第二章 細菌的遺傳變異

1、第第2 2章章細菌的遺傳變異細菌的遺傳變異 遺遺 傳（傳（heredityheredity）變變 異（異（variationvariation）基因型變異基因型變異 表表型變異型變異 遺傳與變異是所有生物的共同生命特征遺傳與變異是所有生物的共同生命特征 子代與親代生物學性狀基本子代與親代生物學性狀基本相同相同, ,且代代相傳且代代相傳子代與親代子代與親代, ,子代與子代的生子代與子代的生物學性狀出現(xiàn)差異物學性狀出現(xiàn)差異 基因型和表型變異的比較基因型和表型變異的比較基因型變異基因型變異表型變異表型變異基因結構基因結構變化變化 未變未變可逆性可逆性 不或極少不或極少 可逆可逆穩(wěn)定性穩(wěn)定性 穩(wěn)定穩(wěn)定

2、 不穩(wěn)定不穩(wěn)定環(huán)境影響環(huán)境影響涉及細菌數(shù)涉及細菌數(shù)不受影響不受影響 受影響受影響 個別個別 全體全體 第一節(jié)第一節(jié) 細菌的變異現(xiàn)象細菌的變異現(xiàn)象1. 1.形態(tài)結構變異形態(tài)結構變異 細菌細菌L L型變異型變異: : 莢膜變異莢膜變異(capsule): (capsule): 肺炎鏈球菌肺炎鏈球菌 特殊結構變異特殊結構變異 芽胞變異芽胞變異(spore):(spore):炭疽桿菌炭疽桿菌 鞭毛變異鞭毛變異(flagellum):(flagellum): H-O H-O變異變異-失去鞭毛的變異失去鞭毛的變異 2. 2.毒力變異：毒力變異： (Virulence) 毒力毒力 ：BCGBCG（卡介苗）（

3、卡介苗） 膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基牛分枝桿菌牛分枝桿菌 卡介苗卡介苗13年年(230代代) 毒力毒力 ：白喉桿菌溶原化：白喉桿菌溶原化3.3.耐藥性變異耐藥性變異: : (Drug-resistance) 細菌對某種抗菌藥物由敏感變成耐藥的變異。細菌對某種抗菌藥物由敏感變成耐藥的變異。 金黃色葡萄球菌耐青霉素的菌株已從金黃色葡萄球菌耐青霉素的菌株已從1946年的年的14%上升至目前的上升至目前的90%。 有些細菌還表現(xiàn)為同時耐受多種抗菌藥物，即有些細菌還表現(xiàn)為同時耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產(chǎn)生藥物依賴性。多重耐藥性，甚至產(chǎn)生藥物依賴性。 含鏈霉素培基含鏈霉素培

4、基痢疾桿菌痢疾桿菌 依鏈株依鏈株(耐藥菌株耐藥菌株) 長期培養(yǎng)長期培養(yǎng)4. 4.菌落變異：菌落變異：(Colony) 特點：特點：S-RS-R變異常變異常伴有其他性狀的變伴有其他性狀的變異（毒力，異（毒力，抗原性抗原性等等）而造成）而造成全面的全面的變異變異菌落由光滑（菌落由光滑（S S）型變?yōu)榇植冢ǎ┬妥優(yōu)榇植冢≧ R）型）型 如腸道桿菌如腸道桿菌 S-RS-R變異變異失去失去LPS的特異多糖的特異多糖細菌染色體細菌染色體 (chromosome)(chromosome)染色體外的遺傳物質：染色體外的遺傳物質：（一）質粒（一）質粒 (plasmid)(plasmid) （二）噬菌體（二）噬菌

5、體（phage phage ）（三）轉座因子（三）轉座因子 (transposable element)(transposable element)第二節(jié)第二節(jié) 細菌的遺傳物質細菌的遺傳物質 致病島致病島（pathogenicity island,PAI） 在病原菌的基因組內，存在著一組與毒力在病原菌的基因組內，存在著一組與毒力相關的相關的DNADNA序列。表達產(chǎn)物包括粘附素、毒序列。表達產(chǎn)物包括粘附素、毒素等。素等。（一）質粒（一）質粒（plasmid）1. 1.本質：本質： 能自主復制的能自主復制的染色體染色體外遺傳物質外遺傳物質，為環(huán)狀閉合的，為環(huán)狀閉合的雙鏈雙鏈DNADNA。 染色體外

