5-細(xì)菌的遺傳與變異

1、第五章 細(xì)菌的遺傳與變異遺傳：指親代與子代之間某些性狀相似 或相同，保持了種族相對穩(wěn)定。變異：指親代與子代之間出現(xiàn)性狀差異， 使細(xì)菌產(chǎn)生變種或新種。 遺傳性變異：基因型變異非遺傳性變異：表型變異微生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ) 遺傳變異有無物質(zhì)基礎(chǔ)以及何種物質(zhì)可承擔(dān)遺傳變異功能的問題，是生物學(xué)中的一個重大理論問題。直到1944年后，利用微生物這一實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行了三個著名的實(shí)驗(yàn)，才以確鑿的事實(shí)證實(shí)了核酸尤其是DNA才是遺傳變異的真正物質(zhì)基礎(chǔ)。三個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)噬菌體感染實(shí)驗(yàn) Alfed Hershey和Martha Chase(1952)用放射性同位素35S標(biāo)記蛋白質(zhì)，32P標(biāo)記DNA。植物病毒重建實(shí)驗(yàn) 1

2、956年，H.Fraenkel-Conrat用含RNA的煙草花葉病毒(TMV)進(jìn)行了著名的植物病毒重建實(shí)驗(yàn)，證明了RNA也是遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)第一節(jié) 細(xì)菌遺傳變異 的物質(zhì)基礎(chǔ) 一、 細(xì)菌的變異現(xiàn)象 1、形態(tài)結(jié)構(gòu)變異 細(xì)菌L型在青霉素、溶菌酶、補(bǔ)體等作用下，使菌細(xì)胞壁發(fā)生缺陷；細(xì)菌呈多態(tài)性，革蘭染色陰性。H-O變異細(xì)菌失去鞭毛 陳舊培基物 鼠疫桿菌 多形態(tài)性 2、毒 力 變 異毒力增強(qiáng) 無毒的白喉棒狀桿菌感染溫和噬菌體后成為有毒株。 毒力減弱 有毒菌株變異為弱毒或無毒菌株 卡介苗 Bacillus of Calmette- Gerin，BCG ： 卡介二氏用有毒的牛結(jié)核分枝桿菌在含膽汁、甘油、馬鈴薯

3、的培養(yǎng)基上，經(jīng)13年連續(xù)230次傳代所獲得的一株毒力減弱但保留免疫原性的變異株；是用于預(yù)防結(jié)核病的減毒活疫苗。3、耐 藥 性 變 異 細(xì)菌對某種抗生素或藥物由敏感變?yōu)椴幻舾屑礊榧?xì)菌的耐藥現(xiàn)象。耐藥菌多重耐藥菌抗生素依賴4、菌落變異 光滑型（smooth，S） 粗糙型 （rough，R） S-R 變異 S型菌株致病性強(qiáng)，一般新分離的菌株為S型。菌落發(fā)生變異后，細(xì)菌的理化特性、抗原性、生化能力、毒力等也可發(fā)生改變。 （一）細(xì) 菌 染 色 體 bacterial chromosome 是一個閉環(huán)雙鏈DNA；基因結(jié)構(gòu)連續(xù)，排列緊密，不含內(nèi)含子。 細(xì)菌DNA的改變導(dǎo)致遺傳性狀發(fā)生改變。 二、細(xì)菌的遺傳物

