细菌遗传和变异噬菌体.pptx

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DNA/RNA第2页/共68页第1页/共68页一 细菌染色体细菌属于原核细胞型微生物,细菌染色体是环状双螺旋DNA，不含组蛋白,无核膜包围。基因,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。细菌基因的结构是连续的,无内含子。细菌染色体DNA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？第3页/共68页第2页/共68页二 细菌的基因组结构特征 1.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 3.结构基因单拷贝及rRNA基因的多拷贝 4.基因组的重复序列少而短三 细菌的基因组测序第4页/共68页第3页/共68页四四细菌的基因调控 1.操纵子转录调控 2.分解代谢物阻遏调控 3.细菌的应激反应 4.细菌的热休克应答（HSP70）5.信号传导和二元调节系统 6.重叠基因 7.反义RNA与小干扰RNA第5页/共68页第4页/共68页 五五 质粒（质粒（plasmidplasmid）概念：是存在于细菌染色体以外,能进行自主复制的遗传因子，是环状闭合的双链DNA;对细菌的遗传性状有着重要的影响。非必需的基因第6页/共68页第5页/共68页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 编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与消除 转移性 可分为相容性和不相容性第7页/共68页第6页/共68页致育因子（fertility factor，F因子）与有性生殖有关带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛(F+)；无F质粒的为雌性菌，无性菌毛(F-)几种重要的质粒第8页/共68页第7页/共68页耐药性质粒（resistance plasmid，R质粒）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，又称R质粒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。第9页/共68页第8页/共68页细菌素质粒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乳酸菌产生Nisin A抑制G菌 食品防腐第10页/共68页第9页/共68页毒力质粒（virulence plasmid，Vi质粒）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 ST质粒编码的。细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。第11页/共68页第10页/共68页代谢质粒（metabolic plasmid）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根瘤菌的固氮基因fix位于质粒中第12页/共68页第11页/共68页第二节第二节噬菌体（噬菌体（bacteriophagebacteriophage）噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。葡萄球菌和志贺菌中首先发现第13页/共68页第12页/共68页病毒的特性：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专性细胞内寄生的微生物种类多分布极广第14页/共68页第13页/共68页噬菌体的生物学性状化学组成蛋白质-衣壳核酸-遗传物质第15页/共68页第14页/共68页形态个体小，需用电子显微镜观察蝌蚪形、微球形和丝形噬菌体的生物学性状第16页/共68页第15页/共68页结构大多数噬菌体呈蝌蚪形，由头部和尾部两部分组成大肠埃希菌T4噬菌体，头部和尾部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第17页/共68页第16页/共68页抗原性 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抵抗力比一般细菌的繁殖体强第18页/共68页第17页/共68页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节段节段第19页/共68页第18页/共68页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,产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体。第20页/共68页第19页/共68页增殖过程1）吸附只要细菌有特异性受体，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。2）穿入将头部DNA注入细菌体内，而蛋白衣壳留在菌细胞外。第21页/共68页第20页/共68页生物合成大量复制子代噬菌体的基因核酸。成熟与释放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。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的敏感细菌。第22页/共68页第21页/共68页毒性噬菌体第23页/共68页第22页/共68页在液体培养基中 噬菌现象可使浑浊菌液变为澄清在固体培养基中 噬斑（plaque）。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，即噬菌体的数量。第24页/共68页第23页/共68页噬斑第25页/共68页第24页/共68页噬 斑第26页/共68页第25页/共68页温和噬菌体 (temperate phage)噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌的分裂而传代，称为温和噬菌体或溶原性噬菌 体(lysogenic phage)。第27页/共68页第26页/共68页前噬菌体整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体（prophage）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）溶原状态十分稳定，能经历许多代可中断可“治愈”第28页/共68页第27页/共68页 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组而进入溶菌周期，产生成熟噬菌体，导致细菌裂解。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溶原性（lysogeny）溶原性第29页/共68页第28页/共68页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宿主菌胞质内类似质粒形式的噬菌体核酸前噬菌体溶原性溶原性转换（lysogenic conversion）某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变，这称为溶原性转换。