细菌的遗传和变异

细菌的遗传和变异
细菌的遗传和变异
• 一、基础知识 • 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 代之间的差异称为变异。
（一）细菌的变异
• 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。
• 非遗传性变异（表型变异）
– 环境改变导致，基因结构未发生变异，可 逆，不可遗传。
（二）细菌的变异现象
• 形态、结构变异 • 毒力变异 • 耐药性变异 • 菌落变异
形态结构变异
•
3-6%食盐
鼠疫杆菌────→多形态性(衰残型)。
琼脂培基
形态结构变异
•
青霉素、溶菌酶
正常形态细菌──────→ L型变异
IS Resistance Gene(s) IS IS Resistance Gene(s) IS
转位因子
• 可转移性噬菌体 • 是一些具有转座功能某些生物学 性状，如白喉棒状杆菌、肉毒梭菌等的外毒素就 是由转座噬菌体的有关基因所编码的。另外，转 座噬菌体从细菌染色体分离脱落时，可能连带有 细菌的DNA片段，故它还可能在遗传物质转移过 程中起载体作用。
三、细菌的变异机制
• （一）基因突变(小突变、大突变 • 1、突变率：自然突变率、诱导突变率 • 2、突变与选择 • 3、回复突变 • 4、转位因子与突变
（二）基因的转移和重组
• 基因转移
– 外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为 基因转移（gene transfer） 。
• 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的某些性状。
长期培养
菌落变异
•
在陈旧培养基中长期培养
光滑型菌落 ─────→ 粗糙型菌落
S 或在有免疫力的人体内 R
• 失去LPS的特异性多糖重复单位
二、细菌遗传变异的物质基础
• （一）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
– 普遍性转导（generalized transduction） – 局限性转导（restricted transduction）
普遍性转导
• 前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖，在 裂解期的后期，噬菌体的DNA已大量复制，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，成为一个转导 噬菌体。转导噬菌体能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。因被包 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。
– 编码产物赋予细菌某些性状特征 – 可自行丢失与消除 – 有转移性 – 可分为相容性和不相容性
转座因子（转位因子）
• 定义：是存在于细菌染色体或质粒DNA分子 上的一段特异性核苷酸序列片段，它能在 DNA分子中移动，不断改变它们在基因组的 位置，能从一个基因组转移到另一个基因 组中。
转位因子
• 1、插入序列（insertion sequence,IS）
– 是最小的转位因子，长度不超过2kb，不携带任 何已知与插入功能无关的基因区域，往往是插 入后与插入点附近的序列共同起作用，可能是 原细胞正常代谢的调节开关之一。
ABCDEFG
Transposase
GFEDCBA
转位因子
• 2、转座子（transposon,Tn）
– 长度一般超过2kb，除携带与转位有关的基 因外，还携带耐药性基因、抗金属基因、毒 素基因及其他结构基因等。因此当Tn插入某 一基因时，一方面可引起插入基因失活产生 基因突变，另一方面可因带入耐药性基因而 使细菌获得耐药性。转座子可能与细菌的多 重耐药性有关。
• 细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、 溶原性转换和原生质体融合等方式进行。
1、转化（transformation）
• 定义: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。
• 转化相关因素： • 1）、供体菌与受体菌的DNA应具有同源性，
新缘关系愈近转化率越高。 • 2）受体菌应处于感受状态。细菌处于感受
抗体或补体
(部分或完全失去胞壁)
正常霍乱弧菌
霍乱弧菌L型
形态结构变异
• 特殊结构的变异
42-43℃
炭疽杆菌────→失去形成芽胞能力, 毒性
10-20天
降低
变形杆菌（H） 1%石炭酸 （O）
迁徙生长
单个菌落
鞭毛变异
毒力变异
•
β棒状噬菌体
白喉棒状杆菌────→ 获得白喉毒素
毒力变异
•
胆汁、甘油、马铃薯培养基
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。 • （二）质粒
• 质粒是细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合 的双链DNA。
几种重要的质粒： 致育质粒（F质粒）、耐药质粒 毒力质粒（Vi质粒）、细菌素质粒等
质粒的特征
– 自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝
• 紧密型质粒和松弛型质粒
牛型结核杆菌────────→卡介苗
13年(230代)
耐药性变异
• 细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐 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)
recombination,Hfr） – F′ – F+ 、 Hfr、 F′都为雄菌
接合
Donor
F+
F-
F+
F-
Recipient
F+
F+
F+
F+
接合
F+
F+
Hfr
接合
Hfr
F-
Hfr
F-
Hfr
F-
Hfr
F-
接合
F’
F-
F’
F-
F’
F’
F’
F’
3、转导（transduction）
• 定义：转导是以温和噬菌体为载体，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。
态是因为其表面有一种吸附DNA的受体
转化
接合（conjugation）
• 定义：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，F质粒、R质粒、Col质粒 和毒力质粒。
接合
• F质粒的接合
– F+×F－ – 高频重组菌（high frequency