細(xì)菌的遺傳與變異講義課件

1、細(xì)菌的遺傳與變異第一節(jié) 細(xì)菌基因組第二節(jié) 細(xì)菌基因突變第三節(jié) 基因的轉(zhuǎn)移與重組第四節(jié) 細(xì)菌遺傳變異在醫(yī)學(xué)上的實(shí)際意義重點(diǎn)難點(diǎn)熟悉了解掌握細(xì)菌基因組基因的轉(zhuǎn)移與重組方式種類與定義噬菌體及其相關(guān)概念噬菌體與宿主菌相互關(guān)系，溶菌周期及溶原狀態(tài)細(xì)菌基因突變的規(guī)律與機(jī)制細(xì)菌的變異現(xiàn)象細(xì)菌遺傳變異研究的實(shí)際意義細(xì)菌基因組bacterial genome第一節(jié)1. 細(xì)菌染色體（bacterial chromosome）（一）細(xì)菌基因組的主要組成2. 噬菌體（phage）（1）dsDNA，單倍體，無(wú)組蛋白，無(wú)內(nèi)含子（2）大多數(shù)基因?yàn)閱慰截?，而rRNA基因則為多拷貝（3）代謝島、毒力島的G+C百分比和密碼子使用

2、偏向性與細(xì)菌染色體有明顯差異醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）二、細(xì)菌基因組（1）侵襲細(xì)菌或真菌的病毒（2）蝌蚪型：頭部由核心（DNA 或 RNA）與蛋白質(zhì)衣殼組成；尾部為蛋白質(zhì)，與吸附宿主有關(guān)（3）感染細(xì)菌的結(jié)果 溶菌性周期：毒性噬菌體、溫和噬菌體 溶原性周期：溫和噬菌體、前噬菌體（prophage）、溶原性細(xì)菌 3. 質(zhì)粒（plasmid）（1）雙股閉合環(huán)狀DNA分子（2）自主復(fù)制（3）編碼某些生物學(xué)表型（4）可丟失和轉(zhuǎn)移，與細(xì)菌生命無(wú)關(guān)（5）分類 A. 是否可通過細(xì)菌的接合作用傳遞 接合性質(zhì)粒（conjugative plasmid）；非接合性質(zhì)粒（non-conjugative plasmid）

3、B. 宿主菌中的拷貝數(shù) 嚴(yán)緊型質(zhì)粒（stringent plasmid）；松弛型質(zhì)粒（relaxed plasmid） C. 質(zhì)粒的相容性 相容性質(zhì)粒；不相容性質(zhì)粒 D. 質(zhì)?；蚓幋a的生物學(xué)性狀 F質(zhì)粒；R質(zhì)粒；Vi質(zhì)粒；Col質(zhì)粒 等醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）1. 轉(zhuǎn)位因子或轉(zhuǎn)座元件（transposable element）（二）細(xì)菌基因組中的主要特殊結(jié)構(gòu)（1）插入序列 (insertion sequence， IS ) 7502000 bp 兩端重復(fù)序列，與插入有關(guān) 中心序列有轉(zhuǎn)位酶基因（2）轉(zhuǎn)座子 (transposon, Tn) 200025000 bp 兩端為IS 中心序列有與轉(zhuǎn)位無(wú)

4、關(guān)基因, 如：毒素基因、 耐藥基因等醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）轉(zhuǎn)座酶基因AATTCGTACGAATTIS 的命名： IS1，IS2ISn反向重復(fù)序列反向重復(fù)序列插入序列, insertion sequence, ISgene 1 gene 2gene 3gene nISISTn 的命名： Tn1，Tn2Tnn轉(zhuǎn)座子, Transposon, Tn醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）轉(zhuǎn)座子插入的識(shí)別序列耐藥基因或毒素基因Tn1 Tn2 Tn3IS1AP（氨芐青霉素）抗性基因(b-內(nèi)酰胺酶)Tn4IS2AP、Sm（鏈霉素）、Su（磺胺）等抗性基因Tn5IS50L, ISRKm（卡那霉素）、BLM（博萊霉素）、Sm等

