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1、第十章 细菌的遗传和变异,Heredity and variation of bacteria,第一节 细菌的遗传与变异,遗传性变异/基因型变异 genotypic variation 非遗传性变异/表型变异 phenotypic variation,遗传性变异 非遗传性变异,基因的改变 + - 遗传性 + - 外界环境 - + 可逆性 - + 变异幅度 个别细菌 群体,形态、结构变异 菌落变异 毒力变异 耐药性变异,一、细菌的变异现象 phenomenen of bacterial variation,3-6%食盐 鼠疫耶氏菌 多形态性 陈旧培基物,1、形态结构变异 Variation of
2、 morphology and structure,青霉素、溶菌酶 正常形态细菌 L型变异 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁),特殊结构的变异 42-43 炭疽芽孢杆菌 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天 变形杆菌 0.1%石炭酸 迁徙生长（H） 点状生长、单个菌落（O）,鞭毛变异,基本结构的变异,2、菌落变异 variation of colony,光滑型（smooth,S） 粗造型 （rough,R） S-R 变异 S型菌株致病性强，一般新分离的菌株为S型。菌落发生变异后，细菌的理化特性、抗原性、生化能力、毒力等也可发生改变。,S型菌落,R型菌落,细菌菌落形态变异,3、毒力变异vi
3、rulent variation,毒力增强 无毒的白喉棒状杆菌感染温和噬菌体后成为有毒株。 - 棒状噬菌体 含毒素基因 编码毒素蛋白 毒力减弱 有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株 卡介苗 Bacillus of Calmette- Guerin,BCG : 卡介二氏用有毒的牛结核分枝杆菌在含甘油、马铃薯的培养基上，经13年连续230次传代所获得的一毒力减弱但保留有抗原性的变异株。是 用于人工免疫以预防结核病的活疫苗。,4、耐药性变异variation of virulence,细菌对某种抗生素或药物由敏感变为不敏感即为细菌的耐药现象。 多重耐药株:同时耐受多种抗生素的菌株。 抗生素依赖菌株：如痢疾志
4、贺菌的赖链霉素菌株。 抗生素 抗生素 耐药 敏感,细菌遗传变异的物质基础 material basis of bacterial heredity and variation,染色体DNA chromosome 质粒 plasmid 转位因子 transposable element 噬菌体 phage,染色体DNA chromosome 无内含子 重复序列少 功能相关基因组 成操纵子 病原菌中存在 毒力島（pathogenecity Island),定义：为染色体外的遗传物质,是存在于细菌胞质中的闭合环状双链DNA, 质粒带有遗传信息，控制细菌某些特定的遗传性状。 医学上重要的质粒有F质粒（
5、fertility plasmid）、R质粒（resistance plasmid）、Vi质粒(virulent plasmid)等。,质粒 plasmid, 能自我复制 决定特殊性状； 能自发消除或丢失 转移性 质粒的不相容性,质粒的重要特性：,常见的细菌质粒及其功能,F质粒 fertility plasmid -含性菌毛蛋白基因，编码产生性菌毛。有质粒的细菌称雄性菌，能长出性菌毛；无质粒的细菌称雌性菌，无性菌毛产生。,R质粒resistant plasmid,接合性耐药质粒： conjugative plasmid of drug resistance 耐药性质粒 非接合性质粒 ：不能通过
6、 接合方式传递, 可通 过转导方式传递.,毒力质粒 virulence plasmid ，Vi plasmid,如致病性大肠埃希菌的ST质粒、 LT质粒 等。 细菌素质粒 、代谢质粒等。,转位因子 transposable element,细胞基因组中能改变自身位置的一段DNA序列。能在DNA分子中移动，在细菌基因组中不断改变位置，并可从一个基因组转移到另一个基因组中。 转位因子主要有： 插入序列 insertion sequence,IS 转座子 transposon,Tn 前噬菌体 prophage,插入序列 insertion sequence,IS,IS (insertion sequ
7、ence): 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 transposon,Tn,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（四环素）,IS4 1426 Tn551 Em（红霉素）,IS5 1195 Tn681 E.coli ET（肠毒素）,指整合于细菌染色体中的噬菌体基因组。,前噬菌体 pro
8、phage,概念：噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。 噬菌体的病毒特征： 个体微小，能通过滤菌器 无完整细胞结构, 主要由衣壳（蛋白质）和核酸组成 专性细胞内寄生 噬菌体有严格宿主特异性，只感染易感宿主菌。,噬菌体的概念及特点,1形态结构： EM下有三种基本形态： 蝌蚪型 微球形 丝形,噬菌体的主要生物学特征,2化学组成：,噬菌体由核酸和蛋白质组成。 核酸是噬菌体的遗传物质，根据其组成可为DNA噬菌体和RNA噬菌体。 蛋白质是噬菌体头部衣壳及尾部的主要组成成份，能保护噬菌体核酸，决定其外形和表面特征。,噬菌体与细菌的关系,1毒性噬菌体(virulent phage) 概念：
