級八制第三細菌的遺傳與變異

1、醫(yī)學(xué)微生物學(xué)Medical Microbiology基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院微生物學(xué)系基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院微生物學(xué)系鄔國軍鄔國軍第三章第三章 細菌的遺傳和變異細菌的遺傳和變異 遺傳（遺傳（heredity） 子代與親代的生物學(xué)性狀基本相同，且代子代與親代的生物學(xué)性狀基本相同，且代代相傳。代相傳。 變異（變異（variation ） 子代與親代以及子代與子代之間的生物學(xué)子代與親代以及子代與子代之間的生物學(xué)性狀出現(xiàn)差異。性狀出現(xiàn)差異。概概 述述 遺傳性變異遺傳性變異 基因型變異基因型變異 （genotypic variation ） 非遺傳性變異非遺傳性變異 表型變異表型變異 （phenotypic variation）

2、變變 異異一、形態(tài)與結(jié)構(gòu)變異一、形態(tài)與結(jié)構(gòu)變異二、菌落變異二、菌落變異三、毒力變異三、毒力變異四、耐藥性變異四、耐藥性變異細菌變異實例細菌變異實例第一節(jié)第一節(jié) 細菌的變異現(xiàn)象細菌的變異現(xiàn)象第二節(jié)第二節(jié) 細菌的遺傳物質(zhì)細菌的遺傳物質(zhì)一一. 細菌基因組的主要組成細菌基因組的主要組成包括細菌染色體、質(zhì)粒及噬菌體基因組包括細菌染色體、質(zhì)粒及噬菌體基因組A. 環(huán)狀雙螺旋雙鏈環(huán)狀雙螺旋雙鏈 DNA, 無組蛋白，為裸露的核無組蛋白，為裸露的核 酸分子。酸分子。 B. 操縱子操縱子 Op(e)ron 結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。C. 無內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后無需剪切修飾。無內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后無需剪切修飾。D. 結(jié)構(gòu)基因無重疊。結(jié)構(gòu)基因無

3、重疊。E. 大多數(shù)基因為單拷貝。大多數(shù)基因為單拷貝。細菌染色體的特點細菌染色體的特點：1. 細菌染色體細菌染色體The structure of operonA. 環(huán)狀雙螺旋雙鏈環(huán)狀雙螺旋雙鏈 DNA, 無組蛋白，為裸露的核無組蛋白，為裸露的核 酸分子。酸分子。 B. 操縱子操縱子 Op(e)ron結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。C. 無內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后無需剪切修飾。無內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后無需剪切修飾。D. 結(jié)構(gòu)基因無重疊。結(jié)構(gòu)基因無重疊。E. 大多數(shù)基因為單拷貝。大多數(shù)基因為單拷貝。1.細菌染色體的特點：細菌染色體的特點：F. 種內(nèi)或種間存在廣泛的基因交換種內(nèi)或種間存在廣泛的基因交換 Pathogenic island

4、s(致病島致病島) also called toxic islands (毒力島毒力島), fitness islands(適應(yīng)島適應(yīng)島), ecological islands(生態(tài)島生態(tài)島) , symbiosis islands(共生共生 島島) Resistant gene(耐藥基因耐藥基因)致病島致病島 致病菌染色體上編碼與毒力相關(guān)基因的致病菌染色體上編碼與毒力相關(guān)基因的外外源性源性DNA片段片段(分子量較大的基因群分子量較大的基因群)。如。如adherence factors, toxins, iron uptake systems, invasion factors and se

5、cretion systems. 外源性外源性DNA片段片段 兩側(cè)含有重復(fù)序列或插入序列，且兩側(cè)含有重復(fù)序列或插入序列，且G+C百百分比和密碼子使用偏向性與宿主菌染色體有明分比和密碼子使用偏向性與宿主菌染色體有明顯差異。顯差異。E.種內(nèi)或種間存在廣泛的基因交換種內(nèi)或種間存在廣泛的基因交換 Pathogenicity islands（also called Toxicity Islands, fitness islands, ecological islands, symbiosis islands） Resistant gene(1) (1) 概念概念: : 細菌染色體外的遺傳物質(zhì)，為環(huán)狀閉合

