第04章 細菌的遺傳變異

1、病原生物學教研室病原生物學教研室Department of pathogenic Biology of Gannan Medical University醫(yī)學微生物學醫(yī)學微生物學Medical Microbiology張文平張文平Tel-Mail:第四章第四章細菌的遺傳變異細菌的遺傳變異概述概述n細菌的形態(tài)結構、生理代謝、致病性和耐藥性細菌的形態(tài)結構、生理代謝、致病性和耐藥性等性狀都是由基因決定的。細菌的基因決定了等性狀都是由基因決定的。細菌的基因決定了同一種間的相似性及個體間的差異性。同一種間的相似性及個體間的差異性。n遺傳：子代與親代間生物學性狀的相似性。遺傳：子

2、代與親代間生物學性狀的相似性。n變異：子代與親代間以及子代與子代間生物學變異：子代與親代間以及子代與子代間生物學性狀的差異。性狀的差異。n基因型：指生物的遺傳型，即控制性狀的基因基因型：指生物的遺傳型，即控制性狀的基因組合類型。是生物體從它的親本獲得全部基因組合類型。是生物體從它的親本獲得全部基因的總和。的總和。n表型：在一定條件下，特定基因實際表現出來表型：在一定條件下，特定基因實際表現出來的各種性狀。的各種性狀。概述概述 基因型變異 表型變異 原 因 基因改變 環(huán)境因素 可逆性 不可 可 遺傳性 可 不可 變異細菌 個別 全部 基因型和表型變異的比較基因型和表型變異的比較概述概述細菌變異的

3、現象 1.形態(tài)結構變異：L型菌；鞭毛 、莢膜、芽 胞變異等 2.毒力變異：毒力減弱-疫苗制備； 毒力增強-細菌戰(zhàn) 3.耐藥性變異：臨床治療中嚴重問題 4.菌落變異：從光滑型（S） 粗糙型（R） 5.抗原性變異： 與細菌鑒定有關第一節(jié)第一節(jié) 細菌的遺傳物質細菌的遺傳物質1.細菌染色體細菌染色體n概念概念：一條環(huán)狀雙螺旋一條環(huán)狀雙螺旋DNA長長鏈，按一定構型反復回旋成松散鏈，按一定構型反復回旋成松散網狀結構，附著在橫隔中介體或網狀結構，附著在橫隔中介體或細胞膜上。細胞膜上。n特征：特征：相對較小相對較小 ，只有一個復制肇始位點，只有一個復制肇始位點不含組蛋白不含組蛋白,無核膜包裹無核膜包裹功能上密

4、切相關的基因組成操縱子形式存在功能上密切相關的基因組成操縱子形式存在基因是連續(xù)的，結構基因無內含子基因是連續(xù)的，結構基因無內含子較少重疊基因較少重疊基因大部分大部分DNA用于編碼蛋白質用于編碼蛋白質大多情況下，結構基因為單倍體大多情況下，結構基因為單倍體1.細菌染色體細菌染色體n功能功能：細菌的主要遺傳物質；細菌的主要遺傳物質；決定細菌的基因型；決定細菌的基因型；為細菌生命活動所必需。為細菌生命活動所必需。2.質粒質粒n概念概念：細菌染色體外的遺傳物質，細菌染色體外的遺傳物質，環(huán)狀閉合雙股環(huán)狀閉合雙股DNA，位于細菌細胞，位于細菌細胞質內，能自我復制、控制著細菌的質內，能自我復制、控制著細菌的

5、某些生物學性狀。某些生物學性狀。n特征：特征：可自我復制可自我復制;編碼細菌某些重要的生物學性狀編碼細菌某些重要的生物學性狀;非細菌生活所必需，可自行丟失與消除非細菌生活所必需，可自行丟失與消除;轉移性轉移性:接合接合/轉化轉化/傳導方式轉移傳導方式轉移;相容性與不相容性。相容性與不相容性。2.質粒質粒n種類：種類：F質粒（致育質粒）：編碼性菌毛。質粒（致育質粒）：編碼性菌毛。 有：雄性菌（有：雄性菌（F+） 無：雌性菌（無：雌性菌（F-）R質粒（耐藥性質粒質粒（耐藥性質粒 ）：編碼耐藥性。）：編碼耐藥性。 接合性接合性R質粒：質粒： 通過性菌毛轉移通過性菌毛轉移 非接合性非接合性R質粒：通過

