細菌的遺傳與變異 (2)

1、第六章 細菌的遺傳變異 主要內(nèi)容：一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎二、基因突變?nèi)?、基因的轉移與重組四、研究細菌遺傳變異的實際意義1第一節(jié) 細菌遺傳的物質(zhì)基礎1、 基因組 (genome) 細菌的基因組位于核體，是遺傳的主要物質(zhì)基礎。核體又稱染色體(chromosome)是由兩條環(huán)狀雙螺旋DNA長鏈組成，含細菌的遺傳基因，控制細菌的遺傳與變異。細菌染色體DNA以半保留方式進行復制。故子代寫親代細菌的性狀相同。倘若在DNA復制中，子代DNA發(fā)生改變，便會出現(xiàn)變異。22、質(zhì)粒 (Plasmid) 質(zhì)粒是細菌染色體外的遺傳物質(zhì)，多為環(huán)狀雙螺旋DNA分子。質(zhì)?？梢宰陨韽椭疲S宿主菌分裂傳到子代菌體。在一定條件下，

2、質(zhì)?？梢赞D移，也可丟失。質(zhì)粒是自行復制單位，有的需與核質(zhì)染色體的復制同步，稱為嚴緊型復制。編碼細菌各種重要的生物學性狀。31 F質(zhì)粒：編碼性菌毛的質(zhì)粒稱致育質(zhì)?；騀質(zhì)粒 ，具有F質(zhì)粒的細菌有性菌毛，為雄性細菌；無F質(zhì)粒的細菌無性菌毛，為雌性細菌，該質(zhì)粒與細菌的有性結合有關。2 毒力質(zhì)粒：編碼細菌各種毒力因子的質(zhì)粒統(tǒng)稱毒力質(zhì)?；騐i質(zhì)粒 。如致病性大腸桿菌在黏膜上定居及產(chǎn)生毒素的能力可由不同質(zhì)粒編碼，其中K質(zhì)粒編碼對黏膜具有黏附活性的菌毛，ST質(zhì)粒與LT質(zhì)粒分別編碼耐熱腸毒素和不耐熱腸毒素。細菌對抗菌藥物或重金屬鹽類的抗性則由R質(zhì)粒所決定。一個質(zhì)?？赏瑫r具有幾種編碼功能。 4質(zhì)?？梢栽诩毦g轉移

3、，當質(zhì)粒從一個細菌轉移至另一個細菌時，攜帶的性狀也隨之轉移。質(zhì)粒的轉移不僅可以發(fā)生花同種、同屬的細菌之間，有的甚至還可以在不同種屬的細菌間進行。按其轉移的特性時將質(zhì)粒分為二類:接合性質(zhì)粒與非接合性質(zhì)粒。52、穿梭載體 是一類特殊的質(zhì)粒，可在某種屬關系差異較大的微生物中轉移，例如在大腸桿菌與酵母之間。利用它可攜帶質(zhì)核或真核微生物的外源序列。3、轉座因子 (transposable element) 近年來發(fā)現(xiàn)微生物的某些DNA片段作為一個獨立單位可在染色體上移動，此種移動甚至可發(fā)生在不同種細胞之間。這種可移動的DNA片段稱之為轉座因子。細菌的轉座因子有三種類型:插入序列（IS）、轉座子(Tn)以

4、及某些特殊的噬菌體，例如Mu是促變噬菌體的簡稱。64、毒力島(pathogenicity island，PAI) 是20世紀90年代提出的一個新概念。PAI是指病原菌的某個或某些毒力基因群，分子結構與功能有別于細菌染色體，但位于細菌染色體之內(nèi)，因此稱之為“島”。PAI雖然是染色體的DNA片段，但兩端往往具有重復序列與插入元件，其G+Cmol%及密碼使用與細菌染色體有明顯差異，分子量較大，多為3040kb，也有達100kb者。7遺傳變異的物質(zhì)基礎三個經(jīng)典實驗證明核酸是微生物遺傳物質(zhì)轉化實驗噬菌體感染實驗植物病毒的重建實驗8殺死 無菌落生長 體外培養(yǎng) 活菌 體外培養(yǎng) 菌落 菌落多菌落少 體外混合培

