細(xì)菌的遺傳與變異浙江大學(xué)

1、細(xì)菌的遺傳與變異林旭璦 副教授浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院,掌握內(nèi)容：細(xì)菌的遺傳物質(zhì)；基因轉(zhuǎn)移與重組方式的種類(lèi)及定義；噬菌體及其相關(guān)概念。 熟悉內(nèi)容：細(xì)菌的變異類(lèi)型；噬菌體與宿主菌相互關(guān)系。了解內(nèi)容：細(xì)菌的變異現(xiàn)象；細(xì)菌遺傳變異研究的實(shí)際意義。,遺傳（heredity）：變異（variation）： 基因型變異（genotypic variation） 表型變異（phenotypic var

2、iation）,基因型和表型變異的比較,,,,BCG：牛型結(jié)核桿菌（有毒株） 膽汁-甘油-馬鈴薯培養(yǎng) 13年，230次傳代 減毒株（BCG）基因型變異：BCG 表型變異：細(xì)菌L型,,第一節(jié) 細(xì)菌的變異現(xiàn)象,形態(tài)、結(jié)構(gòu)變異：細(xì)菌L型 、H-O變異 抗原性變異菌落變異： S-R變異毒力變異耐藥性變異

3、,一、形態(tài)結(jié)構(gòu)變異,L型變異 青霉素、溶菌酶 --- 正常形態(tài)細(xì)菌 L型細(xì)菌 抗體或補(bǔ)體 (部分或完全失去胞壁)芽孢變異

4、 42-43℃ --- 炭疽桿菌 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天鞭毛變異（H-O變異） 0.1%石炭酸 --- 變形桿菌

5、 點(diǎn)狀生長(zhǎng)、單個(gè)菌落 （O） 遷徙生長(zhǎng)（H）,,,,二、菌落變異,在陳舊培養(yǎng)基中長(zhǎng)期培養(yǎng)光滑型菌落 粗糙型菌落    S       R原因：失去LPS的特異多糖,,三、毒力變異,增強(qiáng)

6、 感染β棒狀桿菌噬菌體白喉棒狀桿菌 獲得白喉毒素 減弱 膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基牛分枝桿菌 卡介苗         

7、0;           13年(230代),,,四、耐藥性變異,細(xì)菌對(duì)某種抗菌藥物從敏感變成耐藥的變異金黃色葡萄球菌 MRSA有些細(xì)菌還同時(shí)耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產(chǎn)生藥物依賴(lài)性 含鏈霉素培養(yǎng)基痢疾志賀菌 痢疾志賀菌依鏈株 

8、0;          長(zhǎng)期培養(yǎng),,,第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳物質(zhì),細(xì)菌染色體質(zhì)粒噬菌體轉(zhuǎn)座子,dsDNA，3.2-5×106 bp按一定構(gòu)型反復(fù)回旋而成的松散網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) 復(fù)制快：105 bp/min 無(wú)組蛋白，無(wú)內(nèi)含子，為連續(xù)基因 單倍體：突變后更易表現(xiàn),細(xì)菌染色體（chr

9、omosome）,質(zhì)粒（plasmid）,復(fù)制能力控制某些性狀轉(zhuǎn)移能力相容性與不相容性丟失或消除,功能：F質(zhì)粒－性菌毛；Vi質(zhì)粒－毒力 R質(zhì)粒－耐藥；Col質(zhì)粒－細(xì)菌素,噬菌體是感染細(xì)菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒個(gè)體微小，可以通過(guò)細(xì)菌濾器無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，由衣殼（蛋白質(zhì)）和核酸組成只能在活的微生物細(xì)胞內(nèi)復(fù)制增殖，是一種專(zhuān)性胞內(nèi)寄生的微生物噬菌體分布極廣，有菌即有噬菌體,噬菌體（bacteriop

