细菌的遗传与变异.ppt

第六章第六章 细菌的遗传变异细菌的遗传变异 主要内容主要内容 一一、细菌的遗传物质细菌的遗传物质（一一）细菌的染色体细菌的染色体（二二）染色体以外的遗传物质染色体以外的遗传物质 二二、基因突变基因突变（一一）细菌变异的类型细菌变异的类型（二二）细菌变异的机制细菌变异的机制 三三、细菌遗传变异的实际应用细菌遗传变异的实际应用 细菌的遗传细菌的遗传 细菌的变异细菌的变异 细菌变异的分类细菌变异的分类 第一节第一节 细菌遗传的物质基础细菌遗传的物质基础 一、基因组一、基因组 细菌的基因组是位于染色体上细菌的基因组是位于染色体上，能导致产生特定肽能导致产生特定肽链的那一段链的那一段DNA分子分子，呈直线排列呈直线排列，具有特定遗传信息具有特定遗传信息，具有相对稳定性具有相对稳定性，控制细菌的遗传与变异控制细菌的遗传与变异，是细菌遗传是细菌遗传主要主要物质基础物质基础。细菌染色体的结构与特点细菌染色体的结构与特点 1、细菌是一条染色体细菌是一条染色体，呈环状双螺旋呈环状双螺旋DNA结构结构，按按一定构型反复回旋卷曲而成的松散的网状结构一定构型反复回旋卷曲而成的松散的网状结构。2、细菌染色体是核蛋白与细菌的细菌染色体是核蛋白与细菌的DNA相结合相结合。该蛋该蛋白与基因的活化白与基因的活化、DNA的复制有关的复制有关。3、不同细菌染色体不同细菌染色体DNA的的G+C mol不同不同。约有约有1的碱基被甲基化的碱基被甲基化，其中腺嘌呤被甲基化的数量最多；其中腺嘌呤被甲基化的数量最多；其次为胞嘧啶其次为胞嘧啶。4、细菌基因组中细菌基因组中，不编码的不编码的DNA序列很少序列很少，只有只有少数基因具有重复序列少数基因具有重复序列，功能相关的基因高度集功能相关的基因高度集中中，组合成操纵子组合成操纵子。5、细菌具有连续的基因结构细菌具有连续的基因结构，无内含子无内含子 乳糖操纵子 内含子内含子 二二、质粒质粒 1.质粒的特点质粒的特点 1）质粒并非细菌生存所必不可少的遗传物质质粒并非细菌生存所必不可少的遗传物质。2）质粒的传递质粒的传递（转移转移）是细菌遗传物质转移的是细菌遗传物质转移的一个重要方式一个重要方式。3）质粒可自行失去或经人工处理而消失质粒可自行失去或经人工处理而消失。4）质粒可以自我复制质粒可以自我复制。5）可有几种质粒同时共存在于一个细菌内可有几种质粒同时共存在于一个细菌内。2.质粒的分类质粒的分类 1）能否通过细菌的接合作用进行转移能否通过细菌的接合作用进行转移 接合性质粒接合性质粒 非接合性质粒非接合性质粒 2）质粒在宿主菌内拷贝数的多少质粒在宿主菌内拷贝数的多少 严紧型质粒严紧型质粒 松弛型质粒松弛型质粒 3）质粒的相容与不相容性质粒的相容与不相容性 两种结构相似两种结构相似、密切相关的质粒不能稳定共存于一个密切相关的质粒不能稳定共存于一个宿主菌；结构相差较大宿主菌；结构相差较大、互不相干的质粒可以共存于互不相干的质粒可以共存于同一个菌体同一个菌体。4）质粒的来源不同质粒的来源不同 天然质粒天然质粒 人工构建质粒人工构建质粒 致育因子（致育因子（fertility factor）F质粒质粒 与有性生殖有关 带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛；无F质粒的为雌性菌，无性菌毛。能够整合到细菌染色体上的质粒为附加体。高频重组菌（high frequence recombination,Hfr）：有F质粒整合到宿主染色体的菌株。F因子：Hfr菌株上的F因子通过重组恢复成自由状态时，有时可将其相邻的染色体基因一起切割下来，成为携带某一染色体基因的F因子，将携带不同基因的F因子统称为F。几种重要的天然质粒 耐药性质粒耐药性质粒 编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。毒力质粒毒力质粒（Vi质粒质粒）（virulence plasmid）编码与该菌致病性有关的毒力因子。