6、的遺傳物質染色體外的遺傳物質2.2.質粒質粒DNADNA基本特性：基本特性：A.A.可自我復制可自我復制；是一個復制子；是一個復制子 B.B.質粒質粒DNADNA編碼的基因產(chǎn)物能賦予細菌編碼的基因產(chǎn)物能賦予細菌 些性狀特征些性狀特征：致育性、耐藥性、致病性等：致育性、耐藥性、致病性等 C.C.質?？勺匀粊G失與消除質粒可自然丟失與消除 自然丟失率自然丟失率1010-2-21010-8-8；可用高溫、紫外線等；可用高溫、紫外線等除去除去D.D.質粒質粒 具有轉移性具有轉移性： 接合性質粒接合性質粒 通過性菌毛進行基因傳遞通過性菌毛進行基因傳遞 非接合性質粒非接合性質粒經(jīng)接合性質粒誘動經(jīng)接合性質粒誘

7、動 或經(jīng)載或經(jīng)載 體體( (噬菌體噬菌體) )進行基因傳遞進行基因傳遞E. E.質粒具有相容性和不相容性質粒具有相容性和不相容性3. 3. 分類：分類： 根據(jù)根據(jù)質?；蚓幋a的生物學性狀質?；蚓幋a的生物學性狀 致育質粒致育質粒/F (fertility) /F (fertility) 質粒質粒 編碼性菌毛編碼性菌毛 耐藥性質粒耐藥性質粒 編碼細菌對抗菌藥物或編碼細菌對抗菌藥物或 重金屬鹽類的耐藥性重金屬鹽類的耐藥性 毒力質粒毒力質粒/Vi (virulence) 質粒質粒 編碼與該菌致病性有關的毒力因子編碼與該菌致病性有關的毒力因子 （二）噬菌體（二）噬菌體（phage）Definition

8、：噬菌體是感染細菌、真菌、噬菌體是感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的放線菌或螺旋體等微生物的病毒病毒；Characteristics： 個體微小，可以通過細菌濾器；個體微小，可以通過細菌濾器； 無細胞結構，主要無細胞結構，主要由由衣殼衣殼（蛋白蛋白 質質）和核酸組成；和核酸組成；核酸單一核酸單一寄生特異寄生特異1.1.形態(tài)與結構形態(tài)與結構噬菌體有三種噬菌體有三種基本形態(tài)，即蝌蚪基本形態(tài)，即蝌蚪形、微球形和細桿形、微球形和細桿形。大多數(shù)噬菌體形。大多數(shù)噬菌體呈蝌蚪形。呈蝌蚪形。 結構結構：由由頭部和尾部組成頭部和尾部組成； 化學組成化學組成：蛋白質與核酸蛋白質與核酸； 核酸類型核酸類型：為

9、為DNA或或RNA，大多數(shù)，大多數(shù)DNA噬菌體的噬菌體的DNA為線狀雙鏈為線狀雙鏈； 噬菌體具有噬菌體具有抗原性抗原性； 抵抗力抵抗力：比一般細菌繁殖體強。比一般細菌繁殖體強。毒性噬菌體的復制周期毒性噬菌體的復制周期毒性噬菌體毒性噬菌體 （Virulent phages） 在宿在宿主菌內的增殖過程（復制周期或溶菌周主菌內的增殖過程（復制周期或溶菌周期）包括吸附穿入、生物合成、成熟釋期）包括吸附穿入、生物合成、成熟釋放等三個階段。放等三個階段。毒性噬菌體毒性噬菌體 毒性噬菌體的溶菌周期毒性噬菌體的溶菌周期（Lytic life cycle） 吸附穿入 生物合成 成熟釋放 溶原性噬菌體溶原性噬菌體

10、(Lysogenic phage)(Lysogenic phage)： 感染宿主菌后不增殖，不產(chǎn)生子代感染宿主菌后不增殖，不產(chǎn)生子代噬菌體，也不引起細菌裂解，其基因整噬菌體，也不引起細菌裂解，其基因整合于細菌基因組中，隨細菌的基因組復合于細菌基因組中，隨細菌的基因組復制而復制的噬菌體。制而復制的噬菌體。溫和溫和/ /溶原性溶原性噬菌體噬菌體前噬菌體前噬菌體 (prophage): 整合在細菌染色體上的噬整合在細菌染色體上的噬 菌體基因菌體基因. .溶原性細菌溶原性細菌 (lysogenic bacteria): 帶有前噬菌體的帶有前噬菌體的 細菌細菌. .溶原性溶原性（Lysogeny）：溫和

