病原生物學(xué)及免疫學(xué)第四章-細菌的遺傳與變異課件

1、 第四章 細菌的遺傳與變異第一篇 細菌學(xué)總論 【知識目標】1掌握細菌基因的轉(zhuǎn)移與重組。2熟悉細菌的變異現(xiàn)象，以及細菌遺傳性變異的物質(zhì)基礎(chǔ)。3了解細菌的變異在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用?！灸芰δ繕恕烤哂袑毦淖儺惉F(xiàn)象的認知能力【素質(zhì)目標】運用所學(xué)知識，樹立控制和消滅感染性疾病、保障人類健康意識學(xué)習(xí)目標遺傳(heredity)：子代與親代之間生物學(xué)性狀的相似性變異(variation)：子代與親代之間以及子代與子代之間生物學(xué)性 狀的差異性使細菌的性狀保持相對穩(wěn)定，且代代相傳，使其菌種得以保存使細菌適應(yīng)外界因素的變化，從而得以進化和發(fā)展學(xué)習(xí)目標遺傳性變異/基因型變異(genotypic variation) 生

2、物的基因結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，變異的性狀可遺傳給子代，稱為基因型變異。非遺傳性變異/表型變異(phenotypic variation) 生物的性狀受外界環(huán)境的影響發(fā)生改變，其基因結(jié)構(gòu)未改變，不能遺傳，這種變異稱為表型變異。學(xué)習(xí)目標基因型和表型變異的比較基因型變異表型變異基因結(jié)構(gòu)可逆性穩(wěn)定性環(huán)境影響涉及細菌數(shù) 變化 未變 不或極少 可逆 穩(wěn)定 不穩(wěn)定不受影響 受影響 個別 全體第一節(jié) 細菌的變異現(xiàn)象形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異 菌落變異 毒力變異 耐藥性變異 一. 形態(tài)與結(jié)構(gòu)的變異細菌的L型變異（細胞壁缺陷型）莢膜變異（肺炎鏈球菌）芽胞變異（炭疽芽胞桿菌）鞭毛變異：變形桿菌H-O變異細菌結(jié)構(gòu)變異 炭疽桿菌失去形成

3、芽胞能力, 毒性降低 變形桿菌（H） （O） 遷徙生長 單個菌落 10-20天42-431%石炭酸二. 菌落變異細菌的菌落:主要有光滑型(smooth,S) 和粗糙型(rough,R) 兩種表面光滑、濕潤、邊緣整齊 表面粗糙、干燥、邊緣不整齊SR變異變異時不僅菌落的特征發(fā)生改變，且細菌的其它性狀也發(fā)生了變化。S型菌的致病性強，但有少數(shù)R型菌的致病性強，如結(jié)核分枝桿菌。SR變異常見于腸道桿菌，由于失去LPS的特異性寡糖重復(fù)單位而引起的。S型菌落R型菌落三. 毒力變異毒力增強毒力減弱 棒狀噬菌體白喉棒狀桿菌 獲得白喉毒素 膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基牛型結(jié)核桿菌 卡介苗 13年(230代)四. 耐藥性

4、變異 細菌對某種抗菌藥物有敏感變成耐藥的變異稱為耐藥性變異。 金黃色葡萄球菌耐青霉素的菌株已從1946年的14%上升至目前的80%。 有些細菌還表現(xiàn)為同時耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產(chǎn)生藥物依賴性。 含鏈霉素培基痢疾桿菌依鏈株(耐藥菌株) 長期培養(yǎng)第二節(jié) 細菌的遺傳物質(zhì)細菌遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)主要包括：染色體質(zhì)粒轉(zhuǎn)座因子噬菌體 一、細菌染色體細菌染色體為一環(huán)狀雙股DNA鏈。革蘭陽性菌核質(zhì)連接在中介體上。革蘭陰性菌核質(zhì)連接在細胞膜某一點上。特征：相對較小，只有一個復(fù)制起始位點功能相關(guān)基因組成操縱子基因結(jié)構(gòu)是連續(xù)的，無內(nèi)含子基因組間無重疊現(xiàn)象不編碼DNA比真菌細胞基因少第二節(jié) 細菌的遺傳物質(zhì)

