医学微生物学第五章--细菌的遗传与变异课件

细菌的遗传与变异,“穷则变，变则通，通则久。”易经,“我命在我，不在于天” （庄子）,细菌：一直被用做研究生物遗传与变异规律的实验材料。 细菌个体微小 遗传物质较为简单 易于人工培养 繁殖速度快 突变型容易识别和检出,一、细菌遗传的物质基础 二、细菌的基因突变 三、细菌的基因转移与重组 四、基因工程菌株的构建 五、微生物基因组学,细菌的遗传与变异,1、染色体（chromosome）,细菌染色体是一个裸露的闭合环状的双链DNA分子，有核蛋白，缺乏组蛋白，无核膜包裹。,一、细菌遗传的物质基础,细菌基因组结构的主要特征,（1）遗传信息是连续的，不含内含子。很少有重复序列。,（2）通常，编码相关功能的基因高度集中，组成操纵子（operon）结构，自一个启动子开始转录成多基因的mRNA分子，翻译成多种功能相关的蛋白质。,一、细菌遗传的物质基础,一、细菌遗传的物质基础,乳糖操纵子,2、质粒（plasmid）,一、细菌遗传的物质基础,是细菌染色体外的遗传物质，大多由闭合环状双链DNA组成。, 具有自我复制的能力。,质粒DNA的特征,一、细菌遗传的物质基础, 所携带的基因赋予宿主菌某些生物学 性状（如F质粒、R质粒、毒力质粒、 代谢质粒），增加细菌的存活机会。, 非生存所必需，可自行丢失或消除。, 可在细菌之间转移。,3、转座子（transposon）,B. McClintock一生未婚，却对玉米情有独钟，发现“会跳舞”（在染色体上移动）的基因，于1938年提出 “转座因子”理论。因与传统的遗传学观念背道而驰，成了孤家寡人。DNA双螺旋和乳糖操纵子获诺贝尔奖后，仍将B. McClintock理 论视为另类。这一超越时代的理论直 到1983年才被承认，81岁高龄的她荣 获诺贝尔奖，真正成为基因调控理论 的先驱。（Mendel、Morgan）,一、细菌遗传的物质基础,转座子：是可移动的DNA片段，可在质粒与质粒之间或质粒与染色体之间随机转移，故称为“跳跃基因”（jumping gene）。 转座子不能自我复制。,转座子的结构特点, 2个末端反向重复序列：能为整合酶所识别，与插入功能有关。,一、细菌遗传的物质基础, 中心序列：具有转座酶基因，且常携带细菌毒素基因、耐药基因等。,一、细菌遗传的物质基础,肠球菌万古霉素耐药基因,当转座子插入到某一基因中，可能会产生什么遗传学效应？,一、细菌遗传的物质基础,一、细菌遗传的物质基础 二、细菌的基因突变 三、细菌的基因转移与重组 四、基因工程菌株的构建 五、微生物基因组学,细菌的遗传与变异,基因突变（gene mutation）：染色体基因发生突然而稳定的结构改变，包括一对或少数几对碱基的缺失、插入或置换（点突变：point mutation），导致遗传性状的改变。,1、概念,二、细菌的基因突变,结核分枝杆菌对一线抗痨药物如异烟肼、链霉素、利福平产生多重耐药性，与多个耐药基因突变的逐步累加密切相关。,二、细菌的基因突变, 随机发生，不定向 稳定（“代代相传”） 自发突变频率为10-1010-6 可诱发性：野生株、突变株 仅对1种或2种相类似的药物耐药,2、特点,二、细菌的基因突变, 耐药性突变：耐药菌产生 毒力突变：疫苗研制、新现传染病 营养缺陷体突变：新药诱变作用检测 高产突变：抗生素等药品 抗原性突变：逃逸免疫机制,3、突变现象及其应用,二、细菌的基因突变,日本曾发生过一次细菌性痢疾暴发流行。从病人粪便中分离到大量的痢疾杆菌敏感株和耐药株（同时耐链霉素、氯霉素、四环素、磺胺类），且大肠杆菌与痢疾杆菌有完全相同的多重耐药性。多重耐药性传播迅速。耐药菌在传代、保藏过程中可自发失去耐药性。 能否用基因突变解释以上现象？