簡(jiǎn)介:由于細(xì)菌個(gè)體微小、遺傳物質(zhì)簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)材料。利用分子生物學(xué)技術(shù),構(gòu)建“基因工程菌”,生產(chǎn)新藥、疫苗、或環(huán)保。,遺傳(HEREDITY)遺傳使細(xì)菌的性狀保持相對(duì)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(xì)菌的基因結(jié)構(gòu)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(dǎo)致,基因結(jié)構(gòu)未發(fā)生變異,可逆,不可遺傳。,細(xì)菌的遺傳與變異,一、細(xì)菌的基因與基因組學(xué)二、噬菌體三、細(xì)菌的基因突變四、微生物基因轉(zhuǎn)移和重組,,1、遺傳物質(zhì)DNA,細(xì)菌染色體是一個(gè)裸露的閉合環(huán)狀的雙鏈DNA分子,有核蛋白,缺乏組蛋白,無(wú)核膜包裹。,一、細(xì)菌的基因與基因組學(xué),,(1)遺傳信息是連續(xù)的,不含內(nèi)含子。很少有插入序列。,(2)通常,編碼相關(guān)功能的基因高度集中,組成操縱子(OPERON)結(jié)構(gòu),自一個(gè)啟動(dòng)子開始轉(zhuǎn)錄成多基因的MRNA分子,翻譯成多種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)。,一、細(xì)菌的基因與基因組學(xué),2、細(xì)菌基因組結(jié)構(gòu),,(3)結(jié)構(gòu)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(fù)序列少而短,反映了基因組結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和高效性。,一、細(xì)菌的基因與基因組學(xué),2、細(xì)菌基因組結(jié)構(gòu),,4、質(zhì)粒(PLASMID),是細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì),大多由閉合環(huán)狀雙鏈DNA組成。,一、細(xì)菌的基因與基因組學(xué),,●具有自我復(fù)制的能力?!袼鶖y帶的基因賦予宿主菌某些生物學(xué)性狀(如F質(zhì)粒、R質(zhì)粒、毒力質(zhì)粒、代謝質(zhì)粒),增加細(xì)菌的存活機(jī)會(huì)?!穹巧嫠匦?,可自行丟失或消除?!窨稍诩?xì)菌之間轉(zhuǎn)移。,質(zhì)粒DNA的特征,一、細(xì)菌的基因與基因組學(xué),,帶有F質(zhì)粒的為雄性菌,能長(zhǎng)出性菌毛;無(wú)F質(zhì)粒的為雌性菌,無(wú)性菌毛,致育質(zhì)粒(F質(zhì)粒),一、細(xì)菌的基因與基因組學(xué),耐藥性質(zhì)粒,編碼細(xì)菌對(duì)抗菌藥物或重金屬鹽類的耐藥性接合性耐藥質(zhì)粒,又稱R質(zhì)粒非接合性耐藥質(zhì)粒,可通過(guò)噬菌體傳遞。,,●編碼與該菌致病性有關(guān)的毒力因子。如致病性的大腸埃希菌產(chǎn)生的耐熱性腸毒素是由ST質(zhì)粒編碼的。,毒力質(zhì)粒(VI質(zhì)粒),一、細(xì)菌的基因與基因組學(xué),●編碼各種細(xì)菌產(chǎn)生的細(xì)菌素。COL質(zhì)粒編碼大腸埃希菌產(chǎn)生大腸菌素,細(xì)菌素質(zhì)粒(COL質(zhì)粒),代謝質(zhì)粒,一、細(xì)菌的基因與基因組學(xué)二、噬菌體三、細(xì)菌的基因突變四、微生物基因轉(zhuǎn)移和重組,細(xì)菌的遺傳與變異,,基因突變(GENEMUTATION)細(xì)菌染色體基因發(fā)生突然而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)改變,包括一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)堿基的缺失、插入或置換(點(diǎn)突變POINTMUTATION),導(dǎo)致細(xì)菌性狀的遺傳性變異。,1、概念,二、細(xì)菌的基因突變,,●隨機(jī)發(fā)生,不定向●穩(wěn)定●自發(fā)突變產(chǎn)生頻率為1010~106●可誘發(fā)性野生株、突變株,2、特點(diǎn),二、細(xì)菌的基因突變,,細(xì)菌的遺傳基因發(fā)生突然而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)改變。耐藥性基因突變的特點(diǎn)有,●隨機(jī)發(fā)生●一般只對(duì)一種或兩種相類似的藥物產(chǎn)生耐藥●與抗生素的使用無(wú)關(guān)●耐藥菌株產(chǎn)生的頻率為1010~107,二、細(xì)菌的基因突變,基因突變,二、細(xì)菌的基因突變,,●耐藥性突變選擇標(biāo)記●毒力突變疫苗研制、新現(xiàn)傳染病●營(yíng)養(yǎng)缺陷體突變新藥誘變作用檢測(cè)●高產(chǎn)突變抗生素等藥品、食品生產(chǎn)●抗原性突變逃逸免疫機(jī)制,3、突變現(xiàn)象,二、細(xì)菌的基因突變,,日本發(fā)生過(guò)一次細(xì)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(shí)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(guò)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(xì)菌的基因突變,一、細(xì)菌的基因與基因組學(xué)二、噬菌體三、細(xì)菌的基因突變四、微生物基因轉(zhuǎn)移和重組,細(xì)菌的遺傳與變異,,供體菌(DONOR)將遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移至受體菌(RECIPIENT),使后者獲得新的生物學(xué)性狀,稱為基因轉(zhuǎn)移(GENETRANSFER)。