第11章 微生物的遗传与变异课件.ppt

遗传与变异原理（DNA、基因及其转录、翻译）遗传变异现象（形态、抗原、菌落、毒力、耐药）变异相关物质（染色体-致病岛、质粒、噬菌体、转座子）变异机制（基因突变、转移、重组）,微生物的遗传和变异,遗传（heredity）:,上一代生物将自身的一整套遗传基因稳定地传递给下一代的特性。,变异（variation）：,生物体在某种外因或内因的作用下，发生遗传物质结构或数量的改变，而且这种改变稳定，具有可遗传性。,引言,1.遗传与变异,遗传保证了微生物种的相对稳定性、种的存在和延续，而变异则推动了种的进化和发展。,2.遗传型和表型,遗传型（genotype）,表型(phenotype),某一生物体个体所含有的全部遗传因子，即基因的总和，又称为基因型。,某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和。,表型的实现是由生物体的遗传型和环境条件共同作用的结果。,二.细菌的遗传与变异（一）细菌的变异现象 形态结构变异 抗原性变异 菌落变异 毒力变异 耐药性变异,正常形态细菌 L型变异,形态结构变异,炭疽芽胞杆菌L型（串珠状）,青霉素、溶菌酶,抗体或补体(部分或完全失去胞壁),含1%石炭酸培养基,普通培养基,细菌鞭毛变异,随着鞭毛变异，细菌抗原性发生变异,毒力变异,无毒白喉棒状杆菌 产毒白喉杆菌,胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核杆菌 卡介苗 13年(230代)（1908）,棒状噬菌体,耐药性变异,细菌对某种抗菌药物由敏感变为不敏感（即耐药）的变异称为耐药性变异（获得R质粒）。有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。痢疾杆菌 依链株(耐药菌株),含链霉素培基,长期培养,菌落变异,光滑型菌落 粗糙型菌落 S R,菌落（S型）,在陈旧培养基中长期培养,或在有免疫力的人体内,有荚膜肺炎链球菌,无荚膜肺炎链球菌,遗传物质,核酸,蛋白,？,？,试验,核酸,！,结论：性状是由基因（遗传因子）决定，基因存在于染色体（染色体是核酸或其与蛋白质的结合物）。核酸分子是遗传物质，基因是其信息单位，染色体是其存在形式。,一、证明核酸是遗传变异的物质基础的三个经典实验（一）经典转化实验（二）噬菌体感染实验（三）植物病毒的重建实验,二、微生物遗传变异的物质基础,病毒的核酸原核细胞型微生物染色体真核核细胞型微生物染色体染色体外的遗传物质 质粒 噬菌体 转座子（转位因子）,基因（gene）是什么?,是实体，其物质基础是DNA（或RNA）；是一个含有特定遗传信息的DNA分子区段；是遗传信息传递和性状分化发育的依据；基因是可分的，根据功能不同，分为：编码蛋白质的基因 结构基因（结构蛋白，酶）调节基因（阻遏蛋白或激活蛋白）无翻译产物的基因 tRNA基因（简称 tDNA）rRNA基因（简称rDNA）不转录的DNA区段 启动子（promotor）操纵基因（operator）,基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，它是遗传的功能单位。,基因组,是存在于生物体遗传物质中全部基因的总称,一、病毒的核酸,病毒的遗传物质是DNA或RNA，核酸类型多样。,E.coli 染色体DNA大小为4.710 6 bp，长度为1333m，是菌体长度的1000倍。,二、原核生物染色体的结构,遗传因子存在形式,（1）一般没有间隔基因（内含子）细菌的基因一般是连续排列的。结构基因的表达由调节基因调控，一个或几个相关的基因组成操纵子。在细菌的基因组中，基本上未发现与真核生物的内含子或连接DNA相似的“无”功能序列。（2）一般没有重复序列 细菌的基因一般都是单拷贝的。唯一可以发现的重复DNA序列，也只有核糖体rRNA基因、插入序列、转座子和短重复序列等。,原核生物基因的结构,三、真核生物染色体结构,真核生物染色体组成的基本单位是核小体，其核心颗粒由四种蛋白形成的8聚体和DNA组成。由H1组蛋白和DNA相连一串核小体称为染色质（chromatin）。在细胞分裂中期，染色质浓缩、反复折叠成为一定形状的染色体。,真核生物基因的结构,一个完整的真核基因，不仅包括编码区，也包括编码区两侧的调控序列。与原核基因相比，最大的差别在于编码区被许多非编码序列所间断，这种非编码序列称为内含子（intron），被间隔的编码区称外显子（exon）。,真核细胞和原核细胞的最大差别之一是遗传物质的分布和存在状态。原核细胞的染色体是以裸露DNA存在于细胞中，而真核细胞的DNA则与组蛋白和非组蛋白相结合并缠绕成多条染色体存在于细胞核中。