第5章细菌的遗传变异

第四章,细菌的遗传与变异,赣南医学院病原生物学教研室曹镐禄TELQ：330223876,基本概念： 遗传（heredity）：指亲代细菌与子代细菌 的相似性，它使细菌的性状保持相对稳 定，是各种细菌存在的根据。 变异（variation）：指亲代与子代以及子代 细菌之间的不相似性，细菌得以进化。 遗传性变异（基因型变异） 非遗传性变异（表型变异）,基因型与表型变异的比较,基因型变异,表型变异,基因结构,变化 未变,可逆性,不或极少 可逆,稳定性,稳定 不稳定,环境影响,涉及细菌数,不受影响 受影响,个别 全体,第一节细菌的基因组,1.细菌染色体,结构：环状dsDNA长度：130-2000m核苷酸数量：30004000kb基因数量：400-5000编码蛋白：约2000个结构蛋白,一、细菌的基因组的主要成分,特点： 复制快：105 bp/min 无组蛋白，无内含子，为连续基因 不编码蛋白质的基因少 基因基本不重叠 单倍体：突变后更易表现 细菌致病岛： 有各种功能 的识别区域,2.质粒（plasmid）,存在于细胞质中细菌染色体外的遗传物质，为环状闭合的双链DNA，带有遗传信息，控制细菌某些特定的遗传性状。,质粒的特征,自我复制能力：紧密型、松弛型编码某些特定性状转移能力： 接合性质粒(有tra基因，40-100kbp) 非接合性质粒(15kbp)不相容性与相容性丢失或消除,几种重要的质粒,致育质粒（F质粒）：与有性生殖功能有关。耐药性质粒：编码细菌对抗菌药物或重金属盐 类的耐药性。毒力质粒（Vi质粒）：编码与该菌致病性有关 的毒力因子。ST细菌素质粒：编码各种细菌产生细菌素。Col代谢质粒：编码产生与代谢相关的许多酶类。,3. 噬菌体（bacteriophage）,温和噬菌体：,前噬菌体：,噬菌体基因组整合于宿主菌染色体中，不产生子代噬菌体，也不引起细菌裂解，但噬菌体DNA随细菌基因组的复制而复制，并随细菌的分裂而分配至子代细菌的基因组中。,整合在细菌染色体上的噬菌体基因。,带有前噬菌体的细菌。,溶原性细菌：,二、细菌基因组中主要的特殊结构,转座元件（跳跃基因）：行动自如,特点：两侧常带有重复序列、插入序列或 tRNA，中间为某种特性基因。,本质：是细菌基因组中能改变自身位置的一 DNA序列。(它能在DNA分子中移动，不 断改变它们在基因组的位置，能从一 个基因组转移到另一个基因组中。),按结构和功能分为两类 插入序列 (insertion sequence，IS) 转座子(transposon，Tn),故：细菌基因组是静中有动。 致：细菌基因的不稳定和高突变率。,1、 插入序列(insertion sequence， IS) 7501550 bp，为最小的转座元件 两端有反向重复序列，与插入有关 中心序列能编码转位酶及转录有关的调节蛋白。,2、转座子 (transposon， Tn) 200025000 bp 两端为IS 中心序列有与转位无关的基因 如：毒素基因、耐药基因等 转座导致DNA重排、插入突变、插入点附近基因表达改变。,插入序列：转座酶基因两俩为反向重复序列,转座子Tn3：含有转座酶、-内酰胺酶及阻遏蛋 白编码基因,细菌的转位元件比较,常见的插入序列和转座子,IS bp Tn 耐药或毒素基因,IS1 768 Tn1 AP（氨苄青霉素）,IS2 1327 Tn6 Kan（卡那霉素）,IS3 1300 Tn10 Tet（四环素）,IS4 1426 Tn551 Em（红霉素）,IS5 1195 Tn681 E.coli ET（肠毒素）,3、整合子（integron，In）是一种运动性的DNA分子，具有独特结构可捕获和整合外源性基因，使之变成为功能性基因的表达单位。定位于细菌染色体、质粒或转座子上。基本结构：两端为保守末端，中间为可变 区， 含一个或多个基因盒。3个功能元件：重组位点、整合酶基因、启动 子，位于5/末端。通过转座子或接合性质粒，使多种耐药基因在细菌中进行水平传播。,基因突变是指DNA碱基对的置换、插入或缺失所致的基因结构的变化。分为点突变和染色体畸变。根据遗传信息的改变方式，基因突变又可分为沉默突变、错义突变和无义突变。,第二节细菌基因突变,一、基因突变规律,1、自发突变与诱发突变,自发突变突变率：10-10-10-6诱发突变突变率：10-6-10-4,检测细菌诱变因子的诱变试验，可用于检测环境因子对人类致癌作用的筛选，如Ames试验,2、突变与选择3、回复突变与抑制突变,野生型,突变型,正向突变,回复突变,表型回复,表型回复突变没有改变正向突变的DNA序列，只是在第二个位点发生突变抑制第一次突变效应，即抑制突变。