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第五章第五章 细菌的遗传细菌的遗传(ychun)与变与变异异第一页，共七十四页。遗传遗传：指亲代与子代之间某些性状相似性状相似 或相同或相同(xin tn)，保持了种族相对稳定。变异变异：指亲代与子代之间出现性状差异性状差异，使细菌产生变种或新种。遗传性变异(biny)：基因型基因型变异非遗传性变异：表型表型变异第二页，共七十四页。微生物遗传微生物遗传(ychun)的的物质根底物质根底遗传变异有无物质根底以及何种物质可承担遗传变异功能的问题，是生物学中的一个重大理论问题。直到1944年后，利用(lyng)微生物这一实验对象进行了三个著名的实验，才以确凿的事实证实了核酸尤其是DNA才是遗传变异的真正物质根底。第三页，共七十四页。三个经典(jngdin)实验转化实验(shyn)噬菌体感染实验AlfedHershey和MarthaChase(1952)用放射性同位素35S标记蛋白质，32P标记DNA。植物病毒重建实验1956年，H.Fraenkel-Conrat用含RNA的烟草花叶病毒(TMV)进行了著名的植物病毒重建实验，证明了RNA也是遗传物质的根底第四页，共七十四页。第一节第一节 细菌细菌(xjn)遗传变异遗传变异 的物质根底的物质根底第五页，共七十四页。一、一、细菌细菌(xjn)的变异现象的变异现象 1、形态结构变异形态结构变异 细菌细菌L型型在青霉素、溶菌酶、补体在青霉素、溶菌酶、补体(bt)等作用下，使菌细胞壁发生缺陷；细菌呈多等作用下，使菌细胞壁发生缺陷；细菌呈多态性，革兰染色阴性。态性，革兰染色阴性。H-O变异变异细菌失去鞭毛细菌失去鞭毛第六页，共七十四页。陈旧培基物鼠疫杆菌(gnjn)多形态性第七页，共七十四页。2、毒毒 力力 变变 异异v毒力增强毒力增强 无毒的白喉棒状杆菌感染温和噬菌体后成无毒的白喉棒状杆菌感染温和噬菌体后成为有毒株。为有毒株。v v毒力减弱毒力减弱 有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株v v卡介苗卡介苗 Bacillus of Calmette-Gerin，BCG：v 卡介二氏用有毒的牛结核卡介二氏用有毒的牛结核(jih)分枝杆菌在含胆分枝杆菌在含胆汁、甘油、马铃薯的培养基上，经汁、甘油、马铃薯的培养基上，经13年连续年连续230次传代所次传代所获得的一株毒力减弱但保存免疫原性的变异株；是用于获得的一株毒力减弱但保存免疫原性的变异株；是用于预防结核预防结核(jih)病的减毒活疫苗。病的减毒活疫苗。第八页，共七十四页。3、耐、耐 药药 性性 变变 异异 细菌对某种抗生素或药物由敏感变为不敏感即为细菌的耐药现象(xinxing)。耐药菌多重耐药菌抗生素依赖第九页，共七十四页。4、菌落菌落(jnlu)变异变异 光滑型光滑型smooth，S 粗糙型粗糙型 rough，R S-R 变异变异 S型菌株致病性强，一般型菌株致病性强，一般(ybn)新别离的菌株为新别离的菌株为S型。菌落型。菌落发生变异后，细菌的理化特性、抗原性、生化能力、毒力等也可发生变异后，细菌的理化特性、抗原性、生化能力、毒力等也可发生改变。发生改变。第十页，共七十四页。一细一细 菌菌 染染 色色 体体 bacterial chromosome 是一个闭环双链DNA；基因结构连续，排列紧密，不含内含子。细菌DNA的改变(gibin)导致遗传性状发生改变(gibin)。二、细菌二、细菌(xjn)的遗传物质的遗传物质第十一页，共七十四页。二质二质 粒粒plasmid1、定义、定义(dngy)：位于细菌细胞质中染色体外的遗传物质，是闭合环状双链DNA，能自主复制，所携带的遗传信息能赋予细菌某些(mu xi)非生命必需的生物学性状如性菌毛、耐药性和毒力等。第十二页，共七十四页。1有自我复制能力，随细菌分裂转移到子代细胞中。分为：紧密型质粒和松弛型质粒2质粒编码的基因产物赋予细菌某些性状，如耐药性、致病性、致育性等。3可自行丧失与消除质粒不是细菌生长(shngzhng)所必不可少的，失去质粒的细菌仍能正常存活。2、特、特 征：征：第十三页，共七十四页。4质粒可以通过接合(jih)、转化或转导等方式在细菌间转移。接合性质粒与非接合性质粒5质粒的相容性与不相容性第十四页，共七十四页。