遺傳和變異2012上藥本

1、 細(xì)菌的遺傳和變異細(xì)菌的遺傳和變異 概念概念 性狀性狀? 遺傳遺傳heredity細(xì)菌在適宜環(huán)境中增殖，通細(xì)菌在適宜環(huán)境中增殖，通 過過DNA 復(fù)制把性狀傳給子代復(fù)制把性狀傳給子代 親代親代-子代子代 相似相似 變異變異variation外界環(huán)境發(fā)生改變或不改變外界環(huán)境發(fā)生改變或不改變, 細(xì)菌細(xì)菌DNA改變或不改變，原改變或不改變，原 有性狀改變有性狀改變 親親子子 差異差異 第一節(jié)細(xì)菌遺傳和變異的物質(zhì)基礎(chǔ)第一節(jié)細(xì)菌遺傳和變異的物質(zhì)基礎(chǔ) 染色體染色體 chromosome, 質(zhì)粒質(zhì)粒 plasmid， 轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子 transposon 整合子整合子 Intergron 噬菌體噬菌體 基因組基

2、因組 phage genome（一）（一） 染色體染色體 特點(diǎn)特點(diǎn) DNA環(huán)狀雙螺旋環(huán)狀雙螺旋 幾乎裸幾乎裸DNA分子分子 無組蛋白無組蛋白 幾乎無內(nèi)含子幾乎無內(nèi)含子 雙向半保留復(fù)制雙向半保留復(fù)制 會(huì)變異會(huì)變異?錯(cuò)誤率約為10 9 ，即每連續(xù) 10 9 個(gè)核苷酸才可能.糾錯(cuò)能力？糾錯(cuò)能力？ 2002年68種細(xì)菌完成測序種內(nèi)和種間有廣泛的基因片段交換。 和種間有廣泛的基因片段交換 （二）（二） 質(zhì)粒：質(zhì)粒：染色體外遺傳物質(zhì)染色體外遺傳物質(zhì) , 閉合環(huán)形雙股閉合環(huán)形雙股DNA 并非必需并非必需 質(zhì)粒 1自我復(fù)制自我復(fù)制 autonomous replication 緊密型：拷貝數(shù)低緊密型：拷貝數(shù)低

3、 松弛型：拷貝數(shù)高松弛型：拷貝數(shù)高 2編碼功能編碼功能 3非必需非必需,自發(fā)消失自發(fā)消失 4能轉(zhuǎn)移能轉(zhuǎn)移 5相容和不相容相容和不相容 bacterium can carry one or several plasmid 1致育質(zhì)?；蛑掠|(zhì)?；騀質(zhì)粒：質(zhì)粒：fertility plasmid2耐藥性耐藥性R質(zhì)粒：質(zhì)粒： resistance plasmid3毒力質(zhì)?；蚨玖|(zhì)?；騐i質(zhì)粒：質(zhì)粒： 大腸大腸 腸毒素腸毒素 炭疽炭疽 毒素毒素4細(xì)菌素質(zhì)粒：如大腸細(xì)菌素質(zhì)粒：如大腸col質(zhì)粒質(zhì)粒5代謝質(zhì)粒：編碼與代謝有關(guān)的酶代謝質(zhì)粒：編碼與代謝有關(guān)的酶 如如 沙門菌發(fā)酵乳糖能力沙門菌發(fā)酵乳糖能力（三）轉(zhuǎn)

4、座子（三）轉(zhuǎn)座子(transposon,Tn(transposon,Tn轉(zhuǎn)座因子）轉(zhuǎn)座因子）轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子: 染色體、質(zhì)?；蚴删w之間能改變自身位置的染色體、質(zhì)?；蚴删w之間能改變自身位置的一段一段DNA序列。序列。轉(zhuǎn)座子和突變轉(zhuǎn)座子和突變 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 隨機(jī)轉(zhuǎn)移隨機(jī)轉(zhuǎn)移 在染色體或質(zhì)粒或噬菌體在染色體或質(zhì)?；蚴删w 基因轉(zhuǎn)移和重組基因轉(zhuǎn)移和重組 外源性轉(zhuǎn)座子外源性轉(zhuǎn)座子 插入突變插入突變 內(nèi)源轉(zhuǎn)座子內(nèi)源轉(zhuǎn)座子 不能獨(dú)立復(fù)制不能獨(dú)立復(fù)制 靠染色體靠染色體 插入序列（插入序列（Insertion Sequence，IS） 分子量最小，結(jié)構(gòu)最簡單，小于等于分子量最小，結(jié)構(gòu)最簡單，小于等于2Kb 僅攜

