第4章细菌的遗传与变异

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1、第四章第四章 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异(heredityandvariation)第一节第一节 细菌的遗传物质细菌的遗传物质第二节第二节 细菌基因突变细菌基因突变第三节第三节 基因的转移和重组基因的转移和重组第四节第四节 细菌遗传变异的医学意义细菌遗传变异的医学意义基本概念基本概念遗传遗传(heredity)：子代与亲代性状的相似性。（Heredityisthetransferofcharacteristicsfromparenttooffspringthroughtheirgenes.）变异变异(variation)：子代与亲代性状的差异性。表型变异表型变异(phenotypicva

2、riation)：基因结构未改变，不可遗传。基因型变异基因型变异(genotypicvariation)：基因结构的改变，可遗传的。细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异一、细菌的变异现象一、细菌的变异现象1.1.形态结构的变异：形态结构的变异：L型细菌，荚膜变异，鞭毛变异。2.2.抗原性变异。抗原性变异。3.3.菌落变异。菌落变异。4.4.毒力变异：毒力变异：卡介苗。5.5.耐药性变异。耐药性变异。形态结构变异形态结构变异3-6%食盐鼠疫耶氏菌多形态性陈旧培基物青霉素、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)特殊结构的变异42-43炭疽杆菌失去形成芽胞能力,毒性降低10-20天变

3、形杆菌0.1%石炭酸迁徙生长（H）点状生长、单个菌落（O）鞭毛变异毒力变异增强棒状噬菌体白喉棒状杆菌获得白喉毒素减弱胆汁、甘油、马铃薯培养基牛分枝杆菌卡介苗13年(230代)耐药性变异细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。有些细菌还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。含链霉素培基痢疾杆菌依链株长期培养菌落变异在陈旧培养基中长期培养光滑型菌落粗糙型菌落SR原因：失去LPS的特异多糖第一节第一节 细菌遗传物质细菌遗传物质一、细菌的染色体二、质粒三、噬菌体基因组四、转座因子五、整合子一、细菌染色体一、细菌染色体细菌的染色体通常仅由一条环状双链DNA分子组成细菌的染

4、色体相对聚集在一起，形成一个较为致密的区域，称为类核（nucleoid）。类核无核膜与胞浆分开，类核的中央部分由RNA和支架蛋白组成，外围是双链闭环的DNA超螺旋。Thebacterialchromosomeandbacterialplasmids,asshownintheelectronmicroscope.Theplasmids(arrow)arethecircularstructures,muchsmallerthanthemainchromosomalDNA.Thecell(large,whitestructure)wasbrokengentlysotheDNAwouldremaini

5、ntact细菌染色体的特点细菌染色体的特点（1）环状或线性dsDNA，较小5805220kb；（2）有操纵子结构；（3）非编码区少；（4）不编码的DNA部份所占比例比真核细胞基因组少得多；（5）在细菌基因组中编码顺序一般不会重叠，即不会出现基因重叠现象；（6）蛋白质基因单拷贝，RNA基因多拷贝；（7）在DNA分子中具有各种功能的识别区域如复制起始区OriC，复制终止区TerC，转录启动区和终止区等。这些区域往往具有特殊的顺序，并且含有反向重复顺序。CircularrepresentationsoftheShigellagenomes.FanYang,JianYang,XiaobingZhang

6、,etal.NucleicAcidsResearch,2005,Vol.33,No.19致病岛或毒力岛（致病岛或毒力岛（Pathogenicityisland）是指细菌染色体上）是指细菌染色体上一段具有典型结构特征的基因簇，主要编码与细菌的毒力相关一段具有典型结构特征的基因簇，主要编码与细菌的毒力相关的产物。的产物。毒力岛的形成是细菌通过基因组水平转移，从一种病原菌转移到另一种细菌中。毒力岛的功能是直接或间接地增强了细菌的适应性，使细菌和宿主之间相互影响，有助于细菌生态学的适应性和致病性，并推进了细菌的演变。A.ThecagislandofH.pylori(causeofstomachulce

7、rs)harborsgenesforatypeIVsecretionsystemthatcantranslocatethetoxinCagAintohumancells,causinganinflammatoryresponse.B.TheSP-1islandofSalmonellatyphimurium(typhusandfoodpoisoning)encodesatypeIIIsecretionsystem(grey),secretedproteins(darkgrey),andregulatoryproteins.Thesameislandincludesmetabolicprotein

