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第四章細菌的遺傳和變異 1 遺傳 heredity 是子代與親代的相似性 保證了物種的穩(wěn)定性 變異 variation 是子代與親代的差異 有利于物種的進化 遺傳變異 genotypicvariation 表型變異 phenotypicvariation 2 細菌的基因組基因突變基因轉(zhuǎn)移與重組遺傳變異在醫(yī)學(xué)上的意義 3 學(xué)習(xí)重點與難點 1 細菌遺傳物質(zhì)的種類 染色體 質(zhì)粒 噬菌體 轉(zhuǎn)位因子 整合子2 細菌基因的水平轉(zhuǎn)移 1 轉(zhuǎn)化 接合 轉(zhuǎn)導(dǎo) 溶原性轉(zhuǎn)換的概念及其在臨床實踐中的意義 2 耐藥質(zhì)粒與耐藥性的傳播 4 第一節(jié)細菌基因組 包括染色體 外源性DNA 質(zhì)粒 噬菌體 及可移動元件 插入序列 轉(zhuǎn)座子 整合子 Genome包含菌細胞的全部遺傳信息 構(gòu)成細菌的基因型 決定細菌的生物學(xué)特性 5 一條環(huán)狀雙螺旋的雙鏈DNA dsDNA 按一定結(jié)構(gòu)反復(fù)回旋成松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)附著于橫隔中介體或細胞膜 一 細菌染色體 chromosome 6 1 特點 相對較小 只有一個復(fù)制起始位點多數(shù)基因為單拷貝功能相關(guān)的基因高度集中成操縱子具有連續(xù)基因結(jié)構(gòu) 無內(nèi)含子非編碼序列較少 且編碼序列多無重疊具有各種功能的識別區(qū) 含有特殊順序 7 細菌染色體的復(fù)制 半保留復(fù)制 8 2 致病島 pathogenicityisland 位于致病菌染色體上 編碼毒力相關(guān)因子的外源性DNA片斷 常為分子量較大 20 100kbp 的基因群兩側(cè)往往含有重復(fù)序列或插入序列G C 與密碼使用與細菌染色體有明顯差異 9 細菌染色體外的遺傳物質(zhì) 為環(huán)狀閉合或線狀dsDNA 能自我復(fù)制 賦予細菌的某些重要的生物學(xué)性狀 并非細菌生命活動所必需 可以自然丟失 也可以在細菌間轉(zhuǎn)移 具有相容性與不相容性 二 質(zhì)粒 plasmid 10 11 12 質(zhì)粒的分類 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 相容性質(zhì)粒與不相容性質(zhì)粒4 具質(zhì)粒基因編碼的生物學(xué)性狀分類 致育性質(zhì)粒 F 耐藥性質(zhì)粒 R 毒力質(zhì)粒 Vi 細菌素質(zhì)粒 col 代謝質(zhì)粒 13 三 轉(zhuǎn)座元件 tranponsableelement 不依賴于同源重組即可在細菌基因組中改變自身位置的獨特DNA序列 其轉(zhuǎn)位導(dǎo)致了細菌基因的不穩(wěn)定性和高突變率 14 廣泛存在于G 菌和G 菌中插入位點不存在同源性核苷序列轉(zhuǎn)位作用主要依靠自身合成的特異性轉(zhuǎn)座酶轉(zhuǎn)位發(fā)生范圍廣 1 特點 15 保留型轉(zhuǎn)位通過轉(zhuǎn)座酶切割轉(zhuǎn)座元件 再插入到新位點復(fù)制型轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)座元件的一個拷貝保留于供體原位 另一拷貝插入新位點 2 轉(zhuǎn)位類型 16 插入序列轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座性噬菌體整合子 3 轉(zhuǎn)座元件的種類 17 1 插入序列 insertionsequence IS 最簡單的轉(zhuǎn)座元件 長度小于2kb不攜帶任何與轉(zhuǎn)位功能無關(guān)的基因區(qū)域可能導(dǎo)致插入點附近基因表達改變 18 2 轉(zhuǎn)座子 transposon Tn 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 大小約2 2 5kb除攜帶轉(zhuǎn)位有關(guān)基因 還帶多種結(jié)構(gòu)基因可導(dǎo)致插入突變 基因重排或插入點附近基因表達改變 19 復(fù)合型轉(zhuǎn)座子兩端IS 中間耐藥基因 是細菌耐藥形成的重要原因Tn3系轉(zhuǎn)座子兩端重復(fù)序列 