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1、Chapter 5 Heredity and variation of bacteria,本章学习要点 1.细菌的遗传物质与特征; 2.噬菌体的概念及应用; 3.细菌基因突变及类型; 4.细菌基因转移的方式和相关概念。,The phenomenon of bacterial variation,Variation in morphology and structure lose capsule ( Pneumococcus) H O Lose Spore L-form,Variation,Variation in virulence Bovine TB BCG 13years, 230 gen
2、eration C. diphtheriae b-corynephage, diphtheriae toxin,Variation,Variation in drug resistance Penicillin resistant strains of staphylococcus aureus Variation in colony S-R Variation in antigenicity Influenza virus,Genetic materials about bacterial variation,Chromosomes染色体 Plasmids质粒 Transposable el
3、ements转座元件 Phage噬菌体 integron整合子,为双螺旋环状DNA长链,附着在横隔中介体或细胞膜上,长约10001300m,约30005000个基因,编码2000多种酶和其它结构蛋白。 细菌染色体与真核细胞染色体不同,除 rRNA基因是多拷贝以外,其余为单拷贝,很少有重复序列,基因结构连续,无内含子,RNA分子转录后不必再加工。 目前已完成几十种细菌的基因测序工作。,1. Chromosomes,Size E.coli 1300mm, 4,288gene Rolling-circle pattern of replication,2. Plasmids,是细菌染色体以外能进行自
4、主复制的遗传物质,为闭合环状的双链DNA分子,存在于胞质中,决定细菌的某些生物学性状,但不为细菌生长繁殖所必须。 质粒的大小范围为1Kb1000Kb( 40kbp为大质粒)。 特性: Small double-stranded DNA molecules, usually circular exist independently of host chromosome autonomously replicating may disappear spontaneously or by induction (UV) compatibility and incompatibility,plasmid
5、,类型: Fertility plasmid, F质粒编码性菌毛 Resistance plasmid, R质粒使细菌产 生耐药性 Coliciogenic plasmid ,Col质粒编码细菌素 Virulence plasmid Vi质粒与细菌毒力有关 转移特性: Conjugative接合性质粒: 40-100kbp, e.g F质粒、R质粒、Col质粒、毒力质粒等 Non-conjugative 非接合性质粒: 分子量小,无编码转移体系所需基因。 15kbp, transfer by mobilization,e.g. Col plasmid,3.transposable elemen
6、t转座因子,是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间自行转移位置的独特DNA片段,是细菌可移动的遗传物质,包括插入序列和转座子。 (1) insertion sequence ( IS,插入序列)是细菌染色体、质粒和某些噬菌体的正常组分,为最简单的一类转位因子。大小约7501,550bp。 IR:反向重复序列; Tnp:编码转位酶,(2) transposon (转座子Tn) 是一类除携带有与转座作用有关的基因外,还携带有其他基因(如耐药性基因)的转位因子。大小约2,00025,000bp。 Tn 的两侧为IS或重复序列,中间为转座功能相关的基因和抗生素抗性等基因组成。很容易将携带的耐药性基因在细
7、菌的染色体和质粒之间转移,导致耐药性基因的播散,是自然界中细菌耐药性产生的重要原因之一。 IR:反向重复序列;-Lac:内酰胺酶 TnpA:编码转位酶; TnpR:抑制基因,4. Bacteriophage, phage 噬菌体,Definition Virus of bacteria, fungi, actinomyces, and spirochete 是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。 1915年, Twort发现葡萄球菌菌落产生透明斑。1917年, dHerelle发现加有污水滤液的痢疾杆菌菌液由混浊变为清亮。因而将感染细菌并能使细菌裂解的病原因子称为噬菌体。,T4 ba
8、cteriophages infecting E.coli.,characteristics,viral common properties:smallest ,simple structure DNA/RNA parasite in living cell widespread existence high host specific parasitism 体积微小:必须电镜观察,能通过滤菌器 结构简单:无细胞结构,仅有蛋白加核酸 严格的活细胞内寄生 严格的宿主特异性 分布广泛,Biological properties,1. Shape and structure 三种形态: Tadpol