4、質(zhì)（二）質(zhì) 粒（plasmid）1、定義： 位于細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)中染色體外的遺傳物質(zhì)，是閉合環(huán)狀雙鏈DNA，能自主復(fù)制，所攜帶的遺傳信息能賦予細(xì)菌某些非生命必需的生物學(xué)性狀如性菌毛、耐藥性和毒力等。 （1）有自我復(fù)制能力，隨細(xì)菌分裂轉(zhuǎn)移到子代細(xì)胞中。 分為：緊密型質(zhì)粒和松弛型質(zhì)粒 （2）質(zhì)粒編碼的基因產(chǎn)物賦予細(xì)菌某些性狀，如耐藥性、致病性、致育性等 。 （3）可自行丟失與消除 質(zhì)粒不是細(xì)菌生長所必不可少的，失去質(zhì)粒的細(xì)菌仍能正常存活。2、特 征：（4）質(zhì)?？梢酝ㄟ^接合、轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)導(dǎo)等方式在細(xì)菌間轉(zhuǎn)移 。 接合性質(zhì)粒與非接合性質(zhì)粒（5）質(zhì)粒的相容性與不相容性3、幾種常見質(zhì)粒：F質(zhì)粒fertility f

5、actor 性菌毛有關(guān)R質(zhì)粒resistance plasmid與耐藥性有關(guān) Col質(zhì)粒Col plasmid編碼大腸菌素Vi質(zhì)粒virulence plasmid與細(xì)菌毒力有關(guān)代謝質(zhì)粒metabolic plasmid與代謝相關(guān)的酶類（三）轉(zhuǎn)座因子 是細(xì)菌基因組中能改變自身位置的一段DNA序列，由其移動可引起插入突變、染色體畸變及基因的重排等，從而導(dǎo)致細(xì)菌遺傳性狀改變。 插入序列 轉(zhuǎn)座子 1、插入序列 （insertion sequence，IS） 是最小的轉(zhuǎn)座因子，長度不超過2kb，不攜帶任何已知與插入功能無關(guān)的基因區(qū)域。 是一種運(yùn)動性的DNA分子，具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)可捕獲和整合外源性基因，使之

6、轉(zhuǎn)變成為功能性基因的表達(dá)單位。 整合子定位于細(xì)菌的染色體和質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上，與細(xì)菌的耐藥性密切相關(guān)。（四）整合子（integron In）概念： 噬菌體是感染細(xì)菌、真菌、放線菌或螺 旋體等微生物的病毒。特點(diǎn)： 只有一種核酸類型、能通過濾菌器、 無完整細(xì)胞結(jié)構(gòu)、專性細(xì)胞內(nèi)寄生、 嚴(yán)格宿主特異性。 三 、噬菌體 （phage） 1.形態(tài)結(jié)構(gòu)： 電子顯微鏡下三種基本形態(tài)：蝌蚪形、 球形和絲狀。 大多數(shù)噬菌體呈蝌蚪形，分成頭部和尾部。（一）噬菌體的生物學(xué)性狀噬菌體示意圖噬菌體電鏡照片核 酸： 遺傳物質(zhì)（DNA/RNA）蛋白質(zhì)：能保護(hù)噬菌體核酸， 決定其外形和表面特征， 識別宿主菌表面的受體。2. 化 學(xué)

7、 組 成：3.抗原性與抵抗力 噬菌體的衣殼蛋白具有抗原性，可刺激機(jī)體產(chǎn)生特異性抗體。該抗體能抑制相應(yīng)噬菌體感染敏感細(xì)菌；但對已吸附或已進(jìn)入宿主菌的噬菌體不起作用，噬菌體仍能復(fù)制增殖。 抵抗力較一般細(xì)菌強(qiáng)，低溫下長期存活，紫 外線敏感。 根據(jù)和宿主的關(guān)系可將噬菌體分為兩類： 毒性噬菌體和溫和噬菌體。 （二） 噬菌體與宿主菌的關(guān)系毒性噬菌體（virulent phage） 是感染宿主菌后，能在宿主菌細(xì)胞內(nèi)復(fù)制增殖，產(chǎn)生許多子代噬菌體，并且最終裂解宿主菌。溫和噬菌體（temperate phage） 感染宿主菌后，不裂解細(xì)菌，不產(chǎn)生子代噬菌體，但噬菌體基因與宿主菌染色體整合，隨宿主菌DNA復(fù)制而復(fù)制

