第五章 細菌的遺傳與變異2011.ppt

1、第五章，細菌的遺傳和變異，遺傳和變異，遺傳(heredity ) :微生物的性狀相對穩(wěn)定，父子基本相同，代代相傳。 變異(variation ) :在某些條件下，子與父之間以及子與子之間生物學(xué)性狀上出現(xiàn)的差異。 基因型(genotype ) :指構(gòu)成生物遺傳基礎(chǔ)的基因組成。 決定生物遺傳特性的表型(phenotype ) :在某種條件下，特定基因?qū)嶋H表達的各種性狀。 基因型變異(genotypic variation ) :基因結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。 遺傳變異。 表型變異(phenotypic variation ) :細菌在一定環(huán)境條件的影響下產(chǎn)生的變異，其基因結(jié)構(gòu)沒有變化。 非遺傳變異。 細菌的變

2、異現(xiàn)象，形態(tài)構(gòu)造的變異菌落變異(S-R )毒力變異(強弱)耐化學(xué)藥品性變異(敏感耐化學(xué)藥品性)、1 .形態(tài)構(gòu)造的變異，正常形態(tài)細菌l型H-O變異：鞭毛脫落，動力消失棒狀桿菌產(chǎn)棒狀桿菌毒素增強膽汁，甘油馬鈴薯培養(yǎng)基牛型結(jié)核分枝桿菌BCG苗13年(230代)、3 .菌落變異、S-R變異、S(smooth )菌落、減弱R(rough )的細菌中，也有多種抗菌藥，即同時耐多藥性的細菌。 第一節(jié)細菌的遺傳物質(zhì)、染色體染色體以外的遺傳物質(zhì)、質(zhì)粒轉(zhuǎn)運子噬菌體基因組、1 .細菌的染色體僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成，形成一個比較致密的區(qū)域，這稱為類核(nucleoid )。 比較小，復(fù)制起始點只有一個，由結(jié)構(gòu)

3、基因和調(diào)控序列組成的具有操縱子結(jié)構(gòu)的基因連續(xù)，結(jié)構(gòu)基因在結(jié)構(gòu)基因中不含內(nèi)含子的基因組中所占的比例遠大于真核生物基因組，而遠小于病毒基因組的結(jié)構(gòu)基因是單拷貝2、質(zhì)粒(plasmid )，細菌染色體以外的遺傳物質(zhì)，環(huán)狀封閉的雙鏈DNA； 有自我復(fù)制的能力編碼細菌的某些性狀的特征自己可以丟失或消除細菌之間的轉(zhuǎn)移兼容性和不兼容性。根據(jù)編碼的生物學(xué)性狀進行分類，培育質(zhì)粒(fertility plasmid，f質(zhì)粒)編碼性菌毛，介導(dǎo)細菌間結(jié)合傳遞的耐藥質(zhì)粒(resistance plasmid，r質(zhì)粒)是細菌對抗菌藥物和重金屬鹽類的耐結(jié)合性耐藥質(zhì)粒(r質(zhì)粒)非結(jié)合耐藥質(zhì)粒(r質(zhì)粒)的毒性質(zhì)粒(Vi質(zhì)粒)編

4、碼與該菌病原性相關(guān)的毒性因子噬菌體質(zhì)粒編碼產(chǎn)生噬菌體的代謝質(zhì)粒編碼產(chǎn)生相關(guān)的代謝酶3 .轉(zhuǎn)位子因子(transposable element )，是可以在細菌基因組中改變自己位置的DNA序列，這種轉(zhuǎn)移可以發(fā)生在細菌染色體、質(zhì)粒之間。 插入序列、轉(zhuǎn)座子、轉(zhuǎn)座子因子是基因組的正常組成部分，不以獨立形式存在(噬菌體、質(zhì)粒DNA等)。 轉(zhuǎn)位子的產(chǎn)生不依賴于轉(zhuǎn)位子與目標(biāo)部位之間的任何序列同源性，而是從基因組內(nèi)的部位直接轉(zhuǎn)移到其他部位。 旋轉(zhuǎn)座以低頻率發(fā)生，而且旋轉(zhuǎn)座的插入是隨機的。 轉(zhuǎn)位子可能插入結(jié)構(gòu)基因或基因調(diào)節(jié)序列，引起基因表達的變化。 插入序列(insertion sequence，IS )的最簡

