病原生物学-教程-第五章--细菌的遗传与变异.ppt

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,第五章,细菌的遗传与变异,病原生物学,学习目标,掌握,：,细菌的遗传物质、细菌遗传变异的机制。,熟悉,：,细菌的变异现象；了解细菌变异的实际意义。,细菌与其他微生物或生物一样，具有遗传和变异的生命特征,。,若,子代与亲代之间生物学性状相似，并代代相传，称为遗传。若子代与亲代及子代与子代之间的生物学性状出现差异则称为变异,。,遗传,保证了物种的稳定性，变异则使细菌产生变种或新种，其新性状又因遗传得以巩固，有利于种属的发展和进化。,细菌的变异分为遗传性变异和非遗传性,变异,:,遗传性,变异因突变或基因转移和重组而使基因结构发生了改变，故又称为基因型变异，变异的性状可以稳定遗传给后代,。,非,遗传性变异是在外界环境因素影响下细菌性状发生的变异，基因结构未发生改变，不可遗传，当环境因素消除后，其变异又逆转复原，这又称为表型变异。,第一节,细菌,变异的现象,一、形态结构的变异,细菌在生长过程中受外界环境条件的影响可发生,变异,如许,多细菌在青霉素、免疫血清、补体和溶菌酶等因素影响下，细胞壁合成受阻，成为细胞壁缺陷型细菌（细菌,L,型变异），,L,型细菌失去原有形状，呈球形、长丝状或多形性，革兰染色多为阴性，在一般培养基中易溶解破裂，但在高渗环境中仍能缓慢生长，并具有致病性,。,第一节,细菌,变异的现象,细菌的一些特殊结构，如荚膜、芽胞、鞭毛等也可发生变异,。,肺炎,链球菌在机体内或在含有血清的培养基中初分离时可形成荚膜，致病性强，经多次传代培养后荚膜逐渐消失，致病性也随之减弱,。,有,芽胞的炭疽芽胞杆菌在,42,培养,10,20,天 后，可失去形成芽胞的能力，同时毒力也会相应减弱,。,第一节,细菌,变异的现象,细菌的一些特殊结构，如荚膜、芽胞、鞭毛等也可发生变异,。,将,有鞭毛的普通变形杆菌点种在琼脂平板上，由于鞭毛的动力使细菌在平板上弥散生长，称迁徙现象，菌落形似薄膜，故称,H,菌落；若将此菌点种在含,1,石炭酸的培养基上，细菌可失去鞭毛，只能在点种处形成不向外扩展的单个菌落，称为,O,菌落，通常将失去鞭毛的变异称为,H,O,变异，此变异是可逆的。,第一节,细菌,变异的现象,二、毒力变异,细菌的毒力变异包括毒力的增强和减弱,。,无,毒力的白喉棒状杆菌常寄居在咽喉部，不致病，当感染了,-,棒状杆菌噬菌体后呈溶原状态时，则获得产生白喉外毒素的能力，致使细菌的毒力增强,。,卡,介（,Calmette-Guerin,）二人将有毒的牛型结核分枝杆菌在含有胆汁的甘油、马铃薯培养基上培养，经过,13,年，连续传,230,代，终于获得了一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异株，即卡介苗,(BCG),。,第一节,细菌,变异的现象,三、耐药性变异,细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异称耐药性变异,。,从,抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的不断增长是世界范围内的普遍趋势，如金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从,1946,年的,14,上升至目前的,90,以上,。,耐,甲氧西林金黄色葡萄球菌感染也逐年上升，目前已超过,70%,。,有些,细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至还有的细菌变异后产生对药物的依赖性，如痢疾志贺菌赖链霉素株，离开链霉素则不能生长。,第一节,细菌,变异的现象,四、菌落变异,细菌的菌落主要有光滑,（,S,）型和粗糙,(R,),型两种,。,S,型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐，一般从人体内新分离的细菌菌落为光滑型。细菌经人工培养多次传代后，菌落表面变为粗糙、干燥、边缘不整，即从光滑型变为粗糙型，称为,S,R,变异,。,S,R,变异常见于肠道杆菌，变异时不仅菌落的特征发生改变，而且细菌的理化性状、抗原性、代谢酶活性及毒力等也发生改变。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,一、细菌的染色体,细菌的染色体是一条环状双股,DNA,分子，按一定构型反复回旋形成丝团状，裸露在胞质中，缺乏组蛋白,。,染色体携带细菌大多数基因，是细菌生命活动所必需的遗传物质，控制着细菌的代谢、繁殖、遗传和变异。,细菌,基因序列是连续的，无内含子。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,二、质粒,质粒是细菌染色体以外的遗传物质，是存在于细胞质中的闭合环状、双链,DNA,分子,。