微生物的遗传与变异_2课件

遗传与变异原理（DNA、基因及其转录、翻译） 遗传变异现象（形态、抗原、菌落、毒力、耐药） 变异相关物质（染色体-致病岛、质粒、噬菌体、转座子） 变异机制（基因突变、转移、重组）,微生物的遗传和变异,遗传（heredity ）:,上一代生物将自身的一整套遗传基因稳定地传递给下一代的特性 。,变异（variation）：,生物体在某种外因或内因的作用下，发生遗传物质结构或数量的改变，而且这种改变稳定，具有可遗传性 。,引言,1. 遗传与变异,遗传保证了微生物种的相对稳定性、种的存在和延续， 而变异则推动了种的进化和发展。,2. 遗传型和表型,遗传型（genotype）,表型( phenotype ),某一生物体个体所含有的全部遗传因子，即基因的总和 ，又称为基因型。,某一生物体所具有的一切外表特征及内在特性的总和。,表型的实现是由生物体的遗传型和环境条件共同作用的结果。,二.细菌的遗传与变异 （一）细菌的变异现象 形态结构变异 抗原性变异 菌落变异 毒力变异 耐药性变异,正常形态细菌 L型变异,形态结构变异,炭疽芽胞杆菌L型（串珠状）,青霉素、溶菌酶,抗体或补体 (部分或完全失去胞壁),含1%石炭酸培养基,普通培养基,细菌鞭毛变异,随着鞭毛变异，细菌抗原性发生变异,毒力变异,无毒白喉棒状杆菌 产毒白喉杆菌,胆汁、甘油、马铃薯培养基 牛型结核杆菌 卡介苗 13年(230代) （1908）,棒状噬菌体,耐药性变异,细菌对某种抗菌药物由敏感变为不敏感（即耐药）的变异称为耐药性变异（获得R质粒）。 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。 痢疾杆菌 依链株(耐药菌株),含链霉素培基,长期培养,菌落变异,光滑型菌落 粗糙型菌落 S R,菌落（S型）,在陈旧培养基中长期培养,或在有免疫力的人体内,有荚膜肺炎链球菌,无荚膜肺炎链球菌,遗传物质,核酸,蛋白,？,？,试验,核酸,！,结论：性状是由基因（遗传因子）决定，基因存在于染色体 （染色体是核酸或其与蛋白质的结合物）。核酸分子是遗传物质，基因是其信息单位，染色体是其存在形式。,一、证明核酸是遗传变异的物质基础的三个经典实验 （一）经典转化实验 （二）噬菌体感染实验 （三）植物病毒的重建实验,二、微生物遗传变异的物质基础,病毒的核酸 原核细胞型微生物染色体 真核核细胞型微生物染色体 染色体外的遗传物质 质粒 噬菌体 转座子（转位因子）,基因（gene）是什么?,是实体，其物质基础是DNA （或RNA）； 是一个含有特定遗传信息的DNA分子区段； 是遗传信息传递和性状分化发育的依据； 基因是可分的，根据功能不同，分为： 编码蛋白质的基因 结构基因（结构蛋白，酶） 调节基因（阻遏蛋白或激活蛋白） 无翻译产物的基因 tRNA基因（简称 tDNA ） rRNA基因（简称rDNA ） 不转录的DNA区段 启动子（promotor） 操纵基因（operator）,基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，它是遗传的功能单位。,基因组,是存在于生物体遗传物质中全部基因的总称,一、病毒的核酸,病毒的遗传物质是DNA或RNA，核酸类型多样。,E. coli 染色体DNA大小为4.710 6 bp，长度为1333µm，是菌体长度的1000倍。,二、原核生物染色体的结构,遗传因子存在形式,（1）一般没有间隔基因（内含子） 细菌的基因一般是连续排列的。结构基因的表达由调节基因调控，一个或几个相关的基因组成操纵子。在细菌的基因组中，基本上未发现与真核生物的内含子或连接DNA相似的“无”功能序列。 （2）一般没有重复序列 细菌的基因一般都是单拷贝的。唯一可以发现的重复DNA序列，也只有核糖体rRNA基因、插入序列、转座子和短重复序列等。,原核生物基因的结构,三、真核生物染色体结构,真核生物染色体组成的基本单位是核小体，其核心颗粒由四种蛋白形成的8聚体和DNA组成。 