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1、细菌的遗传与变异,第5章,遗 传： 子代与亲代的生物学性状基本相同，且代代相传。 变 异： 子代与亲代以及子代与子代之间的生物学性状出现差异。,细菌的变异现象,形态结构变异 抗原性变异 菌落的变异 （S - R变异） 毒力变异 卡介苗 耐药性变异,大肠杆菌恩诺沙星药物培养基上,青霉素、溶菌酶 正常形态细菌 L型变异 抗体或补体,葡萄球菌 葡萄球菌L型,变形杆菌的迁徙生长,HO变异,培养基中含0.1石炭酸,耐药性变异,青,青,细菌的变异 表型变异（非遗传性变异） 基因型变异（遗传性变异）,Sec.1 细菌的遗传物质,细菌的遗传物质,细菌的染色体,质粒,转座 因子,整合子、噬菌体基因组,1、细菌的
2、染色体 (Bacterial Chromosome),细菌属于原核细胞型微生物。 细菌染色体是单环状双螺旋DNA，不含组 蛋白，无核膜包围。一般情况下，细菌的DNA 呈长链状, 有几千个碱基对组成。控制细菌的绝 大多数遗传性状。,细菌的染色体,2、质 粒 (plasmid),是染色体外的遗传物质 ，存在于细胞质中 为双股闭合环状DNA, 带有遗传信息，控制细 菌某些特定的遗传性状。 性菌毛形成 耐药性产生等,质粒的特性,1. 质粒可自身复制 2. 质粒可编码很多重要的生物学性状： （1）致育质粒或F质粒(fertility plasmid). （2）编码相关毒力因子的质粒称毒力质粒或 Vi质粒
3、（virulence plasmid）. （3） 通过接合方式传递的耐药质粒称 R质粒 （resistence plasmid）；非接合性耐药质粒 （4）细菌素质粒:Col质粒 （5）代谢质粒 3. 质粒不是细菌生命活动所必需的。 4. 质粒可从一个细菌转移至另一个细菌。 5. 相容性与不相容性质粒。,重要的质粒,致育质粒:F质粒(fertility plasmid) 耐药性质粒:R质粒(resistance plasmid) 非接合性耐药质粒 毒力质粒或Vi质粒（virulence plasmid) 细菌素质粒:Col质粒 代谢质粒：编码与代谢有关的酶类。,3、转 座因 子 （transpo
4、sable element）,是细菌基因组中能改变自身位置的一段 DNA序列，这种转座作用可以发生在同一染 色体上，也可以在染色体之间或质粒之间， 甚至在染色体和质粒之间。,插入序列 (IS) Insertion sequence,转座子 Transposon,插入序列 - （Insertion sequences，IS),最简单的的转位因子，大小约750 1550bp， 两端有反向重复序列作为重组酶的识别位点， 中心序列能编码转座酶及与转录有关的调节蛋白。 IS可独立存在, 也可成为转座子的一部分。,转座子( Transposon, Tn ),大小约20002500bp，除两端的IS外， 还
5、携带耐药性基因、毒素基因及其他结构基 因等。可能与细菌的多重耐药性有关。,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）,转座子的特征,4、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。它通过转座子或接合性质粒，使多种耐药基因在细菌中进行水平传播。,General characteris
6、tics of integrons. 整合子的基本结构由1个编码整合酶(integrase)的Intl基因、2个基因重组位点 attI和attc、启动子和耐药基因盒组成。 基因盒是单一的可移动的DNA分子，通常以独立的状态存在，只有当它被整合子捕获并整合到整合子中才能转录 。基因盒是由一个开放阅读框(ORF基因)和一个反向不完全重复序列即59一碱基单元(base element，be)组成，59-be是整合酶的识别位点。一个整合子可以捕获一个或多个基因盒，被捕获的基因盒5 端与attI位点发生特异重组；3 端的59-be片段与attc发生特异重组。,Transcriptional contro
7、l of resistance gene expression in class 1 integrons. 基因盒通常不含启动子，但一旦基因盒插入整合子，这个基因就能在5 保守端的共同启动子Pant作用下转录。,5、噬 菌 体 基 因 组,噬菌体是感染细菌、 真菌、放线菌或螺旋体等 微生物的病毒。,Sec.2 细菌基因表达的调节,大肠杆菌乳糖操纵子,Sec.3 基因的转移与重组,基因转移 外源性的遗传物质由供体菌转入某受体 菌细胞的过程称为基因转移。 重组 转移的基因与受体菌DNA整合在一起称 为重组,使受体菌获得供体菌的某些性状。,基因转移与重组 gene transfer and reco
8、mbination,转化 transformation 接合 conjugation 转导 transduction 溶原性转换 lysogenic conversion 原生质体融合 protoplast fusion,*基因转移与重组的方式,* 转 化 （transformation）,转化是供体菌裂解释放的DNA片 段被受体菌直接摄取，使受体菌获得 新的遗传性状。,小鼠体内肺炎链球菌的转化试验,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。,转化型细菌,原菌性状,影响因素,供、受菌基