5、二、質(zhì)粒 (plasmid) 概念：質(zhì)粒為細菌染色體外的遺傳物質(zhì)，環(huán)狀雙股DNA。質(zhì)粒攜帶有遺傳信息，控制某些特定的遺傳性狀，可獨立復(fù)制，與細菌的遺傳變異有關(guān)。第二節(jié) 細菌的遺傳物質(zhì)種類及功能：致育質(zhì)粒-(fertility plasmid)F質(zhì)粒，產(chǎn)生性菌毛-F+毒力質(zhì)粒- (virulence plasmid) Vi質(zhì)粒，產(chǎn)生相應(yīng)毒素耐藥質(zhì)粒- (resistance plasmid) R質(zhì)粒，編碼細菌對抗菌藥物的耐藥性細菌素質(zhì)粒-Col質(zhì)粒，產(chǎn)生細菌素代謝質(zhì)粒-編碼產(chǎn)生相關(guān)酶如脲酶、枸櫞酸鹽利用酶等第二節(jié) 細菌的遺傳物質(zhì)質(zhì)粒DNA 的基本特征有：質(zhì)粒具有自我復(fù)制的能力 質(zhì)粒DNA所編碼的

6、基因產(chǎn)物賦予細菌某些性狀特征 粒并非細菌生命活動不可缺少的遺傳物質(zhì) 質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移性，質(zhì)?？赏ㄟ^接合、轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)導(dǎo)等方式在細菌間轉(zhuǎn)移 不相容性與相容性第二節(jié) 細菌的遺傳物質(zhì)概念： 是一類在細菌染色體、質(zhì)?；蚴删w之間可自行移動的特異性的獨立的DNA片段。三、轉(zhuǎn)位因子 意義： 改變遺傳物質(zhì)的核苷酸序列 影響插入點附近基因的表達（失活） 直接插入一段新序列，造成基因的轉(zhuǎn)移和重組以上均能造成細菌性狀的變異轉(zhuǎn)位因子有三類：插入序列(insertion sequence , IS)：最小，不超過2kb,是只攜帶與轉(zhuǎn)座功能有關(guān)的基因，而不帶任何有使細菌表現(xiàn)性狀的基因的轉(zhuǎn)位因子。轉(zhuǎn)座子(transposon ,

7、Tn)：長度一般超過2kb，是一類除攜帶與轉(zhuǎn)位有關(guān)的基因外還攜帶其他基因的轉(zhuǎn)位因子。轉(zhuǎn)座噬菌體或前噬菌體：前噬菌體有時也具有轉(zhuǎn)位功能，成為溶原菌的一種基因，編碼某些產(chǎn)物，改變細菌某些性狀，如白喉毒素、肉毒毒素的產(chǎn)生。三、轉(zhuǎn)位因子常見的插入序列和轉(zhuǎn)座子IS bp Tn 耐藥或毒素基因 IS1 768 Tn1 AP（氨芐青霉素） IS2 1327 Tn6 Kan（卡那霉素） IS3 1300 Tn10 Tet（四環(huán)素） IS4 1426 Tn551 Em（紅霉素） IS5 1195 Tn681 E.coli ET（腸毒素）四、噬菌體 概念： 噬菌體 (bacteriophage,phage)：是感

8、染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒，在葡萄球菌和志賀菌中首先發(fā)現(xiàn)。 特點： 個體微小，可以通過細菌濾器。 沒有完整的細胞結(jié)構(gòu)。 專性活的微生物細胞內(nèi)寄生。 分布極廣。 有嚴格的宿主特異性。（一） 噬菌體的生物學(xué)性狀 1.形態(tài)與結(jié)構(gòu) 噬菌體有三種基本形態(tài)，即蝌蚪形、微球形和細桿形。大多數(shù)噬菌體呈蝌蚪形。蝌蚪形微球形細桿形噬 菌 體 的 形 態(tài)電鏡下見噬菌體40000電鏡下見噬菌體與宿主菌細胞膜表面接合40000結(jié)構(gòu)：由頭部和尾部組成；頭部：內(nèi)含DNA/RNA尾部： 中空尾管 尾鞘 尾絲 尾刺尾絲是吸附宿主細胞表面特殊受體部位。噬菌體感染細菌有兩種結(jié)果：毒性噬菌體 (virulent ph