在真核生物染色体中，DNA约占30-40%，组蛋白和非组蛋白占60%以上，RNA约占10%以下。,质粒(plasmid)：是细菌染色体以外的遗传物质，是闭合环状的双链DNA。,（二）质粒,质粒的三种构型,质粒具有自我复制的能力。质粒DNA所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征。质粒可自行丢失与消除。质粒的转移性。质粒可分为相容性与不相容性两种。,质粒DNA的特征,质粒的分类：,根据质粒能否通过细菌的接合作用进行传递 1接合性质粒 2非接合性质粒根据相容性 1相容性几种质粒同时共存于同一菌体内 2不相容性不能同时共存 可借此对质粒进行分组、分群,常见的质粒类型,致育质粒（fertility plasmid、F质粒）编码性菌毛，介导细菌之间的接合传递；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。分两类，一 是接合性耐药质粒（R质粒），另一是非接合耐药性质粒（r质粒)；毒力质粒（Virulence plasmid,Vi质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子,S.aureus的表皮剥脱素；细菌素质粒(Col plasmid)编码细菌产生的细菌素；代谢质粒(metabolic plasmid)编码产生相关的代谢酶。,(1)致育质粒(Fertility plasmid，F质粒),又称F质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。,携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。,F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。,在志贺氏菌属（Shigella）、沙门氏菌属（Salmonella）和链球菌属（Streptococcus）等其他细菌中也发现了与大肠杆菌类似的致育因子。,在放线菌中，天蓝色链霉菌含有SCP1和SCP2两种致育质粒，这两种质粒在天蓝色链霉菌的接合过程中起重要作用，带动染色体从供体细胞向受体细胞转移。,(2)抗性质粒（Resistance plasmid，R质粒）,包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。,R100质粒(89kb)可使宿主对下列药物及重金属具有抗性：汞（mercuric ion，mer）四环素（tetracycline，tet）链霉素(Streptomycin,str)、磺胺(Sulfonamide,sul)、氯霉素(Chlorampenicol,cml)夫西地酸（fusidic acid，fus）负责这些抗性的基因是成簇地存在于抗性质粒上。,抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。,(3)Col 质粒：产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）,细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因,一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死同种但不携带该质粒的菌株。,细菌素：许多细菌都能产生某些代谢产物，抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株，因为这些代谢产物是由质粒编码的蛋白质，不象抗生素那样具有很广的杀菌谱，所以称为细菌素（bacteriiocin）,(4)代谢质粒（Metabolic plasmid）,质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。,将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。,假单胞菌：具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药(2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能力。,降解质粒,TOL质粒：含分解甲苯的基因；CAM-OCT质粒：含分解樟脑辛烷的基因,转座（transposon)：是指转座因子从染色体的一个位置转移到另一位置，或者在质粒与染色体之间转移的过程。