醫(yī)學(xué)微生物學(xué)：細(xì)菌的遺傳變異

第4章細(xì)菌的遺傳變異

幾個(gè)概念：細(xì)菌基因組：細(xì)菌全部遺傳物質(zhì)的總稱。細(xì)菌基因型：決定細(xì)菌某外在性狀的基因片段。細(xì)菌表型：在一定條件下，特定基因型實(shí)際表現(xiàn)出來的各種外在性狀。遺傳性（基因型）變異：是由基因結(jié)構(gòu)發(fā)生改變所致，主要通過基因突變、基因損傷后的修復(fù)、基因的轉(zhuǎn)移與重組來實(shí)現(xiàn)（穩(wěn)定遺傳）。非遺傳性（表型）變異：是細(xì)菌在環(huán)境因素等影響下出現(xiàn)的變化，這種變化不是基因結(jié)構(gòu)的變化而產(chǎn)生的（可逆、不遺傳）。

牛型結(jié)核桿菌（有毒株）

膽汁-甘油-馬鈴薯培養(yǎng)

13年，230次傳代

減毒株（BCG）基因型變異（genotypicvariation)：BCG表型變異(phenotypicvariation)：細(xì)菌L型

青霉素、溶菌酶

正常形態(tài)細(xì)菌L型變異抗體或補(bǔ)體

(部分或完全失去胞壁)

L型葡萄球菌正常葡萄球菌基因型和表型變異的比較基因型變異表型變異基因改變+-遺傳+-可逆性-+外界環(huán)境-+變異幅度個(gè)別細(xì)胞群體一、細(xì)菌的基因組1.細(xì)菌染色體：多為閉合環(huán)狀dsDNA；是細(xì)菌基因的主要存在處，相對(duì)較?。ㄒ唬┲饕M成：染色體、質(zhì)粒、噬菌體DNA等。細(xì)菌染色體特點(diǎn)：功能相關(guān)的基因串聯(lián)排列，組成操縱子（operon)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行轉(zhuǎn)錄的控制。大部分的DNA是用于編碼蛋白的，無內(nèi)含子結(jié)構(gòu)基因大多為單拷貝DNA分子中具有各種功能區(qū)：細(xì)菌致病島、耐藥基因等。大腸桿菌的乳糖操縱子調(diào)節(jié)子結(jié)構(gòu)P2.質(zhì)粒（plasmid）：細(xì)菌染色體外遺傳物質(zhì)特點(diǎn)：比細(xì)菌染色體小環(huán)狀閉合dsDNA，有復(fù)制能力;編碼細(xì)菌某些特定性狀;自行消失或消除；轉(zhuǎn)移能力（如何轉(zhuǎn)移？）分類：根據(jù)質(zhì)粒的不同特性分類（1）接合性質(zhì)粒與非接合性質(zhì)粒（2）嚴(yán)緊型質(zhì)粒與松弛型質(zhì)粒（3）不相容性質(zhì)粒與相容性質(zhì)粒（4）根據(jù)質(zhì)粒編碼的生物學(xué)性狀分為：F質(zhì)粒：編碼性菌毛；耐藥性質(zhì)粒；毒力質(zhì)粒；細(xì)菌素質(zhì)粒；代謝質(zhì)粒。

3.噬菌體基因組

主要是整合于細(xì)菌染色體上的前噬菌體，通過轉(zhuǎn)導(dǎo)或溶原性轉(zhuǎn)換方式參與細(xì)菌的變異。（二）細(xì)菌基因組中主要的特殊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)座元件(transposableelement)：是細(xì)菌基因組中能改變自身位置的一段DNA序列（jumpinggenes)。位于細(xì)菌的染色體和質(zhì)粒；所有生物均有；特異性轉(zhuǎn)座（位）酶；可發(fā)生在同一染色體、染色體之間、質(zhì)粒之間、染色體與質(zhì)粒之間轉(zhuǎn)座的意義：導(dǎo)致細(xì)菌DNA重排，促使生物變異和進(jìn)化。包括插入序列、轉(zhuǎn)座子和整合子。細(xì)菌染色體上Tn10元件的轉(zhuǎn)座作用轉(zhuǎn)座作用可出現(xiàn)在：同一染色體上染色體之間質(zhì)粒之間染色體和質(zhì)粒之間轉(zhuǎn)座子的位置插入序列(IS,insertionsequence):組成：兩端反向重復(fù)序列和中心序列;最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)座因子；＜2000bp可單獨(dú)存在，也可成為轉(zhuǎn)座子的一部分；轉(zhuǎn)座子(

Tn

,transposon):