5、帶轉(zhuǎn)座酶基因僅攜帶轉(zhuǎn)座酶基因 轉(zhuǎn)座子（轉(zhuǎn)座子（Transposon，Tn）序列長）序列長 結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜 幾個(gè)幾個(gè)十幾個(gè)基因十幾個(gè)基因 主要基因主要基因 轉(zhuǎn)座酶基因轉(zhuǎn)座酶基因 耐藥基因：耐藥基因：Tn3氨芐氨芐 Tn5卡那卡那 Tn7-鏈鏈 Tn10四四 毒性基因：腸毒素基因毒性基因：腸毒素基因 噬菌體基因組噬菌體基因組 噬菌體噬菌體phage? 病毒病毒 特點(diǎn)：小，簡單，寄生，特點(diǎn)：小，簡單，寄生， 嚴(yán)格宿主特異性，嚴(yán)格宿主特異性， 存在廣泛存在廣泛3種形態(tài)種形態(tài)： 蝌蚪形蝌蚪形 微球形微球形 細(xì)桿形細(xì)桿形頭部蝌蚪形噬菌體蝌蚪形噬菌體尾部尾絲尾刺尾髓尾鞘尾板核酸（DNA或RNA)衣殼結(jié)構(gòu)：

6、結(jié)構(gòu)：毒性噬菌體：引起細(xì)菌裂解毒性噬菌體：引起細(xì)菌裂解溫和性噬菌體：不引起細(xì)菌裂解溫和性噬菌體：不引起細(xì)菌裂解 毒性噬菌體生長繁殖：復(fù)制方式毒性噬菌體生長繁殖：復(fù)制方式 吸附吸附absorb 繁殖繁殖 穿入穿入penetration 生物合成生物合成 biosynthesis 組裝成熟和釋放組裝成熟和釋放 mature and release 后果：后果： 液體：澄清菌液變混又變清液體：澄清菌液變混又變清 固體固體: 嗜斑嗜斑 發(fā)酵生產(chǎn)藥物不利發(fā)酵生產(chǎn)藥物不利 溫和噬菌體溫和噬菌體 核酸整合核酸整合 不增殖不增殖 不裂解不裂解 前噬菌體前噬菌體(prophage)-整合在細(xì)菌染色體整合在細(xì)菌染

7、色體 上的噬菌體基因上的噬菌體基因溶源性細(xì)菌溶源性細(xì)菌-帶有前噬菌體的細(xì)菌帶有前噬菌體的細(xì)菌溶原性轉(zhuǎn)換溶原性轉(zhuǎn)換前嗜菌體可導(dǎo)致細(xì)菌基因型和性狀前嗜菌體可導(dǎo)致細(xì)菌基因型和性狀 發(fā)生轉(zhuǎn)變發(fā)生轉(zhuǎn)變 溶原性周期溶菌性周期噬菌體與細(xì)噬菌體與細(xì)菌的相互作菌的相互作用示意圖用示意圖high host-specific parasitism 兩種后果兩種后果 噬菌體在醫(yī)藥中的應(yīng)用噬菌體在醫(yī)藥中的應(yīng)用1.細(xì)菌的鑒定和分型細(xì)菌的鑒定和分型2.耐藥性細(xì)菌感染的治療耐藥性細(xì)菌感染的治療3.分子生物學(xué)研究的工具：基因克隆的載體分子生物學(xué)研究的工具：基因克隆的載體4.遺傳工程中表達(dá)目的蛋白遺傳工程中表達(dá)目的蛋白5.危機(jī)發(fā)