8、sunrelatedtovirulence.C.TheHPIislandofYersiniaenterocoliticahasgenesthatencodeahigh-affinityironuptakesystem(darkgrey)neededforextracellulargrowthofthepathogenduringcolonizationofthehost.D.ThevSALislandofmultipledrug-resistantStaphylococcusaureus(MRSA)encodesaremarkablyhighnumberofenterotoxins.二、质粒(

9、plasmid)：细菌染色体外的遗传物质，环状闭合的双股DNA。可编码许多重要的生物学性状。质粒DNA的特性:具有自我复制能力。紧密型质粒；松弛型质粒。编码的基因产物赋予细菌某些性状特征。可自行丢失与消除。可在细菌间转移。分相容性与不相容性两种。http:/www.cbs.dtu.dk/services/gwBrowser/precalc/project.php?pid=13146AvailableatlasesforShigella boydii Sb227几种重要的质粒致育质粒（F质粒）耐药质粒毒力质粒（Vi质粒）细菌素质粒代谢质粒四、转位因子转位因子(transposableelemen

10、t)：存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段特异性核苷酸序列片段，能在DNA分子中移动。种类：种类：插入序列（insertionsequence,IS）转座子（transposon,Tn）转座噬菌体：是一些具有转座功能的溶原性噬菌体。插入序列（insertionsequence,IS）是最小的转位因子，2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域。转座子（transposon,Tn）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。可能与细菌的多重耐药性有关。IS ISResistance Gene(s)Tn插入序列和转座子的模式图插入序列序列长度（b

11、p）转座子耐药基因或毒素基因IS1768Tn1、Tn2、Tn3ampR（氨苄青霉素）IS21331Tn4smR（链霉素）、suR（磺胺）、ampR（氨苄青霉素）、HgR（汞）IS31258Tn5bleR（博来霉素）、neoR（新霉素）、strR（链霉素）IS41426Tn6、Tn903kanR（卡那霉素）IS51195Tn7dfrA1（甲氧苄啶）、sat1（链霉素）、aadA1（氨基糖甙类）IS6051887Tn9cat（氯霉素）IS10R1329Tn10tetR、tetA、tetC、tetD（四环素）IS50R1534Tn917、Tn551ermB（红霉素）IS903B1057Tn1681大

12、肠埃希菌耐热肠毒素ISR11259Tn5422cadA（镉抗性基因）常见的插入序列和转座子五、整合子整合子(Integron，In)：是一种运动性DNA分子，可捕获和整合外源性基因，使其转变为功能性基因的表达单位。整合子定位于染色体和质粒或转座子上，由两端的保守末端和中间的可变区构成，含三个功能元件：整合酶基因、重组位点和启动子，均位于整合子5保守末端。TheintIgenecodesforatyrosinerecombinase(integrase)thatcatalyzessite-specificrecombinationbetween59-baseelements(59-be)andt

13、heattIsite,resultinginintegrationorexcisionofgenecassettes.Cassettesinthefreecircularformaretranscriptionallysilent,butthecapturedlinearcassettescomeunderthecontroloftheintegron-associatedPcpromoter.Generalstructureofintegron-genecassettesystem.第二节 细菌基因突变基因突变是指DNA碱基对的置换、插入或碱基对的置换、插入或缺失缺失所致的基因结构的变化。可

14、分点突变和染色体畸变。碱基置换包括转换转换和颠换；颠换；插入或缺失导致移码突变。移码突变。突变的类型-倒位、重复、缺失、置换、插入一、基因突变规律一、基因突变规律1自发突变与诱发突变：自发突自发突变自然发生，是随机的、不定向的。人工诱导人工诱导产生的突变为诱发突变诱发突变，可提高细菌的突变率，许多理化因子都具诱变活性。2突变率：是指细菌生长时发生突变的频率。自发突变率为109106，诱发突变率可提高101000倍，达到106104左右。3突变与选择：要从菌群中找出个别突变株，必须将菌群置于一种有利于突变株而不利于其他菌的环境中，才能将突变株筛选出来。4回复突变与抑制突变：从自然界分离的未发生突

15、变的菌株称为野生型野生型。相对野生型菌株发生某一性状的改变，成为突变突变型型。由野生型变为突变型是正向突变，经再次突变又恢复到原来的性状，称为回复突变回复突变。回复突变往往不是基因型恢复不是基因型恢复，而是表型的恢复。表型的恢复。二、突变型细菌及其分离二、突变型细菌及其分离1抗性突变型包括噬菌体抗性突变和耐药性突变。2营养缺陷突变型细菌由原来能合成某种营养物质的原养型，突变为不能合成该物质的营养缺陷型营养缺陷型。可用选择培养基筛选。3条件致死突变型突变的细菌在某些特定条件下不能存活，而在另一适当条件下仍可正常生长。如温温度敏感突变株度敏感突变株（temperaturesensitivemuta

