簡介:由于細菌個體微小、遺傳物質簡單,繁殖速度快,一直被用做研究生物遺傳與變異規(guī)律的理想實驗材料。利用分子生物學技術,構建“基因工程菌”,生產新藥、疫苗、或環(huán)保。,遺傳(HEREDITY)遺傳使細菌的性狀保持相對穩(wěn)定,且代代相傳,使其種屬得以保存。變異(VARIATION)在一定條件下,子代和親代之間以及子代和子代之間的差異稱為變異。,遺傳性變異(基因型變異)細菌的基因結構發(fā)生了改變,如基因突變或重組,不可逆,可遺傳給后代。非遺傳性變異(表型變異)環(huán)境改變導致,基因結構未發(fā)生變異,可逆,不可遺傳。,細菌的遺傳與變異,一、細菌的基因與基因組學二、噬菌體三、細菌的基因突變四、微生物基因轉移和重組,,1、遺傳物質DNA,細菌染色體是一個裸露的閉合環(huán)狀的雙鏈DNA分子,有核蛋白,缺乏組蛋白,無核膜包裹。,一、細菌的基因與基因組學,,(1)遺傳信息是連續(xù)的,不含內含子。很少有插入序列。,(2)通常,編碼相關功能的基因高度集中,組成操縱子(OPERON)結構,自一個啟動子開始轉錄成多基因的MRNA分子,翻譯成多種功能相關的蛋白質。,一、細菌的基因與基因組學,2、細菌基因組結構,,(3)結構基因單拷貝及RRNA基因的多拷貝有利于核糖體的快速組裝。(4)基因組的重復序列少而短,反映了基因組結構的經濟性和高效性。,一、細菌的基因與基因組學,2、細菌基因組結構,,4、質粒(PLASMID),是細菌染色體外的遺傳物質,大多由閉合環(huán)狀雙鏈DNA組成。,一、細菌的基因與基因組學,,●具有自我復制的能力?!袼鶖y帶的基因賦予宿主菌某些生物學性狀(如F質粒、R質粒、毒力質粒、代謝質粒),增加細菌的存活機會?!穹巧嫠匦?,可自行丟失或消除?!窨稍诩毦g轉移。,質粒DNA的特征,一、細菌的基因與基因組學,,帶有F質粒的為雄性菌,能長出性菌毛;無F質粒的為雌性菌,無性菌毛,致育質粒(F質粒),一、細菌的基因與基因組學,耐藥性質粒,編碼細菌對抗菌藥物或重金屬鹽類的耐藥性接合性耐藥質粒,又稱R質粒非接合性耐藥質粒,可通過噬菌體傳遞。,,●編碼與該菌致病性有關的毒力因子。如致病性的大腸埃希菌產生的耐熱性腸毒素是由ST質粒編碼的。,毒力質粒(VI質粒),一、細菌的基因與基因組學,●編碼各種細菌產生的細菌素。COL質粒編碼大腸埃希菌產生大腸菌素,細菌素質粒(COL質粒),代謝質粒,一、細菌的基因與基因組學二、噬菌體三、細菌的基因突變四、微生物基因轉移和重組,細菌的遺傳與變異,,基因突變(GENEMUTATION)細菌染色體基因發(fā)生突然而穩(wěn)定的結構改變,包括一對或少數(shù)幾對堿基的缺失、插入或置換(點突變POINTMUTATION),導致細菌性狀的遺傳性變異。,1、概念,二、細菌的基因突變,,●隨機發(fā)生,不定向●穩(wěn)定●自發(fā)突變產生頻率為1010~106●可誘發(fā)性野生株、突變株,2、特點,二、細菌的基因突變,,細菌的遺傳基因發(fā)生突然而穩(wěn)定的結構改變。耐藥性基因突變的特點有,●隨機發(fā)生●一般只對一種或兩種相類似的藥物產生耐藥●與抗生素的使用無關●耐藥菌株產生的頻率為1010~107,二、細菌的基因突變,基因突變,二、細菌的基因突變,,●耐藥性突變選擇標記●毒力突變疫苗研制、新現(xiàn)傳染病●營養(yǎng)缺陷體突變新藥誘變作用檢測●高產突變抗生素等藥品、食品生產●抗原性突變逃逸免疫機制,3、突變現(xiàn)象,二、細菌的基因突變,,日本發(fā)生過一次細菌性痢疾大流行。