8、酵業(yè)危機(jī)發(fā)酵業(yè) 基因型：全部基因組合 表型：在一定條件下，特定基因?qū)嶋H表現(xiàn)出來 的各種性狀 遺傳性(transmissibility)變異：基因型變異 非遺傳性變異(non-transmissibility) ：表型變異第四節(jié)第四節(jié) 微生物變異的機(jī)制和修復(fù)微生物變異的機(jī)制和修復(fù) 二 變異現(xiàn)象 1 形態(tài)結(jié)構(gòu)變異 炭疽桿菌 變形桿菌 2 毒力變異 1 大小、形態(tài)和結(jié)構(gòu)大小、形態(tài)和結(jié)構(gòu) 炭疽桿菌炭疽桿菌 變形桿菌變形桿菌傷寒菌傷寒菌：H-O變異變異 肺炎鏈球菌肺炎鏈球菌：無毒肺雙無毒肺雙 強(qiáng)毒強(qiáng)毒 小鼠腹腔小鼠腹腔 結(jié)核桿菌結(jié)核桿菌：L型菌型菌 少量青霉素串珠試驗(yàn)石碳酸表表 型型 變變 異異 遺遺

9、傳傳 型型 變變 異異1 毒力變異毒力變異 virulence reduce 強(qiáng)毒強(qiáng)毒弱毒或無毒弱毒或無毒 結(jié)核桿菌結(jié)核桿菌 無毒無毒 BCG 膽汁膽汁 230次次 13年年 virulence hoist 白喉白喉 無毒無毒 有毒有毒 2 抗原變異抗原變異 腸道桿菌腸道桿菌:O抗原（屬）脂多糖抗原（屬）脂多糖 H抗原（種）抗原（種） 鞭毛鞭毛 金葡菌對青霉素金葡菌對青霉素 常見耐藥菌常見耐藥菌 痢疾菌（多重耐藥菌株，痢疾菌（多重耐藥菌株， 藥物藥物 依賴性菌株）依賴性菌株） 淋球菌淋球菌 （第四代環(huán)絲氨酸）（第四代環(huán)絲氨酸） 結(jié)核結(jié)核 （耐異煙肼耐多種藥）（耐異煙肼耐多種藥） 3 耐藥性變異

10、耐藥性變異 第四節(jié)第四節(jié) 基因突變基因突變 基因結(jié)構(gòu)的改變：基因轉(zhuǎn)移和重組基因結(jié)構(gòu)的改變：基因轉(zhuǎn)移和重組 基因突變基因突變 基因突變：基因突變：DNA堿基對的置換、插入或缺失堿基對的置換、插入或缺失 點(diǎn)突變點(diǎn)突變 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 染色體畸變?nèi)旧w畸變 ：多點(diǎn)突變：多點(diǎn)突變 顛換顛換 突變：核苷酸序列改變突變：核苷酸序列改變 一、基因突變的特性和分子機(jī)制一、基因突變的特性和分子機(jī)制 染色體畸變（大突變） 大段的DNA片段 頻率低頻率低點(diǎn)突變（小突變） 一個(gè)或幾個(gè)堿基 頻率高頻率高 基因突變：基因內(nèi)部一對或少數(shù)基因突變：基因內(nèi)部一對或少數(shù)DNA堿基對堿基對 的置換、的置換、 插入或缺失插入或缺失置換:

11、轉(zhuǎn)換和顛換 移碼突變: 插入或缺失（一）突變（一）突變:a stable heritable change of bacterial gene。 自發(fā)突變自發(fā)突變細(xì)菌在自然條件下生長，細(xì)菌在自然條件下生長， 出現(xiàn)突變。出現(xiàn)突變。 誘導(dǎo)突變誘導(dǎo)突變受理化因素作用，突變率受理化因素作用，突變率 升高。升高。 一、基因突變的特性一、基因突變的特性 1 自發(fā)突變與誘發(fā)突變自發(fā)突變與誘發(fā)突變 自發(fā)性自發(fā)性 無誘變劑因素下自發(fā)產(chǎn)生無誘變劑因素下自發(fā)產(chǎn)生 隨機(jī)性隨機(jī)性 無選擇性無選擇性 誘變性誘變性 誘變劑提高自發(fā)突變率誘變劑提高自發(fā)突變率 2突變率：突變率： 自發(fā)突變自發(fā)突變 率率 1次次/109106次