细菌素质粒细菌素质粒 编码各种细菌产生的细菌素。代谢质粒代谢质粒 编码产生相关的代谢酶。人工构建的质粒人工构建的质粒 1.人工构建质粒的目的：人工构建的质粒主要用于基因工程技术，在该技术中质粒主要被用作载体。基因工程的程序：（1）获取所需要的基因获取所需要的基因（2）将将目的基因目的基因与载体连接与载体连接（3）将重组将重组DNA导入到受体细胞，导入到受体细胞，外源基外源基因因得到表达得到表达。2.基因工程载体必须具备下列条件：1）环状DNA结构 2）具有限制性内切酶的位点，以便与外源基因连接 3）可不依赖于染色体进行独立复制 4）具有有别于宿主的选择性标记 5）可通过特定方法导入某些宿主细胞 功能不同 特殊用途的载体 克隆载体 表达载体 拷贝数高 具有单（多）克隆位点 载体本身带有一个或多个选择标记 除具有克隆载体的一般特性以外，还具有一套表达元件：启动子、SD序列、终止子 3.基因工程载体分类 4、质粒作为载体 A A T T C T T A A G G A A T T C T T A A EcoRI 酶切 转化 1、高温变性、高温变性 2、低温复性、低温复性 3、一定温度延伸、一定温度延伸 PCR 三、转座因子三、转座因子 存在于细菌染色体上存在于细菌染色体上，可作为独立单位在可作为独立单位在染色体上自由移动的染色体上自由移动的DNA片断片断。转座因子有三转座因子有三种类型：插入序列种类型：插入序列（IS）、转座子转座子（Tn）、及及特殊噬菌体特殊噬菌体。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，引起插入突变。Transposase ABCDEFG GFEDCBA IS IS 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。Tn 基因=IS IS Resistance Gene(s)IS IS Resistance Gene(s)基因失活 细菌获得耐药性 转座子的特征 转座子 携带耐药或毒素基因 Tn1 Tn2 Tn3 AP（氨苄青霉素）Tn4 AP、SM（链霉素）、Su（磺胺）Tn5 Km（卡那霉素）Tn6 Km Tn7 TMP（甲氧苄氨嘧啶）、SM Tn9 Cm（氯霉素）Tn10 Tc（四环素）tn551 Em（红霉素）Tn971 Em Tn1681 大肠埃希菌（肠毒素基因）3.转座噬菌体或前噬菌体 是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状。转座噬菌体从细菌染色体脱离，可能连带有细菌的DNA片段，在遗传物质转移过程中起载体作用。四四、毒力岛毒力岛（PAI）位于细菌染色体之内位于细菌染色体之内，分子结构分子结构与功能有别于细菌染色体的病原菌的与功能有别于细菌染色体的病原菌的某个或某些毒力基因群某个或某些毒力基因群。第二节第二节 基因突变基因突变 一一、细菌变异类型细菌变异类型 1.形态变异形态变异（1）自然形成或诱导产生的细菌自然形成或诱导产生的细菌L型型。（2）病原菌在特定的动物组织器官中病原菌在特定的动物组织器官中，可发生形态结可发生形态结构变异构变异 2.结构和抗原性变异结构和抗原性变异。（1）荚膜变异荚膜变异。（2）芽孢变异芽孢变异。（3)鞭毛变异鞭毛变异。H-O变异：变异：有鞭毛能运动的细菌丧失鞭毛形成能力的有鞭毛能运动的细菌丧失鞭毛形成能力的变异称变异称 3.培养性状的变异培养性状的变异 S-R变异；变异；R-S 变异变异 4.毒力变异毒力变异 5.生化性状变异生化性状变异（1）营养缺陷型变异营养缺陷型变异（2）诱导酶产生诱导酶产生。（3）终末产终末产物阻遏物阻遏。6.耐药性变异耐药性变异 形态结构变异 3-6%食盐 鼠疫杆菌多形态性(衰残型)。琼脂培养基 形态结构变异 青霉素、溶菌酶 正常形态细菌 L型变异 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 毒力变异 棒状噬菌体 白喉棒状杆菌 获得白喉毒素 二、细菌变异的机理二、细菌变异的机理 1.