5、抗性基因Tn6IS4Km等抗性基因Tn7Tn7R, Tn7L為位點(diǎn)識(shí)別序列TMP（甲氧芐氨嘧啶）、Sm、壯觀霉素等抗性基因（含有整合子）Tn9IS1Cm（氯霉素）抗性基因Tn10IS10-RTc（四環(huán)素）抗性、重金屬抗性、氧化應(yīng)激等基因Tn551IS2Em（紅霉素）抗性基因Tn1681IS1大腸埃希菌耐熱腸毒素（ST）Tn903ISR1Km抗性基因常見轉(zhuǎn)座子及插入序列2. 整合子（integron）醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）（1）定位于細(xì)菌染色體、質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上（2）基本結(jié)構(gòu)：兩端為保守末端，中間為可變區(qū)，含一個(gè)或多個(gè)基因盒（3）整合子含有3個(gè)功能元件：特異性重組位點(diǎn)、整合酶基因、啟動(dòng)子（4）通過

6、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attlattC整合子可存在于 質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子和基因組中基因盒1基因盒2整合子, integron 1. 點(diǎn)突變 轉(zhuǎn)換（transition） 顛換（transversion） 2. 插入或缺失突變：移碼突變 （一）突變醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）一、細(xì)菌變異機(jī)制 1. 染色體重排 2. 倒位（inversion） 3. 重復(fù)（duplication） 4. 染色體缺失（二）染色體畸變(多點(diǎn)突變)（一）突變自發(fā)產(chǎn)生（二）自發(fā)突變率約為每一世代10-1010-6（三）突變是自發(fā)的，隨機(jī)的醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）二、基因的自發(fā)突變（一）人工誘導(dǎo)可提高細(xì)菌

7、的突變率，稱為誘發(fā)突變（二）誘發(fā)突變發(fā)生率可達(dá)到每一世代10-610-4（三）誘變劑： 物理誘變劑：X線、紫外線、電離輻射 等 化學(xué)誘變劑：亞硝酸鹽、烷化劑及吖啶橙染料 絲裂霉素、黃曲霉素B1 等醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）三、基因的誘發(fā)突變（一）突變的發(fā)生是隨機(jī)，不定向的 在細(xì)菌群體中僅少數(shù)細(xì)菌發(fā)生突變（二）彷徨試驗(yàn)證明 隨機(jī)的、非定向的突變是在接觸噬菌體之前就已發(fā)生，噬菌體對(duì)突變僅起篩選而不是誘導(dǎo)作用醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）四、突變與選擇細(xì)菌自然突變的檢出試驗(yàn)（彷徨試驗(yàn)）備注：圖片源自人衛(wèi)社醫(yī)學(xué)微生物學(xué)第8版，主編李凡、徐志凱。（P51， 圖4-2）（一）野生型（wild type）: 從自然界分

8、離的未發(fā)生突變的菌株（二）突變型（mutant type）: 相對(duì)于野生型菌株發(fā)生某一性狀的改變（三）正向突變（forward mutation）: 細(xì)菌由野生型變?yōu)橥蛔冃停ㄋ模┗貜?fù)突變（reverse mutation）: 突變株經(jīng)過第二次突變可恢復(fù)野生型的性狀 1. 基因型回復(fù)突變 （genotypic reversion），機(jī)率很低 2. 表型回復(fù)突變（phenotypic reversion） 抑制突變（suppressor mutation）：包括基因內(nèi)抑制（intragenic suppression）和基因間抑制（extragenic suppression）醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版

9、）五、回復(fù)突變與抑制突變細(xì)菌基因的轉(zhuǎn)移和重組gene transfer and recombination第三節(jié)醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）轉(zhuǎn)移：供體菌提供DNA；受體菌接受DNA重組：受體菌獲得供體菌DNA，表現(xiàn)出供體菌的遺傳性狀基因轉(zhuǎn)移方式DNA傳遞過程轉(zhuǎn)移DNA的特性轉(zhuǎn)化/transformation細(xì)菌（感受態(tài)）直接攝入DNA片段同源DNA片段接合/conjugationDNA通過性菌毛從F+ 細(xì)菌傳遞給F- 細(xì)菌質(zhì)?；蛉旧w轉(zhuǎn)導(dǎo)/transduction 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo) generalized transductionDNA片段通過毒性噬菌體/或溫和噬菌體傳遞任何DNA片段 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo) spe