3、几种、几种(j zhn)常见质粒：常见质粒：F质粒质粒fertility factor 性菌毛有关性菌毛有关R质粒质粒resistance plasmid与耐药性有关与耐药性有关 Col质粒质粒Col plasmid编码大肠菌素编码大肠菌素Vi质粒质粒virulence plasmid与细菌毒力有关与细菌毒力有关代谢质粒代谢质粒metabolic plasmid与代谢相关的酶类与代谢相关的酶类第十五页，共七十四页。三转座因子三转座因子(ynz)是是细细菌菌基基因因组组中中能能改改变变自自身身位位置置的的一一段段DNA序序列列，由由其其移移动动可可引引起起插插入入(ch r)突突变变、染染色色体体畸畸变变及及基基因因的重排等，从而导致细菌遗传性状改变。的重排等，从而导致细菌遗传性状改变。插入序列插入序列 转座子转座子 第十六页，共七十四页。1、插入序列、插入序列 insertion sequence，IS 是最小的转座因子，长度不超过是最小的转座因子，长度不超过2kb，不携带任何与插入不携带任何与插入(ch r)功能无关的基因区功能无关的基因区域。域。第十七页，共七十四页。2、转座子、转座子transposon，Tn 长度一般超过长度一般超过2kb，除两端的，除两端的IS外，还携外，还携带有与耐药性、毒素带有与耐药性、毒素(d s)等有关的基因。等有关的基因。第十八页，共七十四页。是一种运动性的DNA分子，具有独特结构可捕获和整合外源性基因，使之转变成为(chngwi)功能性基因的表达单位。整合子定位于细菌的染色体和质粒或转座子上，与细菌的耐药性密切相关。四整合四整合(zhn h)子子integron In第十九页，共七十四页。概念：噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒病毒。特点：只有一种核酸类型(lixng)、能通过滤菌器、无完整细胞结构、专性细胞内寄生、严格宿主特异性。三三、噬菌体、噬菌体 phage第二十页，共七十四页。1.形态结构：形态结构：电电子子显显微微镜镜下下三三种种(sn zhn)根根本本形形态态：蝌蚪形、蝌蚪形、球形和丝状。球形和丝状。大大多多数数噬噬菌菌体体呈呈蝌蝌蚪蚪形形，分分成成头头部部和和尾尾部。部。一噬菌体的生物学性状一噬菌体的生物学性状(xngzhung)噬菌体示意图第二十一页，共七十四页。噬菌体电镜照片噬菌体电镜照片(zhopin)第二十二页，共七十四页。核核 酸：酸：遗传物质遗传物质DNA/RNA蛋白质：能保护噬菌体核酸，蛋白质：能保护噬菌体核酸，决定其外形和外表特征，决定其外形和外表特征，识别识别(shbi)宿主菌外表的受体。宿主菌外表的受体。2.化化 学学 组组 成：成：第二十三页，共七十四页。3.抗原性与抵抗力抗原性与抵抗力噬菌体的衣壳蛋白(dnbi)具有抗原性，可刺激机体产生特异性抗体。该抗体能抑制相应噬菌体感染敏感细菌；但对已吸附或已进入宿主菌的噬菌体不起作用，噬菌体仍能复制增殖。抵抗力较一般细菌强，低温下长期存活，紫 外线敏感。第二十四页，共七十四页。根据和宿主的关系(gun x)可将噬菌体分为两类：毒性噬菌体毒性噬菌体和温和噬菌体温和噬菌体。二 噬菌体与宿主(szh)菌的关系第二十五页，共七十四页。毒性噬菌体毒性噬菌体virulent phage 是是感感染染宿宿主主菌菌后后，能能在在宿宿主主菌菌细细胞胞内内复复制制增增殖殖，产产生生许许多多子子代代噬噬菌菌体体，并并且最终且最终(zu zhn)裂解宿主菌。裂解宿主菌。温和噬菌体温和噬菌体temperate phage 感感染染宿宿主主菌菌后后，不不裂裂解解细细菌菌，不不产产生生子子代代噬噬菌菌体体，但但噬噬菌菌体体基基因因与与宿宿主主菌菌染染色色体体整整合合，随随宿宿主主菌菌DNA复复制制而而复复制制，并随宿主菌分裂而传代。并随宿主菌分裂而传代。第二十六页，共七十四页。1、毒性、毒性(d xn)噬菌体噬菌体1溶菌周期溶菌周期(zhuq)毒毒性性噬噬菌菌体体在在敏敏感感菌菌体体内内的的复复制制增增殖殖过过程程亦亦是是一一个个溶溶菌菌过过程程，故故可可称称为为复复制周期或溶菌周期；制周期或溶菌周期；包包括括吸吸附附、穿穿入入、生生物物合合成成、装装配配成成熟和释放几个阶段。熟和释放几个阶段。第二十七页，共七十四页。吸附第二十八页，共七十四页。