,转座子有二类：插入序列(insertion sequence,IS)：最小，不超过2kb,只携带与转座功能有关的基因。转座子(transposon,Tn)：长度一般超过2kb，除携带与转位有关的基因外还携带其他基因（如耐药性、毒素基因等）.,噬 菌 体,bacteriophage,bacteriophage,bacteriophage,bacteriophage,bacteriophage,bacteriophage,概念：是一类感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒，因为噬菌体能引起宿主菌的裂解，故称噬菌体。具有病毒的基本特性.,噬菌体（bacteriophage,phage）,噬菌体的生物学性状,噬菌体的大小与形态,噬菌体的结构,噬菌体的化学组成,噬菌体的寄生性,噬菌体的抵抗力,噬菌体的分类,噬菌体与其他微生物大小的比较,葡萄球菌（1 m）,支原体、立克次体、衣原体（0.3 0.6 m）,口蹄疫病毒（20nm）,痘病毒（300nm）,卵蛋白分子（10nm）,噬菌体（6595nm）,个体微小，以nm为测量单位，需用电子显微镜观察,噬 菌 体 的 形 态,微球形,蝌蚪形,细杆形,尾鞘,尾丝,核酸（线状双股DNA),有尾型噬菌体结构,尾刺,头部,尾部,尾领,尾髓,尾板,噬 菌 体 的 化 学 组 成,核 酸,蛋白质,DNA 或 RNA,头部衣壳尾部结构,噬 菌 体 的 分 类,根据噬菌体的核酸组成,DNA噬菌体RNA噬菌体,根据噬菌体与宿主的关系,毒性噬菌体（virulent phage)温和噬菌体（temperate phage）又称 为溶源性噬菌体,毒性噬菌体（virulent phage）能在宿主菌细胞内，利用宿主菌的酶、能量进行复制增殖，产生子代噬菌体并使宿主菌裂解的噬菌体为毒性噬菌体。,毒 性 噬 菌 体 的 复 制 增 殖,1、吸 附 是噬菌体与细菌表面相应受体特异性结合的过程,2、穿 入,有尾噬菌体将头部的DNA注入宿主菌内,无尾噬菌体经脱壳进入宿主菌内，类似于动物病毒的穿入过程,3、生物合成,利用宿主菌的酶和能量复制 核酸及合成蛋白质,4、成熟与释放,程序组装,菌细胞裂解，噬菌体释放,毒 性 噬 菌 体 的 复 制 增 殖,1、吸附,2、穿入,3、生物合成,4、成熟与释放,噬菌体在固体培养基中与细菌共同培养后形成的噬斑,噬菌现象,均匀混浊,澄清,痢疾杆菌,大肠杆菌,痢疾杆菌噬菌体,痢疾杆菌噬菌体,痢疾杆菌培养液,噬斑,肉汤,结论：噬菌体可以裂解细菌并具有高度特异性,温 和 噬 菌 体,某些噬菌体感染宿主菌后，将其基因整合到宿主菌基因组并随宿主基因的复制而复制，当宿主菌分裂时，噬菌体的基因亦随之分配到两个子代宿主菌基因组中；在某些因素作用下，可裂解其感染宿主菌的噬菌体称之。,前噬菌体-整合在细菌染色体上的噬菌体基因组,溶原性细菌-带有前噬菌体基因组的细菌,温 和 噬 菌 体 的 复 制 繁 殖,1、吸附,2、穿入,3、前噬菌体形成,4、溶原性周期,5、一定条件下，前噬菌体脱离细菌染色体,6、溶菌性周期,溶原性细菌,诱导,前噬菌体,溶菌性周期,溶原性周期,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,第三节 微生物变异的常见类型,野生型:-从自然界分离到的菌株一般称野生型菌株（wild type strain），简称野生型。突变株:-野生型经突变后形成的带有新性状的菌株，称为突变株（mutant）。,（1）营养缺陷型（auxotroph）,一种缺乏合成其生存所必须的营养物（包括氨基酸、维生素、碱基等）的突变型，只有从周围环境或培养基中获得这些营养或其前体物（precursor）才能生长。,营养缺陷型是微生物遗传学研究中重要的选择标记和育种的重要手段,表型判断的标准：,在基本培养基上能否生长,（2）抗药性突变型（resistant mutant）,基因突变使菌株对某种或某几种药物，特别是抗生素，产生抗性。,特点：,正选择标记（突变株可直接从抗性平板上获得-在加有相应抗生素的平板上，只有抗性突变能生长。所以很容易分离得到。）,（3）条件致死突变型（conditional lethal mutant）,在某一条件下具有致死效应，而在另一条件下没有致死效应的突变型。,常用的条件致死突变是温度敏感突变，用ts（temperaturesensitive）表示，这类突变在高温下（如42）是致死的，但可以在低温（如25-30）下得到这种突变。,特点：,负选择标记,这类突变型常被用来分离生长繁殖必需的突变基因,（4）毒力变异株,微生物长期培养于加有特殊化学成分的培养基或长期通过不同的动物穿戴，其毒力能够降低。