8、，并隨宿主菌分裂而傳代。1、毒性噬菌體1）溶菌周期 毒性噬菌體在敏感菌體內(nèi)的復(fù)制增殖過程亦是一個溶菌過程，故可稱為復(fù)制周期或溶菌周期； 包括吸附、穿入、生物合成、裝配成熟和釋放幾個階段。 吸 附穿 入生物合成裝配、成熟、釋放噬菌體侵噬細(xì)菌電鏡圖片2）溶菌現(xiàn)象 液體培養(yǎng)基中：混濁菌液 澄清； 固體培養(yǎng)基中：表現(xiàn)為噬斑。 前噬菌體： 整合在宿主菌染色體上的噬菌體基因組。溶原性細(xì)菌：帶有前噬菌體基因組的細(xì)菌 。溶原狀態(tài)： 噬菌體基因隨溶原性細(xì)菌的分裂而傳給子代的狀態(tài)。2、溫 和 噬 菌 體1）概 念： 溫和噬菌體感染宿主菌后所建立的溶原狀態(tài)可中斷，前噬菌體可自發(fā)或在一定理化因素誘導(dǎo)下從宿主菌染色體切

9、離下來，重新復(fù)制新的子代噬菌體，最終裂解細(xì)菌。 因此溫和噬菌體有溶原性周期和溶菌性周期。 2）溶原性周期和溶菌性周期吸 附穿 入Prophage：整合在宿主菌基因組中的噬菌體基因組溶原性細(xì)菌 溶原性細(xì)菌的溶原性周期和溶菌性周期溶原性周期溶菌性周期 某些前噬菌體可導(dǎo)致細(xì)菌基因型和性狀發(fā)生改變，稱為溶原性轉(zhuǎn)換。 如： 白喉外毒素、致熱外毒素、肉毒梭菌等。3）溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenic conversion）一、 轉(zhuǎn)化（transformation） 供體菌游離的DNA片段被受體菌直接攝取，使受體菌獲得新的性狀。第二節(jié) 基 因 轉(zhuǎn) 移 與 重 組 小鼠體內(nèi)肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化試驗(yàn) 細(xì)菌轉(zhuǎn)化的條件：包

10、括受體菌與外源DNA的條件。1）感受態(tài)細(xì)菌: 細(xì)菌的感受態(tài)是指細(xì)菌能夠從周圍環(huán)境中吸收外源DNA分子進(jìn)行轉(zhuǎn)化的生理狀態(tài)。 可用人工的方法提高受體菌感受態(tài)的水平，通過以CaCl2、MgSO4等處理或電轉(zhuǎn)化。2）外源DNA ：雙鏈DNA分子 親緣關(guān)系越近，DNA的純度越高，則轉(zhuǎn)化率越高。 細(xì)菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌。 轉(zhuǎn)移的遺傳物質(zhì)主要是質(zhì)粒，亦可以是供體菌的部分染色體DNA分子。 二、接合（Conjugation） 質(zhì)粒可分為接合性質(zhì)粒和非接合性質(zhì)粒，接合性質(zhì)粒主要包括F質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒和毒力質(zhì)粒等。1）F質(zhì)粒的接合 Hfr（高頻重組菌）： F質(zhì)粒整合于宿

11、主菌染色體后，能高效地帶動細(xì)菌染色體上的基因轉(zhuǎn)移入F菌，因此稱為高頻重組菌。 在Hfr中，F(xiàn)質(zhì)粒結(jié)合在染色體的末端，當(dāng)Hfr與F菌雜交時，F(xiàn)質(zhì)粒起發(fā)動轉(zhuǎn)移的作用。供菌染色體先進(jìn)入受體菌， F質(zhì)粒最后進(jìn)入。 被轉(zhuǎn)移的DNA可以是任意長度的供體菌染色體的片段。F質(zhì)粒： Hfr菌中的F質(zhì)?？梢詮募?xì)菌染色體上切離下來，終止其Hfr狀態(tài)，切離時可能帶有染色體上臨近的基因，這種質(zhì)粒稱為F質(zhì)粒。F+菌：有F質(zhì)粒的細(xì)菌F+菌 F-菌 F+菌 + F+菌Hfr菌：染色體整合有F質(zhì)粒的細(xì)菌Hfr菌F-菌 Hfr菌 + F-菌F菌：有F質(zhì)粒的細(xì)菌F菌 F-菌 F菌 + F菌(F質(zhì)粒: 帶有宿主菌染色體基因的F質(zhì)粒)