中間抗生素相關(guān)基因及轉(zhuǎn)座相關(guān)基因接合性轉(zhuǎn)座子無末端重復(fù)序列 通過接合作用轉(zhuǎn)位 Tn的三種類型 20 3 轉(zhuǎn)座噬菌體 Mu噬菌體 具有轉(zhuǎn)座功能的溶原性噬菌體從細菌染色體脫落時 可能攜帶細菌DNA片段隨之轉(zhuǎn)位Mu噬菌體是分子克隆中的重要工具 21 4 整合子 Integron In 一種可移動的DNA分子 具有獨特結(jié)構(gòu)可捕獲和整合外源性基因 使之轉(zhuǎn)化為功能性基因的表達單位 存在于染色體 質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上 是細菌固有的遺傳單位 22 5 CS 3 CS intI gene2 gene1 attI A B C P1 P2 attC 整合子 基因盒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 5 端保守區(qū) 5 CS 中間可變區(qū) 基因盒 3 端保守區(qū) 3 CS 整合酶基因intI重組位點attIP1 P2啟動子 結(jié)構(gòu)基因 多耐藥基因 特異性重組位點attC 23 intI基因 編碼整合酶 催化基因盒在重組位點的整合及切除 據(jù)基因序列分為6類 短小的可移動DNA 只含有一個結(jié)構(gòu)基因及一個特異性重組位點 attC 不含啟動子 多為耐藥基因 基因盒 24 許多相關(guān)基因串聯(lián)排列在細菌染色體的特定部位 上游有啟動子或調(diào)控信號序列與操縱基因序列 共同構(gòu)成的轉(zhuǎn)錄單位 四 基因表達的調(diào)節(jié)系統(tǒng) 1 操縱子 operon 25 啟動子或調(diào)控信號序列調(diào)節(jié)操縱子表達相關(guān)基因同時轉(zhuǎn)錄翻譯 形成功能相關(guān)蛋白質(zhì)功能蛋白質(zhì)正負(fù)反饋調(diào)控操縱子 2 操縱子的調(diào)控 26 第二節(jié)細菌基因突變 自發(fā)突變誘導(dǎo)突變 點突變?nèi)旧w畸變 細菌遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變 導(dǎo)致細菌發(fā)生遺傳性變異 27 1 基因突變的規(guī)律 稀有性及可誘導(dǎo)性突變與選擇可逆性與回復(fù)突變 28 2 基因突變的分子機制 堿基置換包括轉(zhuǎn)換與顛換 不一定引起編碼產(chǎn)物氨基酸序列的改變移碼突變序列移位可導(dǎo)致后面的密碼意義發(fā)生錯誤 而產(chǎn)生無功能肽類和蛋白質(zhì) 29 3 突變型細菌及其應(yīng)用 抗性突變型耐藥突變菌株用于研究藥物作用機制及細菌耐藥機制營養(yǎng)缺陷突變型用于研究細菌的生物合成代謝途徑條件致死性突變型溫度敏感突變株發(fā)酵陰性突變型突變造成某種酶缺陷 失去發(fā)酵某種糖的能力 30 第三節(jié)基因的轉(zhuǎn)移與重組 轉(zhuǎn)移與重組是細菌在短時間內(nèi)產(chǎn)生多種基因組合以更好適應(yīng)環(huán)境的最重要原因 打破親緣關(guān)系的界限 可獲得更多遺傳信息 31 一 重組的類型 同源重組發(fā)生在有共同起源的基因間 需recA蛋白酶參與非同源重組不需DNA片段的同源性 需位點專一重組酶參與 32 二 轉(zhuǎn)移與重組的方式 轉(zhuǎn)化接合轉(zhuǎn)導(dǎo)溶原性轉(zhuǎn)換原生質(zhì)體融合 33 供體菌受體菌 游離DNA直接攝取 1 轉(zhuǎn)化 transformation 34 1 轉(zhuǎn)化條件 供 受體菌的基因型同源性 轉(zhuǎn)化因子不超過20個基因受體菌的生理狀態(tài)感受態(tài)環(huán)境因素Ca2 Mg2 cAMP等可維持DNA穩(wěn)定性 促進轉(zhuǎn)化 35 2 感受態(tài) competence 細菌表面出現(xiàn)有利于外源DNA攝入的狀態(tài) 如表達利于DNA吸附及攝入的酶和蛋白質(zhì) 細胞帶正電 細胞膜通透性增高等 常出現(xiàn)在細菌的對數(shù)生長末期 持續(xù)時間不一 低滲的氯化鈣 冷休克可人工誘導(dǎo)感受態(tài) 36 3 轉(zhuǎn)化過程 37 供體菌受體菌 性菌毛 接合性質(zhì)粒或染色體DNA 2 接合 conjugation 38 接合性質(zhì)粒攜帶tra基因簇 編碼約40基因 參與接合轉(zhuǎn)移過程 排斥F質(zhì)粒進入F 菌性菌毛的合成與組裝維持配接時的穩(wěn)定切割解旋DNA 并促使轉(zhuǎn)移鏈的進入 39 1 F F 2F 40 F質(zhì)?？