11、噬菌體具有的這種產(chǎn)生溫和噬菌體具有的這種產(chǎn)生成熟子代成熟子代噬菌體顆粒和裂解宿主菌的潛在能力。噬菌體顆粒和裂解宿主菌的潛在能力。溫和噬菌體溫和噬菌體溫和噬菌體有溫和噬菌體有溶原性周期溶原性周期和和溶菌性周期溶菌性周期，而毒性噬菌體只有一個溶菌性周期。而毒性噬菌體只有一個溶菌性周期。溫和噬菌體溫和噬菌體溶原性轉換：溶原性轉換：某些前噬菌體可導致細菌基因型和性某些前噬菌體可導致細菌基因型和性狀發(fā)生改變。例如白喉棒狀桿菌產(chǎn)生白喉狀發(fā)生改變。例如白喉棒狀桿菌產(chǎn)生白喉毒素的機理毒素的機理 溫和噬菌體溫和噬菌體溶溶原原性細菌性細菌的特點：的特點： 1. 1. 可正常繁殖，但其子代含前噬菌體；可正常繁殖，但

12、其子代含前噬菌體； 2. 2. 對相應噬菌體具有免疫性；對相應噬菌體具有免疫性； 3. 3. 可產(chǎn)生溶原性轉換（可產(chǎn)生溶原性轉換（噬菌體本身的基因噬菌體本身的基因 轉給宿主菌的轉遞方式轉給宿主菌的轉遞方式）； 4. 4. 其溶原狀態(tài)可自發(fā)或誘導終止；其溶原狀態(tài)可自發(fā)或誘導終止； （三）轉座因子（三）轉座因子 本質：本質： 2.2.轉移方式：轉移方式： 通過通過自身編碼自身編碼產(chǎn)生的產(chǎn)生的轉座酶轉座酶導致導致 其轉移或移位其轉移或移位3. 種類：插入序列（插入序列（insertion sequence,ISinsertion sequence,IS） 是最小的轉位因子，是最小的轉位因子，2kb

13、重復重復序列序列Transposase Gene重復重復序列序列轉座子（轉座子（transposon, Tn） 2kb，除攜帶轉座基因外，還攜帶與轉座無關的，除攜帶轉座基因外，還攜帶與轉座無關的耐藥性基因、抗金屬基因、毒素基因及其他結構基因。耐藥性基因、抗金屬基因、毒素基因及其他結構基因。IS ISResistance Gene(s)復合轉座子復合轉座子復雜轉座子復雜轉座子常見的插入序列和轉座子常見的插入序列和轉座子IS bp Tn 耐藥或毒素基因耐藥或毒素基因IS1 768 Tn1 AP（氨芐青霉素氨芐青霉素）IS2 1327 Tn6 Kan（卡那霉素卡那霉素）IS4 1426 Tn551

14、Em（紅霉素紅霉素）IS5 1195 Tn681 E.coli ET（腸毒素腸毒素）第三節(jié)第三節(jié) 細菌基因的轉移和重組細菌基因的轉移和重組轉移：供菌提供轉移：供菌提供DNA；受菌接受；受菌接受DNA重組：受菌獲得供菌重組：受菌獲得供菌DNA類型類型 基因來源基因來源 轉移方式轉移方式轉化轉化 供菌供菌 受菌攝入受菌攝入接合接合 供菌供菌 通過性菌毛通過性菌毛轉導轉導 供菌供菌 噬菌體媒介噬菌體媒介溶原性轉換溶原性轉換 噬菌體噬菌體 前噬菌體前噬菌體原生質體融合原生質體融合原生質體原生質體融合融合一、轉化（一、轉化（transformation）受菌受菌直接攝取供體菌直接攝取供體菌DNA 供菌死

15、亡時釋放或人工方法提取供菌死亡時釋放或人工方法提取DNA 例：溶菌時，裂解的例：溶菌時，裂解的DNADNA片段被另一細菌攝取。片段被另一細菌攝取。小鼠體內肺炎鏈球菌小鼠體內肺炎鏈球菌轉化試驗轉化試驗死亡死亡死亡死亡二、接合（二、接合（conjugation） 通過性菌毛將供菌通過性菌毛將供菌DNA轉給受體轉給受體菌，受體菌獲得供體菌性狀菌，受體菌獲得供體菌性狀主要接合性質粒：主要接合性質粒： F F質粒、質粒、R R質粒、質粒、ColCol質粒、質粒、 ViVi質粒質粒大腸埃希菌與腸道桿菌接合大腸埃希菌與腸道桿菌接合（電鏡掃描圖）存在形式：存在形式：F+ F+ 菌菌-含游離的含游離的F F質粒

