细菌的遗传和变异-噬菌体.ppt

第第5 5章章 细菌的遗传和变异细菌的遗传和变异遗传（遗传（heredity）遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其种属得以保存。使其种属得以保存。变异（变异（variation）在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代之间的差异称为变异。之间的差异称为变异。遗传性变异（基因型变异）遗传性变异（基因型变异）细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或重细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或重组，不可逆，可遗传给后代。组，不可逆，可遗传给后代。非遗传性变异（表型变异）非遗传性变异（表型变异）环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆，环境改变导致，基因结构未发生变异，可逆，不可遗传。不可遗传。第一节第一节 细菌的基因与基因组学细菌的基因与基因组学细菌遗传变异的物质基础细菌遗传变异的物质基础DNA/RNA一一 细菌染色体细菌染色体细菌属于原核细胞型微生物细菌属于原核细胞型微生物,细菌染色体是环状双螺旋细菌染色体是环状双螺旋DNA，不含组蛋白，不含组蛋白,无核膜包围。无核膜包围。基因基因,是具有一定生物学功能的核苷酸序列，如编码结构是具有一定生物学功能的核苷酸序列，如编码结构蛋白、酶等功能蛋白、酶等功能。细菌基因的结构是连续的。细菌基因的结构是连续的,无内含子。无内含子。细菌染色体细菌染色体DNA的复制：大肠埃希菌已证明是双向复制的复制：大肠埃希菌已证明是双向复制蛋白质不是遗传物质？蛋白质不是遗传物质？二二 细菌的基因组结构细菌的基因组结构特征特征 1.遗传信息在基因组中排列的延续性遗传信息在基因组中排列的延续性 2.功能相关的基因组成操纵子结构功能相关的基因组成操纵子结构 3.结构基因单拷贝及结构基因单拷贝及rRNA基因的多拷贝基因的多拷贝 4.基因组的重复序列少而短基因组的重复序列少而短三三 细菌的基因组测序细菌的基因组测序四四细菌的基因调控细菌的基因调控五五 1.操纵子转录调控操纵子转录调控六六 2.分解代谢物阻遏调控分解代谢物阻遏调控七七 3.细菌的应激反应细菌的应激反应八八 4.细菌的热休克应答（细菌的热休克应答（HSP70）九九 5.信号传导和二元调节系统信号传导和二元调节系统十十 6.重叠基因重叠基因十一十一 7.反义反义RNA与小干扰与小干扰RNA 五五 质粒（质粒（plasmidplasmid）概念：概念：是存在于细菌染色体以外是存在于细菌染色体以外,能进行自主复制的遗传因子，能进行自主复制的遗传因子，是环状闭合的双链是环状闭合的双链DNA;对细菌的遗传性状有着重要的影响对细菌的遗传性状有着重要的影响。非必需的基因非必需的基因质粒的特征质粒的特征 自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝 编码产物赋予细菌某些性状特征编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与消除可自行丢失与消除 转移性转移性 可分为相容性和不相容性可分为相容性和不相容性致育因子（致育因子（fertility factor，F因子）因子）与有性生殖有关与有性生殖有关带有带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛质粒的为雄性菌，能长出性菌毛(F+)；无无F质粒的为雌性菌，无性菌毛质粒的为雌性菌，无性菌毛(F-)几种重要的质粒几种重要的质粒耐药性质粒（耐药性质粒（resistance plasmid，R质粒）质粒）编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒，可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒，又称又称R质粒质粒不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通过不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通过噬菌体传递。噬菌体传递。细菌素质粒细菌素质粒编码各种细菌产生的细菌素。编码各种细菌产生的细菌素。Col质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素乳酸菌产生乳酸菌产生Nisin A抑制抑制G菌菌 食品防腐食品防腐毒力质粒（毒力质粒（virulence plasmid，Vi质粒）质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子。编码与该菌致病性有关的毒力因子。如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由 ST质粒编码的。