,质粒,DNA,约占细菌基因组的,0.5%,10%,，质粒所携带的遗传信息控制着细菌某些特定性状。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,（一）质粒的主要特征,1,、质粒有自我复制能力，并随细菌分裂而分配至子代细菌中，一个质粒是一个复制子。与染色体同步复制的质粒称为紧密型质粒，与染色体复制不相关的质粒称为松弛型质粒。,2,、质粒基因编码产物能赋予细菌某些特殊性状，如致育性、耐药性、致病性、生化特性及抗原性等,。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,（一）质粒的主要特征,3,、质粒可自行丢失或人工处理后消除（如紫外线照射等），随着质粒的丢失或消除，质粒赋予细菌的性状亦随之消失，但细菌仍能存活，故质粒并非是细菌生命活动不可缺少的遗传物质,。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,（一）质粒的主要特征,4,、质粒可通过接合、转化、转导等基因转移与重组方式在细菌间转移。,5,、质粒具有相容性与不相容性。结构相似、密切相关的质粒不能同时共存于一个宿主菌内的现象称为不相容性；反之为相容性。这与质粒的宿主范围，复制部位等因素,有关,。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,（二）重要质粒,1,、致育性质粒或,F,质粒,：,能编码性菌毛，有,F,质粒的细菌有性菌毛，为雄性菌；无,F,质粒的细菌无性菌毛，为雌性菌；性菌毛能介导雌、雄细菌间基因（质粒或染色体等）的接合转移。,2,、耐药性质粒,：,编码,对抗菌药物或重金属盐类的耐药性,。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,（二）重要质粒,3,、毒力质粒或,Vi,质粒,：,编码,与细菌致病性有关的毒力因子，如肠产毒性大肠埃希菌的耐热肠毒素与不耐热肠毒素分别由,ST,质粒与,LT,质粒编码产生。,4,、细菌素质粒,：,编码,产生各类细菌素，如,Col,质粒编码大肠埃希菌的大肠菌素,。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,（二）重要质粒,5,、代谢质粒,：,编码,与代谢相关的酶类，如沙门菌发酵乳糖的能力通常由质粒决定。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,三、转座因子,转座因子,是,存在于细菌染色体或质粒,DNA,分子上，并能自行移位的一段特殊的,DNA,序列，产生插入突变、基因重排或插入位点附近基因表达的改变，而引起细菌的变异,。,这种,转座作用可以发生在同一染色体上，也可在染色体之间或质粒之间，甚至在染色体和质粒之间。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,转座因子按其结构和功能的不同分为两,类：,（一）插入序列,插入序列,(IS,),为最小的转座因子，大小约,750,1 550bp,，不携带与插入功能无关的基因区域，仅带有与转座有关的基因。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,转座因子按其结构和功能的不同分为两,类：,（,二）转座子,转座子,(Tn,),结构较复杂，大小约,2000,25000bp,，除两端的,IS,外还带有与转座无关的其他基因，诸如编码耐药、毒力等的基因,。,这些,基因可随,Tn,的转座而发生转移重组，从而使插入处基因的完整性受到破坏，造成大的染色体突变,。,转座,行为导致,DNA,分子发生重排，在促使生物变异及进化上具有重大意义。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,四、整合子,整合子,（,In,）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，使之转变成为功能性基因的表达单位,。,它,通过转座子或接合性质粒，使多种耐药基因在细菌中进行水平传播。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,五、噬菌体,(bacteriophage),噬菌体是,侵袭细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。噬菌体只能在活的微生物细胞内复制增殖，是一种专性活细胞内寄生的微生物,。,噬菌体具有严格的宿主特异性，某一种噬菌体只能感染某一种微生物，甚至只能感染某种微生物中的某一型。故可以利用噬菌体严格的宿主特异性对未知菌进行鉴定和分型。