05細菌的遺傳變異

1、 遺遺 傳（傳（heredityheredity）變變 異（異（variationvariation）基因型變異基因型變異 表表型變異型變異 遺傳與變異是所有生物的共同生命特征遺傳與變異是所有生物的共同生命特征 子代與親代生物學性狀基本子代與親代生物學性狀基本相同相同, ,且代代相傳且代代相傳子代與親代子代與親代, ,子代與子代的生子代與子代的生物學性狀出現差異物學性狀出現差異 穩(wěn)定 不穩(wěn)定 細菌的變異現象細菌的變異現象1. 1.形態(tài)結構變異形態(tài)結構變異-外界環(huán)境因素所致外界環(huán)境因素所致 細菌細菌l l型變異型變異: : 莢膜變異莢膜變異(capsule): (capsule): 肺炎鏈球菌肺

2、炎鏈球菌 芽胞變異芽胞變異(spore):(spore):炭疽桿菌炭疽桿菌 鞭毛變異鞭毛變異(flagellum):(flagellum): h-o h-o變異變異-失去鞭毛的變異失去鞭毛的變異 有鞭毛：有鞭毛：h h（hauchhauch）菌落。）菌落。 無鞭毛：無鞭毛：oo（ohne hauchohne hauch）菌落。）菌落。 形態(tài)結構變異形態(tài)結構變異 青霉素、溶菌酶青霉素、溶菌酶正常形態(tài)細菌正常形態(tài)細菌 l型變異型變異 抗體或補體抗體或補體 (部分或完全失去胞壁部分或完全失去胞壁)正?；魜y弧菌正?；魜y弧菌霍亂弧菌霍亂弧菌l l型型 特殊結構的變異特殊結構的變異 42-43炭疽桿菌炭疽

3、桿菌 失去形成芽胞能力失去形成芽胞能力, 毒性降低毒性降低 10-20天天 特殊結構的變異特殊結構的變異 變形桿菌變形桿菌 0.1%石炭酸石炭酸 遷徙生長（遷徙生長（h） 點狀生長、單個菌落（點狀生長、單個菌落（o）鞭毛變異鞭毛變異2. 2.毒力變異：毒力變異： (virulence) 毒力毒力 ：bcgbcg（卡介苗）（卡介苗） 毒力毒力 ：白喉桿菌溶原化：白喉桿菌溶原化3.3.耐藥性變異耐藥性變異: : (drug-resistance) 細菌對某種抗菌藥物由敏感變成耐藥的變異。細菌對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金黃色葡萄球菌耐青霉素的菌株已從194

4、6年的年的14%上升至目前的上升至目前的90%。 有些細菌還表現為同時耐受多種抗菌藥物，即有些細菌還表現為同時耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產生藥物依賴性。多重耐藥性，甚至產生藥物依賴性。 含鏈霉素培基含鏈霉素培基痢疾桿菌痢疾桿菌依鏈株依鏈株(耐藥菌株耐藥菌株) 長期培養(yǎng)長期培養(yǎng)4. 4.菌落變異：菌落變異：(colony) 特點：特點：s-rs-r變異常伴有其他性狀變異常伴有其他性狀的變異（毒力，的變異（毒力，抗原性等抗原性等）而造）而造成成全面的變異全面的變異菌落由光滑（菌落由光滑（s s）型變?yōu)榇植冢ǎ┬妥優(yōu)榇植冢╮ r）型）型 如腸道桿菌如腸道桿菌 s-rs-r變異變異5 5、抗

5、原性變異、抗原性變異( (antigenicity)菌體抗原（菌體抗原（oo抗原）變異；鞭毛抗原（抗原）變異；鞭毛抗原（h h抗原）變異抗原）變異失去失去lps的特異多糖的特異多糖一、染色體一、染色體 (chromosome)(chromosome)二、質粒二、質粒 (plasmid)(plasmid) 三、轉座因子三、轉座因子 (transposable element)(transposable element)四、整合子四、整合子(integron,in)(integron,in)五、噬菌體（五、噬菌體（phage phage ）基因以基因以操縱子操縱子形式存在形式存在 轉錄后不需剪接加