质粒编码的。细菌粘附定植在肠粘膜表面是由细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。质粒决定的。代谢质粒（代谢质粒（metabolic plasmid）编码产生相关的代谢酶。编码产生相关的代谢酶。沙门菌发酵乳糖的能力通常是由质粒决定的沙门菌发酵乳糖的能力通常是由质粒决定的根瘤菌的固氮基因根瘤菌的固氮基因fix位于质粒中位于质粒中第二节第二节噬菌体（噬菌体（bacteriophagebacteriophage）噬菌体噬菌体是是感染细菌、真菌、放线菌或螺感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等旋体等微生物的病毒微生物的病毒。葡萄球菌和志贺菌中首先发现葡萄球菌和志贺菌中首先发现病毒的特性：病毒的特性：个体微小，可以通过细菌滤器个体微小，可以通过细菌滤器没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成专性细胞内寄生的微生物专性细胞内寄生的微生物种类多种类多分布极广分布极广噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状化学组成化学组成蛋白质蛋白质-衣壳衣壳核酸核酸-遗传物质遗传物质形态形态个体小，需用电子显微镜观察个体小，需用电子显微镜观察蝌蚪形、微球形和丝形蝌蚪形、微球形和丝形噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状结构结构大多数噬菌体呈蝌蚪形，由头部和尾部两大多数噬菌体呈蝌蚪形，由头部和尾部两部分组成部分组成大肠埃希菌大肠埃希菌T4噬菌体，头部和尾部噬菌体，头部和尾部噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状大肠埃希菌大肠埃希菌T4噬菌体噬菌体蝌蚪形噬菌体结构模式图蝌蚪形噬菌体结构模式图抗原性抗原性 噬菌体具有抗原性，能刺激机体产生抗体噬菌体具有抗原性，能刺激机体产生抗体噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状抵抗力抵抗力比一般细菌的繁殖体强比一般细菌的繁殖体强噬菌体的生物学性状噬菌体的生物学性状噬菌体噬菌体宿主菌宿主菌形态形态核酸核酸T1-T7、N4大肠埃希菌大肠埃希菌蝌蚪形蝌蚪形dsDNA，线状线状P1志贺菌志贺菌蝌蚪形蝌蚪形dsDNA，线状线状P22沙门菌沙门菌蝌蚪形蝌蚪形dsDNA，线状线状SP01、SP82枯草芽胞杆菌枯草芽胞杆菌蝌蚪形蝌蚪形dsDNA，线状线状29解淀粉芽胞杆菌解淀粉芽胞杆菌蝌蚪形蝌蚪形dsDNA，线状线状PM2假单胞菌假单胞菌微球形，有包膜微球形，有包膜dsDNA，线状线状X174、S13、M12、G4大肠埃希菌大肠埃希菌微球形微球形ssDNA，线状线状f1、fd、M13大肠埃希菌大肠埃希菌丝形丝形ssDNA，线状线状MS2、f2、fr、Q大肠埃希菌大肠埃希菌微球形微球形ssRNA，线状线状6假单胞菌假单胞菌微球形，有包膜微球形，有包膜dsRNA，线状，分成线状，分成3节段节段毒性噬菌体毒性噬菌体 (virulent phage)virulent phage)能在宿主菌细胞内复制增殖能在宿主菌细胞内复制增殖,产生许多子代噬产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体毒性噬菌体。增殖过程增殖过程1）吸附）吸附只要细菌有特异性受体只要细菌有特异性受体，不论死活噬菌体都能吸附，不论死活噬菌体都能吸附，但噬菌体不能进入死亡的宿主菌。但噬菌体不能进入死亡的宿主菌。2）穿入）穿入将头部将头部DNA注入细菌体内，而蛋白衣壳留在菌细胞外。注入细菌体内，而蛋白衣壳留在菌细胞外。生物合成生物合成大量复制子代噬菌体的基因核酸。大量复制子代噬菌体的基因核酸。成熟与释放成熟与释放蛋白质和核酸合成后，在细胞质内按一定程蛋白质和核酸合成后，在细胞质内按一定程序装配成成熟的噬菌体。序装配成成熟的噬菌体。当子代达一定数目后，菌细胞突然裂解（或当子代达一定数目后，菌细胞突然裂解（或以出芽方式），释放出的噬菌体又能感染新以出芽方式），释放出的噬菌体又能感染新的敏感细菌。的敏感细菌。毒性噬菌体毒性噬菌体在液体培养基中在液体培养基中 噬菌现象可使浑浊菌液变为澄噬菌现象可使浑浊菌液变为澄清清在固体培养基中在固体培养基中 噬斑（噬斑（plaque）。）。若将噬菌体按一定倍数稀释，通过噬斑计数，若将噬菌体按一定倍数稀释，通过噬斑计数，可测知一定体积内的噬斑形成单位数目，即噬菌体可测知一定体积内的噬斑形成单位数目，即噬菌体的数量。的数量。噬斑噬 斑温和噬菌体温和噬菌体 (temperate phage)噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体菌体，但噬菌体DNA能随细菌能随细菌DNA复制，并随细复制，并随细菌的分裂而传代，称为菌的分裂而传代，称为温和噬菌体或溶原性噬菌温和噬菌体或溶原性噬菌 体体(lysogenic phage)。