微生物-第04章-細(xì)菌的遺傳變異課件

第5章細(xì)菌的遺傳變異醫(yī)學(xué)院黃紅瑩

遺傳與變異細(xì)菌的遺傳物質(zhì)基因的轉(zhuǎn)移與重組基因突變遺傳變異的意義形態(tài)結(jié)構(gòu)變異抗原性變異菌落的變異毒力變異耐藥性變異細(xì)菌的變異現(xiàn)象看我七十二變?。ㄒ唬┬螒B(tài)結(jié)構(gòu)的變異1.細(xì)菌的L型變異：因胞壁缺陷，而呈多形性。2.細(xì)菌的特殊結(jié)構(gòu)變異：莢膜（肺炎鏈球菌）、芽胞（炭疽芽孢桿菌）、鞭毛（變形桿菌H-O變異）也可發(fā)生變異。（二）菌落變異細(xì)菌的菌落主要有光滑(smooth,S)型和粗糙(rough,R)型兩種。S型菌落表面光滑、濕潤、邊緣整齊。經(jīng)人工培養(yǎng)多次傳代后菌落表面邊為粗糙、干燥、邊緣不整齊，稱S—R變異。粗糙型菌落光滑型菌落（三）毒力變異毒力增強(qiáng)：無毒力的白喉棒狀桿菌，不致病；感染了β-棒狀噬菌體后變成溶原性細(xì)菌，獲得產(chǎn)生白喉毒素的能力，引起白喉。毒力減弱：有毒菌株長期在人工培養(yǎng)基上傳代培養(yǎng)，可使細(xì)菌的毒力減弱或消失。如卡介苗(BCG)。

BCG：牛型結(jié)核桿菌（有毒株）

膽汁-甘油-馬鈴薯培養(yǎng)

13年，230次傳代

減毒株（BCG）基因型變異：BCG表型變異：細(xì)菌L型（四）耐藥性變異

耐藥性變異：細(xì)菌對(duì)某種抗菌藥物由敏感變?yōu)槟退幍淖儺?。有些?xì)菌還表現(xiàn)為多重耐藥性。

從抗生素廣泛應(yīng)用以來，細(xì)菌對(duì)抗生素耐藥的不斷增長是世界范圍內(nèi)的普遍趨勢(shì)，給臨床治療帶來很大的困難，并成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)上的重要問題。基因型和表型變異的比較基因型變異表型變異基因結(jié)構(gòu)變化未變可逆性不或極少可逆穩(wěn)定性穩(wěn)定不穩(wěn)定環(huán)境影響涉及細(xì)菌數(shù)不受影響受影響個(gè)別全體細(xì)菌染色體質(zhì)粒噬菌體轉(zhuǎn)位因子第一節(jié)細(xì)菌遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)

（一）細(xì)菌染色體：dsDNA，3.2～5×106

bp復(fù)制快：105

bp/min

無組蛋白，無內(nèi)含子，為連續(xù)基因單倍體：突變后更易表現(xiàn)（二）質(zhì)粒質(zhì)粒：是細(xì)菌染色體外能夠自主復(fù)制并控制細(xì)菌某些生物學(xué)性狀的環(huán)狀閉合雙鏈DNA。醫(yī)學(xué)上重要的質(zhì)粒1.致育質(zhì)粒（F質(zhì)粒）編碼細(xì)菌的性菌毛。2.耐藥性質(zhì)粒（R質(zhì)粒）

編碼細(xì)菌對(duì)抗菌藥物的耐藥性。3.毒力質(zhì)粒（Vi質(zhì)粒）

編碼與該菌致病性有關(guān)的毒力因子。4.細(xì)菌素質(zhì)粒

（Col質(zhì)粒）

編碼細(xì)菌產(chǎn)生細(xì)菌素。質(zhì)粒DNA的特征質(zhì)粒具有自我復(fù)制的能力；質(zhì)粒賦予細(xì)菌某些性狀特征；質(zhì)?？勺孕衼G失與消除；質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移性；質(zhì)?？煞譃橄嗳菪耘c不相容性兩種。

（三）噬菌體（phage）1.概念

是侵噬細(xì)菌或真菌的病毒特點(diǎn)：具有嚴(yán)格的宿主特異性。我很敬業(yè)，我很專一！

噬菌體吸附大腸桿菌示意圖

2.噬菌體的形態(tài)與結(jié)構(gòu)