6、細菌染色體外的遺傳物質(zhì)，為環(huán)狀閉合或線性的雙鏈或線性的雙鏈DNADNA分子，能于細菌分子，能于細菌DNADNA外獨立外獨立復(fù)制。復(fù)制。 According to the copy number of a plasmid in the host cell, plasmids can be classified into two groups, that is stringent plasmid(嚴(yán)嚴(yán) 緊型質(zhì)粒緊型質(zhì)粒) and relaxed plasmid(松弛型質(zhì)松弛型質(zhì) 粒粒) On the basis of compatibility, plasmids can be classifie

7、d into incompatibility(不相不相 容性容性) and compatibility(相容性相容性) plasmids.which contain genes that code for bacteriocin, proteins or peptides that can kill other bacteria. Such as Col plasmid can encode colicin Virulence plasmids(毒力質(zhì)粒毒力質(zhì)粒), which turn the non-pathogenic bacteria into a pathogen. Metaboli

8、sm plasmids(代謝質(zhì)粒代謝質(zhì)粒), also called degrative plasmids, which enable the digestion of unusual substances, e.g., toluyl(甲苯酰甲苯酰) or salicylic acid(水楊酸水楊酸). which contain genes that can establish a resistance against antibiotics or poisons. Historically known as R-factors, before the nature of plasmids

9、was understood. RTFR determinantResistance Transfer Factor(3) (3) 特點：特點： 具有自我復(fù)制的能力。具有自我復(fù)制的能力。 編碼的基因產(chǎn)物能賦予細菌某些特性編碼的基因產(chǎn)物能賦予細菌某些特性 ( (非細菌生命活動不可缺少的非細菌生命活動不可缺少的) )。 質(zhì)?？勺孕衼G失與消除。質(zhì)?？勺孕衼G失與消除。 質(zhì)粒具有轉(zhuǎn)移性。質(zhì)粒具有轉(zhuǎn)移性。 質(zhì)粒具有相容性與不相容性。質(zhì)粒具有相容性與不相容性。 不依賴于同源重組即可在細菌或其它生物的不依賴于同源重組即可在細菌或其它生物的基因組（基因組（如染色體、質(zhì)粒及噬菌體基因組如染色體、質(zhì)粒及噬菌體基因組

10、）中改）中改變自身位置的獨特變自身位置的獨特DNA序列，又稱為跳躍基因序列，又稱為跳躍基因（jumping genes or movable genes）. (1)(1)定義定義3.3.細菌基因組中的可移動元件細菌基因組中的可移動元件麥克琳托克（McClintock B.）（19021992） (2) 特點特點： 非同源重組非同源重組; 兩側(cè)存在重復(fù)序列、插入序列或兩側(cè)存在重復(fù)序列、插入序列或tRNA； 轉(zhuǎn)座依賴于其編碼的轉(zhuǎn)座酶。轉(zhuǎn)座依賴于其編碼的轉(zhuǎn)座酶。 . Intra-chromosome（AB） . Between chromosome and plasmid . Among diffe

11、rent plasmids or chromosomeISH1 geneH2 geneH1 flagellaH2 flagella a. 兩側(cè)帶長度不一定相等的反向重復(fù)序列，其中兩側(cè)帶長度不一定相等的反向重復(fù)序列，其中 有有310個個bp為轉(zhuǎn)座酶的識別位點。為轉(zhuǎn)座酶的識別位點。b. 中心序列僅編碼轉(zhuǎn)座酶及與轉(zhuǎn)錄有關(guān)的調(diào)節(jié)蛋中心序列僅編碼轉(zhuǎn)座酶及與轉(zhuǎn)錄有關(guān)的調(diào)節(jié)蛋 白。白。c. 插入序列的轉(zhuǎn)座可以是雙向的，即可通過正向插入序列的轉(zhuǎn)座可以是雙向的，即可通過正向 或反向整合到基因組上?；蚍聪蛘系交蚪M上。d. 可獨立存在，也可以是轉(zhuǎn)座子的一部分?？瑟毩⒋嬖冢部梢允寝D(zhuǎn)座子的一部分。e. 長度一般在