6、噬菌體轉移質粒：通過噬菌體轉移2.質粒質粒n種類：種類：Vi質粒（毒力質粒）：編碼毒力因子。質粒（毒力質粒）：編碼毒力因子。 如：如：K質粒：編碼粘附結構質粒：編碼粘附結構 ST或或LT質粒：編碼腸毒素質粒：編碼腸毒素Col質粒（細菌素質粒）：編碼細菌素。質粒（細菌素質粒）：編碼細菌素。 如：大腸桿菌如：大腸桿菌Col質粒質粒 ：編碼大腸菌素：編碼大腸菌素代謝質粒：編碼代謝酶。代謝質粒：編碼代謝酶。3.轉座因子轉座因子n概念概念：細菌細菌DNA內一段核苷酸內一段核苷酸序列序列，能在，能在質粒之間、質粒與染色體之間質粒之間、質粒與染色體之間自行轉移自行轉移位置，位置，是細菌菌體內是細菌菌體內可移

7、動可移動的遺傳物質的遺傳物質n意義：改變遺傳物質的核苷酸序列改變遺傳物質的核苷酸序列影響插入點附近基因的表達（失活）影響插入點附近基因的表達（失活）直接插入一段新序列，造成基因的轉移和重組直接插入一段新序列，造成基因的轉移和重組均能造成細菌性狀的變異 3.轉座因子轉座因子n分類：分類：插入序列插入序列(IS)7501550 bp兩端重復序列，與插入有關兩端重復序列，與插入有關中心序列有轉位酶基因中心序列有轉位酶基因3.轉座因子轉座因子轉座子轉座子(Tn)7501550 bp兩端為兩端為IS 中心序列有與轉位無關基因中心序列有與轉位無關基因 如：毒素基因、耐藥基因等如：毒素基因、耐藥基因等4.整

8、合子（整合子（integron，In）n定位于細菌染色體、質?；蜣D座子上定位于細菌染色體、質?；蜣D座子上n基本結構：兩端為保守末端，中間為可變區(qū)，基本結構：兩端為保守末端，中間為可變區(qū)，含一個或多個基因盒含一個或多個基因盒n整合子含有整合子含有3個功能元件：重組位點；整合個功能元件：重組位點；整合酶基因；啟動子酶基因；啟動子n通過轉座子或接合性質粒，使多種耐藥基因通過轉座子或接合性質粒，使多種耐藥基因在細菌中進行水平傳播在細菌中進行水平傳播5.轉座噬菌體或前噬菌體轉座噬菌體或前噬菌體n是一些具有轉座功能的溶原性噬菌體，當整是一些具有轉座功能的溶原性噬菌體，當整合到細菌染色體上，能改變溶原性細菌

9、的某合到細菌染色體上，能改變溶原性細菌的某些生物學性狀。些生物學性狀。第三節(jié)第三節(jié) 基因轉移和重組基因轉移和重組概述概述基基因轉移：因轉移：外源性遺傳物質由供體菌轉入受體菌外源性遺傳物質由供體菌轉入受體菌細胞內的過程。細胞內的過程?；蛑亟M基因重組：轉移的基因與轉移的基因與受體菌受體菌DNA發(fā)生整合。發(fā)生整合。概念：概念：受體菌直接受體菌直接攝取攝取供體菌裂解后游離供體菌裂解后游離 的的DNADNA片段片段而獲得新性狀。而獲得新性狀。轉化因子：轉化因子：在轉化過程中轉化的在轉化過程中轉化的DNADNA片段。分片段。分 子量子量1 110107 7 , 10-20 , 10-20個基因。個基因。

