1康复03噬菌体细菌的遗传与变异

第四节细菌的遗传与变异一遗传与变异的物质基础•核酸是微生物遗传与变异的物质基础，通过其构成的特定基因携带并传递遗传信息。主要有DNA和RNA两种类型。遗传物质类型核外遗传物质真核生物的“质粒”原核生物的质粒线粒体细胞质基因叶绿体（质体）中心体动体共生生物卡巴颗粒酵母菌的2m质粒F因子R因子Col质粒Ti质粒巨大质粒降解性质粒核染色体遗传物质类型细菌染色体•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。质粒（plasmid）一、概念：细菌染色体外的遗传物质，环状闭合双链DNA，能自行复制。所携带的遗传信息赋予细菌某些性状，随细菌分裂转移到子代菌细胞。二、特征：自我复制编码产物赋予细菌某些特殊性状可自行丢失与消除，不影响细菌生命具转移性具相容性和不相容性原核细胞型微生物的遗传物质DNAreplication质粒的三种构型三、几种重要的质粒–致育质粒（F质粒）–耐药质粒（R质粒）–毒力质粒（Vi质粒）–细菌素质粒–代谢质粒R质粒的构成Col质粒F质粒医药方面的细菌质粒F质粒•又称致育因子或性因子，100kb，相当于核染色体DNA2%的环状双链DNA，足以编码94个中等大小多肽，其中1/3基因（tra区）与接合作用有关。存在于肠细菌属、假单胞菌属、嗜血杆菌、奈瑟氏球菌、链球菌等细菌中，决定性别。R质粒•由两个相连的DNA片段组成，决定耐药性及耐药性是否转移；•RTF（耐药传递因子）：含转移基因，类似F质粒，有致育性。控制DNA复制和拷贝数的基因；•r-det（耐药决定因子）：大小不固定，有抗药性，可携带多重抗药基因；•RTF和r-det可单独存在，自主复制，也可形成一个大的质粒。常导致抗药性在不同菌间蔓延。可作为筛选时的理想标记，也可用作基因载体。（四）转座因子：存在于细菌染色体、质粒或噬菌体DNA分子上的一段特异的、具有转位特性的、独立的核苷酸序列片段。能在DNA分子中移动。插入序列（insertionsequence,IS）转座子（transposon,Tn）转座噬菌体或前噬菌体（prophage）转座子的种类与特征转座子携带耐药或毒素基因Tn1Tn2Tn3AP（氨苄青霉素）Tn4AP、SM（链霉素）、Su（磺胺）Tn5Km（卡那霉素）Tn6Km（卡那霉素）Tn7TMP（甲氧苄氨嘧啶）、SMTn9Cm（氯霉素）Tn10Tc（四环素）Tn551Em（红霉素）Tn971Em（红霉素）Tn1681大肠埃希菌（肠毒素基因）R质粒的危害：耐药性变异•细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐受的变异称为耐药性变异•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80%•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•含链霉素培基痢疾杆菌依链株(耐药菌株)长期培养转座作用的遗传学效应•转座引起插入突变•转座产生新的基因•转座产生的染色体畸变•转座引起的生物进化（三）噬菌体噬菌体（bacteriophage,phage）•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•分布极广噬菌体的特征－－4S•Small－－形体微小•Simple－－结构简单•Single－－核酸单一•Special－－寄生性特异•1.形态–个体小，需用电子显微镜观察–蝌蚪形、微球形和丝形•2.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T2噬菌体蝌蚪形噬菌体结构模式图•3.化学组成–蛋白质•构成噬菌体头部的衣壳及尾部，起着保护核酸的作用，并决定噬菌体外形和表面特征–核酸—遗传物质•核酸为DNA或RNA•某些噬菌体的基因组含有异常碱基，因宿主菌细胞内没有这些碱基，可成为噬菌体DNA的天然标记•4.抗原性–噬菌体具有抗原性，能刺激机体产生抗体。•5.抵抗力–比一般细菌的繁殖体强噬菌体分类•毒性噬菌体(virulentphage)–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•温和噬菌体(temperatephage)–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(lysogenicphage)毒性噬菌体•增殖过程(复制)–吸附–穿入–生物合成–成熟与释放Bacteriophagelyticlifecycle吸附穿入生物合成成熟、释放毒性噬菌体的溶菌性周期噬菌体分裂中的大肠杆菌大肠杆菌扫描电镜图被噬菌体裂解的大肠杆菌完好的的大肠杆菌噬菌体扫描电镜图温和噬菌体•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（lysogenicbacterium）•溶原性–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）温和噬菌体的溶原性周期前噬菌体温和噬菌体的溶菌性周期温和噬菌体的三种存在状态：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－－溶原性转换。温和噬菌体•溶原性转换（lysogenicconversion）–某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变，称为溶原性转换，–如白喉棒状杆菌产生白喉毒素，是因其前噬菌体（β-棒状噬菌体）带有毒素蛋白结构基因（tox基因）毒力变异（增强）β棒状噬菌体白喉棒状杆菌产生白喉毒素温和噬菌体噬菌体的应用•细菌的鉴定与分型•分子生物学研究的重要工具二、变异类型及发生机制•遗传（heredity）–遗传使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其种属得以保存•变异（variation）–在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代之间的生物学性状出现差异–非遗传性变异（表型变异）–环境改变导致，基因结构未发生改变，可逆，不可遗传–遗传性变异（基因型变异）–细菌的基因结构发生了改变，如基因突变或重组，不可逆，可遗传给后代细菌变异类型及发生机制表型变异（非遗传）基因变异（遗传）细菌变异基因突变基因转移与重组自发突变诱变转化接合转导溶原性转换有荚膜的肺炎球菌无荚膜的肺炎球菌细菌形态结构变异遗传性变异（一）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基因突变的规律1、突变率2、自发性3、回复性4、诱变性(二)基因的转移与重组•基因转移–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（genetransfer）•重组–转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组（recombination），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细菌遗传变异的实际意义•在疾病的诊断、治疗与预防中的应用•在基因工程中的应用转化（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•转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感嗜血杆菌等中被证实转化试验转导（transduction）•转导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–普遍性转导（generalizedtransduction）–局限性转导（restrictedtransduction）普遍性转导•在噬菌体DNA装入外壳蛋白组成新的噬菌体时，在105～107次装配中会发生一次装配错误，误将细菌的DNA片段装入噬菌体的头部，成为转导噬菌体。转导噬菌体以正常方式感染另一宿主菌，并将其头部的染色体注入受体菌内•被错误包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分，故称为普遍性转导局限性转导•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。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，如F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒等接合F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipient溶原性转换•溶原性转换是当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体获得了噬菌体的DNA片段，使其成为溶原状态时而致细菌获得新的性状–白喉棒状杆菌细菌基因转移方式的比较类型方式介导物主要DNA来源细胞类别接合雄性菌—雌性菌性菌毛染色体、质粒原核转导第1寄主菌—第2寄主菌溶原性噬菌体染色体、噬菌体原核转化游离DNA—感受态菌—各种DNA片断真核、原核