《细菌的遗传与变异》PPT课件.ppt

1,第五节 细菌的遗传与变异,2,遗 传（heredity）,变 异（variation）,基因型变异,表型变异,遗传与变异是所有生物的共同生命特征,子代与亲代生物学性状基本相同,且代代相传。,子代与亲代,子代与子代的生物学性状出现差异。,3,一、非遗传性变异-表型变异 1、形态、结构、菌落的变异 2、细菌的毒力变异,4,一、遗传性变异 与细菌遗传变异相关的物质 一）染色体 (chromosome) 二）质粒 (plasmid) 三）噬菌体（phage ） 四）转位因子 (transposable element),一) 细菌染色体(chromosome),特点： 1.闭合环状双链DNA（cccDNA）,裸露核酸分 子, 无组蛋白,无核膜包裹 2. 基因组是连续的。几乎无内含子 3. 基因以操纵子形式存在 4. 存在基因交换：细菌的种内和种间存在广泛的遗传物质交换,致病岛(pathogenicity island) 致病菌染色体上编码与毒力相关基因的外源DNA片断,是分子量较大(20100kbp)的基因群 耐药基因(resistant gene) 与耐药性的产生和传播密切相关,7,1、概念： 能自主复制的染色体 外遗传物质，为环状闭合的 双链DNA（dsDNA）,二） 质粒 (plasmid),2. 分类： 根据质粒基因编码的生物学性状 致育质粒/F (fertility) 质粒 编码性菌毛 耐药性质粒（R质粒） 编码细菌对抗菌药物或 重金属盐类的耐药性,毒力质粒/Vi (virulence) 质粒 编码与该菌致病性有关的毒力因子 细菌素质粒 编码各种细菌产生的细菌素 如：Col 质粒编码大肠埃希菌产生的大肠菌素 代谢质粒 编码产生与代谢相关的许多酶类,3、质粒的特点 1）.是非必要的遗传物质,控制次要性状，但能够自我复制和稳定遗传； 2）.大质粒(60MD)数量少，小质粒(15MD)数量多，用氯霉素等抑制DNA复制时,可使拷贝数扩增； 3）.具互不相容性（incompatibility)：两种亲缘关系密切的不同质粒不能共存于一个宿主菌。 4）.可转移性：在同种个体间移动（F因子），也可以在种间转移（R因子），可转移的质粒具有与转移有关的基因；,5）.可整合性：质粒可以独立存在于细胞质中，也可 以整合到主染色体上，成为染色体的一部分，这样 的质粒称为附加体； 整合的质粒又可以脱落下来。 6）.可重组性:不同质粒或质粒与染色体之间可以进 行 基因交换重组形成新的重组质粒； 7）.可消除性：质粒在寄主细胞内，有时会自行消 失，也可以经高温、吖啶橙、丝裂霉素C处理来 消除。吖黄素处理可使F+变成F-； 8）.耐碱性：在分离质粒时的pH常为12.4。,三） 噬菌体 (phage),1. 定义： 是感染细菌、真菌、放线菌 或螺旋体等微生物的病毒 2. 特点： 个体微小 (small) 结构简单 (simple) 核酸单一 (single) 寄生特异 (special),4 S,3.形态与结构： 多为蝌蚪状；少微球形、细杆形 4. 化学组成： 核酸(遗传物质)dsDNA(多) ssDNA(少) +/- ssRNA(少) dsRNA(最少) 蛋白质-衣壳组成成分,14,噬菌体结构模式图,尾部 尾领 尾 鞘 尾髓 尾板 尾刺 尾丝,头部 核心（核酸） 衣壳（蛋白质）,15,大肠埃希菌T4噬菌体形态(蝌蚪状) (TEM390,000),5. 分类： 按感染细菌的结果分:,毒性噬菌体(virulent phage)： a、裂解细菌的噬菌体, b、在宿主菌内可大量增殖, c、释放的噬菌体再感染其他 敏感细胞, 建立了溶菌性周期,17,温和/溶原性噬菌体(temperate phage)： a、感染细菌后不增殖，不引起宿主菌裂解 b、噬菌体核酸整合到细菌染色体上 c、噬菌体核酸随细菌染色体的复制而复制 d、建立了溶原性周期,18,前噬菌体(prophage): 整合在细菌染色体上的噬 菌体基因,随细菌染色体复制而复制，并随细菌的分 裂而分配至子代细菌的染色体中. 溶原状态: 随着溶原性细菌的分裂而将前噬菌体 基因传代的状态. 溶原性细菌 (lysogenic bacteria): 细菌染色体上带有前噬菌体的细菌.,几个概念,19,溶原性细菌的特点：,1.