第30页/共68页第29页/共68页第31页/共68页第30页/共68页噬菌体的应用细菌的鉴定分子生物学研究的重要工具细菌感染的诊断与治疗第32页/共68页第31页/共68页第三节第三节 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（gene mutation）基因的转移与重组（gene transfer and recombination）第33页/共68页第32页/共68页基因突变 什么是突变 细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变异。突变的类型 点突变：一个或几个碱基的改变 染色体畸变：大片段DNA的改变第34页/共68页第33页/共68页基因突变的规律 1、突变率 2、自发性 3、回复性 4、诱变性第35页/共68页第34页/共68页1、自发突变 彷徨试验第36页/共68页第35页/共68页1、自发突变影印培养试验第37页/共68页第36页/共68页凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质Ames试验伤寒沙门菌（his-）（his+）2、诱发突变在测定致癌物质中的应用第38页/共68页第37页/共68页 三、常见的突变类型形态结构的变异营养缺陷体突变耐药性变异毒力变异条件致死突变第39页/共68页第38页/共68页 3-6%食盐鼠疫杆菌多形态性(衰残型)。琼脂培基1.形态、结构变异第40页/共68页第39页/共68页 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型正常霍乱弧菌第41页/共68页第40页/共68页特殊结构的变异 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 单个菌落鞭毛变异第42页/共68页第41页/共68页菌落变异 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第43页/共68页第42页/共68页3.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.营养缺陷体突变第44页/共68页第43页/共68页4.毒力变异 棒状噬菌体白喉棒状杆菌 获得白喉毒素 第45页/共68页第44页/共68页 胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核杆菌卡介苗 13年(230代)5.条件致死突变第46页/共68页第45页/共68页第四节第四节 细菌的基因转移和重组细菌的基因转移和重组基因转移（gene transfer）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.重组（recombination）转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组，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转化、接合、转导、溶原性转换和细胞融合等方式进行.第47页/共68页第46页/共68页1、接合（conjugation）接合是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）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，F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒。第48页/共68页第47页/共68页（1）F质粒的接合F+F高频重组菌（high frequency recombination,Hfr）F F+、Hfr、F都为雄菌 第49页/共68页第48页/共68页接合（F+F）F+F-F+F-F+F+F+F+第50页/共68页第49页/共68页接合 高频重组菌（Hfr）F+F+Hfr第51页/共68页第50页/共68页接合 高频重组菌（Hfr）HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-第52页/共68页第51页/共68页接合 （性导，F）FFFFF FF-FF-第53页/共68页第52页/共68页（2）R质粒耐药转移因子（resistance transfer factor,RTF）耐药（r）决定子Tn 9Tn 21Tn 10Tn 8RTFR determinant第54页/共68页第53页/共68页R质粒的接合R质粒决定耐药的机制：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R质粒可控制细菌细胞对药物的通透性第55页/共68页第54页/共68页2、转化（transformation）转化是供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。转化因子（transforming principle）在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子，分子量小于107，最多不超过1020个基因。第56页/共68页第55页/共68页感受态（competence）受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附DNA的受体.转化条件(1)只是在特定区域形成临时性通道 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 第57页/共68页第56页/共68页转化模式图转化模式图第58页/共68页第57页/共68页3、转导（transduction）是以溶原性噬菌体为载体，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。转导转导第60页/共68页第59页/共68页 普遍性转导（generalized transduction）误将细菌的DNA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1、完全转导第61页/共68页第60页/共68页2、流产转导第62页/共68页第61页/共68页局限性转导（restricted transduction）局限性转导或特异性转导，所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。如噬菌体进入大肠埃希菌。galbiogalbiogalbiogalbiobiogal第63页/共68页第62页/共68页局局限限转转导导第64页/共68页第63页/共68页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)第65页/共68页第64页/共68页四 基因转座插入序列(insertion sequence,IS)转座子（transposon,Tn）IS ISResistance Gene(s)IS ISResistance Gene(s)第67页/共68页第66页/共68页转座子的特征转座子携带耐药或毒素基因Tn1 Tn2 Tn3AP（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）第68页/共68页第67页/共68页感谢您的观看！第68页/共68页