6、工轉錄后不需剪接加工基因組基因組dnadna大部分用來編碼蛋白質大部分用來編碼蛋白質 5.5.結構基因無重疊現象結構基因無重疊現象 6.結構基因單拷貝，結構基因單拷貝，rdna多拷貝多拷貝 7.具有各種功能識別區(qū)：復制起始區(qū)、終止區(qū)等具有各種功能識別區(qū)：復制起始區(qū)、終止區(qū)等 一、一、 細菌染色體細菌染色體 操縱子操縱子(operon) 結構結構編碼序列編碼序列 啟動序列啟動序列 操縱序列操縱序列 其他調節(jié)序列其他調節(jié)序列(promoter)(operator) 乳糖操縱子乳糖操縱子(lac operon)的的結構結構 調控區(qū)調控區(qū)cap結合位點結合位點啟動序列啟動序列操縱序列操縱序列 結構基因

7、結構基因z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶y： 透過酶透過酶a：乙?；福阂阴；竮yaopdna表達區(qū)表達區(qū)基因以基因以操縱子操縱子形式存在形式存在 轉錄后不需剪接加工轉錄后不需剪接加工基因組基因組dnadna大部分用來編碼蛋白質大部分用來編碼蛋白質 5.5.結構基因無重疊現象結構基因無重疊現象 6.結構基因單拷貝，結構基因單拷貝，rdna多拷貝多拷貝 7.具有各種功能識別區(qū)：復制起始區(qū)、終止區(qū)等具有各種功能識別區(qū)：復制起始區(qū)、終止區(qū)等 一、一、 細菌染色體細菌染色體 1. 1.本質：本質： 能自主復制的能自主復制的染色體染色體外遺傳物質外遺傳物質，為環(huán)狀閉合的，為環(huán)狀閉合的雙鏈雙鏈dnadna。

8、 2. 2. 分類：分類： 根據根據質?；蚓幋a的生物學性狀質?；蚓幋a的生物學性狀 致育質粒致育質粒/f (fertility) /f (fertility) 質粒質粒 編碼性菌毛編碼性菌毛 耐藥性質粒耐藥性質粒 編碼細菌對抗菌藥物或編碼細菌對抗菌藥物或 重金屬鹽類的耐藥性重金屬鹽類的耐藥性 毒力質粒毒力質粒/vi (virulence) /vi (virulence) 質粒質粒 編碼與該菌致病性有關的毒力因子編碼與該菌致病性有關的毒力因子 細菌素質粒細菌素質粒 編碼各種細菌產生的細菌素編碼各種細菌產生的細菌素 如：如：col col 質粒編碼大腸埃希菌產生的大腸菌素質粒編碼大腸埃希菌產生的

9、大腸菌素 代謝質粒代謝質粒 編碼產生與代謝相關的許多酶類編碼產生與代謝相關的許多酶類 3.3.質粒質粒dnadna基本特性：基本特性：a. a. 可自我復制可自我復制；是一個復制子；是一個復制子 b. b. 質粒質粒dnadna編碼的基因產物能賦予細菌編碼的基因產物能賦予細菌 些性狀特征些性狀特征 致育性、耐藥性、致病性等致育性、耐藥性、致病性等 c. c. 質?？勺匀粊G失與消除質?？勺匀粊G失與消除 自然丟失率自然丟失率1010-2-21010-8-8；可用高溫、紫外；可用高溫、紫外線等除去線等除去d. d. 質粒質粒 具有轉移性具有轉移性： 接合性質粒接合性質粒 通過性菌毛進行基因傳遞通過性

10、菌毛進行基因傳遞 非接合性質粒非接合性質粒經接合性質粒誘動經接合性質粒誘動 或經載或經載 體體( (噬菌體噬菌體) )進行基因傳遞進行基因傳遞e. e. 質粒具有相容性和不相容性質粒具有相容性和不相容性1. 1. 本質：本質：細菌內能改變自身位置的細菌內能改變自身位置的dnadna序列，序列， 為移動基因（為移動基因（movable genesmovable genes）2. 2. 轉移方式：轉移方式： 通過通過自身編碼自身編碼產生的產生的轉座酶轉座酶導致導致 其轉移或移位其轉移或移位 染色體內移位（染色體內移位（a ab b） 染色體與質粒間染色體與質粒間 不同質粒之間不同質粒之間3. 種類