能正常分裂，并将前噬菌体传给子代 2. 对相应噬菌体具有免疫性 3. 整合的前噬菌体经溶原性转换给细菌带来新的性状 4.前噬菌体可自发或诱导脱离宿主染色体进入溶菌周期，导致细菌裂解,6. 与细菌的相互关系, 溶菌周期： A. 吸附穿入 B. 生物合成 C. 装配释放 溶原周期： A. 吸附穿入 B.环化整合 ：前噬菌体 C.溶原状态终止： 前噬菌体切离,进入溶菌周期,细菌治愈,吸附absorption,穿入penetration,生物合成 biosynthesis,装配assembly,释放release,噬菌体的溶菌周期,噬菌体的溶原周期,吸附absorption,穿入penetration,整合 integration,整合前环化,感染,终止,治愈,整合,溶原周期,溶菌周期,正常周期,噬菌体与细菌相互作用示意图,温和噬菌体可有溶原性周期和溶菌性周期; 毒性噬菌体只有一个溶菌性周期,7、噬菌体的应用： a、细菌的鉴定和分型 b、分子生物学研究的工具,四）转位因子(transposable element),1. 本质：细菌内能改变自身位置的DNA序列， 为移动基因（movable genes） 2. 转移方式： 通过自身编码产生的特殊重组酶导致 其转移或移位 染色体内移位（AB） 染色体与质粒间 不同质粒之间,26,3. 种类：,1. 插入序列（insertion sequence, IS）： 2. 转座子（transposon, Tn）： 3. 转座噬菌体：,插入序列(IS)组成： 转座酶（transposase) 的表达产物可引起转座。,（一）插入序列转座,4.转座(transposition) 由IS和Tn介导的基因移位或重排称为转座,插入序列的复制性转座,29,转座子(transposons) 可从一个染色体位点转移到另一位点的分散重复序列 转座子组成：,（二）转座子转座,如:Tn3,转座子介导的转座,变 异,基因型变异 (遗传性变异),表型变异:非遗传性变异,基因重组 基因突变 染色体变异,三、细菌变异的机制,一）基因突变(mutation) 1. 定义： 遗传物质的结构发生突然而稳定的改变。,2. 类型： 碱基插入 转换 单点突变 碱基置换 碱基缺失 颠换 染色体重排 多点突变 染色体倒位 染色体重复 染色体缺失,3. 突变规律： 突变率: 自发突变(spontaneous mutation) 10-610-9 诱导突变(inducing mutation) 提高101000倍 发生： 由环境因素诱导，是随机的，不定向的？ 试验： 1943年Luria和Delbruck设计了有名的 彷徨试验(fluctuation test)； 1952年Lederberg等设计了 影印培养(replica plating)。,彷徨（波动）试验,103/ml 敏感菌,10ml,10ml,立即接种,37 24h,含噬菌体平板,含噬菌体平板,37 24h,35,36,结论： A. 突变是自发的，随机的 B. 抗生素等不是突变的诱因 而是筛选突变株的因素,37,4.回复突变(backward),野生株 (wild strain),突变株 (mutant strain),正向突变 回复突变,原因:突变株中的一个抑制基因突变所致. 回复突变可自发或诱导发生,二） 基因转移与重组,定义： 基因转移 (transfer)或基因交换 (genetic exchange) -供体菌DNA转移给受体菌的过程 重组 (recombination) - 外源性DNA与受体菌染色体整合，导致基因型发生改变成为重组菌的过程, 主要方式： 转化、转导、转换、接合、 原生质体融合,39,A. 转化 (transformation),1. 定义： 受体菌直接摄取供体菌DNA而获得新遗传性状的过程 例：溶菌时，裂解的DNA片段被另一细菌摄取。,2. 肺炎链球菌转化试验,S,R,无S,R+S R+S,分离结果,Avery实验，1944年,41,B. 转导 (transduction),1. 定义： 由转导性或缺陷性噬菌体介导的遗传物质从供体菌转移到受体菌，使受体菌获得新的性状 2. 