 轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率 低 高 轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)果 完全轉(zhuǎn)導(dǎo) 獲得供體菌DNADNA 流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo) 特定部位的遺傳特性 原生質(zhì)體融合 (protoplast fusion)(protoplast fusion) A A 細(xì) 菌 B B 細(xì) 菌 A A 原生質(zhì)體 B B 原生質(zhì)體 重組融合體 不同重組菌 培 養(yǎng) 聚乙二醇 青霉素等 細(xì)菌基因轉(zhuǎn)移與重組的幾種方式比較 方式 基因來源 轉(zhuǎn)移機(jī)制 轉(zhuǎn)化 供體菌 直接攝取 接合 雄性菌 性菌毛溝通 普遍轉(zhuǎn)導(dǎo) 供體菌 噬菌體介導(dǎo) 局限轉(zhuǎn)導(dǎo) 溶原菌 溫和噬菌體介導(dǎo) 溶原轉(zhuǎn)換 溫和噬菌體 溫和噬菌體感染 融合 原生質(zhì)體 原生質(zhì)體融合 2. 2. 類型： 堿基置換：轉(zhuǎn)換、顛換 堿基插入

13、 堿基缺失 1. 1. 定義： DNA堿基對(duì)的置換、插入或缺失所致的基因結(jié)構(gòu) 的變化，分點(diǎn)突變和染色體畸變。 移碼突變 3. 3. 突變規(guī)律： 自發(fā)突變與誘發(fā)突變 突變率 自發(fā)突變： 誘發(fā)突變：提高1010 10001000倍 突變與選擇：突變是隨機(jī)的，不定向的 試驗(yàn)： 19431943年Luria和Delbruck設(shè)計(jì)了有名的彷徨試 驗(yàn)( (fluctuation test) )； 19521952年Lederberg等設(shè)計(jì)了影印培養(yǎng) (replica plating)。 103/ml 敏感菌 10ml10ml 立即接種37 24h37 24h 含噬菌體平板 含噬菌體平板 37 24h37 24h 回復(fù)突變與抑制突變 野生株 (wild strain) 突變株 (mutant strain) 正向突變 回復(fù)突變 回復(fù)突變?cè)? : 突變株中的一個(gè)抑制基因突變所致. .回復(fù)突變可 自發(fā)或誘導(dǎo)發(fā)生。 回復(fù)突變 基因內(nèi)抑制(intragenic suppressor)(intragenic suppressor) 抑制基因突變發(fā)生在同一基因內(nèi)的不同部位 基因間抑制(extragenic suppressor)(extragenic suppressor) 抑制基因突變發(fā)生在不同基因 回復(fù)突變基因型模式圖 基因型 回復(fù)突變機(jī)制 菌株 表型 突變前 野生株 敏感 突變