醫(yī)學微生物學課件：5-遺傳、變異

1、 細菌的遺傳與變異第5章遺傳（heredity） 微生物的生物學性狀保持 相對穩(wěn)定，且代代相傳。變異（variation） 子代與親代之間以及子 代與子代之間的生物學 性狀出現(xiàn)差異。 微生物的變異 遺傳性變異（基因型） 非遺傳性變異（表型） 不受環(huán)境因素影響 受環(huán)境因素影響 基因結(jié)構(gòu)改變 基因結(jié)構(gòu)未改變 不可逆、可遺傳 可逆、不能遺傳 一、細菌遺傳的物質(zhì)1、細菌的染色體2、質(zhì)粒3、轉(zhuǎn)座因子（插入序列、轉(zhuǎn)座子）4、整合子5、噬菌體基因組1、細菌染色體（bacterial chromosome)環(huán)狀雙旋DNA基因組上遺傳信息具有連續(xù)性，無內(nèi)含子 （基因：是具有一定生物學功能的核苷酸序列）復制：雙向

2、復制功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因組成操縱子結(jié)構(gòu)2、質(zhì)粒（plasmid） 染色體以外的遺傳物質(zhì)，雙股環(huán)狀閉合DNA，編碼某些生物學性狀。 有自我復制的能力 一個質(zhì)粒是一個復制子 緊密型：復制與染色體同步 松弛型：與染色體的復制不相關(guān) 特征： 編碼某些表型： F質(zhì)粒（致育性質(zhì)粒） R質(zhì)粒（耐藥性質(zhì)粒） Vi質(zhì)粒（毒力質(zhì)粒） 細菌素質(zhì)粒（ Col質(zhì)粒） 代謝質(zhì)粒 可自行丟失或人工消除 消除質(zhì)粒，其所賦予的特性也隨之消失 可在細菌間轉(zhuǎn)移 通過接合、轉(zhuǎn)導、轉(zhuǎn)化等方式 可分為相容性與不相容性兩種 相容性：幾種質(zhì)粒共存于一個細菌內(nèi) 不相容性：幾種質(zhì)粒不能共存于一個細菌內(nèi)F質(zhì)粒（接合性質(zhì)粒） 與有性生殖功能有關(guān)。 F

3、+ 雄性菌（具有性毛） F- 雌性菌（無性菌毛）致育質(zhì)粒（fertility plasmid,F質(zhì)粒） 常見的質(zhì)粒類型 編碼細菌對抗菌藥物或重金屬鹽類的的耐藥性。 接合性耐藥質(zhì)粒：通過細菌間接合進行傳遞。 （resistance plasmid,R質(zhì)粒） 非接合性耐藥質(zhì)粒 ：通過噬菌體傳遞。 耐藥性質(zhì)粒分R質(zhì)粒(Resistence plasmid)的接合 耐藥轉(zhuǎn)移因子 與F質(zhì)粒相似，編碼菌毛的產(chǎn) （resistance transfer factor） 生和通過接合轉(zhuǎn)移。 (RTF)R質(zhì)粒 抗藥（r）決定子 編碼對抗菌藥物的抗藥性。Tn 9Tn 21Tn 10Tn 8RTFR determi

4、nant例：R100質(zhì)粒(89kb)可使宿主對下列藥物及 重金屬具有抗性： 汞（mercuric ion ，mer）四環(huán)素（tetracycline，tet）鏈霉素(Streptomycin, Str)、磺胺(Sulfonamide, Su)氯霉素(Chlorampenicol, Cm)夫西地酸（fusidicacid，fus） 編碼各種細菌產(chǎn)生細菌素。 如：大腸埃希菌 大腸菌素 Col質(zhì)粒(Coliciogenic plasmid) 細菌素質(zhì)粒 編碼產(chǎn)生相關(guān)的代謝酶。如：沙門菌 發(fā)酵乳糖 代謝質(zhì)粒 代謝質(zhì)粒 編碼與該菌致病性有關(guān)的毒力因子。如：大腸埃希菌 ST質(zhì)粒 耐熱腸毒素 LT質(zhì)粒 不耐

5、熱腸毒素 毒力質(zhì)粒（ virulence plasmid，Vi質(zhì)粒）3、轉(zhuǎn)座因子（跳躍基因） 是細菌的基因組中能夠從一個位置轉(zhuǎn)移到另一位置的一段DNA序列。插入序列(insertion sequence, IS)轉(zhuǎn)座子（transposon, Tn） 分類通過位移改變遺傳物質(zhì)的核苷酸序列影響插入點附近基因的表達轉(zhuǎn)位因子本身攜帶一定的基因序列 作用方式插入序列（insertion sequence,IS） TransposaseABCDEFGGFEDCBA 不帶有表現(xiàn)任何性狀的基因，只帶有編碼轉(zhuǎn)移時所需要的轉(zhuǎn)座酶的基因。 攜帶轉(zhuǎn)座基因 IS ISResistance Gene(s)IS ISRe