,二、细菌的基因突变,一、细菌遗传的物质基础 二、细菌的基因突变 三、细菌的基因转移与重组 四、基因工程菌株的构建 五、微生物基因组学,细菌的遗传与变异,供体菌（donor）将遗传物质转移至受体菌（recipient），使后者获得新的生物学性状，称为基因转移（gene transfer）。,1、基因转移的概念,三、细菌的基因转移与重组,2、基因转移的元件, 质粒 转座子 温和噬菌体（temperate phage）,三、细菌的基因转移与重组, 接合（conjugation） 转化（transformation） 转导（transduction） 转座（transposition）,3、基因转移的方式,三、细菌的基因转移与重组,接合：供体菌通过性菌毛与受体菌直接接触，将遗传物质（主要是质粒DNA）转移给受体菌，使受体菌获得新的遗传性状。,三、细菌的基因转移与重组,质粒,质粒接合转移示意图,染色体,性菌毛,受体菌 (敏感菌),供体菌 (耐药菌),三、细菌的基因转移与重组,受体菌 (耐药菌),耐药基因：赋予宿主菌一种或多重耐药性,耐药传递基因：编码性菌毛，决定自主复制与接合转移,耐药性 （R）质粒,三、细菌的基因转移与重组,R质粒主要以接合方式从耐药菌传递给敏感菌，使后者变为耐药菌，得以生存。,三、细菌的基因转移与重组,R质粒在同一种属或不同种属细菌之间传递，造成耐药性的广泛传播，给临床治疗带来很大困难 。,日本曾发生过一次细菌性痢疾暴发流行。从病人粪便中分离到大量的痢疾杆菌敏感株和耐药株（耐链霉素、氯霉素、四环素、磺胺类），且大肠杆菌与痢疾杆菌有完全相同的多重耐药性。多重耐药性传播迅速。耐药菌在传代、保藏过程中可自发失去耐药性。 用多重耐药质粒转移可合理解释。,三、细菌的基因转移与重组,Griffith肺炎链球菌感染小鼠实验（1928）,无荚膜活菌,有荚膜活菌,有荚膜死菌,三、细菌的基因转移与重组,有荚膜的活菌？ 如何证实？,三、细菌的基因转移与重组,Griffith认为，活的无荚膜肺炎链球菌（R菌）从死的有荚膜肺炎链球菌（S）中获得某种物质，而能产生荚膜，这一现象称之为转化。引起转化现象的物质称为转化因子。,三、细菌的基因转移与重组,1、转化因子是DNA还是蛋白质？ 2、如何证实你的推测？,1944年， Avery研究揭示，转化因子的本质是DNA，即遗传物质是DNA。,三、细菌的基因转移与重组,悲催原因：DNA在结构上似乎不像蛋白质那样变化多端，具有个性，很难设想可作为遗传信息的载体；Avery过于谨慎，在论文中只愿意说“DNA或许是转化因子的基本单位”。,鉴于对Avery理论抱有怀疑，诺贝尔奖评委会认为推迟发奖更合适。1952年，当对Avery成就的争议平息、准备授奖时，Avery已撒手人寰。, 接合（conjugation） 转化（transformation） 转导（transduction） 转座（transposition）,基因转移的方式,三、细菌的基因转移与重组,转化：受体菌从周围环境中直接摄取供体菌游离的DNA片段，并整合入受体菌基因组中，从而获得供体菌部分遗传性状的过程。,三、细菌的基因转移与重组,荚膜基因,转化条件： 供体菌DNA片段的大小：1020kb 供体DNA性质：同源性高的、未变性 的双链DNA；质粒DNA。 受体菌：处于“感受态” （competence）状态，可采 用CaCl2诱导法、电穿孔法。,三、细菌的基因转移与重组,三、细菌的基因转移与重组,莱德伯格（J. Lederberg）立志成为一名内科医生，进入哥伦比亚医学院学习了2年。1946年暑假，莱德伯格进入耶鲁大学微生物学家塔特姆（EL. Tatum） 实验室学习，对细菌遗传学十分入迷。