基本形態(tài)：蝌蚪形、微球形和細(xì)桿形頭部核心：DNA或RNA衣殼：蛋白質(zhì)尾部蛋白質(zhì)與吸附宿主有關(guān)結(jié)構(gòu):復(fù)制噬菌體感染細(xì)菌的結(jié)果溶菌性周期毒性噬菌體溶原性周期前噬菌體溶原性細(xì)菌溫和噬菌體（四）轉(zhuǎn)位因子轉(zhuǎn)位因子：是存在于細(xì)菌染色體或質(zhì)粒DNA分子上的一段特異性核苷酸序列片段，它能在DNA分子中移動(dòng)，不斷改變它們?cè)诨蚪M中的位置，能從一個(gè)基因組轉(zhuǎn)移到另一基因組中。轉(zhuǎn)位因子有二類：插入序列(IS)和轉(zhuǎn)座子(Tn)。我是個(gè)活躍分子噢！1.插入序列（insertionsequence,IS）是最小的轉(zhuǎn)位因子，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，往往是插入后與插入點(diǎn)附近的序列共同起作用，可能是原細(xì)胞正常代謝的調(diào)節(jié)開關(guān)之一。

2.轉(zhuǎn)座子（transposon,Tn）長度一般超過2kb，除攜帶與轉(zhuǎn)位有關(guān)的基因外，還攜帶耐藥性基因、抗金屬基因、毒素基因及其他結(jié)構(gòu)基因等。因此當(dāng)Tn插入某一基因時(shí)，一方面可引起插入基因失活產(chǎn)生基因突變，另一方面可因帶入耐藥性基因而使細(xì)菌獲得耐藥性。轉(zhuǎn)座子可能與細(xì)菌的多重耐藥性有關(guān)。

IS(insertionsequence):750~1550

bp

兩端重復(fù)序列，與插入有關(guān)中心序列有轉(zhuǎn)位酶基因轉(zhuǎn)座子Tn(transposon):2000~25000

bp

兩端為IS中心序列有與轉(zhuǎn)位無關(guān)基因如：毒素基因、耐藥基因等常見的插入序列和轉(zhuǎn)座子ISbpTn耐藥或毒素基因IS1768Tn1

AP（氨芐青霉素）IS21327Tn6Kan（卡那霉素）IS31300Tn10Tet（四環(huán)素）IS41426Tn551Em（紅霉素）IS51195Tn681E.coliET（腸毒素）3.轉(zhuǎn)座噬菌體含有與轉(zhuǎn)位功能有關(guān)的基因和反向重復(fù)序列，可隨機(jī)整合到宿主菌染色體任何位置，導(dǎo)致宿主菌變異。說了這么多，嚴(yán)重記不??！開開心吧！第二節(jié)細(xì)菌遺傳變異的機(jī)制基因突變基因的轉(zhuǎn)移與重組轉(zhuǎn)化接合轉(zhuǎn)導(dǎo)溶原性轉(zhuǎn)換一基因突變與損傷后修復(fù)小突變（堿基置換；缺失；插入）

大突變（染色體畸變）（一）突變(mutation)：是細(xì)菌遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，導(dǎo)致細(xì)菌性狀的遺傳性變異。

突變(mutation)回復(fù)突變（backmutation）：恢復(fù)原有性狀的再次突變。自發(fā)突變（spontaneousmutation）：在自然條件下發(fā)生的突變。誘變（inducedmutation）：人為因素增加突變率。突變的分子機(jī)制(了解)小范圍突變----點(diǎn)突變1.堿基置換：在DNA復(fù)制時(shí)，一對(duì)堿基為另一對(duì)所取代或換位。

----轉(zhuǎn)換（transition）----嘌呤被嘌呤或嘧啶被嘧啶所取代。

----顛換（transversion）----嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤所取代?；蛲蛔兲攸c(diǎn)1.自發(fā)性和不對(duì)應(yīng)性2.稀有性自然突變率極低。（10-6～10-9

）3.可誘發(fā)性4.獨(dú)立性突變是隨機(jī)的5.穩(wěn)定性6.可逆性恢復(fù)原先的表型，但不一定是原先的基因型（抑制基因：基因內(nèi)抑制、基因間抑制）。彷徨試驗(yàn)：隨機(jī)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(duì)突變僅起篩選而不是誘導(dǎo)作用。影印試驗(yàn)(replicaplating)突變型細(xì)菌及其分離：

耐藥性突變型藥敏試驗(yàn)營養(yǎng)缺陷突變型營養(yǎng)物質(zhì)篩選條件致死性突變型溫度敏感試驗(yàn)發(fā)酵陰性突變型乳糖發(fā)酵試驗(yàn)重要的突變株1.營養(yǎng)缺陷型2.抗性突變株抗藥性、抗紫外線、抗噬菌體3.條件之死突變型4.毒力突變型DNA的損傷修復(fù)SOS誘導(dǎo)產(chǎn)生缺乏校對(duì)功能的DNA聚合酶，DNA復(fù)制時(shí)產(chǎn)生差錯(cuò)。基因轉(zhuǎn)移(genetransfer)：外源性的遺傳物質(zhì)由供體菌進(jìn)入某受體菌細(xì)胞內(nèi)的過程?；蛑亟M(recombination)：轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA整合在一起，使受體菌獲得供體菌某些特性。細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移和重組可通過轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)、溶原性轉(zhuǎn)換和細(xì)胞融合等方式進(jìn)行。二、基因的轉(zhuǎn)移和重組轉(zhuǎn)化（transformation）：受體菌直接攝取供體菌DNA片段并整合到自己的基因組中，從而獲得新的遺傳性狀的過程。艾弗里等人的實(shí)驗(yàn)不僅揭開了“格里菲斯之謎”，并且在世界上第一次證明基因就在DNA上。