12、次 突變率極低突變率極低稀有性稀有性 誘發(fā)突變誘發(fā)突變 提高突變率提高突變率10-1000倍倍 3突變和選擇：突變和選擇：突變是自發(fā)、隨機(jī)、多方向的突變是自發(fā)、隨機(jī)、多方向的 平板影印試驗(yàn)平板影印試驗(yàn) 抗生素敏感菌抗生素敏感菌 點(diǎn)種無抗生素平板點(diǎn)種無抗生素平板 再印跡有抗生素平板再印跡有抗生素平板 出現(xiàn)抗生素出現(xiàn)抗生素 耐藥菌耐藥菌 移種含移種含抗生素抗生素的肉湯的肉湯 不對應(yīng)性不對應(yīng)性 突變的性狀與突變的原因突變的性狀與突變的原因? 青耐藥青耐藥 用藥還是細(xì)菌本身？用藥還是細(xì)菌本身？ 藥物起什麼作用？藥物起什麼作用？用藥前用藥前用藥后用藥后4可逆性：可逆性：回復(fù)突變與抑制突變回復(fù)突變與抑制突

13、變 野生型：首次從自然界分離的未發(fā)生突變的細(xì)菌 突變型：相對于野生型，突變后性狀改變的菌株 正向正向 野生型野生型 突變型突變型 回復(fù)回復(fù) 一般抑制了第一次突變所致的性狀改變一般抑制了第一次突變所致的性狀改變 二二 基因的轉(zhuǎn)移和重組基因的轉(zhuǎn)移和重組 基因轉(zhuǎn)移基因轉(zhuǎn)移gene transfer ：基因或DNA片段在不同細(xì)菌 個(gè)體之間的傳遞 重組重組 combination ：同源重組：同源重組 非同源重組非同源重組 五種方式：轉(zhuǎn)化，接合，轉(zhuǎn)導(dǎo)，溶原性轉(zhuǎn)換，五種方式：轉(zhuǎn)化，接合，轉(zhuǎn)導(dǎo)，溶原性轉(zhuǎn)換， 原生質(zhì)體融合原生質(zhì)體融合1 轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化 Transformation 受體菌攝取供體菌受體菌攝取供體菌

14、DNA 片段片段 1928年年Griffith 發(fā)現(xiàn)的經(jīng)典轉(zhuǎn)化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的經(jīng)典轉(zhuǎn)化試驗(yàn) 肺炎雙球菌肺炎雙球菌 注射pneumococcusIIIS live separate cultureIIIS IIIS dead + +Donor bacteria DNARecipient bacteria供體DNA一股降解 子代細(xì)胞基因轉(zhuǎn)化模式圖基因轉(zhuǎn)化模式圖原型菌轉(zhuǎn)化型菌 轉(zhuǎn)化的因素： 感受態(tài)細(xì)胞： 對數(shù)期 環(huán)境因素：氯化鈣處理 片段：分子量10*7 ，10-20個(gè)基因 適用于： 質(zhì)粒和噬菌體 基因工程常用的載體 2 接合接合 Conjugation _通過性菌毛細(xì)菌通過性菌毛細(xì)菌DNA 從供體菌傳到

15、受體菌。從供體菌傳到受體菌。 接合性質(zhì)粒：接合性質(zhì)粒：F質(zhì)粒質(zhì)粒( F Plasmid) R質(zhì)粒質(zhì)粒(R Plasmid) （1） F質(zhì)粒接合質(zhì)粒接合F質(zhì)粒（致育質(zhì)粒）質(zhì)粒（致育質(zhì)粒） 性菌毛性菌毛(sex pilus) F+ 雄性菌雄性菌 F- 雌性菌雌性菌 F質(zhì)粒接合 （2）R質(zhì)粒的接合質(zhì)粒的接合 傳染性耐藥因子傳染性耐藥因子 RTF耐藥傳遞因子耐藥傳遞因子 (resistance transfer factor) 決定性菌毛產(chǎn)生通過接合轉(zhuǎn)移。決定性菌毛產(chǎn)生通過接合轉(zhuǎn)移。 r-det 耐藥決定因子耐藥決定因子(resistance deteminant) 編碼對各種編碼對各種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 抗生