,胆汁、甘油、马铃薯培养基牛型结核杆菌 卡介苗 13年(230代)（1908）,第四节 微生物变异的机制,细 菌 变 异 的 机 制,表型变异（非遗传性变异）,基因型变异（遗传性变异）,突变（mutation)与损伤后修复,转移与重组,转化(transformation)接合(conjugation)转导(transduction)溶原性转换(lysogenic conversion)原生质体融合（protoplast fusion),一、基因突变,1.自发性和不对应性,基因突变的共同特征,2.稀少性,3.可诱发性,4.独立性,5.可逆性,6.稳定性,一、基因突变的分子基础,(一)自发突变,(二)诱发突变,引起自发突变的原因主要有以下几方面：背景辐射和环境因素引起；有害代谢产物引起；互变异构效应引起的碱基配对错误；DNA复制过程中碱基配对错误；转座因子的作用。,通过人为的方法，利用物理、化学或生物因素显著提高自发突变频率的手段。,生物体在无人工干预下自然发生的低频率突变（10-6-10-9）。它是生物进化的根源。,(二)、诱发突变,诱变剂（mutagen）：,凡能提高基因突变频率的因素统称为诱变剂,诱变剂的种类,物理诱变剂,化学诱变剂,生物诱变剂,碱基类似物诱变剂；与碱基起化学反应的诱变剂；嵌入诱变剂；,：辐射和热,：转座因子,基 因 突 变,碱基置换,氨基酸改变,半胱氨酸,酪氨酸,碱基丢失,碱基颠换,二、基因的转移和重组,一、转化（Transformation）,受体菌直接摄取供体菌游离的DNA片断并重组使其获得新的性状的过程。,自然遗传转化（natural genetic transformation）,人工转化（artificial transformation）,感受态细胞：具有摄取外源DNA能力的细胞,（competent cell）,自然遗传转化的进行涉及到细菌染色体上几十个基因的功能及彼此间的相互协调，因此被认为是名副其实 的细菌水平基因转移途径。,自然感受态与人工感受态的不同,自然感受态的出现是细胞一定生长阶段的生理特性。,人工感受态则是通过人为诱导的方法，使细胞具有摄取DNA的能力，或人为地将DNA导入细胞内。,与细菌自身的遗传控制无关,受细菌自身的基因控制,一般出现在细菌生长的中、后期,1928年，Griffith发现肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）的转化现象,目前已知有二十多个种的细菌具有自然转化的能力,进行自然转化的条件：,建立了自然感受态的受体细胞,外源游离DNA分子,DNA是遗传物质的确证；基因工程技术的建立；重要的微生物遗传学方法；,转 化 transformation,A,B,C,D,结合蛋白,枯草芽孢杆菌的自然转化过程（革兰氏阳性菌的转化模型）,转化后的结果 转化子和非转化子,1、只有少数菌属可发生转化。2、受菌处于感受态，才可摄取外源DNA3、供菌DNA必须与受菌DNA同源性4、供菌DNA只有单股与受菌染色体发生整合,故只有一个子代细菌带供菌的DNA。,特点,细菌通过性菌毛的接触沟通将 DNA从供菌 转移到受菌中的方式。,概念：,方式：,接 合 conjugation,F质粒接合,Hfr菌接合,R质粒接合,F 质 粒 接 合,通过性菌毛的接触沟通将接合性质粒从供菌转移到受菌。,接合时F因子的转移与复制,F因子的四种细胞形式,b）F+；（F因子独立存在，有性菌毛）。,c）Hfr；F因子插入到染色体DNA上，有性菌毛。,d）F；F因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子。细胞表面同样有性菌毛。,a）F-；（“雌性”菌株，无性菌毛）,“雄性”菌株,（1）F+F-杂交,杂交的结果：给体细胞和受体细胞均成为F+细胞,理化因子的处理可将F因子消除而使F+菌株变成F-菌株,F+菌株的F因子向F-细胞转移，但含F因子的宿主细胞的染色体DNA一般不被转移。,Hfr菌株的F因子插入到染色体DNA上，因此只要发生接合转移转移过程，就可以把部分甚至全部细菌染色体传递给F-细胞并发生重组，由此而得名为高频重组菌株,（2）Hfr F-杂交,Hfr菌株仍然保持着F+细胞的特征，具有F性菌毛，并象F+一样与F-细胞进行接合。所不同的是，当OriT序列被缺刻螺旋酶识别而产生缺口后，F因子的先导区(leading region)结合着染色体DNA向受体细胞转移，F因子除先导区以外，其余绝大部分是处于转移染色体的末端，由于转移过程常被中断，因此F因子不易转入受体细胞中，故HfrF-杂交后的受体细胞(或接合子)大多数仍然是F-,染色体上越靠近F因子的先导区的基因，进入的机会就越多，在F-中出现重组子的的时间就越早，频率也高。