由H1组蛋白和DNA相连一串核小体称为染色质（chromatin）。 在细胞分裂中期，染色质浓缩、反复折叠成为一定形状的染色体。,真核生物基因的结构,一个完整的真核基因，不仅包括编码区，也包括编码区两侧的调控序列。与原核基因相比，最大的差别在于编码区被许多非编码序列所间断，这种非编码序列称为内含子（intron），被间隔的编码区称外显子（exon）。,真核细胞和原核细胞的最大差别之一是遗传物质的分布和存在状态。原核细胞的染色体是以裸露DNA存在于细胞中，而真核细胞的DNA则与组蛋白和非组蛋白相结合并缠绕成多条染色体存在于细胞核中。 在真核生物染色体中，DNA约占30-40%，组蛋白和非组蛋白占60%以上，RNA约占10%以下。,质粒(plasmid)：是细菌染色体以外的遗传物质，是闭合环状的双链DNA。,（二） 质粒,质粒的三种构型,质粒具有自我复制的能力。 质粒DNA所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征。 质粒可自行丢失与消除。 质粒的转移性。 质粒可分为相容性与不相容性两种。,质粒DNA的特征,质粒的分类：,根据质粒能否通过细菌的接合作用进行传递 1接合性质粒 2非接合性质粒 根据相容性 1相容性几种质粒同时共存于同一菌体内 2不相容性不能同时共存 可借此对质粒进行分组、分群,常见的质粒类型,致育质粒（fertility plasmid、F质粒） 编码性菌毛，介导细菌之间的接合传递； 耐药性质粒（resistance plasmid、R质粒） 编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。分两类，一 是接合性耐药质粒（R质粒），另一是非接合耐药性质粒 （r质粒)； 毒力质粒（Virulence plasmid, Vi质粒） 编码与该菌致病性有关的毒力因子,S.aureus的表皮剥脱素； 细菌素质粒 ( Col plasmid) 编码细菌产生的细菌素； 代谢质粒( metabolic plasmid) 编码产生相关的代谢酶。,(1) 致育质粒(Fertility plasmid，F质粒),又称F质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌 的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。,携带F质粒的菌株称为F+菌株 （相当于雄性），无F质粒的 菌株称为F-菌株（相当于雌性）。,F因子能以游离状态(F+)和 以与染色体相结合的状态 (Hfr)存在于细胞中，所以 又称之为附加体(episome)。,在志贺氏菌属（Shigella）、沙门氏菌属（Salmonella）和链球菌属（Streptococcus）等其他细菌中也发现了与大肠杆菌类似的致育因子。,在放线菌中，天蓝色链霉菌含有SCP1和SCP2两种致育质粒，这两种质粒在天蓝色链霉菌的接合过程中起重要作用，带动染色体从供体细胞向受体细胞转移。,(2)抗性质粒（Resistance plasmid，R质粒）,包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。,R100质粒(89kb)可使宿主对 下列药物及重金属具有抗性： 汞（mercuric ion ，mer） 四环素（tetracycline，tet ） 链霉素(Streptomycin, str)、 磺胺(Sulfonamide, sul)、 氯霉素(Chlorampenicol, cml) 夫西地酸（fusidic acid，fus） 负责这些抗性的基因是成簇地 存在于抗性质粒上。,抗性质粒在细菌间的传递是细菌 产生抗药性的重要原因之一。