16、質粒F F 菌菌-含帶宿主菌基因的含帶宿主菌基因的F F質粒質粒HfrHfr菌菌(high frequency recombinant)(high frequency recombinant)高頻重組菌高頻重組菌- F- F質粒整合于細菌染色體中質粒整合于細菌染色體中F質粒（質粒（fertility factor, 致育因子）致育因子）F F質粒存在的生理狀態(tài)質粒存在的生理狀態(tài) F F- - 菌菌F F+ + 菌菌Hfr Hfr 菌菌與與 F+菌接合菌接合丟失丟失整合整合切離切離偏差切離偏差切離 丟失丟失整合整合與與菌接合菌接合 F-作用：編碼性菌毛作用：編碼性菌毛轉移：轉移：F F質粒進入質

17、粒進入F F菌，菌，1 1分鐘完成分鐘完成復制：復制：F F菌轉為菌轉為F F菌菌Hfr轉移細菌染色體過程轉移細菌染色體過程1.1.兩者結合兩者結合2.DNA2.DNA一條鏈斷開，染色體一條鏈斷開，染色體DNADNA經(jīng)性菌毛進入經(jīng)性菌毛進入F F- - 菌菌3.3.接合作用可隨時中斷（自接合作用可隨時中斷（自發(fā)或外界因素），受體菌一發(fā)或外界因素），受體菌一般仍是般仍是F F- - 菌菌Hfr F-lHfr（高頻重組菌株）：（高頻重組菌株）：F質粒與染色體整合質粒與染色體整合 具有結合和轉移功能具有結合和轉移功能 細菌染色體轉移頻率高，細菌染色體轉移頻率高，F(xiàn)質粒低質粒低 受體菌獲得供體菌性狀受

18、體菌獲得供體菌性狀 用于繪制基因圖用于繪制基因圖F x F-F F菌轉為菌轉為F F菌，菌， F菌仍然為菌仍然為F菌。菌。 R R質粒質粒 作用：決定細菌的耐藥性作用：決定細菌的耐藥性 結構：結構：1.RTF (resistance transfer factor) 耐藥傳遞因子耐藥傳遞因子-編碼性菌毛，與復制、接合及轉編碼性菌毛，與復制、接合及轉移有關移有關 2.R determinant （r決定子）決定子）-編碼對抗菌藥物的耐藥性編碼對抗菌藥物的耐藥性 結合結合游離游離耐藥傳遞因子耐藥傳遞因子（RTFRTF）r r決定子決定子ISISr r決定子決定子存在存在 a. a. 復合物形式：復

19、合物形式：RTF- rRTF- r決定子決定子 b. b. 游離形式：游離形式：兩部分單獨存在時無接合傳遞兩部分單獨存在時無接合傳遞R R質粒的功能質粒的功能耐藥傳遞因子耐藥傳遞因子三、轉導（三、轉導（transduction）噬菌體媒介噬菌體媒介 將供菌將供菌DNA轉給受菌轉給受菌 分普遍性轉導和局限性轉導分普遍性轉導和局限性轉導毒性噬菌體，溫和噬菌體毒性噬菌體，溫和噬菌體 包裝錯誤：包裝錯誤： 任何部位細菌任何部位細菌DNADNA片段片段轉導性噬菌體：轉導性噬菌體： 供體菌供體菌DNADNA誤裝入噬菌體誤裝入噬菌體受菌接受轉導噬菌體受菌接受轉導噬菌體( (供菌供菌)DNA)DNA受菌獲得供

20、菌性狀受菌獲得供菌性狀 普遍性轉導普遍性轉導（generalized transduction)普遍性轉導中外源普遍性轉導中外源DNADNA的結果的結果1.1.完全轉導：完全轉導： 供體菌的供體菌的DNADNA與受體菌染色體重組，與受體菌染色體重組，隨染色體復制而隨之傳代隨染色體復制而隨之傳代2.2.流產(chǎn)轉導流產(chǎn)轉導(abortive transduction): 供體菌的供體菌的DNADNA與受體菌染色體不能進與受體菌染色體不能進行重組行重組, ,轉導的片斷不能自身復制，也不轉導的片斷不能自身復制，也不能傳代能傳代 局限性轉導局限性轉導(restricted transduction)溫和性