9、e (蝌蚪型) microsphere (微球形) rod (丝形) 结构: head(core-DNA/RNA , capsid ) sheath tail( pipe-like , protein coat , base plate, tail fiber ),2. Composition Nucleic acid核酸+ Protein蛋白质 核酸单一核酸(DNA或RNA),单股或双股(ss、ds). 蛋白构成外壳及尾部结构 3. antigenicity抗原性 能刺激机体产生特异性抗体。 4. resistive抵抗力 比细菌繁殖体强,耐低温,冰冻,对一般化学消毒剂有抵抗力,对紫外线敏感
10、。 Bacteria 75, 30 ,sensitive to rays 噬菌体根据其对宿主细胞的作用特点可分成 Lytic or virulent phage毒性噬菌体( e.g., T4 ) Lysogenic or temperate phage温和噬菌体( e.g., l ),Virulent phage毒性噬菌体,Phage that can only multiply within bacteria and kill the cell by lysis. 能在宿主细胞中复制增殖,产生子代 噬菌体,并最终裂解细菌。 virulent phage multiplication cycl
11、e attachment吸附:噬菌体与细菌表面受体发生特异性结合的过程 penetration穿入:噬菌体核酸进入宿主细胞的过程 biosynthesis生物合成:噬菌体利用宿主细胞的原料,合成 自身的核酸和蛋白质 maturation release成熟与释放:将合成好的核酸和蛋白质按一定程序装配成完整的成熟噬菌体,最终细胞破裂,噬菌体释放出来。,Bacteriophagia 噬菌现象,液体培养基混浊菌液 澄清 固体培养基plaque 噬菌斑 噬菌体数量测定法plaque forming unit 噬斑形成单位( pfu),温和噬菌体Temperate Phage,temperate pha
12、ge (lysogenic phage): 侵入菌细胞后,噬菌体的基因与宿主菌染色体整合,不产生子代噬菌体,但可随细菌DNA的复制和细菌分裂而传代。 毒性噬菌体(virulent phage): 侵入菌细胞后,在其中增殖引起细菌裂解,释放大量子代噬菌体。 其复制周期包括两种: lysogenic cycle 溶原性周期 lytic cycle 溶菌性周期,prophage: 整合在细菌基因组中的噬菌体基因组,溶原性细菌,phage,prophage(前噬菌体)整合在细菌基因组中的噬菌体基因。 lysogenic bacterium(溶原性细菌)带有前噬菌体基因的细菌。 lysogen(溶原性)
13、产生成熟子代噬菌体及溶解细菌细胞的潜在能力。,lysogenic cycle (溶原性周期)噬菌体基因整合在染色体上随细菌分裂传代。 lytic cycle (溶菌性周期)噬菌体基因直接复制繁殖产生子代噬菌体并使菌细胞破裂。 lysogenic conversion(溶原性转换)当温和噬菌体感染宿主菌使之溶原化时,由于噬菌体基因整合于宿主菌染色体上,而使宿主菌获得新的遗传性状的现象,称之为溶原性转换。,5整合子integron,1989年Strokes和Hall首次提出其概念。 整合子是一种运动性的DNA分子,具有独特结构可捕获和整合外源性基因,使之转变为功能性基因的表达单位。它通过转座子或接
14、合性质粒,使多重耐药基因在细菌中进行水平传播。整合子存在于许多细菌中,定位于染色体和质粒或转座子上,是细菌固有的一种遗传单位,并通过捕获外源性基因来增强细菌生存的适应性。,整合酶基因、重组位点和启动子,Mechanism of variation,Phenotypic variation(表型变异或非遗传性变异)基因结构正常,由环境因素的改变诱导生物学特性发生改变。 Genotypic variation(遗传性变异)基因结构发生改变,导致生物学性状发生改变,又称基因型变异。 变异的方式包括: Mutation突变 Gene transfer and recombination基因转移与重组,
15、Mutation,a stable heritable change of bacterial gene (changes in DNA sequences) 指遗传物质的结构发生了突然而稳定的改变,而引起的遗传性变异。 根据DNA片段变化的大小,可分为大突变和小突变。 micromutation小突变: Base substitutions, deletions, insertions, rearrangements DNA序列上个别碱基置换、插入、缺失影响到一个或几个基因改变,又称point mutation点突变 macromutation大突变:染色体上一段DNA分子的插入或丢失,引起
16、chromosomal aberration染色体畸变。,突变的机制与规律 突变可自发,也可诱发,均具有一定的突变率,其机制与规律不同。 自发突变:106109 诱发突变:104106,1. Spontaneous mutation,特点: 自发突变表现为随机性与不定向性。 突变是随机的、自发的,不是由外界因素诱导产生的。,耐药性变异中药物的筛选作用。(影印培养试验),Without antibiotic,With antibiotics,Without antibiotic,Drug resistants grow,2. induced mutation,由诱变剂(化学、物理和生物因素)诱发的突变,称为诱发突变。 诱变剂的种类多,诱发突变率高。 化学诱变剂一般均有致癌的可能性,检测一种物质是否为致癌物可用Ames 试验,Ames试验 野生型菌 突变型菌 组氨酸营养缺乏型鼠伤寒沙门菌(His-)在无组氨酸的培