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1、第5章,细菌的遗传变异 医学院 黄红莹,遗传与变异,细菌的遗传物质 基因的转移与重组 基因突变 遗传变异的意义,形态结构变异 抗原性变异 菌落的变异 毒力变异 耐药性变异,细菌的变异现象,看我七十二变！,（一）形态结构的变异,1.细菌的L型变异：因胞壁缺陷，而呈多 形性。 2.细菌的特殊结构变异：荚膜（肺炎链球 菌）、芽胞（炭疽芽孢杆菌）、 鞭毛 （变形 杆菌H-O变异）也可发生变异。,（二）菌落变异,细菌的菌落主要有光滑(smooth,S)型和粗糙(rough,R)型两种。S型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐。经人工培养多次传代后菌落表面边为粗糙、干燥、边缘不整齐，称SR变异。,粗糙型菌落,光滑
2、型菌落,（三）毒力变异,毒力增强：无毒力的白喉棒状杆菌，不致病；感染了-棒状噬菌体后变成溶原性细菌，获得产生白喉毒素的能力，引起白喉。 毒力减弱：有毒菌株长期在人工培养基上传代培养，可使细菌的毒力减弱或消失。如卡介苗(BCG)。,BCG：牛型结核杆菌（有毒株） 胆汁-甘油-马铃薯培养 13年，230次传代 减毒株（BCG） 基因型变异：BCG 表型变异：细菌L型,（四）耐药性变异,耐药性变异：细菌对某种抗菌药物由 敏感变为耐药的变异。有些细菌还表现为 多重耐药性。 从抗生素广泛应用以来，细菌对 抗生素耐药的不断增长是世界范围内 的普遍趋势，给临床治疗带来很大的 困难，并成为当今医学上的重要问题
3、。,基因型和表型变异的比较,基因型变异,表型变异,基因结构,变化 未变,可逆性,不或极少 可逆,稳定性,稳定 不稳定,环境影响,涉及细菌数,不受影响 受影响,个别 全体,第一节 细菌遗传变异的物质基础,（一）细菌染色体：dsDNA，3.25106 bp 复制快：105 bp/min 无组蛋白，无内含子，为连续基因 单倍体：突变后更易表现,（二）质 粒,质粒：是细菌染色体外能够自主 复制并控制细菌某些生物学性 状的环状闭合双链DNA。,医学上重要的质粒,1.致育质粒（F质粒）编码细菌的性菌毛。 2.耐药性质粒 （R质粒） 编码细菌对抗菌药物的耐药性。 3.毒力质粒（Vi质粒） 编码与该菌致病性有
4、关的毒力因子。 4.细菌素质粒 （Col质粒） 编码细菌产生细菌素 。,质粒DNA的特征,质粒具有自我复制的能力； 质粒赋予细菌某些性状特征； 质粒可自行丢失与消除； 质粒的转移性； 质粒可分为相容性与不相容性两种。,（三）噬菌体（phage）,1.概念 是侵噬细菌或真菌的病毒 特点：具有严格的宿主特异性。 我很敬业，我很专一！,噬菌体吸附大肠杆菌示意图,2.噬菌体的形态与结构 基本形态： 蝌蚪形、微球形和细杆形,头部 核心：DNA 或 RNA 衣壳：蛋白质 尾部 蛋白质 与吸附宿主有关,结构:,复制,噬菌体感染细菌的结果,溶菌性周期 毒性噬菌体 溶原性周期 前噬菌体 溶原性细菌 温和噬菌体,
5、（四）转位因子,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中的位置，能从一个基因组转移到另一基因组中。 转位因子有二类： 插入序列(IS)和转座子(Tn)。 我是个活跃分子噢！,1. 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。,2. 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、毒素基因
6、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。,IS (insertion sequence): 7501550 bp 两端重复序列，与插入有关 中心序列有转位酶基因,转座子Tn (transposon): 200025000 bp 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,常见的插入序列和转座子,IS bp Tn 耐药或毒素基因,IS1 768 Tn1 AP（氨苄青霉素）,IS2 1327 Tn6 Kan（卡那霉素）,IS3 1300 Tn10 Tet（四
7、环素）,IS4 1426 Tn551 Em（红霉素）,IS5 1195 Tn681 E.coli ET（肠毒素）,3. 转座噬菌体 含有与转位功能有关的基因和反向重复序列，可随机整合到宿主菌染色体任何位置，导致宿主菌变异。,说了这么多，严重记不住！,开开心吧！,第二节 细菌遗传变异的机制,一 基因突变与损伤后修复,小突变（碱基置换；缺失；插入） 大突变（染色体畸变）,（一）突变(mutation)：是细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变异。,突变(mutation),回复突变（back mutation）：恢复原有性状的再次突变。 自发突变（spontaneous m
8、utation）：在自然条件下发生的突变。 诱变（induced mutation）：人为因素增加突变率。,突变的分子机制(了解),小范围突变-点突变 1. 碱基置换：在DNA复制时，一对碱基 为另一对所取代或换位。 -转换（transition）-嘌呤被嘌呤或嘧啶被嘧啶所取代。 -颠换（transversion）-嘌呤被嘧啶或嘧啶被嘌呤所取代。,基因突变特点,1.自发性和不对应性 2. 稀有性 自然突变率极低。（10-610-9 ） 3. 可诱发性 4. 独立性 突变是随机的 5. 稳定性 6. 可逆性 恢复原先的表型，但不一定是原先的基因型（抑制基因：基因内抑制、基因间抑制）。,彷徨试验：
