1、第第2章章 細菌的細菌的遺傳與變異遺傳與變異高等教育出版社高等教育出版社醫學細菌學醫學細菌學Medical Bacteriology目目 錄錄123細菌遺傳與變異的物質基礎細菌的變異現象及機制 細菌遺傳變異的醫學意義及其應用 細菌的遺傳物質：質粒細菌的遺傳物質：質粒v 細菌遺傳物質：細菌遺傳物質：染色體、質粒、噬菌體。染色體、質粒、噬菌體。v 質粒質粒 (plasmid)：細菌染色體外遺傳物質，為雙鏈環狀：細菌染色體外遺傳物質，為雙鏈環狀DNA，攜帶遺傳信息并能自我復制，攜帶遺傳信息并能自我復制，可丟失且不影響細菌可丟失且不影響細菌存活存活。v 質粒質粒通過接合、轉化、轉導方式通過接合、轉化、

2、轉導方式在細菌間轉移遺傳物質在細菌間轉移遺傳物質。嚴緊型質粒嚴緊型質粒 (stringent plasmid)：復制與染色體同步。復制與染色體同步。松馳型質粒松馳型質粒 (relaxed plasmid)：復制與染色體無關。復制與染色體無關。v 噬菌體噬菌體 (phage)：細菌的病毒，蛋白外殼：細菌的病毒，蛋白外殼+DNA或或RNA組組成，多為蝌蚪形。成，多為蝌蚪形。v 噬菌體結構：頭部噬菌體結構：頭部=球狀外殼球狀外殼+核酸核酸 尾部尾部=尾板尾板(溶菌酶溶菌酶)+ 尾刺尾刺 + 尾絲尾絲(吸附細菌吸附細菌)v 噬菌體噬菌體可通過轉導、轉換方式可通過轉導、轉換方式在細菌間轉移遺傳物質在細菌

3、間轉移遺傳物質。細菌的遺傳物質：噬菌體細菌的遺傳物質：噬菌體細菌的遺傳物質：噬菌體細菌的遺傳物質：噬菌體v 毒性噬菌體毒性噬菌體(virulent phage) ：感染宿主菌后在菌體內以復：感染宿主菌后在菌體內以復制方式增殖，產生大量子代噬菌體并導致細菌裂解。該過制方式增殖，產生大量子代噬菌體并導致細菌裂解。該過程稱為溶菌性周期程稱為溶菌性周期 (bacteriolysis cycle)，分為吸附與穿入，分為吸附與穿入、生物合成、生物合成 、成熟與釋放等階段，。、成熟與釋放等階段，。v 溫和噬菌體溫和噬菌體 (temperate phage)：感染宿主菌后其基因組整：感染宿主菌后其基因組整合到

4、宿主菌染色體合到宿主菌染色體DNA中，隨宿主菌中，隨宿主菌DNA復制而復制，復制而復制，并隨宿主菌分裂而分配至子代菌染色體并隨宿主菌分裂而分配至子代菌染色體DNA中，宿主菌不中，宿主菌不裂解。該過程稱為溶原性周期裂解。該過程稱為溶原性周期 (lysogenic cycle) 。v 前噬菌體前噬菌體(prophage)：整合在細菌染色體中的噬菌體基因：整合在細菌染色體中的噬菌體基因組，可在某些因素刺激下脫落進入溶菌性周期組，可在某些因素刺激下脫落進入溶菌性周期 。v 溶原性細菌溶原性細菌(lysogenic bacterium)：攜帶前噬菌體基因組。：攜帶前噬菌體基因組。 v 溶菌性周期和溶原性

5、周期：溶菌性周期和溶原性周期：細菌的遺傳物質：噬菌體細菌的遺傳物質：噬菌體轉位因子轉位因子v 轉位因子轉位因子(transposable element) ：能在細菌基因組中：能在細菌基因組中移動位移動位置置的一段獨特的一段獨特DNA片段。片段。 v 插入序列插入序列 (insertion sequence，IS)：轉座酶基因：轉座酶基因+兩端反向重兩端反向重復序列，可宿主菌基因組的突變、失活或基因重排。復序列，可宿主菌基因組的突變、失活或基因重排。 v 轉座子轉座子(transposon，Tn)：IS+其他基因，能通過質粒在細菌其他基因，能通過質粒在細菌以及細菌與真核細胞之間轉移。以及細菌與