9、因型： 同源性；亲缘关系近，转化率高 感受态（competence）： 环境因素 Mg2、Ca2 、cAMP等可促进 转化,* 接 合（conjugation),细菌通过性菌毛相互沟通，将遗传 物质(主要是质粒DNA)由供体菌传递 给受体菌，使受体菌的遗传性状发生改变， 称为接合。,接 合,接合,F plasmid Hfr,Sex pilus,接合,R质粒的接合 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。 R质粒与耐药性有关，尤其与多重耐药性有关。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中
10、。,R 质粒的接合,耐药传递因子(resistance transfer factor, RTF) 编码性菌毛 质粒复制接合接合转移,耐药决定子 R (resistance determinant) 决定菌株的耐药性,R质粒 耐药传递因子（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 r-dir能编码对抗菌药物的耐药性，可由几个转座子连接相邻排列，如Tn9带有氯霉素耐药基因，Tn4带有氨苄青霉素、磺胺、链霉素的耐药基因，Tn5带有卡那霉素的耐药基因。,R质粒结构图,IS,RTF IS,R决定子,Tn9 Tn4 Tn5 氯霉素 氨苄青、链、磺胺 卡那等 耐药基因 耐
11、药基因 耐药基因,*转 导（transduction）,转导由噬菌体介导，将供体菌的 DNA片段转入受体菌，使受体菌获得供 体菌的部分遗传性状。,普遍性转导 - generalized transduction,毒性噬菌体和温和噬菌体均可介导普遍性转 导, 当噬菌体装配时,误将细菌染色体片段或质粒 装入噬菌体内，产生一个转导噬菌体,再感染其它 菌时，可将供体菌的遗传物质转移给受体菌。因 被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分， 所以称为普遍性转导。,普遍性转导,普遍性转导模式图,局限性转导（restricted transduction),温和噬菌体在终止溶原状态脱离原宿主 菌时，发生偏
12、差脱离，连同相邻的一段细菌 染色体基因包进噬菌体衣壳内，再感染其他 细菌时将原宿主菌的基因转移给新宿主菌， 使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。,局限性转导模式图,局限性转导模式图,* 溶原性转换 （lysogenic conversion）,是以前噬菌体的DNA与细菌染 色体重组、导致细菌的基因型发生 改变 。,白喉棒状杆菌：无毒,棒状杆菌噬菌体,溶原性细菌：产毒素,溶原性转换,原生质体融合 - protoplast fusion,将两种不同细菌经溶菌酶或青 霉素等处理，失去细胞壁成为 原生质体后进行彼此融和的过程。,原生质体融合 Protoplast fusion,Sec.4 基因突变,基因
13、突变是指DNA碱基对的置换、 插入或缺失所致的基因结构的变化， 可分点突变和染色体畸变。,细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变， 是DNA序列的永久性变化, 包括小突变、大突变。 小突变: 细菌DNA上核苷酸序列的改变,为一个或几个 碱基的置换、插入或丢失,出现的突变只影响到 一个或几个基因。 大突变: 涉及大段DNA序列发生的突变。,突 变 - mutation,转换 AT CG 碱基置换 颠换 AG, CT DNA序列的改变 移码 移码变异,1. 自发突变与诱导突变: 人工诱导产生的突变为诱导突变。 2. 突变律 自发突变律：10-6 10-9 诱导突变律：10-4 10-6,一、基因突
14、变规律,彷徨试验: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。,3. 突变与选择 影印试验（replica planting）,无抗生素平板,含抗生素平板 （培养后）,耐药菌落,标记点,灭菌的丝绒,培养液 培养液 混浊 澄清 （含抗生素液体培基）,影印培养示意图,突变是随机的，不定向的。 要从菌群中找出个别突变菌，必须将菌群放 在一种利于突变菌而不利于其他菌生长的环 境中，才能将突变株选择出来。 突变是细菌在接触抗生素之前已经发生，而 且突变发生越早，产生抗性突变株的比例就 越多。,4、 回复突变与抑制突变 细菌由野生型变为突变型是正向突变。 有时突
15、变株经过又一次突变可恢复为野生 型的性状，这种第二次突变称为回复突变。,野生型,突变型,正向突变,回复突变,普通培养基,含抗生素培养基,突变型细菌及其分离-表型性状鉴定 抗性突变型 噬菌体抗性突变型 耐药性突变 用药敏试验鉴定。 营养缺陷突变型 不再合成某种营养物质,另外添加。 His-菌,组氨酸缺陷菌,组氨酸培养基筛选。 条件致死性突变型 大肠艾希菌ts株,30生存,42不能生存。 发酵阴性突变型 失去某种糖发酵能力,乳糖。,1. 影响细菌学诊断 2. 预防耐药菌株的扩散 3. 制备菌苗卡介苗 4. 检测致癌物 5. 基因工程方面的应用,Sec.5 细菌遗传变异在医学上的实际意义,在疾病的诊断、治疗与预防中的应用,形态、结构、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的变异，使得诊断复杂化 耐药菌株日益增多，预防耐药性 药敏实验 早期足量 要有一定疗程,联合用药 不要滥用 减毒菌株和无毒株可制备成疫苗,卡介苗 （ bacillus of Calmette Guerin,BCG）,结核病是最严重的传染病,900万人发病/年,300万人死亡/年。 我国肺结核发病率和死亡人数传染病排第1位。,在测定致癌物质中的应用,凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。 Ames实验,4.致癌物检测 Ames试验：,-活化剂,在基因工程中的应用,基因工程是根据遗传变异中细
