第五章--细菌的遗传与变异1

由于细菌个体微小、遗传物质简单，繁殖速度快，一直被用做研究生物遗传与变异规律的理想实验材料。利用分子生物学技术，构建“基因工程菌”，生产新药、疫苗、或环保。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。细菌的遗传与变异一、细菌的基因与基因组学二、噬菌体三、细菌的基因突变四、微生物基因转移和重组1、遗传物质DNA细菌染色体是一个裸露的闭合环状的双链DNA分子，有核蛋白，缺乏组蛋白，无核膜包裹。一、细菌的基因与基因组学（1）遗传信息是连续的，不含内含子。很少有插入序列。（2）通常，编码相关功能的基因高度集中，组成操纵子（operon）结构，自一个启动子开始转录成多基因的mRNA分子，翻译成多种功能相关的蛋白质。一、细菌的基因与基因组学2、细菌基因组结构（3）结构基因单拷贝及rRNA基因的多拷贝有利于核糖体的快速组装。（4）基因组的重复序列少而短，反映了基因组结构的经济性和高效性。一、细菌的基因与基因组学2、细菌基因组结构4、质粒（plasmid）是细菌染色体外的遗传物质，大多由闭合环状双链DNA组成。一、细菌的基因与基因组学●具有自我复制的能力。●所携带的基因赋予宿主菌某些生物学性状（如F质粒、R质粒、毒力质粒、代谢质粒），增加细菌的存活机会。●非生存所必需，可自行丢失或消除。●可在细菌之间转移。质粒DNA的特征一、细菌的基因与基因组学带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛；无F质粒的为雌性菌，无性菌毛致育质粒（F质粒）一、细菌的基因与基因组学耐药性质粒编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性—接合性耐药质粒，又称R质粒—非接合性耐药质粒，可通过噬菌体传递。●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。毒力质粒（Vi质粒）一、细菌的基因与基因组学●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细菌素质粒（Col质粒）代谢质粒一、细菌的基因与基因组学二、噬菌体三、细菌的基因突变四、微生物基因转移和重组细菌的遗传与变异基因突变（genemutation）：细菌染色体基因发生突然而稳定的结构改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换（点突变：pointmutation），导致细菌性状的遗传性变异。1、概念二、细菌的基因突变●随机发生，不定向●稳定●自发突变产生频率为10-10～10-6●可诱发性：野生株、突变株2、特点二、细菌的基因突变细菌的遗传基因发生突然而稳定的结构改变。耐药性基因突变的特点有：●随机发生●一般只对一种或两种相类似的药物产生耐药●与抗生素的使用无关●耐药菌株产生的频率为10-10～10-7二、细菌的基因突变基因突变二、细菌的基因突变●耐药性突变：选择标记●毒力突变：疫苗研制、新现传染病●营养缺陷体突变：新药诱变作用检测●高产突变：抗生素等药品、食品生产●抗原性突变：逃逸免疫机制3、突变现象二、细菌的基因突变日本发生过一次细菌性痢疾大流行。从病人粪便中分离到大量的痢疾杆菌敏感株和耐药株（同时耐链霉素、氯霉素、四环素、磺胺类），且大肠杆菌与痢疾杆菌有完全相同的多重耐药性。多重耐药性传播迅速。耐药菌在传代、保藏过程中可自发失去耐药性。能否用基因突变解释以上现象？二、细菌的基因突变一、细菌的基因与基因组学二、噬菌体三、细菌的基因突变四、微生物基因转移和重组细菌的遗传与变异供体菌（donor）将遗传物质转移至受体菌（recipient），使后者获得新的生物学性状，称为基因转移（genetransfer）。细菌通过水平方向的基因转移和重组，产生新的基因型个体，以适应随时改变的环境。基因转移的概念三、细菌的基因转移与重组●质粒（plasmid）●转座子（transposon）●温和噬菌体（temperatephage）基因转移的元件三、细菌的基因转移与重组●接合（conjugation）●转化（transformation）●转导（transduction）●转座（transposition）基因转移的方式三、细菌的基因转移与重组Griffith肺炎链球菌感染小鼠实验（1928）无荚膜活菌有荚膜活菌有荚膜死菌三、细菌的基因转移与重组有荚膜的活菌？三、细菌的基因转移与重组活的无荚膜肺炎链球菌从死的有荚膜肺炎链球菌中获得荚膜（毒力决定因子）编码基因，称之为转化（transformation）。引起转化现象的物质称为转化因子。Avery研究揭示，转化因子的本质是DNA，即遗传物质是DNA。1944年，获得诺贝尔医学生理学奖。三、细菌的基因转移与重组1、转化（transformation）三、细菌的基因转移与重组转化：受体菌从周围环境中直接摄取供体菌游离的DNA片段，并整合入受体菌基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的过程。三、细菌的基因转移与重组（1）转化的前提条件●供体菌DNA片段的大小：＜10～20个基因●供体DNA性质：同源性高的、未变性的双链DNA；质粒DNA。●受体菌的生理状态：处于“感受态”三、细菌的基因转移与重组（2）自然转化过程①受体菌处于感受态（competence）自然转化naturallyoccurringtransformation对数生长期后期人工转化artificialtransformationCacl2处理、电穿孔三、细菌的基因转移与重组②转化因子的结合与进入双链DNA与感受态受体菌表面的DNA结合受体结合。其中一条链被降解产生能量；另一条链与特异DNA结合蛋白形成复合物，进入菌体内。三、细菌的基因转移与重组③转化因子的整合单链DNA不经复制，与受体菌同源DNA区段的单链配对，被取代的受体菌DNA单链被降解，最终产生转化子。