病原生物學(xué)細(xì)菌的遺傳和變異.ppt

細(xì)菌的遺傳和變異,遺傳(heredity)：使細(xì)菌的性狀保持相對(duì)穩(wěn)定，且代代相傳，使其種屬得以保存。 變異(variation)：在一定條件下，子代與親代之間以及子代與子代之間的生物學(xué)性狀出現(xiàn)的差異。,遺傳性變異（基因型變異）：是基因結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，特點(diǎn)是不可逆的，產(chǎn)生的新的性狀可穩(wěn)定的遺傳給后代。 非遺傳性變異（表型變異）：是影響因素去除后，變異的性狀又可復(fù)原，不可遺傳。,細(xì)菌的變異現(xiàn)象,形態(tài)、結(jié)構(gòu)變異 毒力變異 耐藥性變異 菌落變異,形態(tài)結(jié)構(gòu)變異,形態(tài)改變 3-6%食鹽 鼠疫耶氏菌 多形態(tài)性 陳舊培基物,L型變異 青霉素、溶菌酶 正常形態(tài)細(xì)菌 L型變異 抗體或補(bǔ)體 (部分或完全失去胞壁),特殊結(jié)構(gòu)的變異 42-43 炭疽桿菌 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天 變形桿菌 0.1%石炭酸 遷徙生長(zhǎng)（H） 點(diǎn)狀生長(zhǎng)、單個(gè)菌落（O）,毒力變異,增強(qiáng) 棒狀噬菌體 白喉棒狀桿菌 獲得白喉毒素 減弱 膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基 牛分枝桿菌 卡介苗 13年(230代),耐藥性變異,細(xì)菌對(duì)某種抗菌藥物有敏感變成耐藥的變異稱(chēng)為耐藥性變異。 金黃色葡萄球菌 1946年對(duì)青霉素的耐藥率14%，目前超過(guò)80% 有些細(xì)菌還同時(shí)耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產(chǎn)生藥物依賴(lài)性。 含鏈霉素培基 痢疾桿菌 依鏈株 長(zhǎng)期培養(yǎng),菌落變異,在陳舊培養(yǎng)基中長(zhǎng)期培養(yǎng) 光滑型菌落 粗糙型菌落 S R 原因：失去LPS的特異多糖,細(xì)菌遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ),基因組：染色體和染色體外遺傳物質(zhì),質(zhì)粒 噬菌體 轉(zhuǎn)位因子,細(xì)菌的遺傳物質(zhì)是DNA,（一 ）染色體（chromosome）,一條環(huán)狀雙螺旋DNA長(zhǎng)鏈，按一定構(gòu)型反復(fù)回旋形成松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)； 附著在橫隔中介體上或細(xì)胞膜上； 缺乏組蛋白，無(wú)核膜包裹； 約含有4000-5000個(gè)基因； 雙向復(fù)制，全過(guò)程約20min。,（二）質(zhì)粒（plasmid）,細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì)，是環(huán)狀閉合的雙鏈DNA。帶有遺傳性息，能自行復(fù)制，隨細(xì)菌分裂轉(zhuǎn)移到子代細(xì)胞，并非細(xì)菌生長(zhǎng)所必需。 特征 自我復(fù)制能力 編碼產(chǎn)物賦予細(xì)菌某些性狀特征 可自行丟失與人工消除 轉(zhuǎn)移性（接合、轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)導(dǎo)） 相容性和不相容性,幾種重要的質(zhì)粒（編碼的生物學(xué)性狀） 致育質(zhì)粒（F質(zhì)粒） 耐藥質(zhì)粒（R質(zhì)粒） 毒力質(zhì)粒（Vi質(zhì)粒） 細(xì)菌素質(zhì)粒（COL質(zhì)粒） 代謝質(zhì)粒,概念：噬菌體（bacteriophage，phage） 是感染細(xì)菌、真菌、放線菌或螺旋 體等微生物的病毒。 特征：1. 個(gè)體微小，可通過(guò)濾菌器； 2. 沒(méi)有完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)； 3. 專(zhuān)性細(xì)胞內(nèi)寄生，復(fù)制增殖。 分布：廣泛。