OswaldTheodoreAvery

（1877～1955）轉(zhuǎn)化的條件：（1）轉(zhuǎn)化的DNA片段的分子量要小于1×107，最多不超過10~20個(gè)基因。（2）受體菌只有進(jìn)入感受態(tài)時(shí)才能攝取外源DNA。影響因素：供受菌基因型：同源性；親緣關(guān)系近，轉(zhuǎn)化率高感受態(tài)（competence）：生理活動(dòng)過程中攝取轉(zhuǎn)化因子的最佳時(shí)期環(huán)境因素：Mg2＋、Ca2＋等可促進(jìn)轉(zhuǎn)化感受態(tài)的細(xì)菌：①表面有一種吸附DNA的受體；②感受態(tài)細(xì)菌一般出現(xiàn)在對(duì)數(shù)生長期的后期（維持幾分鐘至3~4h）。細(xì)菌的感受態(tài)可用人工誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)化程序形成。人工感受態(tài)的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)最適用于質(zhì)粒和噬菌體的DNA。轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）噬菌體媒介將供菌DNA轉(zhuǎn)給受菌分普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)(generalizedtransduction)完全轉(zhuǎn)導(dǎo)外源性DNA片段與受體菌的染色體整合，并隨染色體而傳代，稱完全轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)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)

細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳與變異局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)：溫和性噬菌體脫落錯(cuò)誤：前噬菌體及兩邊的細(xì)菌DNA轉(zhuǎn)導(dǎo)性噬菌體：噬菌體DNA及細(xì)菌DNA普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)與局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)的區(qū)別區(qū)別要點(diǎn)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo)的遺傳物質(zhì)供體菌染色體DNA任何部位或質(zhì)粒供體菌DNA的特定部位轉(zhuǎn)導(dǎo)的后果完全轉(zhuǎn)導(dǎo)或流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)受體菌獲得供體菌DNA特定部位的遺傳特性轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率受體菌的10-7轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率較普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)增加1000倍(10-4)接合（conjugation）通過性菌毛將供菌DNA轉(zhuǎn)給受體菌，受體菌獲得供體菌性狀接合性質(zhì)粒F質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒、毒力質(zhì)粒等。（1）F質(zhì)粒高頻重組菌(Highfrequencyrecombinant,Hfr)：F質(zhì)粒能穩(wěn)定地被整合到染色體所形成的細(xì)菌。HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-Hfr接合F-菌F-菌（接合狀態(tài)可自發(fā)解離或受外界因素影響中斷，很難獲完整F質(zhì)粒）從Hfr菌中染色體上脫離下來的F質(zhì)粒有時(shí)會(huì)攜帶相鄰的染色體基因或DNA片段，稱為F’質(zhì)粒（該菌被稱為F’菌）。F+菌、Hfr、F’三種菌都有性菌毛，均可通過接合方式進(jìn)行基因的轉(zhuǎn)移。

Ames試驗(yàn)：（2）R質(zhì)粒的接合細(xì)菌的耐藥性與耐藥性的基因突變及R質(zhì)粒的接合轉(zhuǎn)移等有關(guān)。R質(zhì)粒有耐藥傳遞因子(RTF)和耐藥決定子(r)兩部分組成。RTF功能與F質(zhì)粒相似，R決定子能編碼對(duì)抗菌藥物的耐藥性。Tn9Tn21Tn10Tn8RTFRdeterminant

R因子的結(jié)構(gòu)R質(zhì)粒決定耐藥的機(jī)制：使細(xì)菌產(chǎn)生滅活抗生素的酶類R質(zhì)?？刂萍?xì)菌改變藥物作用的靶部位R質(zhì)?？煽刂萍?xì)菌細(xì)胞對(duì)藥物的通透性溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenicconversion）

噬菌體DNA與菌染色體整合

受菌獲得新的性狀

如白喉?xiàng)U菌：β-噬菌體-外毒素基因

不產(chǎn)毒白喉?xiàng)U菌產(chǎn)毒白喉?xiàng)U菌原生質(zhì)體融合（cellfusion）

是兩種不同的細(xì)菌（或細(xì)胞）失去細(xì)胞壁成為原生質(zhì)體后相互融合成一個(gè)重組體的過程，也稱原生質(zhì)體融合