,F因子不易转入受体细胞中，故HfrF-杂交后的受体细胞（或称接合子）大多数仍然是F-。,Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离染色体时，形成游离的但携带一小段染色体基因的F因子，特称为F因子。,FF-与F+F-的不同：给体的部分染色体基因随F一起转入受体细胞,a）与染色体发生重组；,b）继续存在于F因子上，形成一种部分二倍体；,（3）FF-杂交,Hfr：F质粒进入受体菌后，少数F质粒插入到受体菌 的染色体中，与染色体一起复制（整合）。整合后的细菌有可能提高转移染色体基因的频率，称此菌为高频重组菌（high friquency recombinant，Hfr）。F质粒：Hfr菌中的F质粒可从染色体染色体上脱落下来，并会带染色体基因或DNA片段，称其为 F质粒。F+、Hfr、F质粒：三种菌都有性菌毛，均可通过接合方式进行基因的转移。通过接合方式转移的质粒为接合性质粒如F质粒、R质粒。不能通过接合方式转移的质粒为非接合性质粒如葡萄球菌的R质粒。革兰阳性菌之间的接合是依赖供体菌表面的黏附素，使供受体菌细胞形成聚集体，完成R质粒的转移。,R 质粒接合,R 质粒包括：耐药传递因子（RTF）：编码性菌毛耐药决定因子（r factor）：编码耐药性,A,C,D,B,R质粒结构图,Tn9 带氯霉素R因子 Tn4 带氨苄青霉素、链霉素和磺胺 R因子 Tn5带卡那霉素、博来霉素和链霉素 R因子,耐药传递因子编码菌毛,转 导 transduction,概 念：以噬菌体为媒介，将供菌的一段DNA转移到 受菌中的过程。,普遍性转导 局限性转导,缺陷噬菌体,部分缺陷噬菌体,完全缺陷噬菌体,普遍性转导-完全缺陷噬菌体可以转导给体染色体的任何部分到受体细胞中的转导过程。普遍性转导也可转导质粒，如金葡菌的质粒的获得,葡萄球菌R质粒,普遍性转导的三种后果：,完全转导：进入受体的外源DNA通过与细胞染色体的重组交换而形成稳定的转导子,流产转导（abortive transduction）,转导DNA不能进行重组和复制，但其携带的基因可经过转录而得到表达。,外源DNA被降解，转导失败,局限性转导-进入溶原期的温和噬菌体，以前噬菌体形式整合在细菌染色体的某一位置，当其自发或经诱导中止溶原状态，前噬菌体脱离细菌染色体时，脱离的前噬菌体基因携带出与它紧密连锁的细菌的DNA片断，使受体菌获得供体菌的某种遗传性状的过程。,Gal：半乳糖操纵子 bio：生物素操纵子,普遍性转导与局限性转导的区别,接合(conjugation)：,细胞与细胞的直接接触（由F因子介导）,转导(transduction)：,由噬菌体介导,自然遗传转化(natural genetic transformation)：,游离DNA分子+感受态细胞,1,2,溶原性转换 lysogenic conversion,在温和噬菌体的溶原期，因前噬菌体与细菌染色体整合而导致细菌基因型发生改变而获得新的性状。,无毒的白喉杆菌感染了-棒状杆菌噬菌体后变成了产毒的白喉杆菌。,溶源转变,一个与转导相似又不同的现象,温和噬菌体感染细胞后使之发生溶源化，因噬菌体的基因整合到宿主染色体上，而使后者获得了新性状的现象。,溶源转变与转导的不同？,a）发生溶源转变的噬菌体携带不携带供体菌的基因？,b）发生溶源转变的噬菌体是完整的，还是缺陷的？,c）新获得的性状是什么细胞？而不是什么细胞？,d）所获得形状稳定不稳定？,原生质体融合（protoplst fusion）,G+菌形成原生质体后，在聚乙二醇（PEG）作用下，可使两种不同的细菌细胞发生融合的过程。融合后形成双倍体细胞，可短期生存，染色体重组，获得多种不同表型的重组融合体。,重组,基因重组是指两个或两个以上的不同的核酸分子进行重排，产生新的核苷酸排列顺序。基因重组是遗传的基本现象，病毒、原核生物和真核生物都存在基因重组现象,细菌遗传变异的医药学意义,疾病的诊断、治疗与预防；致癌物质的检测；流行病学调查；基因工程。,基因工程,思 考 题,名词解释：噬菌体、毒性噬菌体、温和噬菌体、前噬菌体、溶原性细菌、质粒、转化、转导、接合、溶原性转换。问答题：1、细菌变异的物质基础是什么？2、试述质粒的种类和特性及其临床意义。3、细菌的耐药性是如何产生的？4、简述细菌基因转移与重组的四种方式。5、细菌接合的主要方式有哪些？6、何谓噬菌体？何谓溶源性细菌？有何临床意义？6、什么是普遍性转导和局限性转导？何谓完全转导和流产转导，他们之 间有何不同？,