從病人糞便中分離到大量的痢疾桿菌敏感株和耐藥株(同時耐鏈霉素、氯霉素、四環(huán)素、磺胺類),且大腸桿菌與痢疾桿菌有完全相同的多重耐藥性。多重耐藥性傳播迅速。耐藥菌在傳代、保藏過程中可自發(fā)失去耐藥性。能否用基因突變解釋以上現(xiàn)象,二、細菌的基因突變,一、細菌的基因與基因組學二、噬菌體三、細菌的基因突變四、微生物基因轉移和重組,細菌的遺傳與變異,,供體菌(DONOR)將遺傳物質轉移至受體菌(RECIPIENT),使后者獲得新的生物學性狀,稱為基因轉移(GENETRANSFER)。細菌通過水平方向的基因轉移和重組,產生新的基因型個體,以適應隨時改變的環(huán)境。,基因轉移的概念,三、細菌的基因轉移與重組,,●質粒(PLASMID)●轉座子(TRANSPOSON)●溫和噬菌體(TEMPERATEPHAGE),基因轉移的元件,三、細菌的基因轉移與重組,,●接合(CONJUGATION)●轉化(TRANSFORMATION)●轉導(TRANSDUCTION)●轉座(TRANSPOSITION),基因轉移的方式,三、細菌的基因轉移與重組,,GRIFFITH肺炎鏈球菌感染小鼠實驗(1928),無莢膜活菌,有莢膜活菌,有莢膜死菌,三、細菌的基因轉移與重組,,有莢膜的活菌,三、細菌的基因轉移與重組,,活的無莢膜肺炎鏈球菌從死的有莢膜肺炎鏈球菌中獲得莢膜(毒力決定因子)編碼基因,稱之為轉化(TRANSFORMATION)。引起轉化現(xiàn)象的物質稱為轉化因子。,AVERY研究揭示,轉化因子的本質是DNA,即遺傳物質是DNA。1944年,獲得諾貝爾醫(yī)學生理學獎。,三、細菌的基因轉移與重組,,1、轉化(TRANSFORMATION),三、細菌的基因轉移與重組,,轉化受體菌從周圍環(huán)境中直接攝取供體菌游離的DNA片段,并整合入受體菌基因組中,從而獲得供體菌部分遺傳性狀的過程。,三、細菌的基因轉移與重組,,(1)轉化的前提條件,●供體菌DNA片段的大小<10~20個基因●供體DNA性質同源性高的、未變性的雙鏈DNA;質粒DNA?!袷荏w菌的生理狀態(tài)處于“感受態(tài)”,三、細菌的基因轉移與重組,,(2)自然轉化過程,受體菌處于感受態(tài)(COMPETENCE)自然轉化NATURALLYOCCURRINGTRANSFORMATION對數(shù)生長期后期人工轉化ARTIFICIALTRANSFORMATIONCACL2處理、電穿孔,三、細菌的基因轉移與重組,,②轉化因子的結合與進入雙鏈DNA與感受態(tài)受體菌表面的DNA結合受體結合。其中一條鏈被降解產生能量;另一條鏈與特異DNA結合蛋白形成復合物,進入菌體內。,三、細菌的基因轉移與重組,,③轉化因子的整合單鏈DNA不經復制,與受體菌同源DNA區(qū)段的單鏈配對,被取代的受體菌DNA單鏈被降解,最終產生轉化子。,三、細菌的基因轉移與重組,,有莢膜的活菌,三、細菌的基因轉移與重組,,2、接合(CONJUGATION),三、細菌的基因轉移與重組,,接合供體菌通過性菌毛與受體菌直接接觸,并將遺傳物質(主要是質粒DNA)轉移給受體菌,使受體菌獲得新的遺傳性狀。