,（三）噬菌體,生物學(xué)特性,形態(tài)與結(jié)構(gòu) 蝌蚪形、微球形和絲形 化學(xué)組成 蛋白質(zhì)與核酸 抗原性 抵抗力,頭部：內(nèi)含DNA/RNA 尾部：包括中空尾管、尾鞘、尾絲、尾刺等。尾絲是吸附宿主細(xì)胞表面特殊受體部位。,頭部,尾部,尾鞘收縮,尾絲與受體菌表面結(jié)合,特異性,特異性,特異性！,噬菌體的種類(lèi)及與細(xì)菌的關(guān)系,毒性噬菌體（virulent phage） 能在宿主菌細(xì)胞內(nèi)復(fù)制增殖，產(chǎn)生許多子代噬菌體，并最終裂解細(xì)菌，稱(chēng)為毒性噬菌體 溫和噬菌體（temperate phage）/ 溶原性噬菌體（lysogenic phage） 噬菌體基因與宿主菌染色體整合，不產(chǎn)生子代噬菌體，但噬菌體DNA能隨細(xì)菌DNA復(fù)制，并隨細(xì)菌的分裂而傳代,毒性噬菌體復(fù)制周期,吸附 穿入 生物合成 成熟與釋放,噬菌現(xiàn)象,液體培養(yǎng)基 混濁 澄清 固體培養(yǎng)基中，出現(xiàn)噬斑（plaque） 一定體積內(nèi)的噬斑形成單位數(shù)目（pfu）,溫和噬菌體,前噬菌體（prophage） 溶原性細(xì)菌（lysogenic bacterium） 溶原性（lysogeny） 溶原性周期和溶菌性周期 溶原性轉(zhuǎn)換,prophage: 整合在細(xì)菌基因組中的噬菌體基因組,溶原性細(xì)菌,噬菌體的應(yīng)用,細(xì)菌的鑒定與分型 噬菌體與宿主菌的關(guān)系有高度特異性，可用于未知細(xì)菌的鑒定和分型。如應(yīng)用傷寒沙門(mén)菌Vi噬菌體可將有Vi抗原的傷寒沙門(mén)菌分成96個(gè)噬菌體型。 分子生物學(xué)研究的重要工具 噬菌體基因數(shù)量少，結(jié)構(gòu)比細(xì)菌和高等細(xì)胞簡(jiǎn)單得多，而且容易獲得大量的突變體。 細(xì)菌感染的診斷與治療 應(yīng)用噬菌體效價(jià)增長(zhǎng)試驗(yàn)可檢測(cè)標(biāo)本中的相應(yīng)細(xì)菌。在懷疑有某種細(xì)菌存在的標(biāo)本中，加入一定數(shù)量的已知噬菌體，37孵育68h，再測(cè)定該噬菌體的效價(jià)。 輔助治療，如應(yīng)用銅綠假單胞菌噬菌體治療創(chuàng)口感染。,（四）轉(zhuǎn)位因子 （transposable element）,是存在于細(xì)菌染色體或質(zhì)粒DNA分子上的一段特異性核苷酸序列片段，它能在DNA分子中移動(dòng)，不斷改變它們?cè)诨蚪M的位置，能從一個(gè)基因組轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基因組中。 意義： 改變遺傳物質(zhì)的核苷酸序列 影響插入點(diǎn)附近基因的表達(dá)（失活） 直接插入一段新序列，造成基因的轉(zhuǎn)移和重組,插入序列（insertion sequence,IS） 是最小的轉(zhuǎn)位因子，2kb，不攜帶任何已知與插入功能無(wú)關(guān)的基因區(qū)域 轉(zhuǎn)座子（transposon,Tn） 2kb，除攜帶與轉(zhuǎn)位有關(guān)的基因外，還攜帶耐藥性基因、抗金屬基因、毒素基因及其他結(jié)構(gòu)基因。 可能與細(xì)菌的多重耐藥性有關(guān)。 轉(zhuǎn)座噬菌體或前噬菌體 是一些具有轉(zhuǎn)座功能的溶原性噬菌體，當(dāng)整合到細(xì)菌染色體上，能改變?nèi)茉约?xì)菌的某些生物學(xué)性狀。,Tn,轉(zhuǎn)座子的特征,細(xì)菌的變異機(jī)制,基因的突變 基因的轉(zhuǎn)移和重組,突變(mutation)：是細(xì)菌遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，導(dǎo)致細(xì)菌性狀的遺傳性變異。 發(fā)生 表現(xiàn)型,（一）. 突變,自發(fā)突變（spontaneous mutation)突變率低10-1010-6,誘發(fā)突變（induced mutation)提高10-610-4,野生株（wild strain)沒(méi)有發(fā)生突變的菌細(xì)胞,突變株（mutant strain)突變后的菌細(xì)胞,基因突變規(guī)律,隨機(jī)發(fā)生，不定向； 突變與選擇 突變是隨機(jī)的、不定向的，外界環(huán)境不能決定突變，只能對(duì)突變進(jìn)行選擇。 