烧系郊毦旧w上 引起宿主菌染色體發(fā)生高頻率轉(zhuǎn)移到F 菌 Hfr菌也可重新變?yōu)镕 菌 2 高頻重組菌株 Highfrequencyofrecombination Hfr 41 Hfr F Hfr F 42 Hfr菌上的F質(zhì)粒被異常切割時 常帶有染色體上幾個鄰近的基因 可導(dǎo)致其再感染菌遺傳物質(zhì)的改變 此為性導(dǎo) 3 F 質(zhì)粒 43 4 R質(zhì)粒的接合 耐藥傳遞因子 RTF 編碼性菌毛 決定質(zhì)粒的復(fù)制 接合和轉(zhuǎn)移耐藥決定因子決定細菌的多重耐藥性 R質(zhì)粒還可誘導(dǎo)非接合性質(zhì)粒的傳遞 被稱為傳染性耐藥因子 44 供體菌受體菌 噬菌體 轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象只發(fā)生在同種細菌之間 3 轉(zhuǎn)導(dǎo) transduction 供體DNA片段 45 裂解末期的裝配錯誤所致 可轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌的任一基因片段 會產(chǎn)生完全轉(zhuǎn)導(dǎo)和流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)兩種結(jié)果 1 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo) Generalizedtransduction 46 47 48 溶原期的偏差脫落所致 只轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌染色體上個別特定的基因片段 2 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo) restrictedtransduction 49 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)與局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)的區(qū)別 50 4 溶原性轉(zhuǎn)換 lysogenicconversion 溫和噬菌體以前噬菌體的形式與細菌染色體發(fā)生重組 導(dǎo)致細菌獲得新的性狀 51 5 原生質(zhì)體融合 protopastfusion 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(zhì)體后 進行彼此融合的過程 聚乙二醇可促使融合經(jīng)基因交換與重組 可獲得多種表型的重組融合體一種人工基因轉(zhuǎn)移系統(tǒng) 52 細菌的耐藥性 獲得性耐藥 細菌耐藥的機制 遺傳機制 生化機制 固有耐藥 53 第四節(jié)細菌遺傳變異在醫(yī)學(xué)上實際的意義 54 一 形態(tài)結(jié)構(gòu)變異與細菌學(xué)診斷 在外界因素作用下 細菌可失去其典型的形態(tài) 結(jié)構(gòu) 在臨床細菌學(xué)診斷中 應(yīng)充分了解細菌變異現(xiàn)象及規(guī)律 55 形態(tài)變異 3 6 食鹽鼠疫桿菌 多形態(tài)性 衰殘型 瓊脂培基 56 L型變異 青霉素 溶菌酶正常形態(tài)細菌 L型變異 部分或完全失去胞壁 57 特殊結(jié)構(gòu)變異 變形桿菌 H 1 石炭酸 O 遷徙生長菌落樣生長 58 二 耐藥性變異與控制 金葡菌耐藥菌株已上升至90 以上 有些菌還表現(xiàn)為多重耐藥性 甚至產(chǎn)生藥物依賴性 藥物敏感試驗?zāi)退幈O(jiān)測耐藥機制研究 59 三 毒力變異與疾病控制 炭疽減毒活疫苗布魯菌減毒活疫苗鼠疫耶爾森菌減毒活疫苗 膽汁 甘油 馬鈴薯培養(yǎng)基牛型結(jié)核桿菌 卡介苗13年 230代 60 四 流行病學(xué)分析方面的應(yīng)用 將分子生物學(xué)方法用于流調(diào)追蹤基因水平的轉(zhuǎn)移與播散PFGE 質(zhì)粒譜分析 RFLP 核酸序列分析等 61 五 檢測致癌物質(zhì)方面的運用 凡能誘導(dǎo)突變的物質(zhì)有可能是潛在致癌物利用細菌試驗篩選可疑致癌物 62 六 基因工程方面的運用 DNA體外重組技術(shù)不同種屬個體間的遺傳物質(zhì)可相互轉(zhuǎn)移和重組有利于疾病的特異性防治 