12、長度一般在2.2k bp以下。以下。. 定義定義 除了兩端的除了兩端的IS和攜帶的轉(zhuǎn)座酶編碼基因和攜帶的轉(zhuǎn)座酶編碼基因及轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白以外還攜帶有一個或多個其及轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白以外還攜帶有一個或多個其他基因（如耐藥基因、重金屬抗性基因等）他基因（如耐藥基因、重金屬抗性基因等）的轉(zhuǎn)位因子。的轉(zhuǎn)位因子。a. a. 兩側(cè)帶兩側(cè)帶ISIS。b. b. 中心序列除編碼轉(zhuǎn)座酶及與轉(zhuǎn)錄有關(guān)的調(diào)節(jié)蛋中心序列除編碼轉(zhuǎn)座酶及與轉(zhuǎn)錄有關(guān)的調(diào)節(jié)蛋 白外，尚帶有其它基因如耐藥基因等。白外，尚帶有其它基因如耐藥基因等。.分類分類根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，轉(zhuǎn)座子可以分為三類：根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，轉(zhuǎn)座子可以分為三類： 復(fù)合型轉(zhuǎn)座子復(fù)合型轉(zhuǎn)座子(Co

13、mpositive transposon)ISnISnAntibiotic resistant geneISnISnAntibiotic resistant geneDRDRIRIRISnISnAntibiotic resistant geneIRIRISnISnAntibiotic resistant geneDRDR 復(fù)雜型轉(zhuǎn)座子復(fù)雜型轉(zhuǎn)座子( (complex transposon) )IRIRTnpATnpR-LacThe central separated areaDRDRTnpATnpR-LacThe central separated areaTn3Tn3系轉(zhuǎn)座子系轉(zhuǎn)座子 接合型

14、轉(zhuǎn)座子接合型轉(zhuǎn)座子(Conjugative transposon) 存在于革蘭陽性球菌中，可通過接合而轉(zhuǎn)移。存在于革蘭陽性球菌中，可通過接合而轉(zhuǎn)移。無末端重復(fù)序列（正向或反向）。無末端重復(fù)序列（正向或反向）。Tn916 常見的插入序列及轉(zhuǎn)座子常見的插入序列及轉(zhuǎn)座子. 定義 整合子是一種運動性的DNA分子，具有獨特結(jié)構(gòu)可捕獲和整合外源基因，使之轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄曰虻谋磉_單位。它通過轉(zhuǎn)座子或接合性質(zhì)粒，使多重耐藥基因在細菌中進行水平傳播。 a gene encoding for a site-specific integrase: intI, belonging to the tyrosine int

15、egrase family a proximal recombination site: attI, which is recognized by the integrase and at which gene cassettes may be inserted a promoter: Pc, which directs transcription of cassette-encoded genes. . 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 整合子結(jié)構(gòu)包括兩端的高度保守片斷5CS和3CS以及中間的可變區(qū)。可變區(qū)含有一個或多個可插入基因盒。整合酶(intI)是整合子中的一個功能元件。. . 特點特點整合子介導(dǎo)的獲得耐藥基