三、细菌的基因转移与重组有荚膜的活菌？三、细菌的基因转移与重组2、接合（conjugation）三、细菌的基因转移与重组接合：供体菌通过性菌毛与受体菌直接接触，并将遗传物质（主要是质粒DNA）转移给受体菌，使受体菌获得新的遗传性状。三、细菌的基因转移与重组质粒质粒接合转移示意图染色体性菌毛受体菌供体菌三、细菌的基因转移与重组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（conjugation）三、细菌的基因转移与重组接合（conjugation）F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipient三、细菌的基因转移与重组F+F+Hfr2）接合（conjugation）三、细菌的基因转移与重组HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-接合（conjugation）三、细菌的基因转移与重组F’F’F’F’F’F-F’F-接合（conjugation）三、细菌的基因转移与重组赋予宿主菌的耐药性编码性菌毛，决定自主复制与接合转移耐药性（R）质粒三、细菌的基因转移与重组R质粒主要以接合方式从耐药菌传递给敏感菌，使后者变为耐药菌。R质粒在同一种属或不同种属细菌之间传递，造成耐药性的广泛传播，尤其在肠道杆菌中比较普遍，给临床治疗带来很大困难。三、细菌的基因转移与重组3、转导（transduction）三、细菌的基因转移与重组以温和噬菌体为媒介，将供体菌DNA片段（染色体DNA、非接合性质粒DNA）转移到受体菌内，通过基因重组而使受体菌获得新的遗传性状。三、细菌的基因转移与重组（1）转导的概念●是感染细菌、放线菌、真菌等的病毒。●分为头部和尾部。头部由核心（核酸）和衣壳（蛋白质）构成。●能通过细菌滤器。●须寄生在活的易感宿主菌体内。三、细菌的基因转移与重组（2）噬菌体（phage）（3）温和噬菌体烈（毒）性噬菌体（virulentphage）：噬菌体在宿主菌体内复制增殖，产生大量子代噬菌体，并最终裂解细菌，建立溶菌周期。三、细菌的基因转移与重组三、细菌的基因转移与重组温和噬菌体（temperatephage）：感染宿主菌后，不立即增殖，而是将其核酸整合到宿主菌染色体基因组中，与宿主菌DNA一起复制，并随细菌的分裂而传至子代细菌。前噬菌体溶原性细菌溶原性细菌能正常以二分裂方式繁殖，前噬菌体也一代一代传下去。但有时也会自发终止（发生率10-5），从染色体上脱落，进入溶菌周期。三、细菌的基因转移与重组（4）转导的机制前噬菌体从染色体上脱离进行增殖，装配成新的子代噬菌体。大约在105～107次装配中发生一次错误，误将大小合适的供体菌DNA片段装入噬菌体头部，成为“假噬菌体”。三、细菌的基因转移与重组假噬菌体供体菌当“假噬菌体”（转导噬菌体）再度感染受体菌时，将供体菌DNA带入受体菌内。完全转导与流产转导普遍性转导、局限性转导三、细菌的基因转移与重组假噬菌体受体菌供体菌DNA普遍性转导：因被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分，故称为普遍性转导三、细菌的基因转移与重组三、细菌的基因转移与重组普遍性转导的结局完全转导外源性DNA片段与受体菌的染色体整合，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，称为流产转导三、细菌的基因转移与重组脱落错误：前噬菌体及两边的细菌DNA转导性噬菌体：噬菌体DNA及细菌DNA局限性转导：温和性噬菌体●用于细菌（如鼠疫杆菌、霍乱弧菌）的鉴定和分型。●耐药菌感染的治疗。●分子生物学研究工具。●遗传工程：噬菌体展示技术三、细菌的基因转移与重组（5）噬菌体的应用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。例如，白喉棒状杆菌若携带β噬菌体时，可产生白喉毒素。三、细菌的基因转移与重组4、溶原性转换（lysogenicconversion）三、细菌的基因转移与重组三、细菌的基因转移与重组三、细菌的基因转移与重组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。5、原生质体融合（protopastfusion)6、转座（transposition）三、细菌的基因转移与重组转座子在质粒之间或质粒与染色体之间的自行转移现象，称之为转座。插入序列IS(insertionsequence):750~1550bp两端重复序列，与插入有关中心序列有转位酶基因转位因子三、细菌的基因转移与重组三、细菌的基因转移与重组转座子Tn(transposon):2000~25000bp两端为IS中心序列有与转位无关基因如：毒素基因、耐药基因等●中心序列：带有遗传信息，如常带有耐药基因、细菌毒素基因、整合酶（或转座酶）基因。一、细菌遗传的物质基础常见的插入序列和转座子ISbpTn耐药或毒素基因IS1768Tn1AP（氨苄青霉素）IS21327Tn6Kan（卡那霉素）IS31300Tn10Tet（四环素）IS41426Tn551Em（红霉素）IS51195Tn681E.coliET（肠毒素）三、细菌的基因转移与重组三、细菌的基因转移与重组整合子(integron,In):定位于细菌染色体、质粒或转座子上基本结构：两端为保守末端，中间为可变区，含一个或多个基因盒3个功能元件：重组位点整合酶基因启动子通过转座子或接合性质粒，使多种耐药基因在细菌中进行水平传播当转座子插入到某一基因组中，可能会产生什么遗传学效应？一、细菌遗传的物质基础转座子能在2个没有任何同源性的基因组之间转座（即插入到某一基因），并能引起一系列遗传效应。●可引起插入基因失活，产生基因突变。●在插入部位引入一个或多个新的基因（如耐药基因、毒素基因）。三、细菌的基因转移与重组一、在疾病的诊断、治疗与预防中的应用二、在测