63 小結(jié) 細菌基因組的主要組成染色體和質(zhì)粒 細菌基因組中的轉(zhuǎn)座元件插入序列 轉(zhuǎn)座子和整合子 細菌基因突變 細菌基因轉(zhuǎn)移與重組的主要方式轉(zhuǎn)化 接合 轉(zhuǎn)導(dǎo) 溶原性轉(zhuǎn)換 細菌遺傳變異在醫(yī)學(xué)上的實際意義 64 1 簡述質(zhì)粒的概念及其特點 2 細菌的轉(zhuǎn)座元件有哪些 簡述它的醫(yī)學(xué)意義 3 簡述細菌基因轉(zhuǎn)移與重組的方式 4 微生物的遺傳變異在醫(yī)學(xué)上有何實際意義 5 結(jié)合所學(xué)知識 試分析細菌耐藥的遺傳學(xué)機制 思考題 65 中英文關(guān)鍵詞 keywords 染色體Chromsome噬斑plaque質(zhì)粒Plasmid轉(zhuǎn)化Transformation轉(zhuǎn)座原件TransposableElements轉(zhuǎn)導(dǎo)Transduction溫和噬菌體Lysophage temperate phage接合Conjugation毒性噬菌體VirulentphageR質(zhì)粒Rplasmid前噬菌體ProphageF因子Ffactor溶原性轉(zhuǎn)換Lysogenicconversion轉(zhuǎn)座子Transposon Tn溶原性細菌Lysogenicbacterium整合子Integron In普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)Generaltransduction突變Mutation高頻重組菌株Highfrequencyofrecombination Hfr 66 1 BrooksGF CarrollCK ButelJS etal Jawetz Melnick Adelberg sMedicalMicrobiology 25thed LANGEBasicScience McCrawHillCo 2009 2010 page97 118 2 LangAS ZhaxybayevaO BeattyJT Genetransferagents phage likeelementsofgeneticexchange NatRevMicrobiol 2012 10 7 472 82 3 CasasV MaloyS Roleofbacteriophage encodedexotoxinsintheevolutionofbacterialpathogens FutureMicrobiol 2011 6 12 1461 73 4 MuzziA DonatiC Populationgeneticsandevolutionofthepan genomeofStreptococcuspneumoniae IntJMedMicrobiol 2011 301 8 619 22 5 LazcanoA Naturalhistory microbesandsequences shouldn twelookbackagaintoorganisms PLoSOne 2011 6 8 e21334 6 WiedenbeckJ CohanFM Originsofbacterialdiversitythroughhorizontalgenetictransferandadaptationtonewecologicalniches FEMSMicrobiolRev 2011 35 5 957 76 7 AndamCP FournierGP GogartenJP Multilevelpopulationsandtheevolutionofantibioticresistancethroughhorizontalgenetransfer FEMSMicrobiolRev 2011 35 5 756 67 課外閱讀資料 67 8 SkippingtonE RaganMA Lateralgenetictransferandtheconstructionofgeneticexchangecommunities FEMSMicrobiolRev 2011 35 5 707 35 9 vanReenenCA DicksLM Horizontalgenetransferamongstprobioticlacticacidbacteriaandotherintestinalmicrobiota whatarethepossibilities ArchMicrobiol 2011 193 3 157 68 10 LeungMM FlorizoneSM