9、age)：能在宿主細胞內(nèi)復(fù)制 增殖，產(chǎn)生許多子代噬菌體，并最終裂解細菌，建立 溶菌周期。溫和噬菌體 (temperate phage)：噬菌體基因與宿主染色體整合，成為前 噬菌體，細菌變成溶原性菌，不產(chǎn)生子代噬菌體，但噬菌體DNA能隨細菌DNA復(fù)制，并隨細菌的分裂而傳代，建立溶原狀態(tài)。 二、噬菌體與細菌相互關(guān)系1.毒性噬菌體 概念: 能在宿主菌內(nèi)復(fù)制增殖，產(chǎn)生許多子代噬菌體，并最終裂解細菌。 復(fù)制周期: 毒性噬菌體在宿主菌內(nèi)的增殖過程（復(fù)制周期或溶菌周期）包括吸附、穿入、生物合成、成熟與釋放等四個階段。 （1）吸 附 是噬菌體與細菌表面相應(yīng)受體特異性結(jié)合的過程1.毒性噬菌體 （2）穿 入 有尾

10、噬菌體將頭部的DNA注入宿主菌內(nèi)。無尾噬菌體經(jīng)脫殼進入宿主菌內(nèi)，類似于動物病毒的穿入過程1.毒性噬菌體 （ 3）生物合成 是指利用宿主菌的酶、能量復(fù)制核酸及合成蛋白質(zhì)的過程。1.毒性噬菌體 （4） 成熟與釋放程序組裝菌細胞裂解，噬菌體釋放1.毒性噬菌體 毒性噬菌體溶菌現(xiàn)象液體培養(yǎng)基：使渾濁菌液變?yōu)槌吻?固體培養(yǎng)基：菌膜表面可有透亮的溶菌空斑出現(xiàn)。一個空斑系由一個噬菌體復(fù)制增殖并裂解細菌后形成的，稱為噬斑（plaque）若將噬菌體按一定倍數(shù)稀釋，通過噬斑計數(shù)，可測知一定體積內(nèi)的噬斑形成單位數(shù)目，即噬菌體的數(shù)量。噬斑 概念： 溫和噬菌體是指基因組能與宿主菌基因組整合，并隨細菌分裂傳至子代細菌的基因

11、組中，不引起細菌裂解。 整合在宿主菌核酸中的噬菌體基因組稱為前噬菌體。帶有前噬菌體基因組的細菌稱為溶原性細菌。2.溫和噬菌體 溶原性細菌具有以下特征：能正常分裂，并將前噬菌體傳給子代；前噬菌體可編碼阻遏蛋白抑制后進入毒性噬菌體生物合成；整合的前噬菌體給細菌帶來新的性狀；前噬菌體可偶爾自發(fā)地或在某些理化和生物因素的誘導(dǎo)下，脫離宿主染色體進入溶菌周期，導(dǎo)致細菌裂解。2.溫和噬菌體 溫和噬菌體有溶原性周期和溶菌性周期，而毒性噬菌體只有一個溶菌性周期。2.溫和噬菌體第三節(jié) 細菌遺傳性變異的發(fā)生機制細菌遺傳性變異主要是通過基因突變、DNA的修復(fù)、基因的轉(zhuǎn)移與重組等來實現(xiàn)的。一、基因突變與DNA的修復(fù) 突

12、變（mutation）是指細菌遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，導(dǎo)致細菌某些性狀的遺傳性變異。 突變包括基因突變和染色體畸變。 突變的規(guī)律：突變率：10-610-9自發(fā)突變與誘發(fā)突變突變與選擇回復(fù)突變與抑制突變第三節(jié) 細菌遺傳性變異的發(fā)生機制彷徨試驗：隨機的、非定向的突變是在接觸噬菌體之前就已發(fā)生，噬菌體對突變僅起篩選而不是誘導(dǎo)作用第三節(jié) 細菌遺傳性變異的發(fā)生機制二、基因的轉(zhuǎn)移與重組二個細菌間部分遺傳基因，可以發(fā)生轉(zhuǎn)移(gene transfer)和重組(recombination)，使受體菌獲得新的遺傳性狀。轉(zhuǎn)移：供菌提供DNA；受菌接受DNA重組：受菌獲得供菌DNA第三節(jié) 細菌遺傳性變異