細(xì)菌通過(guò)水平方向的基因轉(zhuǎn)移和重組,產(chǎn)生新的基因型個(gè)體,以適應(yīng)隨時(shí)改變的環(huán)境。,基因轉(zhuǎn)移的概念,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,●質(zhì)粒(PLASMID)●轉(zhuǎn)座子(TRANSPOSON)●溫和噬菌體(TEMPERATEPHAGE),基因轉(zhuǎn)移的元件,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,●接合(CONJUGATION)●轉(zhuǎn)化(TRANSFORMATION)●轉(zhuǎn)導(dǎo)(TRANSDUCTION)●轉(zhuǎn)座(TRANSPOSITION),基因轉(zhuǎn)移的方式,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,GRIFFITH肺炎鏈球菌感染小鼠實(shí)驗(yàn)(1928),無(wú)莢膜活菌,有莢膜活菌,有莢膜死菌,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,有莢膜的活菌,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,活的無(wú)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(zhuǎn)化(TRANSFORMATION)。引起轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的物質(zhì)稱為轉(zhuǎn)化因子。,AVERY研究揭示,轉(zhuǎn)化因子的本質(zhì)是DNA,即遺傳物質(zhì)是DNA。1944年,獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng)。,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,1、轉(zhuǎn)化(TRANSFORMATION),三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,轉(zhuǎn)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(guò)程。,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,(1)轉(zhuǎn)化的前提條件,●供體菌DNA片段的大小<10~20個(gè)基因●供體DNA性質(zhì)同源性高的、未變性的雙鏈DNA;質(zhì)粒DNA?!袷荏w菌的生理狀態(tài)處于“感受態(tài)”,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,(2)自然轉(zhuǎn)化過(guò)程,受體菌處于感受態(tài)(COMPETENCE)自然轉(zhuǎn)化NATURALLYOCCURRINGTRANSFORMATION對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期后期人工轉(zhuǎn)化ARTIFICIALTRANSFORMATIONCACL2處理、電穿孔,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,②轉(zhuǎn)化因子的結(jié)合與進(jìn)入雙鏈DNA與感受態(tài)受體菌表面的DNA結(jié)合受體結(jié)合。其中一條鏈被降解產(chǎn)生能量;另一條鏈與特異DNA結(jié)合蛋白形成復(fù)合物,進(jìn)入菌體內(nèi)。,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,③轉(zhuǎn)化因子的整合單鏈DNA不經(jīng)復(fù)制,與受體菌同源DNA區(qū)段的單鏈配對(duì),被取代的受體菌DNA單鏈被降解,最終產(chǎn)生轉(zhuǎn)化子。,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,有莢膜的活菌,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,2、接合(CONJUGATION),三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,接合供體菌通過(guò)性菌毛與受體菌直接接觸,并將遺傳物質(zhì)(主要是質(zhì)粒DNA)轉(zhuǎn)移給受體菌,使受體菌獲得新的遺傳性狀。,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,質(zhì)粒,質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移示意圖,染色體,性菌毛,受體菌,供體菌,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,F質(zhì)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(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,接合(CONJUGATION),三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,2)接合(CONJUGATION),三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,接合(CONJUGATION),三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,接合(CONJUGATION),三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,賦予宿主菌的耐藥性,編碼性菌毛,決定自主復(fù)制與接合轉(zhuǎn)移,耐藥性(R)質(zhì)粒,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,R質(zhì)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?。