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,（一）噬菌体的形态与结构,噬菌体体积微小，需用电子显微镜观察。其形态有蝌蚪形、微球形和细杆形,。,大多数,噬菌体呈蝌蚪形，由头部和尾部两部分组成。头部为六边形立体对称，由蛋白质衣壳包绕核酸组成。尾部为细管状，由尾板、尾刺和尾丝构成（图,5-1,）。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,图,5-1,噬菌体结构模式图,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,（二）噬菌体与宿主菌的相互关系,根据噬菌体感染宿主菌后产生的不同后果，噬菌体可分为,毒性,噬菌体和,温和,噬菌体两种类型,。,1,、毒性噬菌体,能,在敏感菌中复制增殖，产生许多子代噬菌体，并引起宿主菌裂解的噬菌体称为毒性噬菌体,。,2,、温和噬菌体,感染,宿主菌后不独立复制增殖，也不引起宿主菌裂解的噬菌体称为温和噬菌体，又称为溶原性噬菌体。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,1,、,毒性,噬菌体,毒性噬菌体在宿主菌内以复制方式进行增殖，增殖过程包括吸附、穿入、生物合成、成熟与释放四个阶段,。,从,噬菌体吸附开始至宿主菌裂解释放出子代噬菌体为止，称为噬菌体的,复制周期,或,溶菌周期,。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,（,1,）吸附,：,吸附,是噬菌体表面蛋白与其宿主菌表面受体发生特异性接合的过程，其特异性取决于两者分子结构的互补性。,（,2,）穿入,：,有尾噬菌体吸附于宿主菌后，借助尾部末端的溶菌酶在与宿主菌接触的细胞壁部位溶一小孔，然后尾鞘收缩，将噬菌体头部的核酸经尾髓注入宿主菌内，蛋白质外壳则留在菌体外,。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,（,3,）生物合成,：,噬菌体,DNA,进入宿主菌后，开始自身的生物合成，一方面通过转录生成,mRNA,再由此翻译成噬菌体所需的与其生物合成有关的酶、调节蛋白和结构蛋白；另一方面，以噬菌体核酸为模板，大量复制子代核酸。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,（,4,）成熟与释放,：,子代噬菌体的蛋白质与核酸分别合成后，在宿主菌细胞质中按一定程序装配成完整的成熟噬菌体,。,当,子代噬菌体达到一定数目时，裂解宿主菌细胞释放出子代噬菌体,。,子代,噬菌体又可感染新的敏感菌。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,在液体培养基中，噬菌体裂解宿主菌可使混浊菌液变,澄清；,在,固体培养基上，将适量的噬菌体和宿主菌液混合接种培养后，培养基表面可出现透亮的溶菌空斑，每个空斑由一个噬菌体复制增殖并裂解宿主菌后形成的，称为噬斑。不同噬菌体噬斑的形态和大小不尽相同。通过噬斑计数，可测知一定体积内的噬斑形成单位（,PFU,）数目，即噬菌体的数量。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,2,、温和噬菌体,温和噬菌体的基因与宿主菌染色体基因整合后，可随宿主菌基因进行复制，并通过细菌的分裂而传给下一代，不引起细菌裂解,。,整合,在宿主菌基因组中的噬菌体基因称为前噬菌体，带有前噬菌体的宿主菌称为溶原性细菌,。,溶原性细菌可偶尔自发或在某些理化和生物因素的诱导下终止溶原状态，前噬菌体脱离宿主菌染色体后进入溶菌周期，可在菌体内复制增殖形成大量子代噬菌体，最后导致宿主菌裂解。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,2,、温和噬菌体,温和噬菌体,具有的这种产生成熟子代噬菌体颗粒和裂解宿主菌的潜在能力，称为溶原性,。,温和噬菌体,既有溶原周期又有溶菌周期,(,图,5-2),，而毒性噬菌体只有溶菌周期。,第二节,细菌的遗传变异的物质基础,图,5-2,溶原性细菌的溶原周期和溶菌周期,第三节,细菌变异的机制,一、基因突变,基因突变是指细菌基因结构发生突然而稳定的改变，导致其遗传性状变异，并可传给,子代。,在,自然界中自发发生的突变称自然突变，人为诱发的突变称诱导突变,。,第三节,细菌变异的机制,一、基因突变,基因突变,根据细菌,DNA,序列改变的程度分为大、小突变两种,类型,大突变,又称为染色体畸变，是指大段,DNA,序列的丢失、重复、倒位或转位而导致的细菌性状发生明显变异，常导致细菌变异死亡,；,小,突变又称点突变，是指,DNA,序列中的一个或几个碱基的置换、插入或丢失等，影响到一个或几个基因的改变，所导致的性状变异一般只影响到少数细菌,。,大,、小突变间无明显界限，但大突变发生的频率比小突变高。