5、單的易位因子。 只有2kb以下兩端有反向重復(fù)序列的轉(zhuǎn)運蛋白(transposase )基因，沒有任何使細菌表達性狀的基因。 轉(zhuǎn)位子(transposon，Tn )除了具有轉(zhuǎn)位子的相關(guān)功能外，還具有耐藥性(或其他)標(biāo)記。 長度一般超過2kb，中心部有耐藥性標(biāo)記，兩側(cè)是由IS元件組成的臂。易位發(fā)生的機制、將易位因子插入新部位的常規(guī)步驟是在目標(biāo)DNA上形成交替的切口，然后將易位因子連接到突出的單鏈末端，填充切口。 易位的結(jié)果是靶部位的排列形成了2個正向重復(fù)排列。鏈條切削之間的交錯決定了正向重復(fù)的長度。 反向重復(fù)序列表示轉(zhuǎn)座子因子的末端。 所有類型的轉(zhuǎn)運子因子的轉(zhuǎn)運子需要通過轉(zhuǎn)運子來識別末端。 復(fù)制易

6、位(replicative transposition ) :易位的DNA序列是原始易位因子的復(fù)制，而不是其自身。 轉(zhuǎn)移子作為移動副本，其中一個副本保留在原始位置，另一個副本插入到新目標(biāo)站點。 非復(fù)制傳輸：傳輸因子直接從原始點移動到目標(biāo)點，同時留下供體產(chǎn)生雙鏈斷裂的部位。 該雙鏈斷裂部位需要修復(fù)系統(tǒng)的識別和修復(fù)。 保守轉(zhuǎn)座(conservative transposition ) :轉(zhuǎn)座因子從供體位點分離，插入目標(biāo)部位，供體位點恢復(fù)原狀。 定位于運動性DNA分子細菌染色體、質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)位子上的基本結(jié)構(gòu)：兩端為保守末端，中間為可變區(qū)域，含有一個或一個以上基因盒的整合子，可以是重組部位、整合子基因通過

7、含有啟動子的3個功能元件的轉(zhuǎn)座子和結(jié)合性粒子，使多種耐藥性基因在細菌中水平傳播。 4 .整合子(Integron，in )、整合子介導(dǎo)的抗藥性基因盒獲得機制theintegronmechanismofantibioticresistancegenecassetteacquisition能轉(zhuǎn)錄的整合子通過整合子催化基因盒上的attC位點和整合子上的attI位點之間的位點特異性重組，可以將游離耐性基因盒整合到自身的染色體中。 遺傳基因盒是由整合子的啟動子表達的。 attC、基因盒重組部位attI、整合子重組部位Pant、基因盒表達的啟動子qac、季銨鹽類化合物耐性基因； sul，磺胺類耐藥基因。

8、5 .噬菌體基因組、溶原性轉(zhuǎn)化lysogenic conversion、第二節(jié)細菌基因表達的調(diào)節(jié)、操縱子(operon)-原核生物中與一些功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)， 位于由其上游的啟動子和操縱子基因序列組成的一個轉(zhuǎn)錄單元調(diào)節(jié)基因-操縱子的上游，編碼蛋白質(zhì)可以與操縱子基因序列結(jié)合調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因的表達。 大腸桿菌乳糖操縱子(lac operon )抑制基因轉(zhuǎn)錄，阻斷抑制蛋白(repressor )與操縱子基因的結(jié)合，阻斷啟動子與RNA聚合酶的結(jié)合或結(jié)合后不能移動，阻止基因轉(zhuǎn)錄。 抑制蛋白質(zhì)和衍生物結(jié)合后，使抑制蛋白質(zhì)衍生物復(fù)合體脫離DNA鏈，去除抑制蛋白質(zhì)的抑制作用。 促進基因轉(zhuǎn)錄，分解物基因活化蛋白

9、(CAP )，重組第三節(jié)基因轉(zhuǎn)移，基因轉(zhuǎn)移(gene transfer ) :基因物質(zhì)從供體菌進入某一受體菌細胞內(nèi)的過程。 轉(zhuǎn)基因(recombination ) :轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA集成，使受體菌獲得供體菌的某些特性。 同源重組：發(fā)生在密切相關(guān)的DNA之間。 通過細菌rec基因編碼的重組酶，將宿主染色體上的一段DNA置換為外源性一段單鏈DNA。 非同源重組：發(fā)生在無關(guān)的DNA之間，通過位點特異性重組酶將缺失或插入的DNA重組。 細菌的基因轉(zhuǎn)移和重組方式：轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)移、溶原性轉(zhuǎn)換、原生質(zhì)體融合。 一、轉(zhuǎn)化(Transformation )、小鼠體內(nèi)肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化試驗、受體菌直接攝取供