6、sistance Gene(s)轉(zhuǎn)座子（transposon,Tn）結(jié)果：插入基因失活、突變 耐藥性產(chǎn)生 細菌染色體畸變 攜帶轉(zhuǎn)座基因 攜帶其他結(jié)構(gòu)基因：抗藥基因 毒素基因 抗金屬基因轉(zhuǎn)座子 攜帶耐藥或毒素基因Tn1 Tn2 Tn3 AP（氨芐青霉素）Tn4 AP 、str（鏈霉素）、Su（磺胺）Tn5 Kan.Ble（博萊）。StrTn6 Kan（卡那霉素）Tn7 TMP（甲氧芐氨嘧啶）、strTn9 Cam（氯霉素）Tn10 Tet（四環(huán)素）tn551 Em（紅霉素）Tn971 Em（紅霉素）Tn681 E.coli ET (腸毒素）Tn903 Kna(卡那霉素)表1.轉(zhuǎn)座子及攜帶的耐藥性

7、基因或毒素基因攜帶piggyBac轉(zhuǎn)座子的老鼠，它們的細胞表達了紅色的熒光蛋白4、整合子（integron,In） 是一種運動性的DNA分子，具有獨特結(jié)構(gòu)，可捕獲和整合外源性基因，使之轉(zhuǎn)變成為功能性基因的表達單位。 通過轉(zhuǎn)座子或接合性質(zhì)粒，可使耐藥性基因在細菌中水平轉(zhuǎn)移。 5、噬菌體基因組 前噬菌體 溶原性細菌 溶菌周期 基因轉(zhuǎn)移（gene transfer） 外源性遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入某受體 菌內(nèi)的過程。 基因重組（gene recombination） 轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA整合在一起。 二、細菌的變異的機制（一）基因轉(zhuǎn)移和重組 受體菌直接攝取來自供體菌的游離的DNA片段，通過交換把它整

8、合到自己的基因組中，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的現(xiàn)象。1、轉(zhuǎn)化（transformation) Griffith -1928 Avery -1944轉(zhuǎn)化基本過程： 感受態(tài)細胞吸收DNA（轉(zhuǎn)化因子） DNA摻入細胞后的整合 轉(zhuǎn)化因子 分子量小于1107 ，最多不超過10-20個基因。 同源的、未變性的雙鏈DNA分子。 感受態(tài) 是指受體菌能夠從周圍環(huán)境中吸收外源性DNA分子進行轉(zhuǎn)化的生理狀態(tài)。（吸附DNA的受體、帶正電荷、通透性增加） 出現(xiàn)時間 自然轉(zhuǎn)化、人工轉(zhuǎn)化發(fā)生轉(zhuǎn)化的條件轉(zhuǎn)化過程示意圖Transformation in Bacteria 供體菌通過性菌毛與受體菌直接接觸，將遺傳物質(zhì)從供體菌轉(zhuǎn)

9、移給受體菌。使后者獲得新的遺傳性狀。2、接合（conjugation）大腸埃希菌與腸道桿菌接合 （電鏡掃描圖）接合性質(zhì)粒： F、R、Col和毒力質(zhì)粒。 （1）F質(zhì)粒的接合（fertility plasmid)F+菌F-菌 高頻重組菌（high frequency recombinant,Hfr） 整合有F質(zhì)粒的菌株能夠高效轉(zhuǎn)移自身染色體基因至受體菌，故被稱為高頻重組菌（Hfr）。 F+菌Hfr菌 F 菌 Hfr菌株細胞內(nèi)的F質(zhì)粒由于不正常切割 而脫離核染色體組時重新形成的游離的攜帶 整合位點一小段核染色體基因的F 質(zhì)粒。 帶有F質(zhì)粒的細菌： F菌Hfr菌 F菌不同狀態(tài)的菌株：F+菌株F-菌株H

10、fr菌株F菌株1) F+和F的雜交F+ F質(zhì)粒在末端，F(xiàn)-菌獲的F質(zhì)粒的機會很少。 2) Hfr和F的雜交F-3) F和F的雜交F+大腸桿菌 F質(zhì)粒的各種存在狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變 F-菌F+ 菌F菌Hfr菌與F+菌接合消除切離整合偏差切離整合與F菌接合 丟失（2）R質(zhì)粒的接合(resistence plasmid) 耐藥傳遞因子 與F質(zhì)粒相似，編碼菌毛的產(chǎn) （resistance transfer factor） 生和通過接合轉(zhuǎn)移。 (RTF)R質(zhì)粒 耐藥（r）決定子 編碼對抗菌藥物的耐藥性。Tn 9Tn 21Tn 10Tn 8RTFR determinantR- Plasmid Conjugatio