11、：插入序列（插入序列（insertion sequence,isinsertion sequence,is） 是最小的轉位因子，是最小的轉位因子，2kb 重復重復序列序列transposase gene重復重復序列序列轉座子（轉座子（transposon, tn） 2kb，除兩端的，除兩端的is外，還攜帶與轉座無關的耐藥外，還攜帶與轉座無關的耐藥性基因、抗金屬基因、毒素基因及其他結構基因。性基因、抗金屬基因、毒素基因及其他結構基因。is isresistance gene(s)轉座子介導的轉座轉座子介導的轉座 變變 異異基因型變異基因型變異 表表型變異型變異 基因重組基因重組基因突變基因突變

12、染色體變異染色體變異 細菌變異的機制細菌變異的機制 例：溶菌時，裂解的例：溶菌時，裂解的dnadna片段被另一細菌攝取。片段被另一細菌攝取。小鼠體內肺炎鏈球菌小鼠體內肺炎鏈球菌轉化試驗轉化試驗死亡死亡死亡死亡主要接合性質粒：主要接合性質粒： f f質粒、質粒、r r質粒、質粒、colcol質粒、質粒、 vivi質粒質粒大腸埃希菌與腸道桿菌接合大腸埃希菌與腸道桿菌接合（電鏡掃描圖）作用：編碼性菌毛作用：編碼性菌毛存在：存在：f+ f+ 菌菌-含游離的含游離的f f質粒質粒f f 菌菌-含帶宿主菌基因的含帶宿主菌基因的f f質粒質粒hfrhfr菌菌(high frequency recombina

13、nt)(high frequency recombinant)高頻重組菌高頻重組菌- f- f質粒整合于細菌染色體中質粒整合于細菌染色體中f f質粒存在的生理狀態(tài)質粒存在的生理狀態(tài) f f- - 菌菌f f+ + 菌菌hfr hfr 菌菌與與 f+菌接合菌接合丟失丟失整合整合切離切離偏差切離偏差切離 丟失丟失整合整合與與菌接合菌接合1.1.兩者結合兩者結合2.dna2.dna一條鏈斷開，染色體一條鏈斷開，染色體dnadna經性菌毛進入經性菌毛進入f f- - 菌菌3.3.接合作用可隨時中斷（自接合作用可隨時中斷（自發(fā)或外界因素），受體菌一發(fā)或外界因素），受體菌一般仍是般仍是f f- - 菌菌

14、r r質粒質粒 作用：作用：決定細菌的耐藥性決定細菌的耐藥性 結構：結構：1.rtf (resistance transfer factor) 耐藥傳遞因子耐藥傳遞因子-編碼性菌毛，與復制、接合及轉編碼性菌毛，與復制、接合及轉移有關移有關 2.r determinant （r決定子）決定子）-編碼對抗菌藥物的耐藥性編碼對抗菌藥物的耐藥性 結合結合游離游離耐藥傳遞因子耐藥傳遞因子（rtfrtf）r r決定子決定子isisr r決定子決定子存在存在 a. a. 復合物形式：復合物形式：rtf- rrtf- r決定子決定子 b. b. 游離形式：游離形式：兩部分單獨存在時無接合傳遞兩部分單獨存在時無

15、接合傳遞r r質粒的功能質粒的功能耐藥傳遞因子耐藥傳遞因子 供體菌供體菌dnadna誤裝入噬菌體誤裝入噬菌體（generalized transduction)普遍性轉導中外源普遍性轉導中外源dnadna的結果的結果1.1.完全轉導：完全轉導： 供體菌的供體菌的dnadna與受體菌染色體重組，與受體菌染色體重組，隨染色體復制而隨之傳代隨染色體復制而隨之傳代2.2.流產轉導流產轉導(abortive transduction): 供體菌的供體菌的dnadna與受體菌染色體不能與受體菌染色體不能進行重組進行重組, ,轉導的片斷不能自身復制，也轉導的片斷不能自身復制，也不能傳代不能傳代 (restr