假期结束后，他不再回医学院， 而留下给塔特姆作实验室助理。,“圣者随时而行，贤者应事而变， 智者无为而治，达者顺天而生”（老子）,原养型菌落产生原因？ 如何证实？,基因突变？,接合？ 转化？,接种至基础培养基,MetHisPheTrp，产生频率为1×105,MetHisPheTrp,MetHisPheTrp,营养缺陷型细菌,一、细菌遗传的物质基础,不需细菌之间接触，排除接合；,一种比细菌更小的生物将菌株（左）遗传物质转移给菌株（右）。,MetHisPheTrp,MetHisPheTrp,MetHisPheTrp,加入DNA酶(),不受DNA酶干扰，排除转化。,加热杀死细菌(), 接合（conjugation） 转化（transformation） 转导（transduction） 转座（transposition）,基因转移的方式,三、细菌的基因转移与重组,以噬菌体为媒介，将供体菌DNA片段转移到受体菌内，经基因重组，使受体菌获得新的遗传学性状。,三、细菌的基因转移与重组,（1）转导的概念, 是感染细菌、放线菌等的病毒。 分为头部和尾部。头部由核心（核酸） 和衣壳（蛋白质）构成。 必须寄生在活的易感宿 主菌体内，依靠尾部牢 牢吸附宿主菌。,三、细菌的基因转移与重组,（2）噬菌体（phage）,（3）噬菌体感染细菌的结局, 烈（毒）性噬菌体（virulent phage）：噬菌体在宿主菌内复制增殖，产生大量子代噬菌体，最终裂解细 菌，建立溶菌周期。,三、细菌的基因转移与重组,三、细菌的基因转移与重组,前噬菌体,溶原性细菌, 温和噬菌体（temperate phage）：感染宿主菌后，其核酸整合到宿主菌基因组中，与宿主菌DNA一起复制，随细菌的分裂而传至子代细菌（“和平相处”）。,三、细菌的基因转移与重组,（4）转导的机制,在子代噬菌体组装时，可能会发生错误（1次/105107），误将大小合适的供体菌DNA片段装入噬菌体头部， 成为“假噬菌体”。,假噬菌体,当“假噬菌体”再度感染受体菌时，可将供体菌DNA带入受体菌，发生基因重组。,完全转导与流产转导,普遍性转导、局限性转导,三、细菌的基因转移与重组,假噬菌体,供体菌DNA,受体菌,一、细菌遗传的物质基础,MetHisPheTrp,MetHisPheTrp,MetHisPheTrp,温和噬菌体将Phe、Trp合成酶基因在细菌之间发生转移。, 用于某些细菌（如鼠疫杆菌、霍乱弧 菌）的鉴定和分型 耐药菌感染的治疗 分子生物学研究工具 遗传工程：噬菌体展示 技术,三、细菌的基因转移与重组,（5）噬菌体的应用, 接合（conjugation） 转化（transformation） 转导（transduction） 转座（transposition）,基因转移的方式,三、细菌的基因转移与重组,4、转座（transposition）,三、细菌的基因转移与重组,转座子在质粒之间或质粒与染色体之间的自行转移现象。,转座子能在2个没有任何同源性的基因组之间转座（即插入到某一基因），引起一系列遗传效应。 引起插入基因失活，产生基因突变 在插入部位引入一个或多个新的基因 （如耐药基因),三、细菌的基因转移与重组,一、细菌遗传的物质基础 二、细菌的基因突变 三、细菌的基因转移与重组 四、基因工程菌株的构建 五、微生物基因组学,细菌的遗传与变异,五、基因工程菌株的构建,五、基因工程菌株的构建, 获得目的基因：PCR,五、基因工程菌株的构建, 构建重组质粒：限制性核酸内切酶,双酶切、PCR扩增 和测序鉴定, 将重组质粒转化到原核（大肠杆菌）或真核表达系统（酵母菌）中，构建“基因工程菌株”。,五、基因工程菌株的构建, 大量培养，诱导表达目