10、cialized （restricted） transductionDNA片段通過溫和噬菌體傳遞前噬菌體整合位點(diǎn)兩側(cè)DNA片段 溶原性轉(zhuǎn)換 lysogenic reversionDNA片段通過溫和噬菌體傳遞噬菌體攜帶的特定基因細(xì)菌基因水平轉(zhuǎn)移方式（一）轉(zhuǎn)化（transformation）:受體菌主動(dòng)攝取外源性DNA供體菌死亡時(shí)釋放或人工方法提取DNA獲得供體菌的某些生物學(xué)性狀醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）一、轉(zhuǎn)化（transformation）肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化試驗(yàn)備注：圖片源自人衛(wèi)社醫(yī)學(xué)微生物學(xué)第8版，主編李凡、徐志凱。（P54， 圖4-4）（二）影響轉(zhuǎn)化的因素： 1. 供受菌基因型 同源性；親緣關(guān)系

11、近，轉(zhuǎn)化率高 2. 感受態(tài)（competence） 受體菌攝取轉(zhuǎn)化因子（轉(zhuǎn)化的DNA片段）的生理狀態(tài) 轉(zhuǎn)化因子被攝取的最佳時(shí)期 感受態(tài)細(xì)菌表面帶正電荷，細(xì)胞膜通透性增高 3. 環(huán)境因素 Mg2、 Ca2 、cAMP等可維持DNA穩(wěn)定性，促進(jìn)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）接合（conjugation） 通過性菌毛將供體菌DNA轉(zhuǎn)給受體菌，使受體菌獲得供體菌的生物學(xué)性狀（一）F質(zhì)粒（fertility plasmid, fertility factor，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 復(fù)制：F菌轉(zhuǎn)為F菌醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）二、接合（conjugation）F質(zhì)粒從F+菌轉(zhuǎn)移到F-

12、菌，使F-菌變?yōu)镕+菌備注：圖片源自人衛(wèi)社醫(yī)學(xué)微生物學(xué)第8版，主編李凡、徐志凱。（P55， 圖4-5, a） 高頻重組菌株（high-frequency recombination strain，Hfr） 1. F質(zhì)粒與染色體整合 2. 具有接合和轉(zhuǎn)移功能 3. 細(xì)菌染色體轉(zhuǎn)移頻率高，F(xiàn)質(zhì)粒低 4. 受體菌獲得供體菌遺傳性狀 5. 用于繪制基因圖醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）Hfr將其部分染色體轉(zhuǎn)入F-菌，產(chǎn)生重組的F-菌備注：圖片源自人衛(wèi)社醫(yī)學(xué)微生物學(xué)第8版，主編李凡、徐志凱。（P55， 圖4-5,b、c）（二）R質(zhì)粒（resistant plasmid） 1. 耐藥傳遞因子（resistance

13、transfer factor，RTF）編碼性菌毛 2. 耐藥決定子（resistance determinant，r-det）決定菌株耐藥性 3. R質(zhì)粒通過接合方式在同種屬或不同種屬間傳遞, 又稱為傳染性耐藥因子 4. RTF和r-det可整合在一起，也可單獨(dú)存在 r質(zhì)粒： r-det單獨(dú)存在，無(wú)接合傳遞耐藥基因的功能醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）耐藥決定因子gene 1 gene 2 gene 3gene NTnTnTnTn耐藥傳遞因子R質(zhì)粒耐藥傳遞因子：性菌毛基因和傳遞相關(guān)基因耐藥決定因子：耐藥基因，轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）噬菌體媒介將供體菌DNA轉(zhuǎn)給受體菌受體菌獲得供體菌的某些

14、生物學(xué)性狀分為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）三、轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）（一）普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（general transduction）1. 毒性噬菌體或溫和噬菌體介導(dǎo) 2. 包裝錯(cuò)誤：可轉(zhuǎn)導(dǎo)任何部位細(xì)菌DNA片段3. 轉(zhuǎn)導(dǎo)性噬菌體 宿主菌DNA 無(wú)噬菌體DNA4. 轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體DNA (供體菌)整合至受體菌染色體基因組，受體菌獲得供體菌遺傳性狀：完全轉(zhuǎn)導(dǎo)5. 轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體DNA (供體菌)未整合至受體菌染色體基因組，流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)（abortive transduction）醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）整合不整合完全轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖（二）局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（restricted(spe