10、實驗依據：實驗依據：肺炎鏈球菌肺炎鏈球菌 莢膜莢膜 S型菌落型菌落 R型菌落型菌落 毒力毒力 S型菌型菌 R型菌型菌 1 1、轉化（、轉化（transformationtransformation）小鼠體內肺炎球菌轉化試驗小鼠體內肺炎球菌轉化試驗 機制：感受態(tài)受體菌攝取同源機制：感受態(tài)受體菌攝取同源DNADNA后發(fā)生重組后發(fā)生重組+吸附吸附攝入攝入重組重組突變株突變株DNA受體受體影響轉化的因素：影響轉化的因素：n供、受菌的基因型n轉化因子分子量小于1107，不超過1020個基因，才可能被受體菌攝取n受體菌必須處于感受態(tài) 時，才能攝取轉化因子n環(huán)境因素：Ca2+、Mg2+、cAMP等可維持DN

11、A的穩(wěn)定性，促進轉化作用。概念：通過性菌毛概念：通過性菌毛連接連接溝通，將遺傳物質（質?；驕贤?，將遺傳物質（質?；?染色體染色體DNA)DNA)從供體菌轉移給受體菌的過程。從供體菌轉移給受體菌的過程。 接合性質粒：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 非接合性質粒非接合性質粒 常見方式常見方式2、接合（、接合（conjugation）電鏡下的接合電鏡下的接合F 菌菌F菌菌vF質粒的接合質粒的接合性菌毛末端性菌毛末端- -受體接合橋形成受體接合橋形成F F質粒形成切口，一條質粒形成切口，一條DNADNA鏈進入受體菌內鏈進入受體菌內F F質粒留在

12、供體細胞的一質粒留在供體細胞的一條鏈進行復制并形成互條鏈進行復制并形成互補鏈補鏈F- 菌菌F+ 菌菌F- 菌菌F+ 菌菌F- 菌菌F+ 菌菌F+ 菌菌F+ 菌菌FFFF-F+F_性菌毛性菌毛F+F+F_高頻重組菌（高頻重組菌（high frequency recombinanthigh frequency recombinant，HfrHfr菌）：菌）：整合后的細菌能高效地轉移染色體上的基因。整合后的細菌能高效地轉移染色體上的基因。 HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-F+ 菌菌HfrF 質粒質粒F 菌菌F質粒質粒雄性菌：雄性菌：（性菌毛）（性菌毛）F菌菌Hfr菌菌F+ 菌菌vR質粒的接合

13、質粒的接合單獨存在不能發(fā)生質粒單獨存在不能發(fā)生質粒接合性傳遞接合性傳遞a）組成組成耐藥性傳遞因子耐藥性傳遞因子（resistance transfer factor，RTF）耐藥決定子（耐藥決定子（r 決定子）決定子）存在方式：存在方式：RTFrRTF+r RTF:RTF:編碼性菌毛和轉移質粒編碼性菌毛和轉移質粒 r r決定子：編碼耐藥性決定子：編碼耐藥性b）功能功能ISRTFr決定子決定子RTFr決定子決定子ISTn9Tn4Tn5R質粒結構圖質粒結構圖分子量較??；分子量較??；無編碼轉移體系所需要的基因，故不能單獨無編碼轉移體系所需要的基因，故不能單獨 結合傳遞；結合傳遞；但如果在同一宿主細胞

14、因存在接合性質粒但如果在同一宿主細胞因存在接合性質粒 （F F或或R R質粒），其可被誘動傳遞。質粒），其可被誘動傳遞。非接合性質粒：非接合性質粒：3、轉導（、轉導（Transduction）1 1）概念：以溫和噬菌體為載體，將供菌體的一段）概念：以溫和噬菌體為載體，將供菌體的一段 DNADNA轉移到受體菌體內，使受體菌獲得新轉移到受體菌體內，使受體菌獲得新 的性狀。的性狀。2）類型）類型局限性轉導局限性轉導/ /特異性轉導特異性轉導普通性轉導普通性轉導A.普遍性轉導普遍性轉導: 噬菌體轉導供體菌染色體上噬菌體轉導供體菌染色體上 任何部位任何部位DNA片片段，發(fā)生于裂解期。段，發(fā)生于裂解期。