16、因盒的機制整合子介導(dǎo)的獲得耐藥基因盒的機制The integron mechanism of antibiotic-resistance gene cassette acquisitionattC，基因盒的重組位點；，基因盒的重組位點； attI，整合子的重組位點；，整合子的重組位點； Pant， 基基因盒表達的啟動子；因盒表達的啟動子； qac，季銨鹽類化合物耐藥基因，季銨鹽類化合物耐藥基因; sul，磺胺，磺胺類耐藥基因。類耐藥基因。 5、轉(zhuǎn)座元件的轉(zhuǎn)座類型、轉(zhuǎn)座元件的轉(zhuǎn)座類型 Gene shift or rearrangement is mediated by IS or Tn. The

17、re are two kinds of transposition, i.e. replicative transposition（復(fù)制型轉(zhuǎn)座）（復(fù)制型轉(zhuǎn)座）, conservative transposition（保守型轉(zhuǎn)座）（保守型轉(zhuǎn)座）。Replicative transposition After the transposable elements replicated, one copy moves to a new position, while the other is left in its normal position Conservative transposition

18、Transposable elements move from the normal position to a new positionReplicative transposition After the transposable elements replicated, one copy moves to a new position, while the other is left in its normal positionConservative transposition Transposable elements move from the normal position to

19、 a new position第第3節(jié)節(jié) 噬菌體噬菌體 (bacteriophage)要求要求1.1.掌握噬菌體的概念及特點掌握噬菌體的概念及特點2.2.掌握溶原性細菌的特點掌握溶原性細菌的特點掌握噬菌體與宿主菌的關(guān)系掌握噬菌體與宿主菌的關(guān)系1. Definition：是感染細菌、真菌、放線菌或是感染細菌、真菌、放線菌或 螺旋體等微生物的螺旋體等微生物的病毒病毒.2. Characteristics：個體微小個體微小 (small)結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單 (simple)核酸單一核酸單一 (single)寄生特異寄生特異 (special)4 S1. Definition：是感染細菌、真菌、放線菌或

20、是感染細菌、真菌、放線菌或 螺旋體等微生物的螺旋體等微生物的病毒病毒.2. Characteristics：個體微小個體微小 (small)結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單 (simple)核酸單一核酸單一 (single)寄生特異寄生特異 (special)4 S3.Appearence and stucture： 多為蝌蚪狀；少微球形、細桿形多為蝌蚪狀；少微球形、細桿形 4. Chemical composition： nucleic aciddsDNA(多多)；ssDNA(少少) +/- ssRNA(少少)；dsRNA(最少最少) protein5. Types (噬菌體與宿主菌的關(guān)系噬菌體與宿主菌的關(guān)

21、系) Virulent phage(毒性噬菌體毒性噬菌體) Lysogenic phage(溶原性噬菌體溶原性噬菌體) Sheath Tail pinsTail fiberHeadCore(nucleic acid)Capsid(proteins)Ideograph of phage3Shape and stucture： 多為蝌蚪狀；少微球形、細桿形多為蝌蚪狀；少微球形、細桿形 4Chemical composition： nucleic aciddsDNA(多多)；ssDNA(少少) +/- ssRNA(少少)；dsRNA(最少最少) protein5Types (噬菌體與宿主菌的關(guān)系噬菌

22、體與宿主菌的關(guān)系) Virulent phage(毒性噬菌體毒性噬菌體) Lysogenic phage(溶原性噬菌體溶原性噬菌體) 1、定義、定義毒性噬菌體毒性噬菌體(virulent phage)： 能在宿主菌內(nèi)增殖并使宿主菌裂解的噬菌體能在宿主菌內(nèi)增殖并使宿主菌裂解的噬菌體 1、定義：、定義：溶原性噬菌體溶原性噬菌體(Lysogenic phage or temperate phage)： 感染宿主菌后感染宿主菌后不增殖不增殖，不產(chǎn)生子代噬菌體，也，不產(chǎn)生子代噬菌體，也不不引起細菌裂解，引起細菌裂解，其其基因整合于細菌基因組中基因整合于細菌基因組中，隨細菌，隨細菌的基因組復(fù)制而復(fù)制的噬菌