,三、細菌的基因轉移與重組,,質粒,質粒接合轉移示意圖,染色體,性菌毛,受體菌,供體菌,三、細菌的基因轉移與重組,F質粒的接合FF-高頻重組菌(HIGHFREQUENCYRECOMBINATION,HFR)F′F、HFR、F′都為雄菌,接合(CONJUGATION),三、細菌的基因轉移與重組,接合(CONJUGATION),三、細菌的基因轉移與重組,2)接合(CONJUGATION),三、細菌的基因轉移與重組,接合(CONJUGATION),三、細菌的基因轉移與重組,接合(CONJUGATION),三、細菌的基因轉移與重組,,賦予宿主菌的耐藥性,編碼性菌毛,決定自主復制與接合轉移,耐藥性(R)質粒,三、細菌的基因轉移與重組,,R質粒主要以接合方式從耐藥菌傳遞給敏感菌,使后者變?yōu)槟退幘質粒在同一種屬或不同種屬細菌之間傳遞,造成耐藥性的廣泛傳播,尤其在腸道桿菌中比較普遍,給臨床治療帶來很大困難。,三、細菌的基因轉移與重組,,3、轉導(TRANSDUCTION),三、細菌的基因轉移與重組,,以溫和噬菌體為媒介,將供體菌DNA片段(染色體DNA、非接合性質粒DNA)轉移到受體菌內,通過基因重組而使受體菌獲得新的遺傳性狀。,三、細菌的基因轉移與重組,(1)轉導的概念,,●是感染細菌、放線菌、真菌等的病毒。●分為頭部和尾部。頭部由核心(核酸)和衣殼(蛋白質)構成?!衲芡ㄟ^細菌濾器?!耥毤纳诨畹囊赘兴拗骶w內。,三、細菌的基因轉移與重組,(2)噬菌體(PHAGE),,(3)溫和噬菌體,烈(毒)性噬菌體(VIRULENTPHAGE)噬菌體在宿主菌體內復制增殖,產生大量子代噬菌體,并最終裂解細菌,建立溶菌周期。,三、細菌的基因轉移與重組,,三、細菌的基因轉移與重組,溫和噬菌體(TEMPERATEPHAGE)感染宿主菌后,不立即增殖,而是將其核酸整合到宿主菌染色體基因組中,與宿主菌DNA一起復制,并隨細菌的分裂而傳至子代細菌。,前噬菌體,溶原性細菌,,溶原性細菌能正常以二分裂方式繁殖,前噬菌體也一代一代傳下去。但有時也會自發(fā)終止(發(fā)生率105),從染色體上脫落,進入溶菌周期。,三、細菌的基因轉移與重組,(4)轉導的機制,,前噬菌體從染色體上脫離進行增殖,裝配成新的子代噬菌體。大約在105~107次裝配中發(fā)生一次錯誤,誤將大小合適的供體菌DNA片段裝入噬菌體頭部,成為“假噬菌體”。,三、細菌的基因轉移與重組,假噬菌體,供體菌,,當“假噬菌體”(轉導噬菌體)再度感染受體菌時,將供體菌DNA帶入受體菌內。,完全轉導與流產轉導,普遍性轉導、局限性轉導,三、細菌的基因轉移與重組,假噬菌體,受體菌,供體菌DNA,普遍性轉導因被包裝的DNA可以是供體菌染色體上的任何部分,故稱為普遍性轉導,三、細菌的基因轉移與重組,三、細菌的基因轉移與重組,普遍性轉導的結局,完全轉導外源性DNA片段與受體菌的染色體整合,并隨染色體而傳代,稱完全轉導流產轉導外源性DNA片段游離在胞質中,既不能與受體菌染色體整合,也不能自身復制,稱為流產轉導,三、細菌的基因轉移與重組,脫落錯誤前噬菌體及兩邊的細菌DNA轉導性噬菌體噬菌體DNA及細菌DNA,局限性轉導溫和性噬菌體,,●用于細菌(如鼠疫桿菌、霍亂弧菌)的鑒定和分型?!衲退幘腥镜闹委煛!穹肿由飳W研究工具?!襁z傳工程噬菌體展示技術,三、細菌的基因轉移與重組,(5)噬菌體的應用,,溶原性轉換是當噬菌體感染細菌時,宿主菌染色體中獲得了噬菌體的DNA片段,使其成為溶原狀態(tài)時而致細菌獲得新的性狀。例如,白喉棒狀桿菌若攜帶Β噬菌體時,可產生白喉毒素。,三、細菌的基因轉移與重組,4、溶原性轉換(LYSOGENICCONVERSION),,三、細菌的基因轉移與重組,三、細菌的基因轉移與重組,,三、細菌的基因轉移與重組,原生質體融合是將兩種不同的細菌經溶菌酶或青霉素等處理,失去細胞壁成為原生質體后進行彼此融合的過程。