15、完全轉導：供體菌完全轉導：供體菌DNA片段與受體菌染色片段與受體菌染色 體整合并隨之傳代。體整合并隨之傳代。 流產轉導：供體菌流產轉導：供體菌DNA片段不與受體菌染片段不與受體菌染 色體整合也不可自我復制。色體整合也不可自我復制。 （大多為此）（大多為此）細菌裂解期細菌裂解期細菌細菌DNA（將供菌任意（將供菌任意DNA裝配）裝配）噬菌體噬菌體DNA普遍性轉導模式圖普遍性轉導模式圖整合整合未整合未整合完全轉導完全轉導流產轉導流產轉導細菌被普遍性細菌被普遍性轉導噬菌體感轉導噬菌體感染染Lysogenic Phage脫離脫離供體菌錯誤裝配 recipient 噬菌體轉導供體菌染色體上特定部位的噬菌體

16、轉導供體菌染色體上特定部位的DNADNA片段片段, ,發(fā)生于溶原期。發(fā)生于溶原期。 噬菌體將自身一段噬菌體將自身一段DNADNA留在供菌染色體上，留在供菌染色體上， 卻卻將相鄰供菌的部分將相鄰供菌的部分DNADNA帶給受菌并整合至其染色體帶給受菌并整合至其染色體上。上。B.局限性轉導局限性轉導:局限性轉導模式圖局限性轉導模式圖正常脫離正常脫離斷裂和斷裂和 再接再接斷裂和斷裂和 再接再接偏差脫離偏差脫離galgalgalgalbiobiobiobio宿主菌獲得感染它的宿主菌獲得感染它的噬菌體的噬菌體的DNADNA片段片段而獲得而獲得新的遺傳性狀。新的遺傳性狀。 棒狀桿菌噬菌體棒狀桿菌噬菌體 如：

17、 白喉桿菌白喉桿菌 白喉桿菌白喉桿菌不產白喉毒素不產白喉毒素產白喉毒素產白喉毒素帶有帶有toxtox基因基因4.溶原性轉換溶原性轉換(lysogenic conversion)棒狀桿菌噬菌體棒狀桿菌噬菌體無毒白喉桿菌無毒白喉桿菌產毒白喉桿菌產毒白喉桿菌白喉桿菌溶原性轉換示意圖白喉桿菌溶原性轉換示意圖 概念：概念：人工將兩種不同的細菌經溶菌酶人工將兩種不同的細菌經溶菌酶 或青霉素等處理，失去細胞壁成為原生或青霉素等處理，失去細胞壁成為原生 質體后進行相互融合的過程質體后進行相互融合的過程 融合劑：融合劑：PEGPEG（聚乙二醇）（聚乙二醇） 應用：應用：基因轉輸、實驗工具基因轉輸、實驗工具5、原

18、生質體融合（、原生質體融合（proptopast fusion）原生質體融合原生質體融合第四節(jié)第四節(jié) 基因突變基因突變概述概述 n概念：概念：DNA堿基對的置換、插入或缺失所致的基堿基對的置換、插入或缺失所致的基因結構的變化，分為點突變和染色體畸變因結構的變化，分為點突變和染色體畸變n堿基置換包括轉換和顛換堿基置換包括轉換和顛換n基因突變分為：沉默突變、錯義突變、無義突變基因突變分為：沉默突變、錯義突變、無義突變n突變是基因型的遺傳性改變，可以是自發(fā)的，也突變是基因型的遺傳性改變，可以是自發(fā)的，也可是通過理化因子誘導突變?？墒峭ㄟ^理化因子誘導突變。 一、基因突變規(guī)律一、基因突變規(guī)律 n自發(fā)突變與誘發(fā)突變自發(fā)突變與誘發(fā)突變n突變率：突變率：10-610-9n突變與選擇突變與選擇n回復突變與抑制突變回復突變與抑制突變彷徨試驗：隨機的、非定向的突變是在接觸噬彷徨試驗：隨機的、非定向的突變是在接觸噬 菌體之前就已發(fā)生，噬菌體對突變菌體之前就已發(fā)生，噬菌體對突變 僅起篩選而不是誘導作用。僅起篩選而不是誘導作用。一、基因突變規(guī)律一、基因突變規(guī)律 n自發(fā)突變與誘發(fā)突變自發(fā)突變與誘發(fā)突變n突變率：突變率：10-610-9n突變與選擇突變與選擇n回復突變與抑制突變回復突變與抑制突變二、突變型細菌及其分離：二、突變型細菌