5、養(yǎng)殺死 活菌 轉化實驗（2）細菌培養(yǎng)實驗9大量R菌落活R菌S菌無細胞抽提液+活R菌+S菌DNAS菌落轉化實驗（3）S型菌無細胞抽提液試驗S菌PrS菌多糖R菌落活R菌+Cncnc-micro101112 植物病毒蛋白質(zhì)和RNA可以人為地分開,同時又可把它們重新組合成具感染性的病毒.植物病毒的重建實驗 甲乙r 感染癥狀同甲病毒；分離得到甲病毒 乙甲r 感染癥狀同乙病毒；分離得到乙病毒 Cncnc-micro13TMVHRV（TMV變種）HRVTMV原始株 拆開 重建 感染 分離純化 植物病毒的重建實驗 14染色體基因基因DNA基因是一段DNA1516第二節(jié) 基因突變一、基因突變的概念及種類：1、概

6、念：基因突變簡稱突變，是變異的一種，指生物細胞遺傳物質(zhì)DNA分子結構突然發(fā)生了穩(wěn)定的可遺傳的變化。它是生物進化的一個重要因素。2、種類：細菌與一般生物細胞一樣可發(fā)生突變，其突變也可按發(fā)生改變的范圍大小，分為染色體畸變和點突變。17二、細菌常見的變異現(xiàn)象1、菌落形態(tài)變異 分為兩種類型，即菌落表面光滑、濕潤，邊緣整齊的光滑型（S型）和菌落表面粗糙、枯干，邊緣不整齊的粗糙型(R型)。在一定條件下，光滑型菌落可變?yōu)榇植谛停Q為SR變異。SR變異，經(jīng)常伴隨著S型抗原的喪失和病原菌毒力由強變?nèi)醯刃誀畹母淖?。18 2、形態(tài)結構變異 常見的有細胞壁缺陷變異 (細菌L型等)、莢膜變異或鞭毛變異等。 3-6%食

7、鹽鼠疫桿菌多形態(tài)性(衰殘型)。 瓊脂培基19形態(tài)結構變異 青霉素、溶菌酶正常形態(tài)細菌 L型變異 抗體或補體 (部分或完全失去胞壁)正?；魜y弧菌霍亂弧菌L型20形態(tài)結構變異 特殊結構的變異 42-43炭疽桿菌失去形成芽胞能力, 毒性 10-20天 降低 變形桿菌（H） 1%石炭酸 （O） 遷徙生長 單個菌落鞭毛變異213、抗原變異 由于細菌基因突變而引起其抗原結構發(fā)生改變的變異類型。 常見的抗原變異有： 菌體抗原變異 鞭毛抗原變異 （H-O變異） 莢膜抗原變異224、抗性變異 是對某種化學藥物或致死物理因子抗性的變異。如耐藥性的產(chǎn)生、對多種物理因素的抗性增強等。5、營養(yǎng)型變異 主要引起營養(yǎng)缺陷型

8、變異，即細菌喪失合成一種或幾種生長因子的能力，無法在基本培養(yǎng)基上正常生長繁殖的變異類型。這種突變對研究細菌代謝產(chǎn)物的生物合成途徑很有用處。此外，營養(yǎng)型變異菌株可作為雜交、轉化、轉導和原生質(zhì)體融合等研究中的標記菌種。 236、毒力變異：毒力增強或減弱毒力是病原菌特有的一種生物學性狀。在自然條件下，不僅不同菌株的毒力有所不同，就是同一菌株在不同條件下也表現(xiàn)出不同的毒力。在某種傳染病的發(fā)病初期，從患病動物體內(nèi)分離出來的菌株毒力較強，然而在流行末期分離到的細菌毒力大為減弱。毒力強的菌株在體外連續(xù)傳代改變培養(yǎng)條件后，毒力往往減弱，而通過易感動物又能便毒力減弱的菌株恢復毒力。 24細菌毒力減弱的方法 （1