23、體。的基因組復(fù)制而復(fù)制的噬菌體。2、存在形式、存在形式 游離的具有感染性的噬菌體顆粒游離的具有感染性的噬菌體顆粒(宿主菌內(nèi)、外宿主菌內(nèi)、外)、游離的類似質(zhì)粒的噬菌體核酸、前噬菌體游離的類似質(zhì)粒的噬菌體核酸、前噬菌體(宿主菌內(nèi)宿主菌內(nèi))。Prophage：整合在：整合在細菌基因組中的噬細菌基因組中的噬菌體基因組菌體基因組溶原性細菌溶原性細菌前噬菌體前噬菌體(prophage):整合整合在細菌染色體上的在細菌染色體上的噬菌體基因噬菌體基因,隨細隨細菌染色體復(fù)制而復(fù)制，并隨細菌的分裂而分配至子代細菌的染菌染色體復(fù)制而復(fù)制，并隨細菌的分裂而分配至子代細菌的染色體中色體中。溶原性細菌溶原性細菌(lyso

24、genic bacterium):細菌細菌染色體上帶有前噬菌染色體上帶有前噬菌體體的細菌。的細菌。3、溶原性細菌的特點：、溶原性細菌的特點：1. 1. 可正常繁殖，但其子代含前噬菌體；可正常繁殖，但其子代含前噬菌體；2. 2. 對相應(yīng)噬菌體具有免疫性；對相應(yīng)噬菌體具有免疫性；3. 3. 可產(chǎn)生可產(chǎn)生溶原性轉(zhuǎn)換溶原性轉(zhuǎn)換（噬菌體本身的基因轉(zhuǎn)（噬菌體本身的基因轉(zhuǎn) 給宿主菌的轉(zhuǎn)遞方式）；給宿主菌的轉(zhuǎn)遞方式）；4. 4. 其溶原狀態(tài)可自發(fā)或誘導(dǎo)終止；其溶原狀態(tài)可自發(fā)或誘導(dǎo)終止；吸附吸附 absorption穿入穿入 penetration整合整合 integration原Lysogenic life

25、cycles)溶原與溶菌周期溶原與溶菌周期 Lysogenic and lytic life cycle of Temperate phages Bacteriophage Prophage Virulent phages Lysogenic phage lysogenic bacterium簡述噬菌體與宿主菌的關(guān)系及醫(yī)學(xué)意義簡述噬菌體與宿主菌的關(guān)系及醫(yī)學(xué)意義第四節(jié)第四節(jié) 細菌變異的機制細菌變異的機制exogenous DNA integrate with the chromosome of plasmid of the cell , result in the change of the g

26、enotype and become a recombinant bacteria.2. The main ways of gene transfer and recombination： 轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化(Transformation) 轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo)( transduction) 接合接合(conjugation) 溶原性轉(zhuǎn)換溶原性轉(zhuǎn)換(lysogenic conversion) 原生質(zhì)體融合原生質(zhì)體融合( protoplast fusion) 肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實驗肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實驗1928, Griffith1944 Avery 轉(zhuǎn)化的機制轉(zhuǎn)化的機制 影響轉(zhuǎn)化的因素影響轉(zhuǎn)化的因素 DNA 大小大小 Do

27、uble stranded DNA of at least 5 105daltons works best. In addition, the concentration, purity and configuration of target DNA can also affect the process of transformation. 供體菌與受體菌的親緣關(guān)系供體菌與受體菌的親緣關(guān)系受體菌的生理狀態(tài)受體菌的生理狀態(tài) Some bacteria are able to take up DNA naturally. However, these bacteria only take up

28、DNA at a particular time in their growth cycle when they produce a specific protein called a competence factor. The bacteria at this stage are called competent. Most bacteria are not able to take up DNA naturally. However, in these bacteria competence can be induced in vitro by treatment with chemic