R質(zhì)粒在同一種屬或不同種屬細(xì)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(lái)很大困難。,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,3、轉(zhuǎn)導(dǎo)(TRANSDUCTION),三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)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(zhì)粒DNA)轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi),通過(guò)基因重組而使受體菌獲得新的遺傳性狀。,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,(1)轉(zhuǎn)導(dǎo)的概念,,●是感染細(xì)菌、放線菌、真菌等的病毒?!穹譃轭^部和尾部。頭部由核心(核酸)和衣殼(蛋白質(zhì))構(gòu)成?!衲芡ㄟ^(guò)細(xì)菌濾器?!耥毤纳诨畹囊赘兴拗骶w內(nèi)。,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)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(nèi)復(fù)制增殖,產(chǎn)生大量子代噬菌體,并最終裂解細(xì)菌,建立溶菌周期。,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)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(fù)制,并隨細(xì)菌的分裂而傳至子代細(xì)菌。,前噬菌體,溶原性細(xì)菌,,溶原性細(xì)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(shí)也會(huì)自發(fā)終止(發(fā)生率105),從染色體上脫落,進(jìn)入溶菌周期。,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,(4)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制,,前噬菌體從染色體上脫離進(jìn)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(cuò)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(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,假噬菌體,供體菌,,當(dāng)“假噬菌體”(轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體)再度感染受體菌時(shí),將供體菌DNA帶入受體菌內(nèi)。,完全轉(zhuǎn)導(dǎo)與流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo),普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo),三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,假噬菌體,受體菌,供體菌DNA,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo),三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)的結(jié)局,完全轉(zhuǎn)導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)外源性DNA片段游離在胞質(zhì)中,既不能與受體菌染色體整合,也不能自身復(fù)制,稱為流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo),三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,脫落錯(cuò)誤前噬菌體及兩邊的細(xì)菌DNA轉(zhuǎn)導(dǎo)性噬菌體噬菌體DNA及細(xì)菌DNA,局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)溫和性噬菌體,,●用于細(xì)菌(如鼠疫桿菌、霍亂弧菌)的鑒定和分型?!衲退幘腥镜闹委??!穹肿由飳W(xué)研究工具?!襁z傳工程噬菌體展示技術(shù),三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,(5)噬菌體的應(yīng)用,,溶原性轉(zhuǎn)換是當(dāng)噬菌體感染細(xì)菌時(shí),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(shí)而致細(xì)菌獲得新的性狀。