10、體菌分解釋放的DNA片段獲得新遺傳性狀的過程稱為轉(zhuǎn)化。 在“變換因子”(transforming factors )變換期間變換的DNA片段稱為變換因子。影響因子供受菌基因型：親緣關(guān)系越近，轉(zhuǎn)化率越高的受菌生理狀態(tài)：受態(tài)(competence)-生理活動中攝取轉(zhuǎn)化因子的最佳時期的環(huán)境因子： Mg2、Ca2等促進轉(zhuǎn)化，二是可以通過接合的接合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒(f質(zhì)粒、r質(zhì)粒)、1. F質(zhì)粒結(jié)合、f質(zhì)粒(fertility factor，培養(yǎng)因子)、f質(zhì)粒與細菌染色體匹配，形成高頻重組株，與Hfr菌結(jié)合，在Hfr菌中f、Hfr、f三者均有性菌毛，均可接合。 2. R質(zhì)粒結(jié)合，r質(zhì)粒耐受性傳遞因子(RT

11、F):與f質(zhì)粒功能相似，編碼性菌毛，確定質(zhì)粒的復(fù)制、結(jié)合和轉(zhuǎn)移。 耐藥性決定因子(r-det ) :具有不同耐藥性基因的轉(zhuǎn)位子。AmpR、三、轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction )、轉(zhuǎn)導(dǎo)以噬菌體為載體，使供體菌的部分DNA轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲得供體菌的部分遺傳性狀。 普遍傳遞所傳遞的DNA可以是供體染色體上的任何部分。 完全傳遞：供體菌DNA片段與受體菌染色體整合流產(chǎn)傳遞：供體菌DNA片段局部傳遞至細胞質(zhì)的DNA僅限于供體菌染色體上的特定基因。 1 .普遍性傳達，毒性噬菌體，溫和噬菌體均為普遍性傳達，2 .局限性傳達，溫和噬菌體媒介局限性傳達，4，溶原性轉(zhuǎn)換，5，原生質(zhì)體融合， 將兩種遺傳性

12、狀不同的細菌用溶菌酶和青霉素等處理形成原生質(zhì)體后，在聚乙二醇(PEG )的作用下，融合兩種不同細菌細胞的過程。 融合形成二倍體細胞，可在短期內(nèi)存活，染色體間發(fā)生交換和重組。 第三節(jié)基因突變、基因突變(mutation ) :指基因結(jié)構(gòu)隨DNA堿基對的置換、插入或缺失而改變。 一、基因突變規(guī)律，一.自發(fā)突變和誘變復(fù)原試驗：隨機、非取向突變發(fā)生在與噬菌體接觸之前，噬菌體對突變只進行篩選而不是誘變作用。 自發(fā)突變率達一代109106，誘發(fā)突變率達106104。 野生型(wild type ) :不發(fā)生從自然界分離的變異的菌株。 突變型(mutant type ) :對野生型菌株發(fā)生某種性狀的變化。 正向突變：細菌從野生型變?yōu)橥蛔冃汀?回復(fù)突變(reverse mutation ) :突變株能夠再次經(jīng)過突變恢復(fù)野生型性狀。 突變抑制(suppressor mutation ) :真正的原位恢復(fù)突變少，大多數(shù)恢復(fù)突變通過第二次突變抑制第一次突變的表型，使野生表型恢復(fù)或部分恢復(fù)。 回復(fù)突變多為表型回復(fù)，而非基因型回復(fù)。 2 .突變的恢復(fù)和突變的抑制，3 .突變和選擇，抗生素耐藥性突變株在接觸抗生素之前已經(jīng)出現(xiàn)，抗生素的作用只是選擇抗生素耐藥株，淘汰敏感株。 影印試驗、二、突變型細菌及其分離、抵抗性突變型影印試驗營養(yǎng)缺陷突變型營養(yǎng)物質(zhì)篩選條件致