穿入第二十九页，共七十四页。生物(shngw)合成第三十页，共七十四页。装配、成熟(chngsh)、释放第三十一页，共七十四页。噬菌体侵噬细菌(xjn)电镜图片第三十二页，共七十四页。2溶菌现象溶菌现象(xinxing)液体培养基中：混浊菌液澄清；固体(gt)培养基中：表现为噬斑。第三十三页，共七十四页。前噬菌体：前噬菌体：整合在宿主菌染色体上的噬菌体基因组。溶原性细菌：溶原性细菌：带有前噬菌体基因组的细菌。溶原状态：溶原状态：噬菌体基因(jyn)随溶原性细菌的分裂而传给子代的状态。2、温、温 和和 噬噬 菌菌 体体1概念：第三十四页，共七十四页。温和噬菌体感染宿主菌后所建立的溶原状态可中断，前噬菌体可自发(zf)或在一定理化因素诱导下从宿主菌染色体切离下来，重新复制新的子代噬菌体，最终裂解细菌。因此温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性周期。2溶原性周期和溶菌性周期溶原性周期和溶菌性周期第三十五页，共七十四页。吸附第三十六页，共七十四页。穿入第三十七页，共七十四页。Prophage：整合(zhn h)在宿主菌基因组中的噬菌体基因组溶原性细菌(xjn)第三十八页，共七十四页。第三十九页，共七十四页。第四十页，共七十四页。第四十一页，共七十四页。溶原性细菌溶原性细菌(xjn)的溶原性周期和溶菌性周期的溶原性周期和溶菌性周期溶原性周期溶菌性周期第四十二页，共七十四页。某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状(xngzhung)发生改变，称为溶原性转换。如：白喉外毒素、致热外毒素、肉毒梭菌等。3溶原性转换溶原性转换(zhunhun)lysogenic conversion第四十三页，共七十四页。一、一、转化转化transformation 供体菌游离的供体菌游离的DNA片段被受体菌片段被受体菌直接直接(zhji)摄取，使受体菌获得新摄取，使受体菌获得新的性状。的性状。第二节第二节 基基 因因 转转 移移 与与 重重 组组第四十四页，共七十四页。小鼠体内肺炎链球菌的转化(zhunhu)试验第四十五页，共七十四页。细菌(xjn)转化的条件：包括受体菌与外源DNA的条件。1感受态细菌:细菌的感受态是指细菌能够从周围环境中吸收外源DNA分子进行转化的生理状态。可用人工的方法提高受体菌感受态的水平，通过以CaCl2、MgSO4等处理或电转化。2外源DNA：双链DNA分子 亲缘关系越近，DNA的纯度越高，那么转化率越高。第四十六页，共七十四页。细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质从供体菌转移给受体菌。转移的遗传物质主要(zhyo)是质粒，亦可以是供体菌的局部染色体DNA分子。二、接合二、接合(jih)Conjugation第四十七页，共七十四页。1F质粒的接合质粒的接合(jih)第四十九页，共七十四页。Hfr高频重组菌：F质粒整合于宿主(szh)菌染色体后，能高效地带动细菌染色体上的基因转移入F菌，因此称为高频重组菌。在Hfr中，F质粒结合在染色体的末端，当Hfr与F菌杂交时，F质粒起发动转移的作用。供菌染色体先进入受体菌，F质粒最后进入。被转移的DNA可以是任意长度的供体菌染色体的片段。第五十页，共七十四页。第五十一页，共七十四页。F质粒：质粒：Hfr菌中的F质粒可以从细菌染色体上切离下来，终止其Hfr状态，切离时可能带有染色体上临近(lnjn)的基因，这种质粒称为F质粒质粒。第五十二页，共七十四页。2R质粒的接合质粒的接合(jih)R质粒由耐药传递因子RTF和耐药r决定子两局部组成，这两局部可单独，也可结合在一起，只有结合在一起才能发生质粒的接合(jih)性传递。RTF的功能与F质粒相似，因此可介导类似F质粒的接合过程；r决定子能编码对抗菌药物的耐药性。第五十四页，共七十四页。以噬噬菌菌体体为载体，将供体菌的一段DNA片段转移(zhuny)给受体菌，使其获得新的性状。三、转三、转 导导Transduction第五十五页，共七十四页。根据转导基因片段的范围，可分为两种：普遍性转导普遍性转导：可转移供体菌可转移供体菌DNADNA的任何片段。的任何片段。局限性转导局限性转导：只只转转移移前前噬噬菌菌体体插插入入部部位位(bwi)(bwi)邻邻近近的的供供体体菌菌DNADNA片片段段第五十六页，共七十四页。