聚乙二醇可促使二種原生質體的融合。原生質體融合是一種人工基因轉移系統(tǒng),本質上與基因轉移無關或關系很小。,,5、原生質體融合(PROTOPASTFUSION,,6、轉座(TRANSPOSITION),三、細菌的基因轉移與重組,轉座子在質粒之間或質粒與染色體之間的自行轉移現(xiàn)象,稱之為轉座。,插入序列ISINSERTIONSEQUENCE7501550BP兩端重復序列,與插入有關中心序列有轉位酶基因,轉位因子,三、細菌的基因轉移與重組,三、細菌的基因轉移與重組,轉座子TNTRANSPOSON200025000BP兩端為IS中心序列有與轉位無關基因如毒素基因、耐藥基因等,,●中心序列帶有遺傳信息,如常帶有耐藥基因、細菌毒素基因、整合酶(或轉座酶)基因。,一、細菌遺傳的物質基礎,常見的插入序列和轉座子,,,,,ISBPTN耐藥或毒素基因,IS1768TN1AP(氨芐青霉素),IS21327TN6KAN(卡那霉素),IS31300TN10TET(四環(huán)素),IS41426TN551EM(紅霉素),IS51195TN681ECOLIET(腸毒素),三、細菌的基因轉移與重組,三、細菌的基因轉移與重組,整合子INTEGRON,IN定位于細菌染色體、質?;蜣D座子上基本結構兩端為保守末端,中間為可變區(qū),含一個或多個基因盒3個功能元件重組位點整合酶基因啟動子通過轉座子或接合性質粒,使多種耐藥基因在細菌中進行水平傳播,,當轉座子插入到某一基因組中,可能會產生什么遺傳學效應,一、細菌遺傳的物質基礎,,轉座子能在2個沒有任何同源性的基因組之間轉座(即插入到某一基因),并能引起一系列遺傳效應?!窨梢鸩迦牖蚴Щ睿a生基因突變?!裨诓迦氩课灰胍粋€或多個新的基因(如耐藥基因、毒素基因)。,三、細菌的基因轉移與重組,一、在疾病的診斷、治療與預防中的應用二、在測定致癌物質中的應用三、在流行病學中的應用四、在基因工程中的應用,微生物遺傳與變異在醫(yī)學上的應用,,形態(tài)、結構、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的變異,使得診斷復雜化如金黃色葡萄球菌的耐藥性菌株增加,絕大由金黃色變成灰白色,血漿凝固酶陰性的葡萄球菌也成為致病菌,給診斷帶來困難;傷寒沙門菌有10不產生鞭毛,檢查無動力,無H抗體,影響正確判斷。耐藥菌株日益增多,因此以藥敏實驗為指導減毒菌株和無毒株可制備成疫苗,在疾病的診斷、治療與預防中的應用,凡能誘導細菌發(fā)生突變的物質都有可能是致癌物質。AMES實驗傷寒沙門菌(HIS)(HIS)組氨酸缺陷型菌株在組氨酸缺乏的培養(yǎng)基中不生長,當發(fā)生變異時長出菌落。,在測定致癌物質中的應用,分子生物學分析方法已被用于流行病學調查質粒指紋圖(PEP)對噬菌體的敏感性,對細菌素的敏感性,在流行病學中的應用,基因工程是根據遺傳變異中細菌可因基因轉移和重組而獲得新性狀的原理設計的切取目的基因連接到載體上轉移到工程菌內,大量表達目的基因產物目前已大量生產胰島素、干擾素、多種生長激素、RIL2等細胞因子和乙肝疫苗等生物制品,在基因工程中的應用,謝謝,,,,,,,,,,,,,,,
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上傳時間:2024-01-06
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