9、）長時間在體外連續(xù)培養(yǎng)傳代 病原菌在體外人工培養(yǎng)基上連續(xù)多次傳代后，毒力一般都能逐漸減弱乃至失毒力。 （2）在高于最適生長溫度條件下培養(yǎng) 例如炭疽I型和號疫苗，均是將炭疽桿菌強毒株在4243培養(yǎng)傳代育成。25 （3）在含有特殊化學物質(zhì)的培養(yǎng)基中培養(yǎng) 如廣為采用的結核病卡介苗 (BCG)，系將牛型結核桿菌在含有膽汁的馬鈴薯培養(yǎng)基上每15天傳1代，持續(xù)傳代13年后育成。 （4）在特殊氣體條件下培養(yǎng) 如無莢膜炭疽芽孢苗是半強毒菌株在含50%動物血清的培養(yǎng)基上，在50%CO2的條件下選育的。26（5）通過非易感動物 如豬丹毒弱毒苗 (GC42 )系將強致病菌和株通過豚鼠370代后，又通過雞42代選育而

10、成。（6）通過基因工程的方法 去除毒力基因或用點突變的方法使毒力基因失活，可獲得無毒力菌株或弱毒菌株。但對多基因調(diào)控的毒力因子較難奏效。27 細菌毒力增強的方法在自然條件下，回歸易感動物是增強細菌毒力的最佳方法。易感動物既可是本動物，也可是實驗動物。特別是易感實驗動物，已廣泛用于增強細菌的毒力，如多殺性巴氏桿菌通過小鼠，豬丹毒桿菌通過鴿子等。 28 三、誘發(fā)細菌變異的方法 誘發(fā)突變是應用人工方法使細菌增殖和復制DNA時出現(xiàn) “錯誤”， 從而育成人類需要的細菌變異品系。如下介紹常用的誘變方法及其致突變的機制。 29（一） 物理方法 包括溫度及各種射線 。1、溫度：溫度誘發(fā)基因突變的機制似乎是專一

11、對GC堿基對的作用。包括使C脫氨基轉換為尿嘧啶 (U)，在復制中造成GG AT轉換;以及引起G-脫氧核糖鍵的移動，從而在DNA復制過程中出現(xiàn)包括兩個G的堿基對，在再一次復制中造成GG CG顛換。302、輻射：輻射的誘變作用一般認為有直接作用和間接作用兩個方面。前者是指輻射直接作用于染色體，包括引起DNA骨架斷裂所造成的染色體畸變和引起復制差錯。間接作用是使染色體以外的細胞物質(zhì)發(fā)生變化，再由這些物質(zhì)作用于染色體引起突變;它包括堿基類似物的形成及其突變誘發(fā)作用，和電離輻射引起過氧化氫和游離基的產(chǎn)生以及它們誘發(fā)突變。31（二）化學方法 常用的化學誘變劑有5溴脫氧尿苷（ UBr ）、5-氟脫氧尿苷、2

12、-氨基嘌呤、8-氮鳥嘌呤、亞硝酸、羥胺、烷化劑（B丙酸內(nèi)酯和芥子氣等）、亞硝基胍、丫啶橙染料 (丫啶黃、丫啶橙、原黃素等)、一系列烷化劑和丫啶類結合的化合物、溴化乙錠等。它們的作用機制復雜而各有差異，總的說來主要有以下幾方面。 321.取代堿基參入DNA，從而使DNA的某些堿基對發(fā)生置換。例如UBr是T的結構類似物，它通常以酮式出現(xiàn)，能代替T與A形成氫鍵而配對。2. 使堿基發(fā)生化學變構，從而引起DNA的某些堿基對發(fā)生置換。例如亞硝酸對堿基有氧化脫氨基作用，可以便C成為U與A配對，或A成為次黃嘌呤(H)與C配對，從而引起DNA的某些堿基對發(fā)生置換突變。 333.插入DNA相鄰的堿基之間，引起移碼

13、突變。在鄰近的兩個嘌呤堿基之間插入丫啶染料分子，可引起DNA復制時堿基增添或缺失的錯誤，造成密碼子的移碼，出現(xiàn)基因突變。 4.引起DNA分子斷裂而誘發(fā)染色體畸變。例如許多烷化劑 (氮芥、硫芥、環(huán)氧乙烷等)除能誘發(fā)點突變以外，還能誘發(fā)染色體畸變。 34（三）生物學方法利用各種生物學的方法可誘使微生物發(fā)生變異，使細菌發(fā)生毒力等性狀的改變，獲得性能良好的菌株。1、增強毒力 連續(xù)通過易感動物，可使病原菌毒力增強。有的細菌與其他微生物共生，或被溫和噬菌體感染，也可增強毒力。例如產(chǎn)氣莢膜梭菌與八疊球菌共生時毒力增強;肉毒梭菌當被溫和噬菌體感染時，方產(chǎn)生毒素。 352、減弱毒力 病原菌毒力自發(fā)減弱的現(xiàn)象，常