突变突变（1）碱基置换。）碱基置换。（2）碱基的减少、增加与倒置。）碱基的减少、增加与倒置。（3）碱基的互变异构。）碱基的互变异构。1)碱基置换(base substitution)：点突变 ATG CAC CTT CTT ATA AAA ACC GAA TAA 甲硫 组 亮 亮 异亮 赖 苏 谷 ATG CAC CTC CTT ATA AAA ATC GAA TAA 甲硫 组 亮 亮 异亮 赖 异亮 谷 碱基转换 CTT CTC CTA CTG 亮 TAA TAG TGA终止密码 ATG CAC CTT CTT ATA AAA ACC GAA TAA 甲硫 组 亮 亮 异亮 赖 苏 谷 ATG CAC CTT CTT CTA AAA ACC GAA TAA 甲硫 组 亮 亮 亮 赖 苏 谷 A G 碱基颠换 错义突变 ATG CAC CTT CTT ATA AAA ACC GAA TAA 甲硫 组 亮 亮 异亮 赖 苏 谷 ATG CAC CTT CTT ATA TAA ACC GAA TAA 甲硫 组 亮 亮 亮 无义突变 无意义蛋白质 或T C A C 或T G 2)插入或缺失突变(deletion or insertion mutation)ATG CAC CTT CTT ATA AAA ACC GAA TAA 甲硫 组 亮 亮 异亮 赖 苏 谷 ATG CAC CTC CTT AAA CCC ATA AAA ATC GAA TAA 甲硫 组 亮 亮 赖 脯 异亮 赖 异亮 谷 AAA CCC ATG CAC CTT CTT ATA AAA ACC GAA TAA 甲硫 组 亮 亮 异亮 赖 苏 谷 ATG CAC CTC CTT AAA CAT AAA AAC CGA ATA A 甲硫 组 亮 亮 赖 组 赖 天冬 精 异亮 AAA C 氨基酸数目的增加或减少 移码突变 异常蛋白质 3）碱基的互变异构）碱基的互变异构 四种碱基均可发生互变异构，引起互补碱基的改变。四种碱基均可发生互变异构，引起互补碱基的改变。T(酮基型）酮基型）A T(烯醇型）烯醇型）G 突变的机理突变的机理 a.自发突变自发突变 细菌在分裂繁殖时，由于DNA复制过程中，所出现的碱基错配，引起的突变。特点：具有偶然性，突变是随机不定向的，外界因素不能决定细菌的性状如何改变。突变率一般在106109。b.诱发突变：诱发突变：采用人工的方法，通过诱变剂（mutagen）诱导 细菌发生突变。1、电离辐射：X线、紫外线。X线能量极强，导致DNA磷酸二酯键的断裂；紫外线导致DNA形成嘧啶二聚体的形成，妨碍了DNA聚合酶的作用。2、化学诱变：（1）亚硝酸：其主要作用是对C和G的脱氨基作用，脱氨基的结果导致氢键的改变，下次复制时相应由A或T(而不是由G或C)配对；（2）羟胺：主要作用于C，将C转变为只能与A配对的修饰碱基羟基亚胺碱基。（3）烷化剂（乙基甲烷磺酸、甲基甲烷磺酸等）嘌呤烷基化，碱基错误配对。2.基因的转移与重组基因的转移与重组（1）转化转化 定义定义：转化是受体菌直接摄取供：转化是受体菌直接摄取供体菌游离的体菌游离的DNA片段片段，整合于自身整合于自身的基因组中的基因组中，而获得了该供体菌的部而获得了该供体菌的部分遗传特性分遗传特性。活无毒II型（无荚膜）活有毒III型（有荚膜）杀死的有毒III型（有荚膜）白鼠白鼠 死亡死亡 不不死死亡亡 混合混合 白鼠白鼠 死亡 分离活的有毒III型肺炎链球菌 过程：过程：a.转化因子转化因子（transforming：principle）b.感受态感受态（competence）c.机理 1、一段长的双链DNA分子借助于DNA结合蛋白结合到细胞表面，并被核酸内切酶切开。2、一条链被核酸酶降解 3、未降解的链与感受态特异蛋白结合 4、单链DNA进入细胞，并且在宿主DNA的同源区段整合进宿主染色体中 转化的机理