,(3)Col 质粒：产细菌素的质粒（Bacteriocin production plasmid）,细菌素结构基因、 涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、 赋予宿主对该细菌素具有“免疫力”的相关产物的基因,一般都位于质粒或转座子上，因此，细菌素可以杀死 同种但不携带该质粒的菌株。,细菌素：许多细菌都能产生某些代谢产物，抑制或杀死其他近缘细菌或同种不同菌株，因为这些代谢产物是由质粒编码的蛋白质，不象抗生素那样具有很广的杀菌谱，所以称为细菌素（bacteriiocin）,(4) 代谢质粒（Metabolic plasmid）,质粒上携带有有利于微生物生存的基因，如能降解某些基质 的酶，进行共生固氮，或产生抗生素（某些放线菌）等。,将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式，环境保护方面具有重要的意义。,假单胞菌： 具有降解一些有毒化合物，如芳香簇化合物(苯)、农药 (2,4dichlorophenoxyacetic acid)、辛烷和樟脑等的能力。,降解质粒,TOL质粒：含分解甲苯的基因； CAM-OCT质粒：含分解樟脑辛烷的基因,转座（transposon)：是指转座因子从染色体的一个位置转移到另一位置，或者在质粒与染色体之间转移的过程。,转座子有二类： 插入序列(insertion sequence , IS)：最小，不超过2kb, 只携带与转座功能有关的基因。 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其他基因（如耐药性、毒素基因等）.,噬 菌 体,bacteriophage,bacteriophage,bacteriophage,bacteriophage,bacteriophage,bacteriophage,概念：是一类感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒，因为噬菌体能引起宿主菌的裂解，故称噬菌体。 具有病毒的基本特性.,噬菌体（bacteriophage, phage）,噬菌体的生物学性状,噬菌体的大小与形态,噬菌体的结构,噬菌体的化学组成,噬菌体的寄生性,噬菌体的抵抗力,噬菌体的分类,噬菌体与其他微生物大小的比较,葡萄球菌（1 m）,支原体、立克次体、衣原体（0.3 0.6 m）,口蹄疫病毒（20nm）,痘病毒（300nm）,卵蛋白分子（10nm）,噬菌体（6595nm）,个体微小，以nm为测量单位，需用电子显微镜观察,噬 菌 体 的 形 态,微球形,蝌蚪形,细杆形,尾鞘,尾丝,核酸 （线状双股DNA),有尾型噬菌体结构,尾刺,头部,尾部,尾领,尾髓,尾板,噬 菌 体 的 化 学 组 成,核 酸,蛋白质,DNA 或 RNA,头部衣壳 尾部结构,噬 菌 体 的 分 类,根据噬菌体的核酸组成,DNA噬菌体 RNA噬菌体,根据噬菌体与宿主的关系,毒性噬菌体（virulent phage) 温和噬菌体（temperate phage）又称 为溶源性噬菌体,毒性噬菌体（virulent phage） 能在宿主菌细胞内，利用宿主菌的酶、能量进行复制增殖，产生子代噬菌体并使宿主菌裂解的噬菌体为毒性噬菌体。,毒 性 噬 菌 体 的 复 制 增 殖,1、吸 附 是噬菌体与细菌表面相应受体特异性结合的过程,2、穿 入,有尾噬菌体将头部的DNA注入宿主菌内,无尾噬菌体经脱壳进入宿主菌内，类似于动物病毒的穿入过程,3、生物合成,利用宿主菌的酶和能量复制 核酸及合成蛋白质,4、 成熟与释放,程序组装,菌细胞裂解，噬菌体释放,毒 性 噬 菌 体 的 复 制 增 殖,1、吸附,2、穿入,3、生物合成,4、成熟与释放,噬菌体在固体培养基中与细菌共同培养后形成的噬斑,噬菌现象,均匀混浊,澄清,痢疾杆菌,大肠杆菌,痢疾杆菌噬菌体,痢疾杆菌噬菌体,痢疾杆菌培养液,噬斑,肉汤,结论：噬菌体可以裂解细菌并具有高度特异性,温 和 噬 菌 体,某些噬菌体感染