12、2）R質(zhì)粒的接合 R質(zhì)粒由耐藥傳遞因子（RTF）和耐藥（r）決定子兩部分組成，這兩部分可單獨(dú)，也可結(jié)合在一起，只有結(jié)合在一起才能發(fā)生質(zhì)粒的接合性傳遞。 RTF的功能與F質(zhì)粒相似，因此可介導(dǎo)類似F質(zhì)粒的接合過程；r決定子能編碼對抗菌藥物的耐藥性。 以噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA片段轉(zhuǎn)移給受體菌，使其獲得新的性狀。三、轉(zhuǎn) 導(dǎo)（Transduction） 根據(jù)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因片段的范圍，可分為兩種： 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)： 可轉(zhuǎn)移供體菌DNA的任何片段。 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)： 只轉(zhuǎn)移前噬菌體插入部位鄰近的供體菌DNA片段1）普 遍 性 轉(zhuǎn) 導(dǎo) 噬菌體的溶菌周期發(fā)生裝配錯誤，誤將供體菌DNA裝入噬菌體內(nèi)成為一個轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體

13、，再以正常方式感染另一宿主菌。 由于這種過程是隨機(jī)的，被包裝的DNA可以是供體菌染色體的任意片段（包括質(zhì)粒），故稱為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。 外源性DNA片段與受體菌染色體整合，并隨染色體復(fù)制而傳代，稱完全轉(zhuǎn)導(dǎo)。 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，也不能自身復(fù)制，稱為流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)。普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖 溫和噬菌體在溶原周期將DNA整合于供體菌染色體的特定部位，當(dāng)其從染色體上切離時發(fā)生偏差，帶走相鄰的細(xì)菌染色體基因，并將DNA轉(zhuǎn)導(dǎo)給受體菌。 其轉(zhuǎn)導(dǎo)的是整合鄰近部位供體菌的個別特定基因，故稱為局限轉(zhuǎn)導(dǎo)。 2）局 限 性 轉(zhuǎn) 導(dǎo) 溫和噬菌體感染細(xì)菌時，宿主菌染色體中獲得了噬菌體的DNA片段，成為溶

14、原狀態(tài)，從而使細(xì)菌獲取新的生物學(xué)性狀。 類型 基因來源 轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)化 供體菌游離DNA 直接攝入接合 供體菌 性菌毛連接轉(zhuǎn)導(dǎo) 供體菌 噬菌體介導(dǎo)溶原性轉(zhuǎn)換 噬菌體 感染并整合 基因轉(zhuǎn)移和重組的方式比較一、基因突變的規(guī)律1、突變率： 自發(fā)突變率很低，細(xì)菌分裂106109次發(fā)生一次突變， 人工誘變指加入誘變理化因素、X線、紫外線、烷化劑、亞硝酸基提高101000倍。 第三節(jié) 基 因 突 變 彷徨試驗(yàn)： 影印試驗(yàn)： 3、回復(fù)突變與抑制突變 正向突變 野生型 突變株 回復(fù)突變 回復(fù)只是表型相同或相似，基因型不一定完全相同；有基因內(nèi)抑制和基因間抑制。二、常見的突變類型形態(tài)突變營養(yǎng)缺陷體突變耐藥性突變條件致死突變毒力變異株第五節(jié) 細(xì)菌遺傳變異在 醫(yī)學(xué)上的實(shí)際意義病原性診斷： L型細(xì)菌、HO變異、