第四章细菌的遗传与变异课件讲义.ppt

1、细菌的遗传和变异遗传细菌在一定的环境条件下生长繁殖，通过DNA复制，将其各种性状相对稳定地传给子代，从而保持其种属原有特性的现象。变异细菌繁殖过程中，外界环境条件发生变化或细菌遗传物质发生改变，细菌的某些性状也随之发生改变的现象。细菌的变异可分为遗传性变异（基因型变异）和非遗传性变异（表型变异）。遗传性变异与非遗传性变异的比较：遗传性变异非遗传性变异基因改变+-遗传+-可逆性-+外界环境-+变异幅度个别细胞群体细菌的变异现象形态与结构的变异 L型变异 荚膜变异 芽胞变异 鞭毛变异毒力变异耐药性变异菌落变异L型变异 青霉素、溶菌酶正常形态细菌 L型变异 抗体或补体 等 (部分或完全 失去细胞壁)

2、L型变异L型细菌（L formed bacteria）的特征：可通过细菌滤器革兰染色多为阴性常呈现高度多形态改变可生长性在含血清的高渗低琼脂培养基中能缓慢生长，形成中央厚而四周薄的“油煎蛋”样小菌落、颗粒型菌落或丝状型菌落等可致病性与某些慢性和反复感染有关，易耐药、易误诊、漏诊或久治不愈 毒力变异增强 棒状噬菌体白喉棒状杆菌 溶原性白喉棒状杆菌 （不产白喉毒素）（产白喉毒素）减弱 胆汁、甘油、马铃薯培养基牛分枝杆菌 卡介苗 13年(230代)概念：细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异常见细菌：金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌等有些细菌还同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。含链

3、霉素培基痢疾杆菌 依链株 长期培养耐药性变异细菌遗传变异的物质基础 细菌染色体质粒噬菌体转座因子 遗传物质DNA的结构 遗传物质DNA的复制 （半保留复制）真核生物的染色体原核生物的染色体染色体的形态细菌染色体细菌属于原核细胞型微生物,细菌染色体是环状双螺旋DNA，不含组蛋白,无核膜包围。基因,是具有一定生物学功能的核苷酸序列，如编码结构蛋白、酶等功能。细菌基因的结构是连续的,无内含子。细菌染色体DNA的复制：大肠埃希菌已证明是双向复制质粒（plasmid）质粒是细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。大质粒小质粒几种重要的质粒 致育质粒（F质粒）耐药质粒毒力质粒（Vi质粒）细菌素质粒

4、代谢质粒致育质粒（F质粒）与有性生殖有关带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛；无F质粒的为雌性菌，无性菌毛耐药性质粒编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒，又称R质粒不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通过噬菌体传递。毒力质粒（Vi质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子。如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由ST质粒编码的。细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。细菌素质粒编码各种细菌产生的细菌素。Col质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素代谢质粒编码产生相关的代谢酶。沙门菌发酵乳糖的能力通常是由质粒决定的质粒的特征自我复制能力，为复制子，单拷贝或多

5、拷贝紧密型质粒和松弛型质粒编码产物赋予细菌某些性状特征可自行丢失与消除有转移性可分为相容性和不相容性转位因子是存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段特异性核苷酸序列片段，它能在DNA分子中移动，不断改变它们在基因组的位置，能从一个基因组转移到另一个基因组中。转位因子插入序列（insertion sequence,IS）：是最小的转位因子，长度不超过2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域，往往是插入后与插入点附近的序列共同起作用，可能是原细胞正常代谢的调节开关之一。转位因子转座子（transposon,Tn）：长度一般超过2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗金属基因、

6、毒素基因及其他结构基因等。因此当Tn插入某一基因时，一方面可引起插入基因失活产生基因突变，另一方面可因带入耐药性基因而使细菌获得耐药性。转座子可能与细菌的多重耐药性有关。常见转座子转座子携带耐药或毒素基因Tn1 Tn2 Tn3AP（氨苄青霉素）Tn4AP、SM（链霉素）、Su（磺胺）Tn5Km（卡那霉素）Tn6KmTn7TMP（甲氧苄氨嘧啶）、SMTn9Cm（氯霉素）Tn10Tc（四环素）tn551Em（红霉素）Tn971EmTn1681大肠埃希菌（肠毒素基因）噬菌体转座噬菌体或前噬菌体：是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状，如白喉棒状杆菌、