前噬菌体前噬菌体整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体（菌体（prophage）溶原性细菌溶原性细菌带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌（lysogenic bacterium）溶原状态溶原状态十分稳定，能经历许多代十分稳定，能经历许多代可中断可中断可可“治愈治愈”前噬菌体偶尔可自发或在某些理化前噬菌体偶尔可自发或在某些理化和生物因素的诱导下脱离宿主菌基因和生物因素的诱导下脱离宿主菌基因组而进入溶菌周期，产生成熟噬菌体，组而进入溶菌周期，产生成熟噬菌体，导致细菌裂解。导致细菌裂解。温和噬菌体的这种产生成熟噬菌温和噬菌体的这种产生成熟噬菌体颗粒和溶解宿主菌的潜在能力称为体颗粒和溶解宿主菌的潜在能力称为溶原性（溶原性（lysogeny）溶原性溶原性温和噬菌体可有三种存在状态温和噬菌体可有三种存在状态游离的具有感染性的噬菌体颗粒游离的具有感染性的噬菌体颗粒宿主菌胞质内类似质粒形式的噬菌体核酸宿主菌胞质内类似质粒形式的噬菌体核酸前噬菌体前噬菌体溶原性溶原性溶原性转换（溶原性转换（lysogenic conversion）某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变，这称为溶原性转换改变，这称为溶原性转换。噬菌体的应用噬菌体的应用细菌的鉴定细菌的鉴定分子生物学研究的重要工具分子生物学研究的重要工具细菌感染的诊断与治疗细菌感染的诊断与治疗第三节第三节 细菌的基因突变细菌的基因突变一、基因的突变的机制一、基因的突变的机制基因突变（基因突变（gene mutation）基因的转移与重组基因的转移与重组（gene transfer and recombination）基因突变基因突变什么是突变什么是突变 细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变异。导致细菌性状的遗传性变异。突变的类型突变的类型 点突变：一个或几个碱基的改变点突变：一个或几个碱基的改变 染色体畸变：大片段染色体畸变：大片段DNA的改变的改变基因突变的规律基因突变的规律 1、突变率、突变率 2、自发性、自发性 3、回复性、回复性 4、诱变性、诱变性1、自发突变、自发突变 彷徨试验彷徨试验1、自发突变、自发突变影印培养试验影印培养试验凡能诱导细菌发生突变的物质都凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质有可能是致癌物质Ames试验试验伤寒沙门菌（伤寒沙门菌（his-）（his+）2、诱发突变、诱发突变在测定致癌物质中的应用在测定致癌物质中的应用 三、三、常见的突变类型常见的突变类型形态结构的变异形态结构的变异营养缺陷体突变营养缺陷体突变耐药性变异耐药性变异毒力变异毒力变异条件致死突变条件致死突变3-6%食盐鼠疫杆菌多形态性(衰残型)。琼脂培基1.形态、结构变异形态、结构变异青霉素、溶菌酶正常形态细菌L型变异抗体或补体(部分或完全失去胞壁)霍乱弧菌L型正常霍乱弧菌特殊结构的变异特殊结构的变异42-43炭疽杆菌失去形成芽胞能力,毒性10-20天降低变形杆菌（H）1%石炭酸（O）迁徙生长单个菌落鞭毛变异菌落变异在陈旧培养基中长期培养光滑型菌落粗糙型菌落（S）或在有免疫力的人体内（R）原因是失去LPS的特异性多糖重复单位3.耐药性变异耐药性变异细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。含链霉素培基痢疾杆菌依链株(耐药菌株)长期培养2.营养缺陷体突变营养缺陷体突变4.毒力变异毒力变异棒状噬菌体白喉棒状杆菌获得白喉毒素胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核杆菌卡介苗13年(230代)5.条件致死突变条件致死突变第四节第四节 细菌的基因转移和重组细菌的基因转移和重组基因转移（基因转移（gene transfer）外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞内的过程称为基因转移胞内的过程称为基因转移.重组（重组（recombination）转移的基因与受体菌转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重整合在一起称为重组，组，使受体菌获得供体菌某些特性使受体菌获得供体菌某些特性.细菌的基因转移和重组可通过细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合溶原性转换和细胞融合等方式进行等方式进行.1、接合（接合（conjugation）接合是细菌通过接合是细菌通过性菌毛性菌毛相互连接沟通，将遗传物质相互连接沟通，将遗传物质（主要是（主要是质粒质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。）从供体菌转移给受体菌。