10、hage）,1. 噬菌體結(jié)構(gòu),頭部 核心：DNA 或 RNA 衣殼：蛋白質(zhì),尾部 蛋白質(zhì) 與吸附宿主有關(guān),噬菌體的復(fù)制,,,,2.噬菌體類(lèi)型 1.毒性噬菌體：能在宿主菌內(nèi)復(fù)制增殖，產(chǎn)生許多子代噬菌體，并最終裂解細(xì)菌。 2.溫和噬菌體或溶原性噬菌體：噬菌體基因組整合于宿主菌染色體中，不產(chǎn)生子代噬菌體，也不引起細(xì)菌裂解。,溶菌性周期,毒性噬菌體在宿主菌內(nèi)的增殖過(guò)程（復(fù)制周

11、期或溶菌周期）包括吸附穿入、生物合成、成熟釋放等3個(gè)階段。,溶原性周期,溫和噬菌體感染細(xì)菌后不增殖，其核酸整合到細(xì)菌染色體上，成為前噬菌體。并隨細(xì)菌復(fù)制而復(fù)制，隨細(xì)菌的分裂而分配到子代細(xì)菌染色體中。,溶原性細(xì)菌：帶有前噬菌體的細(xì)菌。溫和噬菌體可以自發(fā)或在有些因素的誘導(dǎo)下，整合的前噬菌體可以從染色體上脫離，進(jìn)入溶菌性周期。溶原性：溫和噬菌體具有的這種產(chǎn)生成熟子代 噬菌體顆粒和裂解宿主菌的潛在能力。,溫和噬菌體有溶原性周期和溶菌

12、性周期，而毒性噬菌體只有一個(gè)溶菌性周期。,溶原性轉(zhuǎn)換 某些前噬菌體可導(dǎo)致細(xì)菌基因型和性狀發(fā)生改變。 例如白喉棒狀桿菌產(chǎn)生白喉毒素的機(jī)理：由于?-棒狀桿菌噬菌體DNA攜帶白喉毒素基因，其感染白喉棒狀桿菌后，使無(wú)毒的白喉棒狀桿菌獲得產(chǎn)生白喉毒素的能力。,轉(zhuǎn)位因子（transposable element）,是一類(lèi)不依賴(lài)于同源性重組可以在細(xì)菌的基因組（染色體、質(zhì)粒、噬菌體）中從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置上的獨(dú)特DN

13、A片段，也稱(chēng)為跳躍基因（jumping genes）或移動(dòng)基因（movable genes）。 包括：插入序列（IS） 轉(zhuǎn)座子（transposon, Tn） Mu 噬菌體,插入序列 (insertion sequence, IS)：750-1550 bp兩端有反式重復(fù)序列，與插入有關(guān)中心序列有轉(zhuǎn)位酶基因，沒(méi)有其他基因,

14、轉(zhuǎn)座子 (transposon, Tn): 2-25 kb，兩端為IS 中心序列有與轉(zhuǎn)位無(wú)關(guān)的基因如：毒素基因、耐藥基因等,常見(jiàn)的插入序列和轉(zhuǎn)座子,,,,,Mu 噬菌體：是一類(lèi)具有轉(zhuǎn)位作用的溫和噬菌體，可隨機(jī)插入宿主菌的DNA中。,基因突變是指DNA堿基對(duì)的置換、插入或缺失所致的基因結(jié)構(gòu)變化，分為點(diǎn)突變和多點(diǎn)突變。基因突變是生物變異的主要原因，也是生物進(jìn)化的主要因素。,第三節(jié) 細(xì)菌變異的機(jī)制,一、基因突變,基因突變規(guī)律：自發(fā)

15、突變與誘發(fā)突變 彷徨試驗(yàn)突變率：自發(fā)10-10~10-6，誘發(fā)10-6~10-4突變與選擇 影印試驗(yàn)回復(fù)突變與抑制突變 野生型 突變型,二、基因轉(zhuǎn)移與重組,轉(zhuǎn)移：供體菌DNA轉(zhuǎn)移給受體菌的過(guò)程 重組：進(jìn)入受體菌的外源DNA能夠復(fù)制，導(dǎo)致其基因型發(fā)生改變成為重組體或重組菌,轉(zhuǎn)化（transformation） 受體菌直接攝取外源性DNA（供菌死亡時(shí)釋放或人工方法提取的DNA）并整合到自己的基因組中，獲得新的遺傳性狀