11、n R質(zhì)粒的接合：3、轉(zhuǎn)導（transduction） 通過噬菌體為媒介，將供體細胞的DNA片段攜帶入受體細胞中，通過交換和整合，使后者獲得前者的部分遺傳性狀。普遍轉(zhuǎn)導局限轉(zhuǎn)導轉(zhuǎn)導的類型完全轉(zhuǎn)導流產(chǎn)轉(zhuǎn)導 通過噬菌體對供體菌基因組上任何小片段DNA進行“誤包”，而將其遺傳性狀傳遞給受體菌。1）普遍性轉(zhuǎn)導(generalized transduction)受體菌供體菌 完全轉(zhuǎn)導 外源性DNA片段與受體菌的染色 體整合并隨染色體而傳代。 流產(chǎn)轉(zhuǎn)導 外源性DNA片段游離在胞質(zhì)中既 不能與受體菌染色體整合。 普遍性轉(zhuǎn)導 兩種結(jié)局 通過溫和噬菌體將供體菌少量特定基因帶入受體菌，并與后者的基因組整合、重組。

12、 2）局限性轉(zhuǎn)導（restricted transduction）E. coli的噬菌體普遍轉(zhuǎn)導：裝配錯誤局限轉(zhuǎn)導：脫落錯誤 普遍轉(zhuǎn)導 局限轉(zhuǎn)導能轉(zhuǎn)導的基因 任何基因 特定基因噬菌體類型 溫和或烈性 溫和獲得轉(zhuǎn)化噬菌 敏感菌的裂解 溶源菌的誘導體的方式 普遍性轉(zhuǎn)導和局限性轉(zhuǎn)導的比較 4、溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenic conversion） 當溫和噬菌體感染細菌時，宿主菌染色體中獲得了噬菌體的DNA片段，使其成為溶原狀態(tài)時而使細菌獲得新的性狀。 例： 帶有-棒狀桿菌噬菌體的白喉棒狀桿菌 產(chǎn)生 白喉外毒素 5、原生質(zhì)體融合（protopast fusion） 是將兩種不同的細菌經(jīng)溶菌酶或青霉素

13、等處理，失去細胞壁成為原生質(zhì)體后進行相 互融合的過程。（二）、基因突變 是指DNA堿基對的置換、插入或缺失所致的基因結(jié)構(gòu)的變化。 點突變 染色體畸變 自發(fā)1、基因突變誘發(fā)2、 基因突變的規(guī)律 自發(fā)突變和誘發(fā)突變 突變率： 自然突變率 （109 106） 誘導突變率 （106104） 突變與選擇 回復突變與抑制突變由微生物自身有害代謝產(chǎn)物引起由DNA復制過程中堿基配對錯誤引起由背景輻射和環(huán)境因素引起 自發(fā)突變彷徨試驗彷徨試驗誘變 利用物理、化學或生物因素顯著提高基因自發(fā)突變頻率的手段。 堿基置換（Substitution） 移碼突變（Frame-shift Mutation） 染色體畸變（Chr

14、omosomal aberration） 誘發(fā)突變引起染色體畸變的誘變劑引起染色體畸變的誘變劑射線：紫外線UV，化學：亞硝酸鹽影印培養(yǎng)法1952年 Lederberg影印平板培養(yǎng)法1952年 Lederberg回復突變野生株 (wild strain)突變株 (mutant strain) 正向突變 回復突變原因:突變株中的一個抑制基因突變所致. 回復突變可自發(fā)或誘導發(fā)生 類型: 回復突變基因內(nèi)抑制： 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: 抑制基因突變發(fā)生在不同基因 .回復突變基因型模式圖基因型 回復突變機制 菌株 表型突變前 野生株 敏感突變后 突變株 耐藥 基因內(nèi)抑制 回復突變株 敏感 基因間抑制 回復突變株 敏感 由于由原來能合成某種營養(yǎng)物 質(zhì)的原養(yǎng)型突變?yōu)椴荒芎铣稍撐镔|(zhì) 的營養(yǎng)缺陷型。（1）營養(yǎng)缺陷型3、突變型的細菌及其分離（2）抗性突變型指野生型菌株由于發(fā)生基因突變而產(chǎn)生了對某化學藥物或致死物理因子的抗性變異類型化學藥物或致死物理因子抗生素、紫外線抗性突變株（3）條件致死突變型 經(jīng)基因突變后，在某條件下可正常生長、繁殖，表現(xiàn)其正常的表型，在另一條件下無法生長、繁殖的突變類型。 E.coli：30下正常生長、42下不能生長 T4噬菌體：25 下具有感染