醫(yī)學微生物學第五章 細菌的遺傳與變異課件

細菌的遺傳與變異“窮則變，變則通，通則久?！薄兑捉?jīng)》

“我命在我，不在于天”（莊子）

細菌：一直被用做研究生物遺傳與變異規(guī)律的實驗材料。

●細菌個體微小

●遺傳物質(zhì)較為簡單

●易于人工培養(yǎng)

●繁殖速度快

●突變型容易識別和檢出1、染色體（chromosome）細菌染色體是一個裸露的閉合環(huán)狀的雙鏈DNA分子，有核蛋白，缺乏組蛋白，無核膜包裹。

一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎細菌基因組結(jié)構的主要特征（1）遺傳信息是連續(xù)的，不含內(nèi)含子。很少有重復序列。（2）通常，編碼相關功能的基因高度集中，組成操縱子（operon）結(jié)構，自一個啟動子開始轉(zhuǎn)錄成多基因的mRNA分子，翻譯成多種功能相關的蛋白質(zhì)。一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎乳糖操縱子2、質(zhì)粒（plasmid）一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎

是細菌染色體外的遺傳物質(zhì)，大多由閉合環(huán)狀雙鏈DNA組成。3、轉(zhuǎn)座子（transposon）B.McClintock一生未婚，卻對玉米情有獨鐘，發(fā)現(xiàn)“會跳舞”（在染色體上移動）的基因，于1938年提出“轉(zhuǎn)座因子”理論。因與傳統(tǒng)的遺傳學觀念背道而馳，成了孤家寡人。DNA雙螺旋和乳糖操縱子獲諾貝爾獎后，仍將B.McClintock理

論視為另類。這一超越時代的理論直

到1983年才被承認，81歲高齡的她榮

獲諾貝爾獎，真正成為基因調(diào)控理論

的先驅(qū)。（Mendel、Morgan）

轉(zhuǎn)座子的結(jié)構特點

●2個末端反向重復序列：能為整合酶所識別，與插入功能有關。一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎當轉(zhuǎn)座子插入到某一基因中，可能會產(chǎn)生什么遺傳學效應？一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎

二、細菌的基因突變

三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組

四、基因工程菌株的構建

五、微生物基因組學細菌的遺傳與變異基因突變（genemutation）：染色體基因發(fā)生突然而穩(wěn)定的結(jié)構改變，包括一對或少數(shù)幾對堿基的缺失、插入或置換（點突變：pointmutation），導致遺傳性狀的改變。1、概念二、細菌的基因突變

結(jié)核分枝桿菌對一線抗癆藥物如異煙肼、鏈霉素、利福平產(chǎn)生多重耐藥性，與多個耐藥基因突變的逐步累加密切相關。二、細菌的基因突變

●

隨機發(fā)生，不定向

●

穩(wěn)定（“代代相傳”）

●

自發(fā)突變頻率為10-10～10-6

●

可誘發(fā)性：野生株、突變株

●

僅對1種或2種相類似的藥物耐藥2、特點二、細菌的基因突變?nèi)毡驹l(fā)生過一次細菌性痢疾暴發(fā)流行。從病人糞便中分離到大量的痢疾桿菌敏感株和耐藥株（同時耐鏈霉素、氯霉素、四環(huán)素、磺胺類），且大腸桿菌與痢疾桿菌有完全相同的多重耐藥性。多重耐藥性傳播迅速。耐藥菌在傳代、保藏過程中可自發(fā)失去耐藥性。

能否用基因突變解釋以上現(xiàn)象？二、細菌的基因突變一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎

二、細菌的基因突變

三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組

四、基因工程菌株的構建

五、微生物基因組學細菌的遺傳與變異2、基因轉(zhuǎn)移的元件●

質(zhì)?！?/p>

轉(zhuǎn)座子●

溫和噬菌體（temperatephage）三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組

●

接合（conjugation）

●

轉(zhuǎn)化（transformation）

●

轉(zhuǎn)導（transduction）

●

轉(zhuǎn)座（transposition）3、基因轉(zhuǎn)移的方式三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組質(zhì)粒質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移示意圖染色體性菌毛受體菌