＞2000bp；兩端為IS;中心序列主要為與轉(zhuǎn)位無關(guān)基因.如：耐藥基因、毒素基因、代謝基因等。轉(zhuǎn)座子的種類和特征轉(zhuǎn)座子攜帶耐藥或毒素基因Tn1Tn2Tn3AP（氨芐青霉素）Tn4AP、SM（鏈霉素）、Su（磺胺）Tn5Km（卡那霉素）Tn6KmTn7TMP（甲氧芐氨嘧啶）、SMTn9Cm（氯霉素）Tn10Tc（四環(huán)素）tn551Em（紅霉素）Tn971EmTn1681大腸埃希菌（腸毒素基因）整合子(In,integron)：一種可移動(dòng)的DNA分子，具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)可捕獲和整合外源性基因，使之轉(zhuǎn)變成為功能性基因的表達(dá)單位。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5′端和3′保守末端，中間為可變區(qū)(含一個(gè)或多個(gè)基因盒)。整合子5′端含有3個(gè)功能元件：整合酶基因（int)、啟動(dòng)子（Pant）、特異重組位點(diǎn)(attI)I類整合子3’端由三部分組成：季銨鹽化合物溴乙錠的耐藥基因（quacE△)、磺胺耐藥基因（sul1)、功能未明的ORF5。意義：通過轉(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.整合子結(jié)構(gòu)及耐藥基因盒整合進(jìn)整合子示意圖（三）細(xì)菌基因表達(dá)的調(diào)節(jié)普遍采用操縱子模式,原核生物功能相關(guān)的基因往往串聯(lián)地排列在一起，在上游一個(gè)共同的調(diào)控區(qū)(啟動(dòng)子+調(diào)節(jié)基因構(gòu)成）的調(diào)節(jié)下，一起轉(zhuǎn)錄，同時(shí)翻譯最終表達(dá)產(chǎn)物是一些功能相關(guān)的酶或蛋白質(zhì)乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制1.乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)調(diào)控區(qū)調(diào)節(jié)基因啟動(dòng)序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透過酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA乳糖操縱子結(jié)構(gòu)及產(chǎn)物I:1040bp，調(diào)節(jié)基因，編碼360個(gè)氨基酸的阻遏蛋白P:90bp，啟動(dòng)子，RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合位點(diǎn)O:21-27bp，操縱基因，阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)Z:3510bp，β-半乳糖苷酶基因，使乳糖分解Y:780bp，β-半乳糖苷透性酶基因，使乳糖進(jìn)入細(xì)胞A:825bp，β-半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因mRNA阻遏蛋白IDNAZYAOPpol沒有乳糖存在時(shí)2.阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)節(jié)阻遏基因mRNA阻遏蛋白有乳糖存在時(shí)IDNAZYAOPpol啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄mRNA乳糖半乳糖β-半乳糖苷酶3.誘導(dǎo)物啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄β內(nèi)酰胺酶的誘導(dǎo)表達(dá)及基因突變后的持續(xù)高表達(dá)二、細(xì)菌基因突變突變(mutation)：是細(xì)菌遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變（DNA堿基的置換、插入和缺失），導(dǎo)致細(xì)菌性狀出現(xiàn)遺傳性改變。

基因突變點(diǎn)突變：?jiǎn)螇A基置換多點(diǎn)突變：多堿基的置換插入或缺失突變堿基置換導(dǎo)致遺傳信息改變沉默突變（蛋白質(zhì)功能不變）無義突變（蛋白質(zhì)改變：不完整的肽鏈）錯(cuò)義突變(蛋白性質(zhì)、功能改變）一、細(xì)菌基因突變的規(guī)律：突變可以自然發(fā)生和誘導(dǎo)發(fā)生突變菌株可以被選擇出來突變型細(xì)菌可以借助抑制突變發(fā)生回復(fù)突變突變可以自然發(fā)生和誘導(dǎo)發(fā)生：細(xì)菌突變常自然發(fā)生（自發(fā)突變），突變是隨機(jī)的，不定向的，但突變率極低，細(xì)菌每分裂106-1010次發(fā)生一次突變。突變亦可人工誘導(dǎo)產(chǎn)生（誘發(fā)突變），突變率高于自發(fā)突變，細(xì)菌每分裂104-106次發(fā)生一次突變。彷徨試驗(yàn)：說明細(xì)菌突變是隨機(jī)的、自發(fā)的，

噬菌體對(duì)突變僅起篩選而不是誘導(dǎo)

作用。影印平板：突變是自發(fā)的、隨機(jī)的、非誘導(dǎo)的，藥物僅起選擇作用突變可被選擇出來：細(xì)菌耐藥突變的選擇，影印實(shí)驗(yàn)（replicaplating)二、突變型細(xì)菌及其分離：

以下常見突變型細(xì)菌可以通過檢測(cè)表型進(jìn)行鑒定

耐藥性突變型藥敏試驗(yàn)

營(yíng)養(yǎng)缺陷突變型營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)篩選條件致死性突變型溫度敏感試驗(yàn)發(fā)酵陰性突變型乳糖發(fā)酵試驗(yàn)

三、轉(zhuǎn)移和重組轉(zhuǎn)移：供菌提供DNA受菌接受DNA過程重組：受菌獲得供菌DNA并重新整合過程類型基因來源轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)化供菌受菌攝入