,第三节,细菌,变异的机制,二、基因的转移和重组,基因的转移和重组是指受体菌获得外源性（供体菌）遗传物质，并与自身,DNA,整合而发生性状改变的遗传性变异,。,受体,菌获得外源性遗传物质的过程称为基因转移；基因转移至受体菌后，与其,DNA,整合的过程称为基因重组,。,基因的转移和重组方式,包括转化、接合、转导、溶原性转换及原生质体融合。,第三节,细菌,变异的机制,（一）转化,转化是指受体菌直接摄取供体菌游离的,DNA,片段，获得新的遗传性状，如活的无荚膜的,R,型肺炎链球菌从死的有荚膜的,S,型菌中获得了编码,S,型菌荚膜的遗传物质，使活的,R,型菌转化为,S,型菌（图,5-3,）,。,第三节,细菌,变异的机制,图,5-3,小鼠体内肺炎链球菌的转化试验,第三节,细菌,变异的机制,（二）接合,接合是指细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要为质粒）从供体菌转移给受体菌，使受体菌获得新的遗传性状的过程,。,通过,接合方式转移的质粒称为接合性质粒，主要包括,F,质粒,、,R,质粒,等,。,第三节,细菌,变异的机制,1,、,F,质粒的接合,带有,F,质粒的细菌为雄性菌（,F,+,菌），,F,+,菌借助性菌毛与,F,一,菌（无,F,质粒的雌性菌）表面受体接合，使两菌之间形成通道，,F,质粒的双链,DNA,解链，其中一条单链,DNA,通过性菌毛进入,F,一,菌，供、受体菌内的各单链,DNA,以滚环式进行复制，分别形成完整双链质粒,DNA,，使,F,一,菌变成了,F,+,菌，并获得了供体菌的某些性状，同时供体菌的,F,质粒亦不失去（图,5-4,）,。,第三节,细菌,变异的机制,图,5-4 F,质粒的接合,第三节,细菌,变异的机制,2,、,R,质粒的接合,R,质粒由耐药传递因子,(RTF),和耐药决定子,(r),两部分组成，,RTF,功能与,F,质粒相似,编码性菌毛，决定质粒的复制，接合及转移；,r,赋予宿主菌耐药性,。,一,个,r-det,可携带多个耐药基因，使携带耐药性质粒的细菌同时对多种抗菌药物产生耐药（图,5-5,）。,R,质粒又被称为传染性耐药因子。,第三节,细菌,变异的机制,图,5-5 R,质粒结构图,第三节,细菌,变异的机制,（三）转导,转导是指以噬菌体为载体，将供体菌的,DNA,片段转移到受体菌，使受体菌获得新的性状的过程,。,分为,普遍性转导和局限性转导两种。,第三节,细菌,变异的机制,1,、普遍性转导,在,噬菌体成熟装配过程中，由于装配错误，误将供体菌的,DNA,片段或质粒装入噬菌体内，产生一个转导噬菌体。当该噬菌体感染另一宿主菌时，便将供体菌的,DNA,转入受体菌，使受体菌获得供体菌的某种遗传性状,。,每,10,5,10,7,次装配中会发生一次错误，且包装是随机的，即噬菌体包装的可以是供体菌的染色体,DNA,的任何部分，故称为,普遍性转导,（图,5-6,）,。,第三节,细菌,变异的机制,图,5-6,普遍性转导模式图,第三节,细菌,变异的机制,1,、普遍性转导,普遍性转导,产生两种结果,：,一,种是供菌,DNA,片段与受体菌染色体整合，随染色体复制而传代，称为完全转导,；,另,一种是供体菌,DNA,片段游离在受体菌细胞质中，不能自身复制，也不能传代，称为流产转导。,第三节,细菌,变异的机制,2,、局限性转导,溶,原期噬菌体,DNA,整合在宿主菌染色体上形成,前噬菌体,。,当前,噬菌体从宿主菌染色体上脱离时发生偏差，将前噬菌体两侧的宿主菌染色体的基因一起脱落，并通过复制，转录和翻译后组装成,转导噬菌体,。,当,这种转导噬菌体再感染受体菌时，可将供体菌基因转移给受体菌而使其获得新的性状，如温和噬菌体进入大肠埃希菌时，能将噬菌体,DNA,整合在大肠埃希菌染色体的特定部位，即半乳糖基因（,gal,）和生物素基因,(bio),之间,。,第三节,细菌,变异的机制,2,、局限性转导,当,噬菌体,DNA,从细菌染色体上分离，将有,10,6,机率发生偏差分离，即噬菌体将其本身,DNA,上的一段留在细菌染色体上，却带走了细菌,DNA,上两侧的,gal,或,bio,基因,。这样,的噬菌体基因转导并整合到其他受体菌中，使受体菌获得供体菌的某些遗传性状,。,由于,被转导的基因只限于前噬菌体两侧的供体菌基因，故称为局限性转导（图,5-8,）。,第三节,细菌,变异的机制,图,5-8,局限性转导模式图,第三节,细菌,变异的机制,（四）,溶原性转换,噬菌体,的,DNA,整合到细菌染色体上，以前噬菌体形式与细菌基因组整合，成为溶原性细菌，从而使细菌获得由噬菌体基因编码的某些新的性状，如不产生外毒素的白喉棒状杆菌被,-,棒状杆菌噬菌体感染成为溶原性细菌时，因,-,棒状杆菌噬菌体携带有白喉外毒素的结构基因,tox,，使无毒的白喉棒状杆菌获得了产生白喉外毒素的能力。,Thank 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