16、素耐藥，可由轉(zhuǎn)座子連在一起?？股啬退帲捎赊D(zhuǎn)座子連在一起。T TT n9Tn4Tn5氨RTFr Hfr 3 轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo) transduction:供體菌的供體菌的DNA通過噬菌體傳給通過噬菌體傳給 受體菌受體菌 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo) 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo) 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)general transduction 在供體菌內(nèi)噬菌體生物合成后，在供體菌內(nèi)噬菌體生物合成后，裝配時(shí)誤將裝配時(shí)誤將供體菌供體菌DNA或質(zhì)粒裝入，或質(zhì)粒裝入， 感染受體菌后，把供菌感染受體菌后，把供菌DNA 帶入到受體菌。帶入到受體菌。 轉(zhuǎn)導(dǎo)的片段比轉(zhuǎn)化大，效率高轉(zhuǎn)導(dǎo)的片段比轉(zhuǎn)化大，效率高105-107 完全轉(zhuǎn)導(dǎo)完全轉(zhuǎn)導(dǎo)

17、 整合整合 流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo) 不整合不整合完全轉(zhuǎn)導(dǎo)完全轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo) transductionBacteria DNA 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo):the fragment near attachment is transfered 溫和性噬菌體為載體溫和性噬菌體為載體 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)specific transduction 正常脫離正常脫離 留細(xì)菌留細(xì)菌 偏差脫離偏差脫離 噬帶菌噬帶菌 4溶原性轉(zhuǎn)換溶原性轉(zhuǎn)換 lysogenic conversion 溫和噬菌體感染細(xì)菌后，溫和噬菌體感染細(xì)菌后， 噬菌體噬菌體DNA整合到細(xì)菌染色體整合到細(xì)菌染色體 如白喉?xiàng)U菌如白喉?xiàng)U菌 轉(zhuǎn)換無毒白喉?xiàng)U

18、菌有毒白喉?xiàng)U菌噬菌體 5 原生質(zhì)體融合protoplast fusion 將兩種不同的菌處理失去細(xì)胞壁變?yōu)樵|(zhì)體后融合， 形成雙倍體，基因交換和重組。 特點(diǎn) * 同種細(xì)菌間或異種細(xì)菌間基因轉(zhuǎn)移 *細(xì)胞間基因轉(zhuǎn)移的重要技術(shù) 如單克隆抗體第五節(jié)細(xì)菌遺傳變異在醫(yī)學(xué)上的意義第五節(jié)細(xì)菌遺傳變異在醫(yī)學(xué)上的意義 影響細(xì)菌學(xué)診斷治療預(yù)防 檢測致癌物 流行病學(xué)調(diào)查：調(diào)查耐藥菌 基因工程應(yīng)用:基因工程藥物， 基因工程疫苗形態(tài)、結(jié)構(gòu)、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的變異，使得診斷復(fù)雜化如金黃色葡萄球菌的耐藥性菌株增加，絕大由金黃色變成灰白色；傷寒沙門菌有10%不產(chǎn)生鞭毛，檢查無動(dòng)力，無H抗體，影響正確判斷。L型細(xì)菌的形成影響細(xì)菌學(xué)診斷耐藥菌株日益增多，因此以藥敏實(shí)驗(yàn)為指導(dǎo)合理用藥，防治耐藥菌篩選治療耐藥菌金黃色葡萄球菌痢疾桿菌減毒菌株和無毒株可制備成疫苗結(jié)核分枝桿菌-BCG預(yù)防制備菌苗凡能誘導(dǎo)細(xì)菌發(fā)生突變的物質(zhì)都有可能是致癌物質(zhì)。 Ames實(shí)驗(yàn)傷寒沙門菌（his-）（his+）檢測致癌物 基因工程是根據(jù)遺傳變異中細(xì)菌可因基因轉(zhuǎn)移和重組而獲得新性狀的原理設(shè)計(jì)的 切取目的基因連接到載體上轉(zhuǎn)移到工程菌內(nèi)，大量表達(dá)目的基因產(chǎn)物 目前已大量生產(chǎn)胰島素、干擾素、多種生長激素、