(敏感菌)供體菌

(耐藥菌)三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組受體菌

(耐藥菌)耐藥基因：賦予宿主菌一種或多重耐藥性耐藥傳遞基因：編碼性菌毛，決定自主復制與接合轉(zhuǎn)移耐藥性

（R）質(zhì)粒三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組R質(zhì)粒主要以接合方式從耐藥菌傳遞給敏感菌，使后者變?yōu)槟退幘?，得以生存。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組R質(zhì)粒在同一種屬或不同種屬細菌之間傳遞，造成耐藥性的廣泛傳播，給臨床治療帶來很大困難。Griffith肺炎鏈球菌感染小鼠實驗（1928）無莢膜活菌有莢膜活菌有莢膜死菌三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組有莢膜的活菌？

如何證實？三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組Griffith認為，活的無莢膜肺炎鏈球菌（R菌）從死的有莢膜肺炎鏈球菌（S）中獲得某種物質(zhì)，而能產(chǎn)生莢膜，這一現(xiàn)象稱之為轉(zhuǎn)化。引起轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的物質(zhì)稱為轉(zhuǎn)化因子。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組1、轉(zhuǎn)化因子是DNA還是蛋白質(zhì)？

2、如何證實你的推測？1944年，

Avery研究揭示，轉(zhuǎn)化因子的本質(zhì)是DNA，即遺傳物質(zhì)是DNA。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組悲催原因：DNA在結(jié)構上似乎不像蛋白質(zhì)那樣變化多端，具有個性，很難設想可作為遺傳信息的載體；Avery過于謹慎，在論文中只愿意說“DNA或許是轉(zhuǎn)化因子的基本單位”。

鑒于對Avery理論抱有懷疑，諾貝爾獎評委會認為推遲發(fā)獎更合適。1952年，當對Avery成就的爭議平息、準備授獎時，Avery已撒手人寰。

●

接合（conjugation）

●

轉(zhuǎn)化（transformation）

●

轉(zhuǎn)導（transduction）

●

轉(zhuǎn)座（transposition）基因轉(zhuǎn)移的方式三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組

轉(zhuǎn)化：受體菌從周圍環(huán)境中直接攝取供體菌游離的DNA片段，并整合入受體菌基因組中，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的過程。

三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組莢膜基因轉(zhuǎn)化條件：●

供體菌DNA片段的大?。?0～20kb

●

供體DNA性質(zhì)：同源性高的、未變性的雙鏈DNA；質(zhì)粒DNA。

●

受體菌：處于“感受態(tài)”

（competence）狀態(tài)，可采

用CaCl2誘導法、電穿孔法。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組

萊德伯格（J.Lederberg）立志成為一名內(nèi)科醫(yī)生，進入哥倫比亞醫(yī)學院學習了2年。1946年暑假，萊德伯格進入耶魯大學微生物學家塔特姆（EL.Tatum）實驗室學習，對細菌遺傳學十分入迷。假期結(jié)束后，他不再回醫(yī)學院，

而留下給塔特姆作實驗室助理?！笆フ唠S時而行，賢者應事而變，

智者無為而治，達者順天而生”（老子）

原養(yǎng)型菌落產(chǎn)生原因？如何證實？①基因突變？②接合？

③轉(zhuǎn)化？接種至基礎培養(yǎng)基Met＋His＋Phe＋Trp＋，產(chǎn)生頻率為1×10－5Met－His－Phe＋Trp＋Met＋His＋Phe－Trp－營養(yǎng)缺陷型細菌一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎不需細菌之間接觸，排除接合；一種比細菌更小的生物將菌株（左）遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移給菌株（右）。Met－His－Phe＋Trp＋Met＋His＋Phe－Trp－Met＋His＋Phe＋Trp＋↓加入DNA酶(＋)不受DNA酶干擾，排除轉(zhuǎn)化。加熱殺死細菌(－)

●

接合（conjugation）

●

轉(zhuǎn)化（transformation）

●

轉(zhuǎn)導（transduction）

●

轉(zhuǎn)座（transposition）基因轉(zhuǎn)移的方式三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組

以噬菌體為媒介，將供體菌DNA片段轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，經(jīng)基因重組，使受體菌獲得新的遺傳學性狀。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組（1）轉(zhuǎn)導的概念