以耐藥突變體為例 實(shí)驗(yàn)：影印試驗(yàn) 說(shuō)明：耐藥突變株在接觸藥物之前出現(xiàn)，藥物的作用是選擇耐藥株，淘汰敏感株 結(jié)論：細(xì)菌基因突變產(chǎn)生耐藥性，與抗生素的使用無(wú)關(guān) 具有相對(duì)穩(wěn)定性； 可發(fā)生回復(fù)突變,突變與選擇證明實(shí)驗(yàn) 影印培養(yǎng) replica plating (Lederberg 1952),（二）基因的轉(zhuǎn)移和重組,基因轉(zhuǎn)移（gene transfer） 外源性的遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入某受體菌細(xì)胞的過(guò)程稱(chēng)為基因轉(zhuǎn)移。 重組（ recombination） 轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA整合在一起稱(chēng)為重組，使受體菌獲得供體菌的某些性狀。 細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移和重組可通過(guò)轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)、溶原性轉(zhuǎn)換和原生質(zhì)體融合等方式進(jìn)行。,轉(zhuǎn)化（transformation）,供體菌裂解游離的DNA片段被受體菌直接攝取，使受體菌獲得新的性狀。,轉(zhuǎn)化試驗(yàn),轉(zhuǎn)化因子（transforming principle ） 在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，轉(zhuǎn)化的DNA片段稱(chēng)為轉(zhuǎn)化因子 ，分子量小于107，最多不超過(guò)1020個(gè)基因。 感受態(tài)（competence）,接合（conjugation）,細(xì)菌通過(guò)性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌。 接合性質(zhì)粒：能通過(guò)接合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒稱(chēng)為接合性質(zhì)粒，F(xiàn)質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒和毒力質(zhì)粒等。,F質(zhì)粒的接合,F+,F-,F+,F-,F+,F+,F+,F+,Donor,Recipient,F+,高頻重組菌（high frequency recombination）,Hfr：少數(shù)F質(zhì)?？烧现潦荏w菌染色體上，與染色體一起復(fù)制，這種與F質(zhì)粒重組的細(xì)菌稱(chēng)為Hfr。,F質(zhì)粒,高頻重組菌中的F質(zhì)粒有時(shí)從染色體上脫離下來(lái)，帶有染色體上鄰近的基因，稱(chēng)為F質(zhì)粒。 F+菌，Hfr，F(xiàn)菌都是雄性菌。,R質(zhì)粒的接合 日本首先分離到抗多種藥物的宋內(nèi)志賀菌多重耐藥株，多重耐藥性很難用基因突變解釋。 健康人中大腸埃希菌30%50%有R質(zhì)粒，而致病性大腸埃希菌90%有R質(zhì)粒。 與多重耐藥性有關(guān)。耐藥質(zhì)粒從一個(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)菌中。,R質(zhì)粒 耐藥傳遞因子（resistance transfer factor,RTF） 與F質(zhì)粒相似，編碼性菌毛的產(chǎn)生和通過(guò)接合轉(zhuǎn)移 耐藥（r）決定子,轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）,以溫和噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲得新的性狀。 