接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，F质粒、质粒、R质粒、质粒、Col质粒和毒力质粒。质粒和毒力质粒。（1）F质粒的接合质粒的接合F+F高频重组菌（高频重组菌（high frequency recombination,Hfr）F F+、Hfr、F都为雄菌都为雄菌 接合（接合（F+F）F+F-F+F-F+F+F+F+接合接合 高频重组菌（高频重组菌（Hfr）F+F+Hfr接合接合 高频重组菌（高频重组菌（Hfr）HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-接合接合 （性导，（性导，F）FFFFF F F-FF-（2）R质粒质粒耐药转移因子（耐药转移因子（resistance transfer factor,RTF）耐药（耐药（r）决定子）决定子Tn 9Tn 21Tn 10Tn 8RTFR determinantR质粒的接合质粒的接合R质粒决定耐药的机制：质粒决定耐药的机制：使细菌产生灭活抗生素的酶类使细菌产生灭活抗生素的酶类R质粒控制细菌改变药物作用的靶部位质粒控制细菌改变药物作用的靶部位R质粒可控制细菌细胞对药物的通透性质粒可控制细菌细胞对药物的通透性2、转化（转化（transformation）转化是供体菌裂解游离的转化是供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌片段被受体菌直接摄取直接摄取，使受体菌获得新的性状。，使受体菌获得新的性状。转化因子（转化因子（transforming principle）在转化过程中，转化的在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子片段称为转化因子，分子量小于分子量小于107，最多不超过，最多不超过1020个基因。个基因。感受态（感受态（competence）受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子。细菌处受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附于感受态是因为其表面有一种吸附DNA的受体的受体.转化条件转化条件(1)只是在特定区域形成临时性通道只是在特定区域形成临时性通道 受体部位。数目有限。受体部位。数目有限。(2)还必须有酶，或蛋白质分子以及能量等的协同作用还必须有酶，或蛋白质分子以及能量等的协同作用 转化模式图转化模式图3、转导（转导（transduction）是以是以溶原性噬菌体为载体溶原性噬菌体为载体，将供体菌的一段，将供体菌的一段DNA 转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。转导转导 普遍性转导普遍性转导（generalized transduction）误将细菌的误将细菌的DNA片段装入噬菌体的头部，被包装的片段装入噬菌体的头部，被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分可以是供体菌染色体上的任何部分1、完全转导、完全转导2、流产转导、流产转导局限性转导局限性转导（restricted transduction）局限性转导或特异性转导，局限性转导或特异性转导，所转导的只限于供体菌所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。如染色体上特定的基因。如噬菌体进入大肠埃希菌。噬菌体进入大肠埃希菌。galbiogalbiogalbiogalbiobiogal局局限限转转导导普遍性转导与局限性转导的区别普遍性转导与局限性转导的区别区别要点区别要点普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导基因转导发生的时期基因转导发生的时期裂解期裂解期溶原期溶原期转导的遗传物质转导的遗传物质供体菌染色体供体菌染色体DNA任任何部位或质粒何部位或质粒噬菌体噬菌体DNA及供体及供体菌菌DNA的特定部位的特定部位转导的后果转导的后果完全转导或流产转导完全转导或流产转导受体菌获得供体菌受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗特定部位的遗传特性传特性转导频率转导频率受体菌的受体菌的10-7转导频率较普遍转转导频率较普遍转导增加导增加1000倍倍(10-4)四四 基因转座基因转座插入序列插入序列(insertion sequence,IS)转座子（转座子（transposon,Tn）IS ISResistance Gene(s)IS ISResistance Gene(s)转座子的特征转座子的特征转座子携带耐药或毒素基因Tn1Tn2Tn3AP（氨苄青霉素）Tn4AP、SM（链霉素）、Su（磺胺）Tn5Km（卡那霉素）Tn6KmTn7TMP（甲氧苄氨嘧啶）、SMTn9Cm（氯霉素）Tn10Tc（四环素）tn551Em（红霉素）Tn971EmTn1681大肠埃希菌（肠毒素基因）