●是感染細菌、放線菌等的病毒。

●分為頭部和尾部。頭部由核心（核酸）

和衣殼（蛋白質(zhì)）構成。

●必須寄生在活的易感宿主菌體內(nèi)，依靠尾部牢

牢吸附宿主菌。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組（2）噬菌體（phage）（3）噬菌體感染細菌的結(jié)局

●

烈（毒）性噬菌體（virulentphage）：噬菌體在宿主菌內(nèi)復制增殖，產(chǎn)生大量子代噬菌體，最終裂解細

菌，建立溶菌周期。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組前噬菌體溶原性細菌

●溫和噬菌體（temperatephage）：感染宿主菌后，其核酸整合到宿主菌基因組中，與宿主菌DNA一起復制，隨細菌的分裂而傳至子代細菌（“和平相處”）。三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組（4）轉(zhuǎn)導的機制

在子代噬菌體組裝時，可能會發(fā)生錯誤（1次/105～107），誤將大小合適的供體菌DNA片段裝入噬菌體頭部，

成為“假噬菌體”。

假噬菌體當“假噬菌體”再度感染受體菌時，可將供體菌DNA帶入受體菌，發(fā)生基因重組。完全轉(zhuǎn)導與流產(chǎn)轉(zhuǎn)導普遍性轉(zhuǎn)導、局限性轉(zhuǎn)導三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組假噬菌體供體菌DNA受體菌一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎Met－His－Phe＋Trp＋Met＋His＋Phe－Trp－Met＋His＋Phe＋Trp＋↓溫和噬菌體將Phe、Trp合成酶基因在細菌之間發(fā)生轉(zhuǎn)移?！裼糜谀承┘毦ㄈ缡笠邨U菌、霍亂弧

菌）的鑒定和分型

●耐藥菌感染的治療

●分子生物學研究工具

●遺傳工程：噬菌體展示

技術三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組（5）噬菌體的應用

●

接合（conjugation）

●

轉(zhuǎn)化（transformation）

●

轉(zhuǎn)導（transduction）

●

轉(zhuǎn)座（transposition）基因轉(zhuǎn)移的方式三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組4、轉(zhuǎn)座（transposition）三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組

轉(zhuǎn)座子在質(zhì)粒之間或質(zhì)粒與染色體之間的自行轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。轉(zhuǎn)座子能在2個沒有任何同源性的基因組之間轉(zhuǎn)座（即插入到某一基因），引起一系列遺傳效應。

●

引起插入基因失活，產(chǎn)生基因突變●在插入部位引入一個或多個新的基因

（如耐藥基因)

三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎

二、細菌的基因突變

三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組

四、基因工程菌株的構建

五、微生物基因組學細菌的遺傳與變異五、基因工程菌株的構建五、基因工程菌株的構建◆獲得目的基因：PCR五、基因工程菌株的構建◆構建重組質(zhì)粒：限制性核酸內(nèi)切酶雙酶切、PCR擴增

和測序鑒定

◆將重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到原核（大腸桿菌）或真核表達系統(tǒng)（酵母菌）中，構建“基因工程菌株”。五、基因工程菌株的構建◆大量培養(yǎng)，誘導表達目的基因，獲得目的蛋白，生產(chǎn)藥物（如抗生素、胰島素、干擾素）、疫苗（乙肝疫苗）等。

◆將重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到原核（大腸桿菌）或真核表達系統(tǒng)（酵母菌）中，構建“基因工程菌株”。五、基因工程菌株的構建◆大量培養(yǎng)，誘導表達目的基因，獲得目的蛋白，生產(chǎn)藥物（如抗生素、胰島素、干擾素）、疫苗（乙肝疫苗）等。五、基因工程菌株的構建利用基因工程技術，構建“超級細菌或基因工程菌”，用于環(huán)境保護等。國家自然科學基金課題：高效表達幽門螺桿菌黏附素的嗜酸乳桿菌菌株的構建及其免疫保護機制的研究五、基因工程菌株的構建幽門螺桿菌（Helicobacterpylori，Hp）是慢性活動性胃炎和消化性潰瘍的致病菌，并與