13、的發(fā)生機制類型 基因來源 轉(zhuǎn)移方式 轉(zhuǎn)化 供菌 受菌攝入 接合 供菌 通過性菌毛轉(zhuǎn)導(dǎo) 供菌 噬菌體媒介 溶原性轉(zhuǎn)換 噬菌體 前噬菌體細菌基因轉(zhuǎn)移和重組的方式：轉(zhuǎn)化 （transformation)、接合 (conjugation)轉(zhuǎn)導(dǎo) (transduction)、溶原性轉(zhuǎn)換 (lysogenic conversion)第三節(jié) 細菌遺傳性變異的發(fā)生機制1.轉(zhuǎn)化 transformation概念：供體菌游離的DNA片段直接被受體菌攝取，使受體菌獲得新的性狀小鼠體內(nèi)肺炎球菌轉(zhuǎn)化經(jīng)典試驗受菌主動攝取外源性DNA供菌死亡時釋放或人工方法提取DNA第三節(jié) 細菌遺傳性變異的發(fā)生機制1.轉(zhuǎn)化 transfo

14、rmation第三節(jié) 細菌遺傳性變異的發(fā)生機制轉(zhuǎn)化的DNA片段稱 轉(zhuǎn)化因子轉(zhuǎn)化因子分子量小于1107，不超過1020個基因，才可能被受體菌攝取受體菌必須處于感受態(tài) competence時，才能攝取轉(zhuǎn)化因子攝入的供體菌DNA片段與受體菌相應(yīng)DNA重組 重組菌；重組菌繁殖時，就可形成重組突變株，獲得供體菌的某些性狀。第三節(jié) 細菌遺傳性變異的發(fā)生機制 影響因素：供受菌基因型： 同源性；親緣關(guān)系近，轉(zhuǎn)化率高感受態(tài)（competence）： 生理活動過程中攝取 轉(zhuǎn)化因子的最佳時期 環(huán)境因素： Mg2、Ca2等可促進轉(zhuǎn)化第三節(jié) 細菌遺傳性變異的發(fā)生機制2.接合（conjugation）概念：通過性菌毛將供

15、菌遺傳物質(zhì)（質(zhì)粒）轉(zhuǎn)給受體菌，使受體菌獲得供體菌性狀。接合性質(zhì)粒：指能通過接合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒稱為，主要包括F質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒和毒力質(zhì)粒等。 第三節(jié) 細菌遺傳性變異的發(fā)生機制（1）F質(zhì)粒的接合F+ 即F質(zhì)粒，編碼性菌毛，稱雄性菌無性菌毛相的為雌性菌（ F-菌）。目前，臨床上多重耐藥菌株的出現(xiàn)與R質(zhì)粒通過接合傳遞密切有關(guān)。 R質(zhì)粒組成： 耐藥傳遞因子(resistance transfer factor, RTF) RTF類似F因子，可編碼產(chǎn)生性菌毛并以接合方式轉(zhuǎn)移。 耐藥決定因子(r決定因子)：r決定因子兩端的IS可與RTF相連；且可有多個Tn連接排列是造成多重耐藥的原因。（2）R質(zhì)粒的

16、接合概念：是以溫和噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲得新的性狀。根據(jù)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因片段的范圍，可將轉(zhuǎn)導(dǎo)分為兩類：普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（轉(zhuǎn)導(dǎo)的DNA可是供菌染色體上的任何部分）和局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（轉(zhuǎn)導(dǎo)的DNA只限供菌染色體上的特定基因）。3. 轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction)毒性噬菌體和溫和噬菌體都能介導(dǎo) 包裝錯誤：任何部位細菌DNA片段受菌接受轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體(供菌)DNA；受菌獲得供菌性狀 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)的結(jié)果有二種-完全轉(zhuǎn)導(dǎo)、和流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)（1） 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)： 所轉(zhuǎn)導(dǎo)的DNA片段只限于供體菌染色體中個別特定的基因（如大腸桿菌染色體轉(zhuǎn)導(dǎo)的半乳糖酶基因或生物素基因） 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)與溫和噬菌體的溶原期有關(guān)(2)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖galbio噬菌體DNAgalbio噬菌體DNAgalbio噬菌體DNAgalbio噬菌體DNAgalbio噬菌體DNA噬菌體DNAgalbio4.溶原性轉(zhuǎn)換 (lysogenic conversion) 概念:溫和噬菌體以前噬菌體形式存在