16、nt，Ts株株），可作为菌苗。4发酵阴性突变型突变造成某种酶的缺陷，使细菌失去发酵某种糖的能力。Replicaplatingmethodfordetectionofnutritionalmutants.温度敏感突变株的筛选温度敏感突变株的筛选第三节第三节 基因的转移和重组基因的转移和重组基因转移（genetransfer）外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移。重组（recombination）基因重组是指由于不同DNA链的断裂和连接而产生的DNA片段的交换和重新组合，形成新的DNA分子的过程。重组产物为重组体DNA(recombinantDNA)。重组的类型重组的类型（1

17、）同源重组同源重组(homologousrecombination)：是指发生在姐妹染色单体（sisterchromatin)之间或同一染色体上含有同源序列的DNA分子之间或分子之内的重新组合。其主要特点是需要一系列的蛋白质催化。（2）位点特异性重组位点特异性重组（site-specificrecombination）：重组发生在特殊位点上，此位点含有短的同源序列，供重组蛋白识别。（3）转座重组转座重组（transpositionrecombination）：由转座因子产生的特殊的行为。转座的机制依赖DNA的交错剪切和复制，但不依赖于同源序列。（4）异常重组异常重组：分为两类，末端连接和链滑动

18、。其特征时重组对中很少或没有序列同源性，所以也称为非同源性重组。HomologousrecombinationbetweenpSL4andE.coliCSH60-31chromosomalDNA大肠杆菌大肠杆菌tyrR基因剔除及其对苯丙氨酸生物合成的影响基因剔除及其对苯丙氨酸生物合成的影响.KnockoutoftyrRGeneinEscherichia coliandItsEffectsonthePhenylalanineBiosynthesis.BIOCHIMICAetBIOPHYSICASINICA.2003,35(8):728733Phageattachmentsitesareregio

19、nsofDNArequiredforsite-specificrecombination.Molecularprocessofsite-specificrecombinationbytransposition细菌的基因转移和重组可通过转化转化、接合接合、转转导导、溶原性转换溶原性转换和原生质体融合等方式进行。基因的转移基因的转移转化（转化（transformation）转化：供体菌裂解游离的转化：供体菌裂解游离的DNA片段被受体片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。小鼠体内肺炎链球菌转化试验小鼠体内肺炎链球菌转化试验转化因子（transformingpr

20、inciple）在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子，分子量小于107，最多不超过1020个基因。感受态（competence）MechanismofDNAtransferbytransformationinagram-positivebacterium.(a)Bindingoffreedoubled-strandedDNAbyamembrane-boundDNAbindingprotein.(b)Passageofoneofthetwostrandsintothecellwhilenucleaseactivitydegradestheotherstrand.(c)Thesinglest

21、randinthecellisboundbyspecificproteins,andrecombinationwithhomologousregionsofthebacterialchromosomemediatedbyRecAproteinoccurs.(d)Transformedcell.接合（接合（conjugation）细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。）从供体菌转移给受体菌。接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，质粒，F质粒、质粒

22、、R质粒和毒力质粒等。质粒和毒力质粒等。非接合性质粒：亦叫不能自我转移的质粒。它们虽然非接合性质粒：亦叫不能自我转移的质粒。它们虽然具有自主复制的遗传信息，但失去了控制细胞接合转具有自主复制的遗传信息，但失去了控制细胞接合转移的基因，因此是不能够从一个细胞自我转移到另一移的基因，因此是不能够从一个细胞自我转移到另一个细胞，个细胞，ColE1质粒。质粒。conjugationconjugationR质粒的接合日本首先分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重耐药菌株，多重耐药性很难用基因突变解释。健康人中大肠埃希菌30%50%有R质粒，而致病性大肠埃希菌90%有R质粒。与多重耐药性有关，耐药质粒从一个细菌

23、转移到另一个细菌中。R质粒耐药传递因子（resistancetransferfactor,RTF）与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移耐药（r）决定子质粒的接合过程模式图转导（转导（transduction）以噬菌体为载体，将供体菌的一段以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。普遍性转导（普遍性转导（generalizedtransduction）局限性转导（局限性转导（restrictedtransduction）Transductionhassubsequentlybeenshowntobequitecommo

24、namongbothtemperateandvirulentphages.Therearetwokindsoftransduction:generalizedandspecialized.Generalizedtransducingphagescancarryanypartofthechromosome,whereasspecializedtransducingphagescarryonlyrestrictedpartsofthebacterialchromosome.AnIntroductiontoGeneticAnalysis.7thedition.GriffithsAJF,MillerJ

