7-第2章 细菌的遗传和变异

第2章细菌的遗传和变异遗传（heredity）–遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其种属得以保存。变异（variation）–在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代之间的差异称为变异。遗传性变异（基因型变异）–细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或重组，不可逆，可遗传给后代。非遗传性变异（表型变异）–环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆，不可遗传。3-6%食盐鼠疫杆菌────→多形态性(衰残型)。琼脂培基1.形态、结构变异★第一节细菌的变异现象青霉素、溶菌酶正常形态细菌──────→L型变异抗体或补体霍乱弧菌L型正常霍乱弧菌特殊结构的变异42-43℃炭疽杆菌────→失去形成芽胞能力,毒性10-20天降低变形杆菌（H）1%石炭酸（O）迁徙生长单个菌落鞭毛变异在陈旧培养基中长期培养光滑型菌落─────→粗糙型菌落（S）或在有免疫力的人体内（R）2.毒力变异β棒状噬菌体白喉棒状杆菌────→获得白喉毒素胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核杆菌────────→卡介苗13年(230代)3.耐药性变异细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。含链霉素培基痢疾杆菌─────→依链株(耐药菌株)长期培养5.条件致死突变4.营养缺陷体突变？蛋白质不是遗传物质？第一节、细菌的遗传物质一、细菌的染色体环状双螺旋DNA，不含组蛋白,无核膜包围。特征1.相对较小，不编码的DNA序列很少2.功能相关的基因高度集中组成操纵子结构构成一种组合表达单位，称为转录子，行使既简单又有效地调节机制3.具有连续的基因结构，无内含子，无转录后加工4.染色体的数目取决于细菌的生长条件。5.双向复制细菌分裂★二、染色体外的遗传物质一）质粒（plasmid）概念：是存在于细菌染色体以外,能进行自主复制的遗传因子，环状闭合的双链DNA;对细菌的遗传性状有着重要的影响。非必需的基因质粒的特征1.自我复制能力：为复制子，单拷贝或多拷贝2.可自行丢失与消除3.编码产物赋予细菌某些性状特征4.转移性质粒分类：1.接合性质粒和非接合性质粒2.严紧型质粒和松弛型质粒3.相容性和不相容性质粒4.编码产物的生物性状分类(1)致育因子（fertilityfactor，F因子）与有性生殖有关带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛(F+)；无F质粒的为雌性菌，无性菌毛(F-)(2)耐药性质粒（resistanceplasmid,R质粒）编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。非接合性传递的r质粒(3)毒力质粒（virulenceplasmid，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。(5)代谢质粒（metabolicplasmid）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–根瘤菌的固氮基因fix位于质粒中–(4)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–乳酸菌产生NisinA——抑制G＋菌食品防腐二）噬菌体（bacteriophage）噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。葡萄球菌和志贺菌中首先发现1.病毒的生物学特性：–没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成–专性细胞内寄生的微生物–个体微小，可以通过细菌滤器–种类多–分布极广噬菌体的形态大肠埃希菌T4噬菌体噬菌体的生物学性状噬菌体宿主菌形态核酸T1-T7、λ、N4大肠埃希菌蝌蚪形dsDNA，线状P1志贺菌蝌蚪形dsDNA，线状P22沙门菌蝌蚪形dsDNA，线状SP01、SP82枯草芽胞杆菌蝌蚪形dsDNA，线状Φ29解淀粉芽胞杆菌蝌蚪形dsDNA，线状PM2假单胞菌微球形，有包膜dsDNA，线状ΦX174、S13、M12、G4大肠埃希菌微球形ssDNA，线状f1、fd、M13大肠埃希菌丝形ssDNA，线状MS2、f2、fr、Qβ大肠埃希菌微球形ssRNA，线状Φ6假单胞菌微球形，有包膜dsRNA，线状，分成3节段（1）溶菌性周期★毒性噬菌体（virulentphage)–能在宿主菌细胞内复制增殖,产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体。2.噬菌体与细菌的关系毒性噬菌体增殖过程–1）吸附（adsorption）–只要细菌有特异性受体，不论死活噬菌体都能吸附，但噬菌体不能进入死亡的宿主菌。2）穿入（penetration）–将头部DNA注入细菌体内，而蛋白衣壳留在菌细胞外。3）生物合成（biosynthesis）：–大量复制子代噬菌体的基因核酸。