21、噬菌體介導溫和性噬菌體介導- - 前噬菌體從宿主菌染色體上脫落時發(fā)前噬菌體從宿主菌染色體上脫落時發(fā)生偏差生偏差, ,將前噬菌體將前噬菌體兩側兩側的宿主染色體基因轉的宿主染色體基因轉移到受體菌移到受體菌, ,使受體菌遺傳發(fā)生改變的過程使受體菌遺傳發(fā)生改變的過程. .局限性轉導機制局限性轉導機制ubio-bio-生物素基因生物素基因ugal-gal-糖苷酶基因糖苷酶基因正常切離正常切離偏差切離偏差切離缺陷噬菌體缺陷噬菌體正常噬菌體正常噬菌體前噬菌體前噬菌體 局限性轉導與普遍性轉導的主要區(qū)別局限性轉導與普遍性轉導的主要區(qū)別 普遍性轉導普遍性轉導 局限性轉導局限性轉導轉導時間轉導時間 溫和噬菌體裂解期

22、溫和噬菌體裂解期 溫和噬菌體溶原期溫和噬菌體溶原期轉導基因轉導基因 供體菌染色體供體菌染色體DNADNA的的 噬菌體噬菌體DNADNA及供菌染色及供菌染色 任何部位或質粒任何部位或質粒 體體DNADNA的特定部位片斷的特定部位片斷轉導頻率轉導頻率 低低 高高轉導結果轉導結果 完全轉導完全轉導 獲得供體菌獲得供體菌DNADNA 流產(chǎn)轉導流產(chǎn)轉導 特定部位的遺傳特性特定部位的遺傳特性 四、溶原性轉換（四、溶原性轉換（lysogenic conversion）溫和溫和噬菌體噬菌體DNA與菌染色體整合與菌染色體整合 受菌獲得新的性狀受菌獲得新的性狀 如白喉桿菌：如白喉桿菌：- -噬菌體噬菌體- -外毒

23、素基因外毒素基因 不產(chǎn)毒白喉桿菌不產(chǎn)毒白喉桿菌 產(chǎn)毒白喉桿菌產(chǎn)毒白喉桿菌五、原生質體融合五、原生質體融合 (protoplast fusion)A A 細細菌菌B B 細細菌菌A A 原生質體原生質體B B 原生質體原生質體重組融合體重組融合體不同重組菌不同重組菌培培 養(yǎng)養(yǎng)聚乙二醇聚乙二醇青霉素等青霉素等細菌基因轉移與重組的幾種方式比較細菌基因轉移與重組的幾種方式比較方式方式 基因來源基因來源 轉移機制轉移機制轉化轉化 供體菌供體菌 直接攝取直接攝取接合接合 雄性菌雄性菌 性菌毛溝通性菌毛溝通普遍轉導普遍轉導 供體菌供體菌 噬菌體介導噬菌體介導局限轉導局限轉導 溶原菌溶原菌 溫和噬菌體介導溫和

24、噬菌體介導溶原轉換溶原轉換 溫和噬菌體溫和噬菌體 溫和噬菌體感染溫和噬菌體感染融合融合 原生質體原生質體 原生質體融合原生質體融合1.1.疾病的診斷與防治疾病的診斷與防治 診斷困難診斷困難 HO變變異：如傷寒沙門菌鞭毛異：如傷寒沙門菌鞭毛 SR變異：消失莢膜或多糖變異：消失莢膜或多糖 抗原性改變抗原性改變 毒力下降，生化反應改變毒力下降，生化反應改變 治療困難：治療困難：耐藥耐藥 預防：預防：BCG2.測定致癌物測定致癌物3.流行病學研究流行病學研究4.基因工程中的應用基因工程中的應用第四節(jié)第四節(jié) 細菌遺傳變異在醫(yī)學中的意義細菌遺傳變異在醫(yī)學中的意義 檢測致癌物檢測致癌物 細菌突變的誘因往往是化學物質，細菌突變的誘因往往是化學物質，這種致變物質一般均有致癌的可能這種致變物質一般均有致癌的可能性，因此采用細菌作為模型來進行性，因此采用細菌作為模型來進行可疑致癌物的篩選?？梢芍掳┪锏暮Y選。AmesAmes試驗過程試驗過程: :組氨酸營養(yǎng)缺陷株組氨酸營養(yǎng)缺