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（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 （transposable 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 characteristics 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 control 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 recombination,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。,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