16、icted transduction)- - 前噬菌體從宿主菌染色體上脫落時發(fā)前噬菌體從宿主菌染色體上脫落時發(fā)生偏差生偏差, ,將前噬菌體兩側的宿主染色體基因轉將前噬菌體兩側的宿主染色體基因轉移到受體菌移到受體菌, ,使受體菌遺傳發(fā)生改變的過程使受體菌遺傳發(fā)生改變的過程. .局限性轉導機制局限性轉導機制ubio-bio-生物素基因生物素基因ugal-gal-糖苷酶基因糖苷酶基因正常切離正常切離偏差切離偏差切離缺陷噬菌體缺陷噬菌體正常噬菌體正常噬菌體前噬菌體前噬菌體 局限性轉導與普遍性轉導的主要區(qū)別局限性轉導與普遍性轉導的主要區(qū)別 普遍性轉導普遍性轉導 局限性轉導局限性轉導轉導時間轉導時間 溫和

17、噬菌體裂解期溫和噬菌體裂解期 溫和噬菌體溶原期溫和噬菌體溶原期轉導基因轉導基因 供體菌染色體供體菌染色體dnadna的的 噬菌體噬菌體dnadna及供菌染色及供菌染色 任何部位或質粒任何部位或質粒 體體dnadna的特定部位片斷的特定部位片斷轉導頻率轉導頻率 低低 高高轉導結果轉導結果 完全轉導完全轉導 獲得供體菌獲得供體菌dnadna 流產轉導流產轉導 特定部位的遺傳特性特定部位的遺傳特性 原生質體融合原生質體融合 (protoplast fusion)(protoplast fusion)a a 細細菌菌b b 細細菌菌a a 原生質體原生質體b b 原生質體原生質體重組融合重組融合體體不

18、同重組不同重組菌菌培培 養(yǎng)養(yǎng)聚乙二醇聚乙二醇青霉素等青霉素等細菌基因轉移與重組的幾種方式比較細菌基因轉移與重組的幾種方式比較方式方式 基因來源基因來源 轉移機制轉移機制轉化轉化 供體菌供體菌 直接攝取直接攝取接合接合 雄性菌雄性菌 性菌毛溝通性菌毛溝通普遍轉導普遍轉導 供體菌供體菌 噬菌體介導噬菌體介導局限轉導局限轉導 溶原菌溶原菌 溫和噬菌體介導溫和噬菌體介導溶原轉換溶原轉換 溫和噬菌體溫和噬菌體 溫和噬菌體感染溫和噬菌體感染融合融合 原生質體原生質體 原生質體融合原生質體融合 2. 2. 類型：類型： 堿基置換：轉換、顛換堿基置換：轉換、顛換 堿基插入堿基插入 堿基缺失堿基缺失 1. 1.

19、 定義：定義： dna堿基對的堿基對的置換、插入或缺失置換、插入或缺失所致的基因結構所致的基因結構的的變化，分點突變和染色體畸變。變化，分點突變和染色體畸變。移碼突變移碼突變3. 3. 突變規(guī)律：突變規(guī)律：自發(fā)突變與誘發(fā)突變自發(fā)突變與誘發(fā)突變突變率突變率 自發(fā)突變：自發(fā)突變： 誘發(fā)突變：提高誘發(fā)突變：提高1010 10001000倍倍突變與選擇：突變是隨機的，不定向的突變與選擇：突變是隨機的，不定向的 試驗：試驗： 19431943年年luria和和delbruck設計了有名的彷徨試設計了有名的彷徨試驗驗( (fluctuation test) )； 19521952年年lederberg等設

20、計了影印培養(yǎng)等設計了影印培養(yǎng)(replica plating)。 103/ml敏感菌敏感菌10ml10ml立即接種立即接種37 24h37 24h含噬菌體平含噬菌體平板板含噬菌體平含噬菌體平板板37 24h37 24h回復突變與抑制突變回復突變與抑制突變野生株野生株(wild strain)突變株突變株(mutant strain) 正向突變正向突變回復突變回復突變原因回復突變原因: : 突變株中的一個抑制基因突變所致突變株中的一個抑制基因突變所致. .回復突變可回復突變可自發(fā)或誘導發(fā)生。自發(fā)或誘導發(fā)生。 回復突變回復突變基因內抑制基因內抑制(intragenic suppressor)(intragenic suppressor)抑制基因突變發(fā)生在同一基因內的不同部位抑制基因突變發(fā)生在同一基因內的不同部位基因間抑制基因間抑制(extragenic (extragenic suppressor)suppressor) 抑制基因突變發(fā)生在不同基因抑制基因突變發(fā)生在不同基因 回復突變基因