14、見于傳染病流行末期所分得的病原菌株。人工減弱病原微生物的毒力通常使用病原菌通過非易感動物、雞胚等方法。如將禽霍亂強毒菌株通過琢鼠190代后，再經(jīng)雞胚傳40代，育成禽霍亂弱毒菌株。無論自然變異弱毒株或人工培育的變異弱毒株，均由于DNA上核甘酸堿基順序的改變的結果。36第三節(jié) 基因的轉移與重組細菌是單細胞生物，以二分裂方式進行無性繁殖，子代只有從一個親代獲得遺傳物質(zhì)，在某種情況下，兩個不同性狀細菌的基因可以轉移到一起，經(jīng)過基因間的重組，形成新的遺傳型個體。細菌的基因轉移和重組的主要形式有轉化、轉導、接合、原生質(zhì)體融合和轉染。 37轉化轉化因子（transforming principle ）在轉化

15、過程中，轉化的DNA片段稱為轉化因子 ，分子量小于107，最多不超過1020個基因。感受態(tài)（competence）受體菌只有處于感受態(tài)時，才能攝取轉化因子。細菌處于感受態(tài)是因為其表面有一種吸附DNA的受體.38轉化轉化因子吸附在受體菌表面受體上，然后再被攝入 。解鏈，一鏈進入受體菌，另一鏈為進入提供能量。重組。DNA復制重組菌繁殖后，獲得新的性狀的細菌稱為轉化菌的突變株。39轉化40接合（conjugation）接合是細菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）從供體菌轉移給受體菌。 接合性質(zhì)粒：能通過接合方式轉移的質(zhì)粒稱為接合性質(zhì)粒，F(xiàn)質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒和毒力質(zhì)粒。41E

16、. coli strains undergoing conjugation (TEM x27,700) 42接合F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipient43接合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。R質(zhì)粒與耐藥性有關，尤其與多重耐藥性有關。耐藥質(zhì)粒從一個細菌轉移到另一個細菌中。44接合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)生和通過接合轉移耐藥（r）決定子r-dir能編碼對抗菌

17、藥物的耐藥性，可由幾個轉座子連接相鄰排列，如Tn9帶有氯霉素耐藥基因，Tn4帶有氨芐青霉素、磺胺、鏈霉素的耐藥基因，Tn5帶有卡那霉素的耐藥基因。 45 轉導（transduction）轉導是以轉導噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA轉移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲得新的性狀。 普遍性轉導（generalized transduction）局限性轉導（restricted transduction）46 前噬菌體從溶原菌染色體上脫離，進行增殖，在裂解期的后期，噬菌體的DNA已大量復制，在噬菌體DNA裝入外殼蛋白組成新的噬菌體時，在105107次裝配中會發(fā)生一次裝配錯誤，誤將細菌的DNA片段裝入噬菌體的

18、頭部，成為一個轉導噬菌體。轉導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)。因被包裝的DNA可以是供體菌染色體上的任何部分，故稱為普遍性轉導。 普遍性轉導47普遍性轉導48普遍性轉導完全轉導外源性DNA片段與受體菌的染色體整合，并隨染色體而傳代，稱完全轉導 流產(chǎn)轉導外源性DNA片段游離在胞質(zhì)中,既不能與受體菌染色體整合，也不能自身復制，稱為流產(chǎn)轉導 49局限性轉導或特異性轉導， 所轉導的只限于供體菌染色體上特定的基因。如噬菌體進入大腸埃希菌。局限性轉導50局限性轉導galbiogalbiogalbiogalbiobiogal51第四節(jié) 細菌遺傳變異研究的實際意義1、理論意義：用細菌進行的一系列遺傳學實驗，不僅揭示了細菌本身許多遺傳變異的規(guī)律，而且推動整個分子遺傳學的迅速發(fā)展。在微生物學領域內(nèi)，細菌遺傳變異的研