9、毒性噬菌体能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并且最终裂解宿主菌。,溶菌周期： 吸附 穿入 生物合成 成熟与释放,噬斑：在固体培养基上，将适量噬菌体和宿主菌液混合接种培养后，培养基表面可出现透亮的溶菌空斑，每个空斑系由一个噬菌体复制增殖并裂解宿主菌后形成的。 噬斑形成单位：不同噬菌体噬斑的形态与大小不尽相同。通过噬斑计数，可测知一定体积内的噬菌体数量。,毒性噬菌体,2温和噬菌体(temperate phage),概念：噬菌体DNA与宿主菌染色体DNA整合，随宿主菌DNA复制、分裂而传代,建立溶原性周期。 前噬菌体(prophage):整合在细菌染色体上的噬菌体基因组称为前噬菌体； 溶
10、原性细菌(lysogenic bacteria):带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌。 前噬菌体可使溶原性细菌的表型发生改变,称溶原性转换(lysogenic conversion) .如白喉棒状杆菌,3溶原性周期和溶菌性周期,温和噬菌体感染宿主菌后所建立的溶原状态可中断，前噬菌体可自发或在一定理化因素诱导下从宿主菌染色体切离下来，重新复制新的子代噬菌体，最终裂解细菌。 温和噬菌体可转变成毒性噬菌体的潜在性称为溶原性。因此温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性周期，噬菌体表达的基因产物决定两种状态的存在。,prophage: 整合在宿主菌基因组中的噬菌体基因组,溶原性细菌,溶原性细菌的溶原性周期和
11、溶菌性周期,遗传性变异是由基因结构发生改变所致，基因结构的改变主要通过基因突变、基因损伤后的修复、基因的转移与重组等实现的。,细菌变异的机制 Mechanism of bacterial variation,一、基因突变 gene mutation,突变：子代细胞中出现的可通过复制而遗传的DNA结构改变。 突变特点 自发性和不对应性 稀少性：自发突变率10-610-9 可诱发性：诱变剂 独立性 稳定性，可遗传 可逆性（回复突变）,有抗生素 无抗生素 有抗生素 基因 突变 理论 标记点 无菌印模 培养液 培养液 (浑浊) ( 澄清) 影印培养,自发突变的证实（彷徨试验 、影印培养法）,二、基因的
12、转移与重组 gene tranfer and recombination,1. 转化 transformation 供体菌游离的DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。 R S R S DNA,转化因子（transforming principle ） 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1020个基因。 感受态（competence）,细菌转化的条件,2.接合conjugation,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，F质粒、R质粒、Col质粒和毒
13、力质粒等。,F质粒的接合,F质粒（fertility factor, 致育因子）,接触：细胞质沟通 转移：F质粒进入F菌，1分钟完成 复制：F菌转为F菌,F质粒的接合,F+,F-,F+,F-,F+,F+,F+,F+,Donor,Recipient,F+,接合与Hfr,Hfr（高频重组菌）：F质粒整合于宿主菌染色体后，能高效地带动细菌染色体上的基因转移入F菌，因此称为高频重组菌。,日本首先分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重耐药株，多重耐药性很难用基因突变解释。 健康人中大肠埃希菌30%50%有R质粒，而致病性大肠埃希菌90%有R质粒。 与多重耐药性有关。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。,R质
14、粒的接合,R质粒 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,3.转导 transduction,定义：以温和噬菌体为载体，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。 完全转导 类型：普遍性转导 流产转导 局限性转导,供体菌,普遍性转导,温和噬菌体溶菌周期 包装错误： 任何部位细菌DNA片段 转导性噬菌体： 宿主菌DNA， 无噬菌体DNA 受菌接受转导噬菌体(供菌)DNA 受菌获得供菌性状,普遍性转导：,完全转导 流产转导,普遍性转导结果：,普遍性转导模式图,局限性转导：温和性噬菌体，溶原周期,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,4. 溶原性转换 lysogenic conversion,定义：溶原性细菌因染色体上整合有前噬菌体而获得新的遗传性状。,白喉棒状杆菌 链球菌 产气荚膜梭菌 肉毒梭菌 白喉毒素 致热外毒素 毒素 肉毒