25、H,SuzukiDT,etal.NewYork:W.H.Freeman;2000.普遍性转导普遍性转导(generalizedtransduction)：在噬菌体DNA装入外壳蛋白组成新的噬菌体时，大约在1057次装配中有一次装配错误。误将微生物残留的误将微生物残留的DNA片段装入噬菌体的外壳蛋片段装入噬菌体的外壳蛋白中，成为一个转导性的噬菌体白中，成为一个转导性的噬菌体。误装的DNA片段可以是菌体染色体上的任何部分，质粒也可被装入，故称普遍性转导。局限性转导局限性转导(restrictedtransduction)：细菌由溶原期转入裂解期，噬菌体DNA又从微生物染色体上分离。分离时会有10-

26、6机会发生偏差，噬菌体将其本身噬菌体将其本身DNA上的一段留在微生物上的一段留在微生物染色体上，却带走了微生物染色体上，却带走了微生物DNA上二侧中的个别特定的基因上二侧中的个别特定的基因。Themechanismofgeneralizedtransduction.Inreality,onlyaverysmallminorityofphageprogeny(1in10,000)carriesdonorgenes.Generalizedtransduction:onepossiblemechanismbywhichvirus(phage)particlescontaininghostDNAcan

27、beformed供体菌受体菌转导噬菌体细菌DNA噬菌体DNAgeneralizedtransduction局限性转导(restrictedtransduction)或称特异性转导，所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。溶原期时，噬菌体DNA整合在细菌染色体特定部位，噬菌体DNA发生偏差分离，将自身的一段DNA留在细菌染色体上，而带走了细菌DNA上两侧的基因。当其转导并整合到受体菌中，使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。所转导的只限于供体菌上个别的基因。Normallyticeventsandtheproductionofparticlestransducingthegalactosegenes

28、inanEscherichiacolicellcontainingalambda prophageUnderrareconditions,thephagegenomeisexcisedincorrectly.Lambdadgal(defectivegalactose)undertheassistanceofhelper,thedefectivephagecanbereplicatedandcantransducethegalactosegenes结果完全转导流产转导未整合整合普遍性转导与局限性转导的区别普遍性转导与局限性转导的区别区别要点普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导基因转导发生的时

29、期基因转导发生的时期裂解期溶原期转导的遗传物质转导的遗传物质供体菌染色体DNA任何部位或质粒噬菌体DNA及供体菌DNA的特定部位转导的后果转导的后果完全转导或流产转导受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗传特性转导频率转导频率受体菌的10-7转导频率较普遍转导增加1000倍(10-4)普遍性转导与局限性转导普遍性转导与局限性转导溶原性转换（lysogenicconversion）当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的DNA片段，使其成为溶原状态时而致细菌获得新的性状。白喉棒状杆菌、A群链球菌、肉毒梭菌、产气荚膜梭菌、霍乱弧菌原生质体融合原生质体融合(protoplastfusion)将两

30、种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行相互融合的过程。聚乙二醇(PEG)起促融合的作用。第四节第四节 细菌遗传变异在医学上的实际意义细菌遗传变异在医学上的实际意义一、影响细菌学诊断一、影响细菌学诊断 多数细菌变异后，其表型改变很大，以致多数细菌变异后，其表型改变很大，以致难以识别。但其基因型的改变不会很大，难以识别。但其基因型的改变不会很大，常用DNA分子杂交及细菌核酸探针等方法来测定某特异性DNA片段，协助诊断。二、预防耐药菌株的扩散二、预防耐药菌株的扩散 1为提高抗菌药物的疗效，防止耐药菌株的扩散，应在治疗前先做药物敏感试验，选择用药。2合理使用抗生素，对需长期用

31、药，易产生耐药性的慢性疾病，应将几种药物联合应用，还应考虑免疫调节剂的使用。三、细菌毒力变异与疾病控制毒力变异包括增强和减弱。毒力减弱的菌株可以作为疫苗：布鲁氏菌病鼠疫卡介苗四、在流行病学中的应用分子生物学分析方法已被用于流行病学调查质粒指纹图（PFP）对噬菌体的敏感性，对抗生素的敏感性已完成基因组测序的致病细菌种类已完成基因组测序的致病细菌种类病原菌株病原菌株所致疾病所致疾病基因组大小基因组大小(Mb)伯氏疏螺旋体伯氏疏螺旋体B31莱姆病莱姆病1.44胎儿弯曲菌胎儿弯曲菌NCTC-11169胃肠炎胃肠炎1.64肺炎衣原体肺炎衣原体CWL急性呼吸道疾病急性呼吸道疾病0.29肺炎衣原体肺炎衣原体