例如,白喉棒狀桿菌若攜帶Β噬菌體時(shí),可產(chǎn)生白喉毒素。,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,4、溶原性轉(zhuǎn)換(LYSOGENICCONVERSION),,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,原生質(zhì)體融合是將兩種不同的細(xì)菌經(jīng)溶菌酶或青霉素等處理,失去細(xì)胞壁成為原生質(zhì)體后進(jìn)行彼此融合的過(guò)程。聚乙二醇可促使二種原生質(zhì)體的融合。原生質(zhì)體融合是一種人工基因轉(zhuǎn)移系統(tǒng),本質(zhì)上與基因轉(zhuǎn)移無(wú)關(guān)或關(guān)系很小。,,5、原生質(zhì)體融合(PROTOPASTFUSION,,6、轉(zhuǎn)座(TRANSPOSITION),三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,轉(zhuǎn)座子在質(zhì)粒之間或質(zhì)粒與染色體之間的自行轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,稱之為轉(zhuǎn)座。,插入序列ISINSERTIONSEQUENCE7501550BP兩端重復(fù)序列,與插入有關(guān)中心序列有轉(zhuǎn)位酶基因,轉(zhuǎn)位因子,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,轉(zhuǎn)座子TNTRANSPOSON200025000BP兩端為IS中心序列有與轉(zhuǎn)位無(wú)關(guān)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(xì)菌毒素基因、整合酶(或轉(zhuǎn)座酶)基因。,一、細(xì)菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ),常見(jiàn)的插入序列和轉(zhuǎn)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(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,整合子INTEGRON,IN定位于細(xì)菌染色體、質(zhì)?;蜣D(zhuǎn)座子上基本結(jié)構(gòu)兩端為保守末端,中間為可變區(qū),含一個(gè)或多個(gè)基因盒3個(gè)功能元件重組位點(diǎn)整合酶基因啟動(dòng)子通過(guò)轉(zhuǎn)座子或接合性質(zhì)粒,使多種耐藥基因在細(xì)菌中進(jìn)行水平傳播,,當(dāng)轉(zhuǎn)座子插入到某一基因組中,可能會(huì)產(chǎn)生什么遺傳學(xué)效應(yīng),一、細(xì)菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ),,轉(zhuǎn)座子能在2個(gè)沒(méi)有任何同源性的基因組之間轉(zhuǎn)座(即插入到某一基因),并能引起一系列遺傳效應(yīng)。●可引起插入基因失活,產(chǎn)生基因突變?!裨诓迦氩课灰胍粋€(gè)或多個(gè)新的基因(如耐藥基因、毒素基因)。,三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,一、在疾病的診斷、治療與預(yù)防中的應(yīng)用二、在測(cè)定致癌物質(zhì)中的應(yīng)用三、在流行病學(xué)中的應(yīng)用四、在基因工程中的應(yīng)用,微生物遺傳與變異在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,,形態(tài)、結(jié)構(gòu)、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的變異,使得診斷復(fù)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(lái)困難;傷寒沙門菌有10不產(chǎn)生鞭毛,檢查無(wú)動(dòng)力,無(wú)H抗體,影響正確判斷。耐藥菌株日益增多,因此以藥敏實(shí)驗(yàn)為指導(dǎo)減毒菌株和無(wú)毒株可制備成疫苗,在疾病的診斷、治療與預(yù)防中的應(yīng)用,凡能誘導(dǎo)細(xì)菌發(fā)生突變的物質(zhì)都有可能是致癌物質(zhì)。AMES實(shí)驗(yàn)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(zhǎng),當(dāng)發(fā)生變異時(shí)長(zhǎng)出菌落。,在測(cè)定致癌物質(zhì)中的應(yīng)用,分子生物學(xué)分析方法已被用于流行病學(xué)調(diào)查質(zhì)粒指紋圖(PEP)對(duì)噬菌體的敏感性,對(duì)細(xì)菌素的敏感性,在流行病學(xué)中的應(yīng)用,基因工程是根據(jù)遺傳變異中細(xì)菌可因基因轉(zhuǎn)移和重組而獲得新性狀的原理設(shè)計(jì)的切取目的基因連接到載體上轉(zhuǎn)移到工程菌內(nèi),大量表達(dá)目的基因產(chǎn)物目前已大量生產(chǎn)胰島素、干擾素、多種生長(zhǎng)激素、RIL2等細(xì)胞因子和乙肝疫苗等生物制品,在基因工程中的應(yīng)用,謝謝,,,,,,,,,,,,,,,
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上傳時(shí)間:2024-01-06
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