9、随机的、非定向的突变是在接触噬 菌体之前就已发生，噬菌体对突变 仅起筛选而不是诱导作用。,影印试验(replica plating),突变型细菌及其分离： 耐药性突变型 药敏试验 营养缺陷突变型 营养物质筛选 条件致死性突变型 温度敏感试验 发酵阴性突变型 乳糖发酵试验,重要的突变株,1.营养缺陷型 2.抗性突变株 抗药性、抗紫外线、抗噬菌体 3.条件之死突变型 4.毒力突变型,DNA的损伤修复,SOS诱导产生缺乏校对功能的DNA聚合酶，DNA复制时产生差错。,基因转移(gene transfer)： 外源性的遗传物质由供体菌进入某受 体菌细胞内的过程。 基因重组(recombination)
10、： 转移的基因与受体菌DNA整合在一 起，使受体菌获得供体菌某些特性。 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。,二、基因的转移和重组,转化（transformation）： 受体菌直接摄取供体菌DNA片段并整合到自己的基因组中，从而获得新的遗传性状的过程。,艾弗里等人的实验不仅揭开了“格里菲斯之谜”，并且在世界上第一次证明基因就在DNA上。,Oswald Theodore Avery （ 18771955 ）,转化的条件： （1）转化的DNA片段的分子量要小于1107，最多不超过1020个基因。 （2）受体菌只有进入感受态时才能摄取外源DNA。,影响因素：
11、 供受菌基因型： 同源性；亲缘关系近，转化率高 感受态（competence）： 生理活动过程中摄取 转化因子的最佳时期 环境因素：Mg2、Ca2等可促进转化,感受态的细菌： 表面有一种吸附DNA的受体； 感受态细菌一般出现在对数生长期 的后期（维持几分钟至34h）。 细菌的感受态可用人工诱导的转化程序形成。人工感受态的转化系统最适用于质粒和噬菌体的DNA。,转导（transduction） 噬菌体媒介 将供菌DNA转给受菌 分普遍性转导和局限性转导,普遍性转导( generalized transduction),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
12、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,细 菌 的 遗 传 与 变 异,细 菌 的 遗 传 与 变 异,局限性转导：温和性噬菌体,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,普遍性转导与局限性转导的区别,接合（conjugation） 通过性菌毛将供菌DNA转给受体菌，受体菌获得供体菌性状,接合性质粒,F质粒、R质粒、Col质粒、毒力质粒等。 （1）F质粒,高频重组菌(High frequency recombinant, Hfr)：F质粒能稳定地被整合到染色体所形成的细菌。,Hfr接合 F-菌 F- 菌
13、（接合状态可自发解离或受外界因素影响中断，很难获完整F质粒） 从Hfr菌中染色体上脱离下来的F质粒有时会携带相邻的染色体基因或DNA片段，称为F质粒（该菌被称为F菌）。 F+菌、Hfr、F三种菌都有性菌毛，均可通过接合方式进行基因的转移。 Ames试验：,（2） R质粒的接合,细菌的耐药性与耐药性的基因突变及R质粒的接合转移等有关。 R质粒有耐药传递因子(RTF)和耐药决定子(r)两部分组成。RTF功能与F质粒相似，R决定子能编码对抗菌药物的耐药性。,R因子的结构,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,溶原性
14、转换（lysogenic conversion） 噬菌体DNA与菌染色体整合 受菌获得新的性状 如白喉杆菌：-噬菌体-外毒素基因 不产毒白喉杆菌 产毒白喉杆菌,原生质体融合（cell fusion）,是两种不同的细菌（或细胞）失去细胞壁成为原生质体后相互融合成一个重组体的过程，也称原生质体融合（protoplast fusion）或基因转输（genetic transfusion）。,第三节 细菌遗传变异的应用,在细菌分类学上的应用 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 诱变剂在临床和工业生产中的应用在流行病学中的应用 在基因工程中的应用,诊断困难 HO变异：如伤寒沙门菌鞭
15、毛 SR变异：消失荚膜或多糖 抗原性改变 毒力下降，生化反应改变 治疗困难：耐药 预防：BCG,细菌遗传变异的应用,致癌物测定,基因工程,载体：质粒，噬菌体 工程菌和酶：限制性内切酶，连接酶 选择目的基因，细菌中表达，如胰岛素、白介素、干扰素等 基因工程疫苗,思考题,1. 参与细菌遗传变异的物质有哪些？ 2. 什么是质粒？有哪些特性？ 3. 什么是噬菌体？感染细菌后与细菌的关系如何？什么是转导噬菌体？可引起那些转导？ 4. 什么是转位因子？分为哪几类？有什么作用？,思考题,5. 什么是突变？有哪些重要特点？ 影印试验验证何种理论？医学上有哪些重要的突变型？ 6.细菌基因转移和重组的类型及其主要差异？ 7.何谓BCG、transposon(Tn)、R质粒、Hfr和Ames试验？ 8. 细菌的遗传变异的实际应用有哪些？,