分类： 普遍性转导(general transduction)： 转导性(假)噬菌体介导； 局限性转导(restricted transduction)： 缺陷性噬菌体介导。,42,普遍性转导机制 （generalized transduction),供体菌DNA误装入噬菌体-转导噬菌体 转导噬菌体感染新宿主菌 (假噬菌体) 受体菌获得供体菌DNA,普遍性转导中外源DNA的结果 1)完全转导： 供体菌的DNA与受体菌染色体重组，形成稳定的转导子而随之传代 2)流产转导(abortive transduction): 供体菌的DNA与受体菌染色体不能进行重组转导的片断只能随细胞分裂沿单个细胞传递下去,局限性转导(restricted transduction) - 前噬菌体从宿主菌染色体上脱落时发生偏差,将前噬菌体两侧的宿主染色体基因转移到受体菌,使受体菌遗传发生改变的过程.,局限性转导机制 （restricted transduction),bio-生物素操纵子 gal-半乳糖操纵子,正常切离,偏差切离,缺陷噬菌体,正常噬菌体,前噬菌体,46,局限性转导与普遍性转导的主要区别： 普遍性转导 局限性转导 转导时间 温和噬菌体裂解期 温和噬菌体溶原期 转导载体 温和噬菌体 转导基因 供体菌染色体DNA的 噬菌体DNA及供体菌染 任何部位或质粒 色体DNA的特定部位片断 转导频率 低 高 转导结果 完全转导 获得供体菌DNA 流产转导 特定部位的遗传特性,C. 转换(conversion),1. 定义： 温和噬菌体的DNA整合到宿主菌染色体DNA后，成为溶原状态导致遗传性变异 2.举例： 白喉杆菌 （不产毒素）,棒状杆菌噬菌体,溶原性白喉杆菌 （产生毒素）,D. 接合 (conjugation),1. 定义： 细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质(主要是质粒)从供体菌转移给受体菌。 主要接合性质粒： F质粒、R质粒、Col质粒、 Vi质粒,49,重要的质粒: F质粒： 作用编码性菌毛 复制 滚环模式复制、整合于染色体复制 存在F+ 菌-含游离的F质粒 F 菌- 含带宿主菌基因的F质粒 Hfr菌(high frequency recombinant) 高频重组菌 - F质粒整合于细菌染色体中,F质粒存在的生理状态,大肠杆菌F质粒的各种存在状态间的转变,F- 菌,F+ 菌,Hfr 菌,F菌-lac,与 F+菌接合,消除,整合,切离,偏差切离,丢失,整合,与F菌接合, R质粒 作用：决定细菌的耐药性 结构：,RTF (resistance transfer factor) -耐药传递因子 -编码性菌毛和通过结合转移 R determinant （r决定子） -耐药决定子 -编码对抗菌药物的耐药性,结合,游离,耐药传递因子（RTF）,r决定子,IS,IS,r决定子,存在： a. 复合物形式：RTF- r决定子 b. 游 离 形 式：单独r决定子,两部分单独存在时无接合传递R质粒的功能,2.接合类型： F+ 菌(雄) F- 菌(雌),半保留复制,F+菌 2, Hfr菌(雄) F- 菌(雌),重组F-菌+Hfr,基因重组,1、两者结合 2、DNA一条链断开，染色体DNA经性菌毛进入F- 菌 3、接合作用可随时中断（自发或外界因素），受体菌一般仍是F- 菌, F菌(雄) F- 菌(雌),F菌 2,性 导,57,大肠埃希菌与肠道杆菌接合 （电镜扫描图）,58,E. 原生质体融合 (protoplast fusion),A 细菌,B 细菌,A 原生质体,B 原生质体,重组融合体,不同重组菌,培 养,聚乙二醇,青霉素等,59,细菌基因转移与重组的几种方式比较 方式 基因来源 转移机制,转化 供体菌 直接摄取 普遍转导 溶原菌 (假)转导噬菌体感染 局限转导 溶原菌 缺陷噬菌体感染 溶原转换 温和噬菌体 温和噬菌体感染 接合 雄性菌 性菌毛沟通 融合 原生质 原生质体融合,60,基因重组 (recombination),方式： 同源重组(homologous recombination) 亲缘关系相同或相近的细菌间DNA的重组 如: 肺炎球菌和型间DNA的重组。 同源重组的分子机制,Holiday中间体,片段重组体,拼接重