第四章,細(xì)菌的遺傳與變異,贛南醫(yī)學(xué)院病原生物學(xué)教研室曹鎬祿TELQ：330223876,基本概念： 遺傳（heredity）：指親代細(xì)菌與子代細(xì)菌 的相似性，它使細(xì)菌的性狀保持相對穩(wěn) 定，是各種細(xì)菌存在的根據(jù)。 變異（variation）：指親代與子代以及子代 細(xì)菌之間的不相似性，細(xì)菌得以進(jìn)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(jié)構(gòu),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(xì)菌數(shù),不受影響 受影響,個別 全體,第一節(jié)細(xì)菌的基因組,1.細(xì)菌染色體,結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)蛋白,一、細(xì)菌的基因組的主要成分,特點： 復(fù)制快：105 bp/min 無組蛋白，無內(nèi)含子，為連續(xù)基因 不編碼蛋白質(zhì)的基因少 基因基本不重疊 單倍體：突變后更易表現(xiàn) 細(xì)菌致病島： 有各種功能 的識別區(qū)域,2.質(zhì)粒（plasmid）,存在于細(xì)胞質(zhì)中細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì)，為環(huán)狀閉合的雙鏈DNA，帶有遺傳信息，控制細(xì)菌某些特定的遺傳性狀。,質(zhì)粒的特征,自我復(fù)制能力：緊密型、松弛型編碼某些特定性狀轉(zhuǎn)移能力： 接合性質(zhì)粒(有tra基因，40-100kbp) 非接合性質(zhì)粒(15kbp)不相容性與相容性丟失或消除,幾種重要的質(zhì)粒,致育質(zhì)粒（F質(zhì)粒）：與有性生殖功能有關(guān)。耐藥性質(zhì)粒：編碼細(xì)菌對抗菌藥物或重金屬鹽 類的耐藥性。毒力質(zhì)粒（Vi質(zhì)粒）：編碼與該菌致病性有關(guān) 的毒力因子。ST細(xì)菌素質(zhì)粒：編碼各種細(xì)菌產(chǎn)生細(xì)菌素。Col代謝質(zhì)粒：編碼產(chǎn)生與代謝相關(guān)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(xì)菌裂解，但噬菌體DNA隨細(xì)菌基因組的復(fù)制而復(fù)制，并隨細(xì)菌的分裂而分配至子代細(xì)菌的基因組中。,整合在細(xì)菌染色體上的噬菌體基因。,帶有前噬菌體的細(xì)菌。,溶原性細(xì)菌：,二、細(xì)菌基因組中主要的特殊結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)座元件（跳躍基因）：行動自如,特點：兩側(cè)常帶有重復(fù)序列、插入序列或 tRNA，中間為某種特性基因。,本質(zhì)：是細(xì)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(zhuǎn)移到另一個基因組中。),按結(jié)構(gòu)和功能分為兩類 插入序列 (insertion sequence，IS) 轉(zhuǎn)座子(transposon，Tn),故：細(xì)菌基因組是靜中有動。 致：細(xì)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(zhuǎn)座元件 兩端有反向重復(fù)序列，與插入有關(guān) 中心序列能編碼轉(zhuǎn)位酶及轉(zhuǎn)錄有關(guān)的調(diào)節(jié)蛋白。,2、轉(zhuǎn)座子 (transposon， Tn) 200025000 bp 兩端為IS 中心序列有與轉(zhuǎn)位無關(guān)的基因 如：毒素基因、耐藥基因等 轉(zhuǎn)座導(dǎo)致DNA重排、插入突變、插入點附近基因表達(dá)改變。,插入序列：轉(zhuǎn)座酶基因兩倆為反向重復(fù)序列,轉(zhuǎn)座子Tn3：含有轉(zhuǎn)座酶、-內(nèi)酰胺酶及阻遏蛋 白編碼基因,細(xì)菌的轉(zhuǎn)位元件比較,常見的插入序列和轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)可捕獲和整合外源性基因，使之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)粒或轉(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(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。,基因突變是指DNA堿基對的置換、插入或缺失所致的基因結(jié)構(gòu)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(xì)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(xì)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(fù)突變與抑制突變,野生型,突變型,正向突變,回復(fù)突變,表型回復(fù),表型回復(fù)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(yīng)，即抑制突變。