1普普 遍遍 性性 转转 导导 噬菌体的溶菌周期(zhuq)发生装配错误，误将供体菌DNA装入噬菌体内成为一个转导噬菌体，再以正常方式感染另一宿主菌。由于这种过程是随机的，被包装的DNA可以是供体菌染色体的任意片段包括质粒，故称为普遍性转导。第五十七页，共七十四页。外源性DNA片段与受体菌染色体整合，并随染色体复制而传代，称完全转导(zhun do)。外源性DNA片段游离在胞质中，既不能与受体菌染色体整合，也不能自身复制，称为流产转导。第五十八页，共七十四页。普遍性转导(zhun do)模式图第五十九页，共七十四页。温和噬菌体在溶原周期将DNA整合于供体菌染色体的特定部位，当其从染色体上切离时发生偏差，带走相邻的细菌染色体基因，并将DNA转导给受体菌。其转导的是整合邻近部位供体菌的个别(gbi)特定基因，故称为局限转导。2局局 限限 性性 转转 导导第六十页，共七十四页。第六十一页，共七十四页。温和噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的DNA片段，成为溶原状态(zhungti)，从而使细菌获取新的生物学性状。四、溶原性转换四、溶原性转换(zhunhun)lysogenic conversion第六十二页，共七十四页。类型 基因来源 转移方式转化 供体菌游离(yul)DNA 直接摄入接合 供体菌 性菌毛连接转导 供体菌 噬菌体介导溶原性转换 噬菌体 感染并整合 基因转移和重组的方式基因转移和重组的方式(fngsh)比较比较第六十三页，共七十四页。一、基因突变一、基因突变(j yn t bin)的的规律规律1、突变率：、突变率：自发突变率很低，细菌分裂自发突变率很低，细菌分裂106109次发生次发生(fshng)一次突变，一次突变，人工诱变指参加诱变理化因素、人工诱变指参加诱变理化因素、X线、线、紫外线、烷化剂、亚硝酸基提高紫外线、烷化剂、亚硝酸基提高101000倍。倍。第三节第三节 基基 因因 突突 变变 第六十四页，共七十四页。2、突变与选择、突变与选择 突变是随机随机的，不定向不定向(dn xin)(dn xin)的，而环境只起选择作用。彷徨试验彷徨试验(shyn)：影印试验影印试验(shyn)：第六十五页，共七十四页。第六十六页，共七十四页。第六十七页，共七十四页。3 3、回复突变、回复突变(tbin)(tbin)与抑制突变与抑制突变(tbin)(tbin)正向突变 野生型 突变株 回复突变 回复只是表型相同或相似，基因型不一定完全相同；有基因(jyn)内抑制和基因(jyn)间抑制。第六十八页，共七十四页。二、常见(chn jin)的突变类型形态(xngti)突变营养缺陷体突变耐药性突变条件致死突变毒力变异株第六十九页，共七十四页。第五节 细菌细菌(xjn)(xjn)遗传变异在遗传变异在 医学上的实际意义医学上的实际意义第七十页，共七十四页。病原性诊断：L型细菌、HO变异(biny)、SR变异(biny)特异性防治：卡介苗BCG及预防炭疽、鼠疫用疫苗。在疾病诊断和防治在疾病诊断和防治(fngzh)中的应用中的应用 在检测在检测(jin c)致癌物质中的应致癌物质中的应用用第七十一页，共七十四页。在基因工程在基因工程(jyn gngchng)中中的的应用应用重组(zhnz)胰岛素、重组干扰素、重组凝血因子、重组生长激素等。第七十二页，共七十四页。小结小结(xioji)掌握细菌遗传物质的种类及特点。掌握噬菌体、毒性噬菌体、温和噬菌体、前噬菌体、溶原性细菌的根本概念。掌握细菌基因的转移(zhuny)与重组的四种方式的概念及机理。熟悉噬菌体的生物学性状，细菌的变异类型及现象。了解噬菌体与宿主菌的相互关系、基因突变、细菌遗传变异在医学上的应用。第七十三页，共七十四页。内容(nirng)总结第五章 细菌的遗传与变异。H-O变异细菌失去鞭毛。毒力增强 无毒的白喉棒状杆菌感染温和噬菌体后成为有毒株。毒力减弱 有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株。细菌DNA的改变导致遗传性状发生改变。Prophage：整合在宿主(szh)菌基因组中的噬菌体基因组。供菌染色体先进入受体菌，F质粒最后进入。掌握细菌遗传物质的种类及特点第七十四页，共七十四页。