7、肉毒梭菌等的外毒素就是由转座噬菌体的有关基因所编码的。另外，转座噬菌体从细菌染色体分离脱落时，可能连带有细菌的DNA片段，故它还可能在遗传物质转移过程中起载体作用。基因的转移和重组基因转移：外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移（gene transfer）。重组：转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组 （recombination），使受体菌获得供体菌的某些性状。细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合等方式进行。转化（transformation）转化是供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。转化现象在肺炎链球菌、葡

8、萄球菌和流感嗜血杆菌等中被证实。转化试验转 化转化因子（transforming principle）：转化的DNA片段，分子量小于107，最多不超过10-20个基因转化因子吸附在受体菌表面受体上，然后再被摄入 解链，一链进入受体菌，另一链为进入提供能量进入的单股DNA与受体菌DNA进行重组 受体菌DNA复制，子代菌一个与原型菌的DNA序列链相同仍保持原来的性状，另一个比原型菌多一段外来的DNA序列而获得新的性状称为转化菌的突变株接合（conjugation）接合是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒

9、，F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒。接 合F质粒的接合F+F高频重组菌（high frequency recombination,Hfr）F F+、Hfr、F都为雄菌 接 合R质粒的接合R质粒与耐药性有关，尤其与多重耐药性有关耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF）与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移耐药（r）决定子r-dir能编码对抗菌药物的耐药性，可由几个转座子连接相邻排列，如Tn9带有氯霉素耐药基因，Tn4带有氨苄青霉素、磺胺、链霉素的耐药基因，Tn5带有卡那霉素的耐药基因。接 合R质粒决定耐药的机制：使细菌产生灭活抗生素的酶类R质粒控制细

10、菌改变药物作用的靶部位R质粒可控制细菌细胞对药物的通透性转导（transduction）转导是以转导噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。普遍性转导（generalized transduction）局限性转导（restricted transduction）普遍性转导 前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖装配时，误将（1/105107）细菌的DNA片段装入噬菌体的头部，成为一个转导噬菌体。当它感染受体菌时，则将供体菌DNA转移给受体菌。因被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分，故称为普遍性转导。普遍性转导完全转导外源性DNA片段与受体菌的染色体整合，

11、并随染色体而传代，称完全转导 流产转导外源性DNA片段游离在胞质中,既不能与受体菌染色体整合，也不能自身复制，称为流产转导 局限性转导前噬菌体从宿主菌染色体上脱离时发生偏差，将前噬菌体两侧的宿主染色体基因转移到受体菌，使受体菌的遗传性状发生改变的过程 所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因普遍性转导与局限性转导的区别区别要点普遍性转导局限性转导基因转导发生的时期裂解期溶原期转导的遗传物质供体菌染色体DNA任何部位或质粒噬菌体DNA及供体菌DNA的特定部位转导的后果完全转导或流产转导受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗传特性转导频率受体菌的10-7转导频率较普遍转导增加1000倍(10-4)溶原性

12、转换（lysogenic conversion）溶原性转换是当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的DNA片段，使其成为溶原状态时而致细菌获得新的性状。白喉棒状杆菌原生质体融合（protopast fusion)原生质体融合是将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行彼此融合的过程。聚乙二醇可促使二种原生质体的融合。原生质体融合是一种人工基因转移系统，本质上与基因转移无关或关系很小。细菌遗传变异的实际意义在疾病的诊断、治疗与预防中的应用在测定致癌物质中的应用在流行病学中的应用在基因工程中的应用在疾病的诊断、治疗与预防中的应用形态、结构、染色性、生化特性、抗原性

13、及毒力等方面的变异，使得诊断复杂化如金黄色葡萄球菌的耐药性菌株增加，绝大由金黄色变成灰白色，血浆凝固酶阴性的葡萄球菌也成为致病菌，给诊断带来困难；伤寒沙门菌有10%不产生鞭毛，检查无动力，无H抗体，影响正确判断。耐药菌株日益增多，因此以药敏实验为指导减毒菌株和无毒株可制备成疫苗在测定致癌物质中的应用凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。Ames实验伤寒沙门菌（his-）（his+）在流行病学中的应用分子生物学分析方法已被用于流行病学调查质粒指纹图（PEP）对噬菌体的敏感性，对细菌素的敏感性在基因工程中的应用基因工程是根据遗传变异中细菌可因基因转移和重组而获得新性状的原理设计的 切取目的基因连接到载体上转移到工程菌内，大量表达目的基因产物目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、rIL-2等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品