6、真核細胞之間轉移。 整合子和轉座噬菌體整合子和轉座噬菌體 v 整合子整合子 (integron)：定位于細菌染色體、：定位于細菌染色體、能捕獲和整合能捕獲和整合外源性基因外源性基因的獨特的獨特DNA序列。序列。v 整合子典型結構：整合位點可有一個或多個基因盒。整合子典型結構：整合位點可有一個或多個基因盒。 5-保守區保守區-整合酶整合酶- P1/P2啟動子啟動子-整合位點整合位點-3-保守區保守區v 轉座噬菌體轉座噬菌體 (mutation phage，Mu phage)：能整合入宿：能整合入宿主菌染色體主菌染色體DNA但無一定整合位置的溫和噬菌體。但無一定整合位置的溫和噬菌體。細菌的變異現象

7、細菌的變異現象v 形態和結構變異：形態和結構變異：如細菌如細菌L型。型。v 毒力變異：毒力變異：如卡介苗（如卡介苗（BCG）、白喉棒狀桿菌被）、白喉棒狀桿菌被-棒狀桿棒狀桿菌噬菌體感染后產生白喉毒素。菌噬菌體感染后產生白喉毒素。v 耐藥性變異：耐藥性變異：產生對產生對1 種或多種抗生素耐藥性。種或多種抗生素耐藥性。v 抗原性變異：抗原性變異：如如H和和O抗原變異，帶來診斷困難的問題?？乖儺?，帶來診斷困難的問題。v 菌落變異：菌落變異：光滑型光滑型 (smooth，S) 與粗糙型與粗糙型 (rough，R)菌落菌落變異變異(S-R)，常伴隨，常伴隨抗原性、毒力、酶活性等改變抗原性、毒力、酶活性

8、等改變。多數。多數S型細菌毒力強，少數型細菌毒力強，少數R型毒力強型毒力強 (結核分枝桿菌、炭疽芽胞結核分枝桿菌、炭疽芽胞桿菌、鼠疫耶氏菌桿菌、鼠疫耶氏菌)。細菌變異機制細菌變異機制v 突變突變(mutation)：單、多點各種突變。：單、多點各種突變。v 基因轉移基因轉移(transfer)與與重組重組(recombination)：是細菌獲得新：是細菌獲得新遺傳性狀的主要途徑。遺傳性狀的主要途徑。v 細菌基因轉移和重組的主要方式：細菌基因轉移和重組的主要方式：轉化、接合、轉導、溶轉化、接合、轉導、溶原性轉換原性轉換。v 提供提供DNA的細菌稱為的細菌稱為供體菌供體菌(donor)，接受，接

9、受DNA并進行重組并進行重組的細菌稱為的細菌稱為受體菌受體菌(recipient)。v 轉化轉化(transformation)：供體菌游離的：供體菌游離的DNA片段片段直接被受直接被受體菌攝取并重組體菌攝取并重組，使受體菌獲得新的生物學性狀。，使受體菌獲得新的生物學性狀。細菌變異機制：轉化細菌變異機制：轉化v 被轉化的被轉化的DNA片段稱為片段稱為轉化因轉化因子子(transforming factor)，分子，分子量小于量小于107，最多不超過，最多不超過1020個基因。個基因。v 轉化后能重組并穩定地表達供體轉化后能重組并穩定地表達供體菌遺傳性狀的外源性菌遺傳性狀的外源性DNA片段片段稱

10、為稱為轉化子轉化子(transformant)。 v 接受接受DNA片段的受體菌必須處片段的受體菌必須處于于感受態感受態(competence)。細菌變異機制：轉化細菌變異機制：轉化細菌變異機制：接合細菌變異機制：接合v 接合接合(conjugation)：供體菌通過性菌毛將：供體菌通過性菌毛將質?；蛉旧w質?；蛉旧wDNA轉移入受體菌，使受體菌獲得新的生物學性狀。轉移入受體菌，使受體菌獲得新的生物學性狀。v F質粒：編碼質粒：編碼性菌毛性菌毛 (F+ 菌，又稱供體菌或雄性菌菌，又稱供體菌或雄性菌)。v 受體菌或雌性菌：無受體菌或雌性菌：無F質粒、無性菌毛質粒、無性菌毛 (F- 菌菌)。F+F

