第5章細菌的遺傳變異

第四章,細菌的遺傳與變異,贛南醫(yī)學院病原生物學教研室曹鎬祿TELQ：330223876,基本概念： 遺傳（heredity）：指親代細菌與子代細菌 的相似性，它使細菌的性狀保持相對穩(wěn) 定，是各種細菌存在的根據(jù)。 變異（variation）：指親代與子代以及子代 細菌之間的不相似性，細菌得以進化。 遺傳性變異（基因型變異） 非遺傳性變異（表型變異）,基因型與表型變異的比較,基因型變異,表型變異,基因結構,變化 未變,可逆性,不或極少 可逆,穩(wěn)定性,穩(wěn)定 不穩(wěn)定,環(huán)境影響,涉及細菌數(shù),不受影響 受影響,個別 全體,第一節(jié)細菌的基因組,1.細菌染色體,結構：環(huán)狀dsDNA長度：130-2000m核苷酸數(shù)量：30004000kb基因數(shù)量：400-5000編碼蛋白：約2000個結構蛋白,一、細菌的基因組的主要成分,特點： 復制快：105 bp/min 無組蛋白，無內含子，為連續(xù)基因 不編碼蛋白質的基因少 基因基本不重疊 單倍體：突變后更易表現(xiàn) 細菌致病島： 有各種功能 的識別區(qū)域,2.質粒（plasmid）,存在于細胞質中細菌染色體外的遺傳物質，為環(huán)狀閉合的雙鏈DNA，帶有遺傳信息，控制細菌某些特定的遺傳性狀。,質粒的特征,自我復制能力：緊密型、松弛型編碼某些特定性狀轉移能力： 接合性質粒(有tra基因，40-100kbp) 非接合性質粒(15kbp)不相容性與相容性丟失或消除,幾種重要的質粒,致育質粒（F質粒）：與有性生殖功能有關。耐藥性質粒：編碼細菌對抗菌藥物或重金屬鹽 類的耐藥性。毒力質粒（Vi質粒）：編碼與該菌致病性有關 的毒力因子。ST細菌素質粒：編碼各種細菌產(chǎn)生細菌素。Col代謝質粒：編碼產(chǎn)生與代謝相關的許多酶類。,3. 噬菌體（bacteriophage）,溫和噬菌體：,前噬菌體：,噬菌體基因組整合于宿主菌染色體中，不產(chǎn)生子代噬菌體，也不引起細菌裂解，但噬菌體DNA隨細菌基因組的復制而復制，并隨細菌的分裂而分配至子代細菌的基因組中。,整合在細菌染色體上的噬菌體基因。,帶有前噬菌體的細菌。,溶原性細菌：,二、細菌基因組中主要的特殊結構,轉座元件（跳躍基因）：行動自如,特點：兩側常帶有重復序列、插入序列或 tRNA，中間為某種特性基因。,本質：是細菌基因組中能改變自身位置的一 DNA序列。(它能在DNA分子中移動，不 斷改變它們在基因組的位置，能從一 個基因組轉移到另一個基因組中。),按結構和功能分為兩類 插入序列 (insertion sequence，IS) 轉座子(transposon，Tn),故：細菌基因組是靜中有動。 致：細菌基因的不穩(wěn)定和高突變率。,1、 插入序列(insertion sequence， IS) 7501550 bp，為最小的轉座元件 兩端有反向重復序列，與插入有關 中心序列能編碼轉位酶及轉錄有關的調節(jié)蛋白。,2、轉座子 (transposon， Tn) 200025000 bp 兩端為IS 中心序列有與轉位無關的基因 如：毒素基因、耐藥基因等 轉座導致DNA重排、插入突變、插入點附近基因表達改變。,插入序列：轉座酶基因兩倆為反向重復序列,轉座子Tn3：含有轉座酶、-內酰胺酶及阻遏蛋 白編碼基因,細菌的轉位元件比較,常見的插入序列和轉座子,IS bp Tn 耐藥或毒素基因,IS1 768 Tn1 AP（氨芐青霉素）,IS2 1327 Tn6 Kan（卡那霉素）,IS3 1300 Tn10 Tet（四環(huán)素）,IS4 1426 Tn551 Em（紅霉素）,IS5 1195 Tn681 E.coli ET（腸毒素）,3、整合子（integron，In）是一種運動性的DNA分子，具有獨特結構可捕獲和整合外源性基因，使之變成為功能性基因的表達單位。定位于細菌染色體、質?；蜣D座子上?；窘Y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，位于5/末端。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。,基因突變是指DNA堿基對的置換、插入或缺失所致的基因結構的變化。分為點突變和染色體畸變。根據(jù)遺傳信息的改變方式，基因突變又可分為沉默突變、錯義突變和無義突變。,第二節(jié)細菌基因突變,一、基因突變規(guī)律,1、自發(fā)突變與誘發(fā)突變,自發(fā)突變突變率：10-10-10-6誘發(fā)突變突變率：10-6-10-4,檢測細菌誘變因子的誘變試驗，可用于檢測環(huán)境因子對人類致癌作用的篩選，如Ames試驗,2、突變與選擇3、回復突變與抑制突變,野生型,突變型,正向突變,回復突變,表型回復,表型回復突變沒有改變正向突變的DNA序列，只是在第二個位點發(fā)生突變抑制第一次突變效應，即抑制突變。