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（generalized transduction） 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（restricted transduction）,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo) generalized transduction,前噬菌體從溶原菌染色體上脫離，進(jìn)行增殖，在裂解期的后期，噬菌體的DNA已大量復(fù)制，裝配時(shí)可能會(huì)發(fā)生裝配錯(cuò)誤，誤將細(xì)菌的DNA片段裝入噬菌體的頭部，成為一個(gè)轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體。轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體能以正常方式感染另一宿主菌，并將其頭部的染色體注入受體菌內(nèi)。 被包裝的DNA可以是供體菌染色體上的任何部分。,供體菌,結(jié)果 完全轉(zhuǎn)導(dǎo) 流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo),局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)restricted transduction,或稱(chēng)特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)， 所轉(zhuǎn)導(dǎo)的只限于供體菌染色體上特定的基因。 溶原期時(shí)，噬菌體DNA整合在細(xì)菌染色體特定部位，噬菌體DNA發(fā)生偏差分離，將自身的一段DNA留在細(xì)菌染色體上，而帶走了細(xì)菌DNA上兩側(cè)的基因。當(dāng)其轉(zhuǎn)導(dǎo)并整合到受體菌中，使受體菌獲得供體菌的某些遺傳性狀。所轉(zhuǎn)導(dǎo)的只限于供體菌上個(gè)別的基因。,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)與局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)的區(qū)別,溶原性轉(zhuǎn)換（ lysogenic conversion）,當(dāng)噬菌體感染細(xì)菌時(shí)，宿主菌染色體中獲得了噬菌體的DNA片段，使其成為溶原狀態(tài)時(shí)而致細(xì)菌獲得新的性狀。 白喉棒狀桿菌、A群鏈球菌、肉毒梭菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌、霍亂弧菌,原生質(zhì)體融合 protoplast fusion,概念：將二種經(jīng)處理后失去細(xì)胞壁的細(xì)菌（稱(chēng)為原生質(zhì)體）進(jìn)行融合，獲得的新的細(xì)菌個(gè)體。原生質(zhì)體融合是一種有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)手段。,G +菌形成原生質(zhì)體后，在聚乙二醇（PEG）作用下，可使兩種不同的細(xì)菌細(xì)胞發(fā)生融合的過(guò)程。 融合后形成雙倍體細(xì)胞，可短期生存，染色體重組，獲得多種不同表型的重組融合體。 人為實(shí)驗(yàn)基因轉(zhuǎn)移與重組。,細(xì)菌遺傳變異的實(shí)際意義,在疾病的診斷、治療與預(yù)防中的應(yīng)用 在測(cè)定致癌物質(zhì)中的應(yīng)用 在流行病學(xué)中的應(yīng)用 在基因工程中的應(yīng)用,在疾病的診斷、治療與預(yù)防中的應(yīng)用,形態(tài)、結(jié)構(gòu)、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的變異，使得診斷復(fù)雜化 耐藥菌株日益增多，預(yù)防耐藥性 藥敏實(shí)驗(yàn) 早期足量 要有一定療程,聯(lián)合用藥 不要濫用 減毒菌株和無(wú)毒株可制備成疫苗,在測(cè)定致癌物質(zhì)中的應(yīng)用,凡能誘導(dǎo)細(xì)菌發(fā)生突變的物質(zhì)都有可能是致癌物質(zhì)。 Ames實(shí)驗(yàn) 傷寒沙門(mén)菌（his-） （his+）,誘變劑,在流行病學(xué)中的應(yīng)用,分子生物學(xué)分析方法已被用于流行病學(xué)調(diào)查 質(zhì)粒指紋圖（PFP） 研究流行菌株的同源性，檢測(cè)對(duì)噬菌體的敏感性和溶原性，對(duì)細(xì)菌素的敏感性,在基因工程中的應(yīng)用,基因工程是根據(jù)遺傳變異中細(xì)菌可因基因轉(zhuǎn)移和重組而獲