32、AR动脉硬化症动脉硬化症3.9沙眼衣原体沙眼衣原体D/UW-3/Ck沙眼沙眼1.05沙眼衣原体沙眼衣原体Mopn沙眼沙眼1.07嗜血流感杆菌嗜血流感杆菌Rd脑膜炎、中耳炎脑膜炎、中耳炎1.83幽门螺旋杆菌幽门螺旋杆菌26695胃溃疡胃溃疡1.66幽门螺旋杆菌幽门螺旋杆菌J99胃溃疡胃溃疡1.64李斯忒单细胞菌李斯忒单细胞菌EGD-2-e李斯忒病、流产李斯忒病、流产2.95分枝麻风杆菌分枝麻风杆菌麻风麻风3.10分枝结核杆菌分枝结核杆菌H37Rv结核病结核病4.40生殖道支原体生殖道支原体G-37尿道炎尿道炎0.58肺炎衣原体肺炎衣原体M129呼吸道疾病呼吸道疾病0.61奈氏脑膜炎球菌奈氏脑膜炎

33、球菌A型型Z2491脑膜炎脑膜炎2.18奈氏脑膜炎球菌奈氏脑膜炎球菌B型型MC58脑膜炎脑膜炎2.27普氏立克次体普氏立克次体MadridE斑疹伤寒斑疹伤寒1.10化脓性链球菌化脓性链球菌M1中毒性休克综合症中毒性休克综合症猩红热、风湿病猩红热、风湿病1.85苍白螺旋体苍白螺旋体Nicholas梅毒梅毒1.14霍乱弧菌霍乱弧菌N16961霍乱霍乱4.03铜绿假单胞杆菌铜绿假单胞杆菌(绿脓杆菌绿脓杆菌)PA01条件致病条件致病6.30GenoListgenomebrowserGenoListThe New Multi-Microbial Genome browser.SubtiListBacil

34、lus subtilis strain 168 GenoList browserColibriEscherichia coli strain K12 GenoList browserTubercuListMycobacterium tuberculosis strain H37Rv GenoList browserLepromaMycobacterium leprae strain TN GenoList browserBoviListMycobacterium bovis strain AF2122/97 GenoList browserBuruListMycobacterium ulcer

35、ans strain Agy99 GenoList browserListiListListeria monocytogenes strain EGD-e and Listeria innocua strain CLIP 11262 Multi-GenoList browserLegioListLegionella pneumophila Paris strain and Legionella pneumophila Lens strain Multi-GenoList browserPyloriGeneHelicobacter pylori strains 26694 and J99 Mul

36、ti-GenoList browserMypuListMycoplasma pulmonis strain UAB CTIP GenoList browserCyanoListSynechocystis PCC6803 and Anabaena PCC7120 Multi-GenoList browserAureoListStaphylococcus aureus strains N315 and Mu50 Multi-GenoList browserStreptoPneumoListStreptococcus pneumoniae strains R6 and Tigr4 Multi-Gen

37、oList browserSagaListStreptococcus agalactiae strain NEM316 GenoList browserPhotoListPhotorhabdus luminescens strain TT01 GenoList browserCandidaDBCandida albicans strain SC5314 GenoList browserCircularrepresentationofthesequencedS.aureus andS.epidermidis genomes.Eachconcentriccirclerepresentsgenomi

38、cdataforS.aureus(A)andS.epidermidis(B)andisnumberedfromtheoutermostcircletotheinnermostcircle.Theoutermostcirclesindicatethegenomecoordinatesinbasepairs.五、在测定致癌物质中的应用五、在测定致癌物质中的应用Ames实验：Ames本人对300余种化学品进行的微生物诱变试验及动物诱癌实验对比。凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。Ames实验六、在基因工程中的应用基因工程是根据遗传变异中细菌可因基因转移和重组而获得新性状的原理设计的 切取目的基因连接到载体上转移到工程菌内，大量表达目的基因产物目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、rIL-2等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品关键词关键词变异转座子基因转移接合溶原性转换原生质体融合毒性噬菌体温和噬菌体前噬菌体关键问题关键问题简述质粒的概念、生物学特性和增殖的结果。试比较普遍性转导与局限性转导的区别。试述细菌遗传变异的实际意义。试述转化的概念和条件。试述细菌遗传变异的种类。