接合供菌通過性菌毛轉(zhuǎn)導(dǎo)供菌噬菌體媒介溶原性轉(zhuǎn)換噬菌體噬菌體與宿主菌結(jié)合

轉(zhuǎn)化（transformation）：

供菌死亡時(shí)釋放或人工方法提取的DNA片段，受菌主動(dòng)攝取這些外源性DNA

，使受菌獲得新的性狀。Griffith1928年研究肺炎鏈球菌時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化現(xiàn)象1.2.3.4.5.1944年轉(zhuǎn)化的基本過程：轉(zhuǎn)化因子吸附于受體細(xì)胞;dsDNA的一條鏈被降解，釋放的能量供另一條互補(bǔ)鏈進(jìn)入細(xì)胞；進(jìn)入的單鏈DNA片段與細(xì)菌染色體的同源部位重組；隨著染色體的復(fù)制，一個(gè)保持原性狀，另一個(gè)為轉(zhuǎn)化型細(xì)菌。細(xì)菌轉(zhuǎn)化過程示意圖

影響轉(zhuǎn)化的因素：供受菌基因型：親緣關(guān)系近，轉(zhuǎn)化率高；感受態(tài)（competence）攝取，感受態(tài)可人工誘導(dǎo)。

環(huán)境因素：Mg2＋、Ca2＋等可促進(jìn)轉(zhuǎn)化。接合(conjugation)概念：通過性菌毛將供菌DNA轉(zhuǎn)給受菌，受菌獲得供菌性狀。通過接合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒：F質(zhì)粒和R質(zhì)粒。F質(zhì)粒（fertilityfactor,致育因子）接觸：細(xì)胞質(zhì)溝通轉(zhuǎn)移：F質(zhì)粒進(jìn)入F－菌，1分鐘完成復(fù)制：F－菌轉(zhuǎn)為F＋菌接合的過程Hfr（高頻重組菌株）：F質(zhì)粒與細(xì)菌自身染色體整合的菌株，該菌株具有高頻率轉(zhuǎn)移自身染色體至F-菌的能力。有性菌毛，具有接合和轉(zhuǎn)移功能；細(xì)菌染色體轉(zhuǎn)移頻率高，F(xiàn)質(zhì)粒轉(zhuǎn)移頻率低；受體菌獲得供體菌性狀；用于繪制基因圖。Hfr轉(zhuǎn)移細(xì)菌染色體過程F’質(zhì)粒F’質(zhì)粒染色體Hfr質(zhì)粒F+菌F質(zhì)粒轉(zhuǎn)移的不同結(jié)果F’質(zhì)粒R質(zhì)粒組成：耐藥傳遞因子(RTF)：編碼性菌毛；r決定因子：耐藥。R質(zhì)粒結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction):由噬菌體介導(dǎo)，將供菌的DNA片段轉(zhuǎn)入受菌，使受菌獲得供菌的部分遺傳性狀。特點(diǎn)：分普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)。僅發(fā)生在同種細(xì)菌之間毒性噬菌體，溫和噬菌體包裝錯(cuò)誤：細(xì)菌DNA片段(任何部位)或質(zhì)粒轉(zhuǎn)導(dǎo)性噬菌體：含宿主菌DNA，

無噬菌體DNA受菌接受轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體(供菌)DNA受菌獲得供菌性狀

普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)：結(jié)果完全轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)未整合整合

局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)：溫和噬菌體脫落錯(cuò)誤：前噬菌體及兩邊的細(xì)菌DNA轉(zhuǎn)導(dǎo)性噬菌體：含噬菌體DNA+細(xì)菌DNA溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenicconversion）

概念：溫和噬菌體感染宿主菌后，以前噬菌體形式與細(xì)菌DNA整合，使宿主菌獲得噬菌體基因編碼的性狀。如β棒狀桿菌噬菌體編碼白喉毒素，當(dāng)其感染白喉棒狀桿菌后，形成溶原性細(xì)菌，使原來無毒的白喉棒狀桿菌產(chǎn)生白喉毒素。

溶原性轉(zhuǎn)換原生質(zhì)體融合將倆種不同細(xì)菌處理失去細(xì)胞壁成為原生質(zhì)體后，進(jìn)行彼此融合的過程。染色體間發(fā)生基因的重組和交換，獲得多種不同表型的重組融合體。原生質(zhì)體融合類型基因來源轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)化供菌受菌攝入

接合供菌通過性菌毛轉(zhuǎn)導(dǎo)供菌噬菌體載體

溶原性轉(zhuǎn)換噬菌體噬菌體DNA整合細(xì)菌幾種基因轉(zhuǎn)移類型的比較診斷困難

H→O變異：如傷寒沙門菌鞭毛

S→R變異：消失莢膜或多糖

抗原性改變

毒力下降，生化反應(yīng)改變治療困難：耐藥四、實(shí)際意義制備疫苗：BCG檢測(cè)致癌物

Ames試驗(yàn)：（活化劑）少量生長(zhǎng)--自發(fā)突變菌株大量菌株生長(zhǎng)，說明發(fā)生突變

基因工程載體：質(zhì)粒，噬菌體工程菌和酶：限制性內(nèi)切酶，連接酶選擇目的基因，在細(xì)菌中表達(dá)，如胰島素、白介素、干擾素等基因工程疫苗1.細(xì)菌基因