醫(yī)學(xué)微生物學(xué)：細菌的遺傳變異

1、第4章,細菌的遺傳變異,幾個概念： 細菌基因組：細菌全部遺傳物質(zhì)的總稱。 細菌基因型：決定細菌某外在性狀的基因片段。 細菌表型：在一定條件下，特定基因型實際表現(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)移與重組來實現(xiàn)（穩(wěn)定遺傳）。 非遺傳性（表型）變異：是細菌在環(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（genotypic variation)：BCG,表型變異(phenotypic v

2、ariation)：細菌L型 青霉素、溶菌酶正常形態(tài)細菌 L型變異 抗體或補體 (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,一、細菌的基因組,1.細菌染色體： 多為閉合環(huán)狀dsDNA； 是細菌基因的主要存在處，相對較小,（一）主要組成：染色體、質(zhì)粒、噬菌體DNA等。,細菌染色體特點： 功能相關(guān)的基因串聯(lián)排列，組成操縱子（operon)結(jié)構(gòu)，進行轉(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),P,2. 質(zhì)粒（plasmid）：細菌染色體外遺傳物質(zhì) 特

3、點： 比細菌染色體小環(huán)狀閉合dsDNA，有復(fù)制能力; 編碼細菌某些特定性狀; 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； 細菌素質(zhì)粒； 代謝質(zhì)粒。,3. 噬菌體基因組 主要是整合于細菌染色體上的前噬菌體， 通過轉(zhuǎn)導(dǎo)或溶原性轉(zhuǎn)換方式參與細菌的變異。,（二）細菌基因組中主要的特殊結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)座元件(transposable element)： 是細菌基因組中能改變自身位置的一段DNA序列（jump

4、ing genes)。 位于細菌的染色體和質(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)致細菌DNA重排，促使生物變異和進化。 包括插入序列、轉(zhuǎn)座子和整合子。,細菌染色體上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,insertion sequence): 組成：兩端反向重復(fù)序列和中心序列; 最簡單的轉(zhuǎn)座因子；2000bp 可單獨存在，也可成為轉(zhuǎn)座子的一部分；,轉(zhuǎn)座子( Tn ,transposon): 2000bp； 兩端為IS ; 中

5、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,整合子(In,integron)：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)變成為功能性基因的表達單位。 定位于細菌染色體、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)(含一個或多個基因盒)。,整合子 5端含有3個功能元件：整合酶基因（int)、啟動子（Pant）、特異重組位點(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菌中進行水

6、平傳播.,整合子結(jié)構(gòu)及耐藥基因盒整合進整合子示意圖,（三）細菌基因表達的調(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，在上游一個共同的調(diào)控區(qū)(啟動子+調(diào)節(jié)基因構(gòu)成）的調(diào)節(jié)下，一起轉(zhuǎn)錄，同時翻譯 最終表達產(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)機制,1.乳糖操縱子(lac operon)的結(jié)構(gòu),乳糖操縱子結(jié)構(gòu)及產(chǎn)物,I: 1040bp，調(diào)節(jié)基因，編碼360個氨基酸的阻遏蛋白 P: 90bp，啟動子，RNA聚合酶識別和結(jié)合位點 O: 21-27bp，操縱基因，阻遏蛋白結(jié)合位點 Z: 3510bp，-半乳糖苷酶基因，使乳糖分解 Y: 780bp， -半乳糖苷透性酶基因

7、，使乳糖進入細胞 A: 825bp， -半乳糖苷轉(zhuǎn)移酶基因,沒有乳糖存在時,2.阻遏蛋白的負性調(diào)節(jié),有乳糖存在時,3.誘導(dǎo)物啟動轉(zhuǎn)錄,內(nèi)酰胺酶的誘導(dǎo)表達及基因突變后的持續(xù)高表達,二、細菌基因突變,突變(mutation)：是細菌遺傳物質(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)致細菌性狀出現(xiàn)遺傳性改變。,基因突變,點突變：單堿基置換,多點突變：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）,錯義突變(蛋白性質(zhì)、功能改變）,一、細菌基因突變的規(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

8、變型細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： 細菌突變常自然發(fā)生（自發(fā)突變），突變是隨機的，不定向的，但突變率極低，細菌每分裂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，細菌每分裂104-106次發(fā)生一次突變 。,彷徨試驗：說明細菌突變是隨機的、自發(fā)的， 噬菌體對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、隨機的、非誘導(dǎo)的，藥物僅起選擇作用,突變可被選擇出來：細菌耐藥突變的選擇，影印實驗（replica plating),二、突變型細菌及其分離： 以下常見突變型細菌可以通過檢測表型進行鑒定 耐藥性突變型 藥敏試驗 營

9、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,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）： 供菌死亡時釋放或人工方法提取的DNA片段，受菌 主動攝取這些外源性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胞;

10、dsDNA的一條鏈被降解，釋放的能量供另一條互補鏈進入細胞； 進入的單鏈DNA片段與細菌染色體的同源部位重組； 隨著染色體的復(fù)制，一個保持原性狀，另一個為轉(zhuǎn)化型細菌。,細菌轉(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（fertility factor, 致育因子）,接觸：細胞質(zhì)溝通 轉(zhuǎn)移：F質(zhì)粒進入F菌，1分鐘完成 復(fù)制：F菌轉(zhuǎn)為F菌,

11、接合的過程,Hfr（高頻重組菌株）：F質(zhì)粒與細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： 分普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)。,僅發(fā)生在同種細菌之間,毒性噬菌

12、體，溫和噬菌體 包裝錯誤： 細菌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),局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)：溫和噬菌體,脫落錯誤：前噬菌體及兩邊的細菌DNA 轉(zhuǎn)導(dǎo)性噬菌體：含噬菌體DNA+細菌DNA,溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenic conversion） 概念：溫和噬菌體感染宿主菌后，以前噬菌體形式與細菌DNA整合，使宿主菌獲得噬菌體基因編碼的性狀。 如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

13、倆種不同細菌處理失去細胞壁成為原生質(zhì)體后，進行彼此融合的過程。 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,細菌幾種基因轉(zhuǎn)移類型的比較,診斷困難 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 治療困難：耐藥,四、實際意義,制備疫苗：BCG 檢測致癌物,Ames試驗：,（活化劑）,少量生長-自發(fā)突變菌株,大量菌株生長，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，在細菌中表達，如胰島素、白介素、干擾素等 基因工程疫苗,1.細菌基因轉(zhuǎn)移和重組的類型及其主要差異？ 2.何謂BCG、transposon、R質(zhì)粒、Hfr和lyso