,二、突變型細菌及其分離 抗性突變型 藥敏試驗 營養(yǎng)缺陷突變型 營養(yǎng)物質篩選 條件致死性突變型 溫度敏感試驗 發(fā)酵陰性突變型 乳糖發(fā)酵試驗,第三節(jié)基因的轉移和重組,類型 基因來源 轉移方式,轉化 供菌 受菌攝入,接合 供菌 通過性菌毛,轉導 供菌 噬菌體媒介,溶原性轉換 噬菌體 前噬菌體,一、轉化（transformation）：供體菌游離的DNA片段直接進入受體菌使受體菌獲得新性狀的過程。,活的R型肺炎鏈球菌,感染,1928年 Griffith的實驗,取血培養(yǎng),活的S型肺炎鏈球菌,感染,活的S型肺炎鏈球菌,1928年 Griffith的實驗,死的S型肺炎鏈球菌,感染,1928年 Griffith的實驗,取血培養(yǎng),S死+R活,感染,S活,1928年 Griffith的實驗,取血培養(yǎng),DNA(S)+R活,感染,S活,1944年 Avery的實驗,裸DNA,攝入,整合,轉化因子（transforming principle ）在轉化過程中，轉化的DNA片段稱為轉化因子 ，分子量小于107，最多不超過1020個基因。感受態(tài)（competence） 帶正電 通透性增高,轉化的結果,影響轉化的因素供受菌基因型： 同源性；親緣關系近，轉化率高受菌的生理狀態(tài)：感受態(tài)（competence）對數(shù)生長期的后期環(huán)境因素：Mg2、Ca2等可促進轉化,DNA片斷以單鏈形式進入受體菌轉化獲取的DNA片斷較小,二、接合（conjugation）細菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質從供菌轉給受體菌的方式。,要點：性菌毛的形成 接合性質粒 半保留的轉移形式 高頻重組株（Hfr） F質粒,1、F質粒的接合,F質粒的接合,F+,F-,F+,F-,F+,F+,F+,F+,Donor,Recipient,F+,Hfr（高頻重組株）： F質粒與細菌染色體整合所形成的菌株。由于細菌染色體轉移頻率高，F(xiàn)質粒轉移頻率低，故F-以此方式難成F+ 用于繪制基因圖F質粒： F質粒從Hfr染色體上脫離時攜帶相鄰的染色體DNA片段,Hfr轉移細菌染色體過程,染色體,Hfr,質粒,F+菌,F質粒轉移的不同結果,F質粒,F+菌,均有性菌毛,2、 R質粒,耐藥傳遞因子（RTF） 編碼性菌毛 耐藥決定因子（r-det) 決定細菌的耐藥性,三、轉導（transduction） 由噬菌體介導，將供菌的DNA片段轉入受菌，使受菌獲得供菌的部分遺傳性狀。 分普遍性轉導和局限性轉導,普遍性轉導generalized transduction,前噬菌體從溶原菌染色體上脫離，進行增殖，在裂解期的后期，噬菌體的DNA已大量復制，裝配時可能會發(fā)生裝配錯誤，誤將細菌的DNA片段裝入噬菌體的頭部，成為一個轉導噬菌體。轉導噬菌體能以正常方式感染另一宿主菌，并將其頭部的染色體注入受體菌內。概率：10-7-10-5被包裝的DNA可以是供體菌染色體上的任何部分。,供體菌,結果完全轉導流產(chǎn)轉導,只發(fā)生于同種細菌間,局限性轉導restricted transduction,或稱特異性轉導，所轉導的只限于供體菌染色體 上特定的基因。溶原期時，噬菌體DNA整合在細菌染色體特定部 位，噬菌體DNA發(fā)生偏差分離，將自身的一段 DNA留在細菌染色體上，而帶走了細菌DNA上兩 側的基因。當其轉導并整合到受體菌中，使受體 菌獲得供體菌的某些遺傳性狀。10-6 所轉導的只限于供體菌上個別的基因。,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,Gal-半乳糖苷酶基因Bio-生物素基因,普遍性轉導與局限性轉導的區(qū)別,四、溶原性轉換（lysogenic conversion） 是指溫和噬菌體感染宿主菌后，以前噬菌體形式與細菌基因組整合，成為溶原性細菌，從而獲得由噬菌體基因組編碼的某些性狀。,不產(chǎn)毒白喉桿菌,產(chǎn)毒白喉桿菌,棒狀桿菌噬菌體-白喉毒素基因tox,五、原生質體融合（protopast fusion),是將兩種不同的細菌經(jīng)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。 可短期生存，發(fā)生基因的交換與重組，獲得不同的表型，可重新形成細胞壁。,1.影響細菌的形態(tài)及細菌學診斷,第四節(jié)細菌遺傳變異在醫(yī)學上 的實際意義,HO變異：如傷寒沙門菌鞭毛 SR變異：消失莢膜或多糖 抗原性改變 毒力下降，生化反應改變,2.預防耐藥菌株的擴散,耐藥菌株日益增多，預防耐藥性 藥敏實驗 早期足量 要有一定療程, 聯(lián)合用藥 不要濫用,3.細菌毒力變異與疾病控制：制備菌苗,4.流行病學分析方面的應用,5.檢測致癌物,Ames試驗：,鼠傷寒沙門氏菌的組氨酸營養(yǎng)缺陷型（his）菌株，在含微量組氨酸的培養(yǎng)基中，除極少數(shù)自發(fā)回復突變的細胞外，一般只能分裂幾次，形成在顯微鏡下才能見到的微菌落。受誘變劑作用后，大量細胞發(fā)生回復突變，自行合成組氨酸，發(fā)育成肉眼可見的菌落。,載體：質粒，噬菌體工程菌和酶：