4）成熟装配与释放（matureandrelease）–蛋白质和核酸合成后，在细胞质内按一定程序装配成成熟的噬菌体；–裂菌释放到细胞外病毒的复制在液体培养基中噬菌现象可使浑浊菌液变为澄清噬斑在固体培养基中噬斑（plaque）。–噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌的分裂而传代，称为温和噬菌体（2）溶原性周期★温和噬菌体(temperatephage)或溶原性噬菌体(lysogenicphage)。Lytic★前噬菌体（prophage）整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体★溶原性转换（lysogenicconversion）某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变温和噬菌体可有三种存在状态–前噬菌体–游离的具有感染性的噬菌体颗粒–宿主菌胞质内类似质粒形式的噬菌体核酸溶原性细菌带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌（lysogenicbacterium）溶原状态–十分稳定，能经历许多代–可中断–可“治愈”噬菌体的应用细菌的鉴定与分型分子生物学研究的重要工具细菌感染的诊断与治疗三）转座因子（transposableelement）1.转座因子的分类插入序列（insertionsequence，IS）转座子（transposon，Tn）Mu噬菌体2.转座机制：非复制型、复制型和接合型转座子的特征转座子携带耐药或毒素基因Tn1Tn2Tn3AP（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）第三节细菌的基因转移和重组基因转移（genetransfer）重组（recombination）细菌的基因突变突变（mutation）点突变（pointmutation）染色体畸变（chromosomeaberration）转换（transition）颠换（transversion）移码突变（transhiftmutation）自发突变和诱发突变自然突变1）彷徨试验影印培养试验2）影印培养试验1.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。★基因转移和重组的方式转化实验转化转化因子（transformingprinciple）–在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子，分子量小于107，最多不超过10~20个基因。感受态（competence）–受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附DNA的受体.转化影响因素1.受体菌的生理状态2.转化DNA的构型、纯度和浓度3.受体菌的限制酶系统和其他核酸酶4.转化的环境条件2.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，如：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（highfrequencyrecombination,Hfr）–F′–F+、Hfr、F′都为雄菌接合（F+×F－）F+F-F+F-F+F+F+F+接合高频重组菌（Hfr）F+F+Hfr接合高频重组菌（Hfr）HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-接合（性导，F′）F’F’F’F’F’F′F-F’F-R质粒的接合–耐药转移因子（resistancetransferfactor,RTF）–耐药（r）决定子RTFRdeterminant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非接合性质粒的诱动传递3.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（generalizedtransduction）–局限性转导（restrictedtransduction）普遍性转导普遍性转导（generalizedtransduction）误将细菌的DNA片段装入噬菌体的头部，被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分完全转导流产转导流产转导局限性转导（restrictedtransduction）局限性转导或特异性转导，所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。如λ噬菌体进入大肠埃希菌。galbiogalbiogalbiogalbiobio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)溶原性转换原生质体融合第四节细菌遗传变异在医学上的实际意义1.影响细菌学诊断、治疗和预防2.细菌学鉴定3.预防耐药菌株的扩散4.传染病的预防：制备菌苗5.检测致癌物6.流行病学方面7.分子生物学研究8.基因工程方面的应用一、耐药和超级细菌二、核酸疫苗（DNA疫苗）1.选优势抗原表位基因2.与质粒重组连接和质粒的鉴定3.质粒的转化和细菌的培养4.质粒的表达和鉴定5.DNA疫苗的免疫（肌注、电转录、基因枪）6.免疫原性的分析和功能试验