,二、突變型細(xì)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(zhì)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(zhuǎn)移和重組,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 前噬菌體,一、轉(zhuǎn)化（transformation）：供體菌游離的DNA片段直接進(jìn)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(zhuǎn)化因子（transforming principle ）在轉(zhuǎn)化過程中，轉(zhuǎn)化的DNA片段稱為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化的結(jié)果,影響轉(zhuǎn)化的因素供受菌基因型： 同源性；親緣關(guān)系近，轉(zhuǎn)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(jìn)轉(zhuǎn)化,DNA片斷以單鏈形式進(jìn)入受體菌轉(zhuǎn)化獲取的DNA片斷較小,二、接合（conjugation）細(xì)菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)從供菌轉(zhuǎn)給受體菌的方式。,要點：性菌毛的形成 接合性質(zhì)粒 半保留的轉(zhuǎn)移形式 高頻重組株（Hfr） F質(zhì)粒,1、F質(zhì)粒的接合,F質(zhì)粒的接合,F+,F-,F+,F-,F+,F+,F+,F+,Donor,Recipient,F+,Hfr（高頻重組株）： F質(zhì)粒與細(xì)菌染色體整合所形成的菌株。由于細(xì)菌染色體轉(zhuǎn)移頻率高，F(xiàn)質(zhì)粒轉(zhuǎn)移頻率低，故F-以此方式難成F+ 用于繪制基因圖F質(zhì)粒： F質(zhì)粒從Hfr染色體上脫離時攜帶相鄰的染色體DNA片段,Hfr轉(zhuǎn)移細(xì)菌染色體過程,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,F+菌,均有性菌毛,2、 R質(zhì)粒,耐藥傳遞因子（RTF） 編碼性菌毛 耐藥決定因子（r-det) 決定細(xì)菌的耐藥性,三、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。 分普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和局限性轉(zhuǎn)導(dǎo),普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)generalized transduction,前噬菌體從溶原菌染色體上脫離，進(jìn)行增殖，在裂解期的后期，噬菌體的DNA已大量復(fù)制，裝配時可能會發(fā)生裝配錯誤，誤將細(xì)菌的DNA片段裝入噬菌體的頭部，成為一個轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體。轉(zhuǎn)導(dǎo)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(nèi)。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(jié)果完全轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo),只發(fā)生于同種細(xì)菌間,局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)restricted transduction,或稱特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)，所轉(zhuǎn)導(dǎo)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(xì)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(xì)菌染色體上，而帶走了細(xì)菌DNA上兩 側(cè)的基因。當(dāng)其轉(zhuǎn)導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)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(xì)菌DNA轉(zhuǎn)導(dǎo)性噬菌體：噬菌體DNA及細(xì)菌DNA,Gal-半乳糖苷酶基因Bio-生物素基因,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)與局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)的區(qū)別,四、溶原性轉(zhuǎn)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(xì)菌基因組整合，成為溶原性細(xì)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(zhì)體融合（protopast fusion),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(xì)胞壁。,1.影響細(xì)菌的形態(tài)及細(xì)菌學(xué)診斷,第四節(jié)細(xì)菌遺傳變異在醫(yī)學(xué)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(yīng)改變,2.預(yù)防耐藥菌株的擴散,耐藥菌株日益增多，預(yù)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(xì)菌毒力變異與疾病控制：制備菌苗,4.流行病學(xué)分析方面的應(yīng)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(fù)突變的細(xì)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(xì)胞發(fā)生回復(fù)突變，自行合成組氨酸，發(fā)育成肉眼可見的菌落。,載體：質(zhì)粒，噬菌體工程菌和酶：