细菌的遗传和变异,细菌的遗传和变异,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。,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。,细菌的变异现象,形态、结构变异 毒力变异 耐药性变异 菌落变异,形态结构变异,3-6%食盐 鼠疫杆菌多形态性(衰残型)。 琼脂培基,形态结构变异,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),正常霍乱弧菌,霍乱弧菌L型,形态结构变异,特殊结构的变异42-43 炭疽杆菌失去形成芽胞能力, 毒性10-20天 降低 变形杆菌（H） 1%石炭酸 （O）迁徙生长 单个菌落,毒力变异,棒状噬菌体 白喉棒状杆菌 获得白喉毒素,毒力变异,胆汁、甘油、马铃薯培养基 牛型结核杆菌卡介苗 13年(230代),耐药性变异,细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。 金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的14%上升至目前的80%。 有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。含链霉素培基 痢疾杆菌依链株(耐药菌株) 长期培养,菌落变异,在陈旧培养基中长期培养 光滑型菌落 粗糙型菌落 S 或在有免疫力的人体内 R 失去LPS的特异性多糖重复单位,细菌遗传变异的物质基础,细菌染色体,细菌属于原核细胞型微生物, 细菌染色体是环状双螺旋DNA，不含组蛋白, 无核膜包围。 基因, 是具有一定生物学功能的核苷酸序列，如编码结构蛋白、酶等功能。细菌基因的结构是连续的, 无内含子。 细菌染色体DNA的复制：大肠埃希菌已证明是双向复制,质粒（plasmid）,质粒是细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。 大质粒 小质粒 几种重要的质粒致育质粒（F质粒） 耐药质粒 毒力质粒（Vi质粒） 细菌素质粒 代谢质粒,致育质粒（F质粒）,与有性生殖有关 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,耐药性质粒,编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。 可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒，又称R质粒 不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通过噬菌体传递。,毒力质粒（Vi质粒）,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。 细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。,细菌素质粒,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,代谢质粒,编码产生相关的代谢酶。 沙门菌发酵乳糖的能力通常是由质粒决定的,质粒的特征,自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝 紧密型质粒和松弛型质粒 编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与消除 有转移性 可分为相容性和不相容性,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的位置，能从一个基因组转移到另一个基因组中。,转位因子,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。,转位因子,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。,转座子的特征,转位因子,转座噬菌体或前噬菌体 是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状，如白喉棒状杆菌、肉毒梭菌等的外毒素就是由转座噬菌体的有关基因所编码的。另外，转座噬菌体从细菌染色体分离脱落时，可能连带有细菌的DNA片段，故它还可能在遗传物质转移过程中起载体作用。,细菌的变异机制,基因的突变和损伤后修复 突变 基因突变率 DNA的损伤修复,突变（mutation）,点突变（point mutation） 染色体畸变（chromosome aberration） 转换（transition） 颠换（transversion） 移码突变（transhift mutation）,基因突变规律,突变率 自然突变率 诱导突变率 突变与选择 彷徨试验 影印培养试验 回复突变,DNA的损伤修复,基因的转移和重组,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（gene transfer） 。 重组 转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组（ recombination），使受体菌获得供体菌的某些性状。 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。,转化（transformation）,转化是供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。 转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感嗜血杆菌等中被证实。,转化试验,转化,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） 受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附DNA的受体.,转化,转化因子吸附在受体菌表面受体上，然后再被摄入 。 解链，一链进入受体菌，另一链为进入提供能量。 重组。 DNA复制重组菌繁殖后，获得新的性状的细菌称为转化菌的突变株。,转化,接合（conjugation）,接合是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质粒和毒力质粒。,接合,F质粒的接合 F+F 高频重组菌（high frequency recombination,Hfr） F F+ 、 Hfr、 F都为雄菌,接合,接合,接合,接合,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。,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 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。,接合,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,转导（transduction）,转导是以转导噬菌体为载体，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。 普遍性转导（generalized transduction） 局限性转导（restricted transduction）,普遍性转导,前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖，在裂解期的后期，噬菌体的DNA已大量复制，在噬菌体DNA装入外壳蛋白组成新的噬菌体时，在105107次装配中会发生一次装配错误，误将细菌的DNA片段装入噬菌体的头部，成为一个转导噬菌体。转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌，并将其头部的染色体注入受体菌内。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。,普遍性转导,普遍性转导,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,局限性转导,局限性转导或特异性转导， 所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。如噬菌体进入大肠埃希菌。,局限性转导,普遍性转导与局限性转导的区别,溶原性转换（ lysogenic conversion）,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。 白喉棒状杆菌,原生质体融合（protopast fusion),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。,细菌遗传变异的实际意义,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 在流行病学中的应用 在基因工程中的应用,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 如金黄色葡萄球菌的耐药性菌株增加，绝大由金黄色变成灰白色，血浆凝固酶阴性的葡萄球菌也成为致病菌，给诊断带来困难；伤寒沙门菌有10%不产生鞭毛，检查无动力，无H抗体，影响正确判断。 耐药菌株日益增多，因此以药敏实验为指导 减毒菌株和无毒株可制备成疫苗,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 伤寒沙门菌（his-）（his+）,在流行病学中的应用,分子生物学分析方法已被用于流行病学调查 质粒指纹图（PEP） 对噬菌体的敏感性，对细菌素的敏感性,在基因工程中的应用,基因工程是根据遗传变异中细菌可因基因转移和重组而获得新性状的原理设计的 切取目的基因连接到载体上转移到工程菌内，大量表达目的基因产物 目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、rIL-2等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品,