11、+F+F+F+F-F+F-F+F-v F質粒還可質粒還可整合整合入細菌染色體入細菌染色體DNA中，稱為中，稱為Hfr菌株菌株。v 轉移過程：染色體轉移過程：染色體DNA在在F質粒轉移啟始位點處的一股單質粒轉移啟始位點處的一股單鏈斷開后鏈斷開后先經性菌毛進入受體菌先經性菌毛進入受體菌，F質粒質粒DNA后進入受體后進入受體菌菌，該過程易中斷，故受體菌常獲得不同長度，該過程易中斷，故受體菌常獲得不同長度Hfr菌株染菌株染色體色體DNA片段，但不易獲得片段，但不易獲得F質粒質粒DNA。細菌變異機制：接合細菌變異機制：接合F-HfrHfrF-HfrHfrF-F-細菌變異機制：接合細菌變異機制：接合v F

12、菌株：少見。整合的菌株：少見。整合的F質粒從染色體質粒從染色體DNA上脫落，但上脫落，但攜攜帶了鄰近染色體帶了鄰近染色體DNA片段片段，稱為，稱為F質粒及質粒及F菌株，可通過菌株，可通過F+ 與與F- 菌株相似的過程，將菌株相似的過程，將F質粒及其可能攜帶的供體菌質粒及其可能攜帶的供體菌染色體染色體DNA片段轉移給片段轉移給F- 受體菌。受體菌。FHfrFFFF-細菌變異機制：接合細菌變異機制：接合v 耐藥質粒耐藥質粒 耐藥傳遞因子耐藥傳遞因子(resistance transfer factor，RTF)。 耐藥決定子耐藥決定子(r determinant)：也即耐藥基因。：也即耐藥基因。

13、Tn 9Tn 21Tn 10Tn 8RTFr determinantv 轉導轉導(transduction)：溫和噬菌體為載體溫和噬菌體為載體將將供體菌供體菌DNA片段片段轉移到受體菌內，使受體菌獲得新的性狀。轉移到受體菌內，使受體菌獲得新的性狀。v 可分為普遍性轉導和局限性轉導?？煞譃槠毡樾赞D導和局限性轉導。v 普遍性轉導普遍性轉導(generalized transduction)：裝配錯誤裝配錯誤。細菌變異機制：轉導細菌變異機制：轉導v 局限性轉導局限性轉導(restricted transduction)：前噬菌體從染色體中：前噬菌體從染色體中脫落時帶有脫落時帶有整合部位一或兩側染色體

14、整合部位一或兩側染色體DNA片段片段，感染細菌，感染細菌時可將該供體菌時可將該供體菌DNA片段轉移到新的受體菌內。片段轉移到新的受體菌內。細菌變異機制：轉導細菌變異機制：轉導v 溶原性轉換溶原性轉換(lysogenic conversion)：溶原菌染色體：溶原菌染色體DNA中中整合的整合的前噬體基因前噬體基因使宿主菌獲得新的遺傳性狀的過程。使宿主菌獲得新的遺傳性狀的過程。v 白喉棒狀桿菌被攜帶毒素基因的白喉棒狀桿菌被攜帶毒素基因的-棒狀桿菌噬菌體感染后棒狀桿菌噬菌體感染后才能產生白喉外毒素。才能產生白喉外毒素。細菌變異機制：轉換細菌變異機制：轉換v 診斷和治療及預防方面的應用：診斷和治療及預防方面的應用：抗原抗原變異、耐藥產生、制備疫苗等。變異、耐藥產生、制備疫苗等。 v 流行病學方面的應用：流行病學方面的應用：確定優勢流行確定優勢流行菌株和耐藥基因等、病原追蹤與溯源菌株和耐藥基因等、病原追蹤與溯源，如，如PCR + RFLP、質粒指紋圖譜、質粒指紋圖譜。v 分子生物學和基因工程中的應用：分子生物學和基因工程中的應用：載載體體(質粒、噬菌體、腺病毒質粒、噬菌體、腺病毒