29、als (e.g. CaCl2). 環(huán)境因素：環(huán)境因素：Ca2+，Mg2+，cAMP等由等由于有利于維持于有利于維持DNA 的穩(wěn)定性，故具有促進轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，故具有促進轉(zhuǎn)化的作用?；淖饔?。 F質(zhì)粒的接合質(zhì)粒的接合. F因子的基本知識因子的基本知識 功功 能能 編碼性菌毛的產(chǎn)生編碼性菌毛的產(chǎn)生 復(fù)制方式復(fù)制方式 滾環(huán)復(fù)制或與宿主菌染色體整合而隨滾環(huán)復(fù)制或與宿主菌染色體整合而隨 著宿主菌染色體的復(fù)制而復(fù)制。著宿主菌染色體的復(fù)制而復(fù)制。 存在形式存在形式: F+ 菌菌 包含游離包含游離F質(zhì)粒的細菌質(zhì)粒的細菌 Hfr菌菌 高頻重組菌高頻重組菌 (high frequency recombinant)

30、F 質(zhì)粒整合到宿主菌基因組中質(zhì)粒整合到宿主菌基因組中. F 菌菌 含有游離的含有游離的F質(zhì)粒（質(zhì)粒（F質(zhì)粒上整合了部分宿質(zhì)粒上整合了部分宿 主基因組片段）主基因組片段）F-F+HfrFConjugate with F+CuringIntegrateexcisionDeviational excisionCuringIntegrateConjugate with FTransform of E. coli F plasmidF質(zhì)粒接合的類型質(zhì)粒接合的類型Restricted transduction （局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)）（局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)） Transduction in which only certai

31、n donor genes can be transferred(Generalized Transduction)Potentially any donor gene can be transferredThe fate of exogenous DNA in Generalized Transductioni) Complete transduction (完全轉(zhuǎn)導(dǎo)完全轉(zhuǎn)導(dǎo))ii) Abortive transduction (流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)):Restricted transduction Difference between RestrictedRestrictedVectorTar

32、get geneTimeCausePseudophageDefective phageCertain donor geneBacteriolysis phaseLysogenic phaseError assembleError Differences between generalized and restricted transduction ExampleCorynebacterium diphtheriae (Can not produce diphthera toxin)-corynebacteria phageInfected withLosogenic Corynebacteri

33、um diphtheriae(PhageS DNA integrated into host chromosomeand encode diphthera toxin) 原生質(zhì)體融合原生質(zhì)體融合(protoplast fusion)：指通過人為的：指通過人為的方法，使遺傳性狀不同的兩個細胞的原生質(zhì)體進行融方法，使遺傳性狀不同的兩個細胞的原生質(zhì)體進行融合，借以獲得兼有雙親遺傳性狀的穩(wěn)定重組子的過程。合，借以獲得兼有雙親遺傳性狀的穩(wěn)定重組子的過程。 原生質(zhì)體融合原生質(zhì)體融合( () )The protocol of Bacteria A Bacteria BTreat with lysozyme

34、or penicilinTreat with polyethylene glycolRecombinant fusionIncubationRecombinant bacteria Comparison among different ways of bacterial gene transfer and recombanation (discuss)mannerOrigin of geneTransfer mechanismtransformationGeneralized transductionRestricted transductionLysogenic ConversionConj

35、ugationProtoplast fusionDonorIntake directlybacteriaPseudo phage infectionLysogenic bacteriaDefective phage infectionTemperate phageTemperate phage infection“Male” bacteriaSex pili communicationProtoplastProtoplast fusion1. 定義定義2. 類型：點突變、插入突變、缺失突變等。類型：點突變、插入突變、缺失突變等。3. 細菌基因突變的規(guī)律細菌基因突變的規(guī)律(1) 突變頻率突變頻率 The mutational frequency of spontaneous mutation can increase induced mutation(誘發(fā)突變誘發(fā)突變) can reach to 10-6二、細菌的基因突變二、細菌的基因突變Is mutation induced b