16、的過(guò)程。,肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化試驗(yàn),影響轉(zhuǎn)化的因素：供受菌基因型：親緣關(guān)系越近，轉(zhuǎn)化率越高感受態(tài)（competence）：生理活動(dòng)過(guò)程中攝取轉(zhuǎn)化因子的最佳時(shí)期 環(huán)境因素：Mg2＋、Ca2＋等可促進(jìn)轉(zhuǎn)化,接合（conjugation） 兩個(gè)細(xì)菌接觸，供體菌通過(guò)性菌毛將DNA直接轉(zhuǎn)入受體菌內(nèi)，使受體菌獲得新的遺傳性狀的過(guò)程 。,F質(zhì)粒（fertility factor, 致育因子）,接觸：細(xì)胞質(zhì)溝通轉(zhuǎn)移：F質(zhì)粒進(jìn)

17、入F－菌，1分鐘完成復(fù)制：F－菌轉(zhuǎn)為F＋菌,Hfr（高頻重組菌株）：,F質(zhì)粒與染色體整合形成Hfr具有高頻轉(zhuǎn)移自身染色體至F-菌的功能細(xì)菌染色體轉(zhuǎn)移頻率高，F(xiàn)質(zhì)粒低，很少使受菌成為F＋菌受體菌獲得供體菌性狀用于繪制基因圖,Hfr轉(zhuǎn)移細(xì)菌染色體過(guò)程,,,R質(zhì)粒 耐藥傳遞因子（RTF）：編碼性菌毛 r決定因子：決定耐藥,,轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction） 以噬菌體為媒介，將供體菌DNA片段轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲

18、得新的遺傳性狀。,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)generalized transduction,前噬菌體從溶原菌染色體上脫離，進(jìn)行增殖，在裂解期的后期，噬菌體的DNA已大量復(fù)制，裝配時(shí)可能會(huì)發(fā)生裝配錯(cuò)誤，誤將細(xì)菌的DNA片段裝入噬菌體的頭部，成為一個(gè)轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體。轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體能以正常方式感染另一宿主菌，并將其頭部的染色體注入受體菌內(nèi)。,被包裝的DNA可以是供體菌染色體上的任何部分,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

19、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)restricted transduction,特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)，所轉(zhuǎn)導(dǎo)的只限于供體菌染色體上特

20、定的基因。溶原期時(shí)，噬菌體DNA整合在細(xì)菌染色體特定部位，噬菌體DNA發(fā)生偏差分離，將自身的一段DNA留在細(xì)菌染色體上，而帶走了細(xì)菌DNA上兩側(cè)的基因。其轉(zhuǎn)導(dǎo)并整合到受體菌中，使受體菌獲得供體菌的某些遺傳性狀。,所轉(zhuǎn)導(dǎo)的只限于供體菌上個(gè)別的基因,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)與局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)的區(qū)別,溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenic conversion）溶原性細(xì)菌因染色體上整合有前噬菌體而獲得新的性狀。,原生質(zhì)體融合（protoplast fusion）

21、,將兩種不同細(xì)菌的原生質(zhì)體混合，滴加聚乙二醇促使原生質(zhì)體融合。,診斷困難 H→O變異：如傷寒沙門(mén)菌鞭毛 S→R變異：消失莢膜或多糖 抗原性改變 毒力下降，生化反應(yīng)改變治療困難：耐藥 預(yù)防：BCG,第四節(jié) 細(xì)菌遺傳變異在醫(yī)學(xué)上的實(shí)際意義,Ames試驗(yàn)檢測(cè)致癌物,以細(xì)菌為模型檢