15、cialized) transduction） 1. 溫和噬菌體介導(dǎo) 2. 不準(zhǔn)確切離：前噬菌體及兩邊的細(xì)菌DNA 3. 轉(zhuǎn)導(dǎo)性噬菌體 宿主菌DNA 噬菌體DNA 4. 受體菌接受轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體DNA 5. 受體菌獲得供體菌遺傳性狀 醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖備注：圖片源自人衛(wèi)社醫(yī)學(xué)微生物學(xué)第8版，主編李凡、徐志凱。（P57， 圖4-8）（三）溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenic conversion） 1. 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)的一種形式 2. 溫和噬菌體DNA與受體菌染色體整合 3. 受體菌獲得噬菌體的某些生物學(xué)性狀 白喉?xiàng)U菌：-噬菌體-外毒素基因 不產(chǎn)毒白喉?xiàng)U菌 產(chǎn)毒白喉?xiàng)U菌醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版

16、）細(xì)菌遺傳變異在醫(yī)學(xué)上的實(shí)際意義medical significance of bacterial heredity and variation第四節(jié)診斷困難 1. HO變異：如傷寒沙門菌鞭毛 2. 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 3. 乳糖分解變異 4. 發(fā)酵突變 需充分了解細(xì)菌的變異現(xiàn)象和規(guī)律，才能正確診斷細(xì)菌性感染疾病醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）一、細(xì)菌形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異與細(xì)菌學(xué)診斷治療困難 1. 耐藥變異及耐藥基因的水平傳遞 2. 耐藥性細(xì)菌不斷增加 3. 多耐藥菌株的出現(xiàn)臨床上通過耐藥監(jiān)測(cè)，注意耐藥譜的變化并開展耐藥機(jī)制研究，將有利于指導(dǎo)抗菌藥物的選擇和合理使用

17、，控制耐藥菌的產(chǎn)生和擴(kuò)散醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）二、細(xì)菌的耐藥變異與控制減毒活疫苗株 1. 卡介苗 BCG 2. 炭疽芽胞桿菌減毒活疫苗 3. 布魯氏菌減毒活疫苗 4. 鼠疫耶爾森菌減毒活疫苗條件致死性突變株溫度敏感突變株醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）三、細(xì)菌毒力變異與疫苗研制1. 脈沖場(chǎng)凝膠電泳（pulsed-field gel electrophoresis，PFGE）2. 質(zhì)粒譜分析3. PCR產(chǎn)物-限制性片段多態(tài)性分析（RFLP）4. 核酸序列分析有助于確定感染流行菌株或基因的來源，或調(diào)查醫(yī)院內(nèi)耐藥質(zhì)粒在不同細(xì)菌中的播散情況醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）四、流行病學(xué)分析方面的應(yīng)用Ames 試驗(yàn)：1. h

18、is-菌在組氨酸缺乏的培養(yǎng)基上不能生長(zhǎng)；2. 在可疑誘變劑作用下發(fā)生回復(fù)突變，成為his+ 菌，則可在無(wú)組氨酸的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)；3. 將含有可疑誘變劑平板與無(wú)誘變劑平板上的菌落數(shù)進(jìn)行比較，凡能提高突變率、使試驗(yàn)平板的誘導(dǎo)菌落數(shù)高出對(duì)照組一倍時(shí)，即為Ames試驗(yàn)陽(yáng)性，提示被檢物具有致癌潛能。醫(yī)學(xué)微生物學(xué)（第9版）五、致癌物物質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用Ames試驗(yàn)備注：圖片源自人衛(wèi)社醫(yī)學(xué)微生物學(xué)第8版，主編李凡、徐志凱。（P58， 圖4-9）（一）載體：質(zhì)粒，噬菌體（二）工程菌和酶：限制性內(nèi)切酶，連接酶（三）選擇目的基因，細(xì)菌中表達(dá)，如胰島素、白介素、干擾素等（四）基因工程疫苗（五）基因組表達(dá)譜研究 基因工程技術(shù)是雙刃劍，外源性基因的插入具有不確定性，也可能造成不良后果，因此有些研究