,二、突变型细菌及其分离 抗性突变型 药敏试验 营养缺陷突变型 营养物质筛选 条件致死性突变型 温度敏感试验 发酵阴性突变型 乳糖发酵试验,第三节基因的转移和重组,类型 基因来源 转移方式,转化 供菌 受菌摄入,接合 供菌 通过性菌毛,转导 供菌 噬菌体媒介,溶原性转换 噬菌体 前噬菌体,一、转化（transformation）：供体菌游离的DNA片段直接进入受体菌使受体菌获得新性状的过程。,活的R型肺炎链球菌,感染,1928年 Griffith的实验,取血培养,活的S型肺炎链球菌,感染,活的S型肺炎链球菌,1928年 Griffith的实验,死的S型肺炎链球菌,感染,1928年 Griffith的实验,取血培养,S死+R活,感染,S活,1928年 Griffith的实验,取血培养,DNA(S)+R活,感染,S活,1944年 Avery的实验,裸DNA,摄入,整合,转化因子（transforming principle ）在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子 ，分子量小于107，最多不超过1020个基因。感受态（competence） 带正电 通透性增高,转化的结果,影响转化的因素供受菌基因型： 同源性；亲缘关系近，转化率高受菌的生理状态：感受态（competence）对数生长期的后期环境因素：Mg2、Ca2等可促进转化,DNA片断以单链形式进入受体菌转化获取的DNA片断较小,二、接合（conjugation）细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质从供菌转给受体菌的方式。,要点：性菌毛的形成 接合性质粒 半保留的转移形式 高频重组株（Hfr） F质粒,1、F质粒的接合,F质粒的接合,F+,F-,F+,F-,F+,F+,F+,F+,Donor,Recipient,F+,Hfr（高频重组株）： F质粒与细菌染色体整合所形成的菌株。由于细菌染色体转移频率高，F质粒转移频率低，故F-以此方式难成F+ 用于绘制基因图F质粒： F质粒从Hfr染色体上脱离时携带相邻的染色体DNA片段,Hfr转移细菌染色体过程,染色体,Hfr,质粒,F+菌,F质粒转移的不同结果,F质粒,F+菌,均有性菌毛,2、 R质粒,耐药传递因子（RTF） 编码性菌毛 耐药决定因子（r-det) 决定细菌的耐药性,三、转导（transduction） 由噬菌体介导，将供菌的DNA片段转入受菌，使受菌获得供菌的部分遗传性状。 分普遍性转导和局限性转导,普遍性转导generalized transduction,前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖，在裂解期的后期，噬菌体的DNA已大量复制，装配时可能会发生装配错误，误将细菌的DNA片段装入噬菌体的头部，成为一个转导噬菌体。转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌，并将其头部的染色体注入受体菌内。概率：10-7-10-5被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分。,供体菌,结果完全转导流产转导,只发生于同种细菌间,局限性转导restricted transduction,或称特异性转导，所转导的只限于供体菌染色体 上特定的基因。溶原期时，噬菌体DNA整合在细菌染色体特定部 位，噬菌体DNA发生偏差分离，将自身的一段 DNA留在细菌染色体上，而带走了细菌DNA上两 侧的基因。当其转导并整合到受体菌中，使受体 菌获得供体菌的某些遗传性状。10-6 所转导的只限于供体菌上个别的基因。,脱落错误：前噬菌体及两边的细菌DNA转导性噬菌体：噬菌体DNA及细菌DNA,Gal-半乳糖苷酶基因Bio-生物素基因,普遍性转导与局限性转导的区别,四、溶原性转换（lysogenic conversion） 是指温和噬菌体感染宿主菌后，以前噬菌体形式与细菌基因组整合，成为溶原性细菌，从而获得由噬菌体基因组编码的某些性状。,不产毒白喉杆菌,产毒白喉杆菌,棒状杆菌噬菌体-白喉毒素基因tox,五、原生质体融合（protopast fusion),是将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行彼此融合的过程。 可短期生存，发生基因的交换与重组，获得不同的表型，可重新形成细胞壁。,1.影响细菌的形态及细菌学诊断,第四节细菌遗传变异在医学上 的实际意义,HO变异：如伤寒沙门菌鞭毛 SR变异：消失荚膜或多糖 抗原性改变 毒力下降，生化反应改变,2.预防耐药菌株的扩散,耐药菌株日益增多，预防耐药性 药敏实验 早期足量 要有一定疗程, 联合用药 不要滥用,3.细菌毒力变异与疾病控制：制备菌苗,4.流行病学分析方面的应用,5.检测致癌物,Ames试验：,鼠伤寒沙门氏菌的组氨酸营养缺陷型（his）菌株，在含微量组氨酸的培养基中，除极少数自发回复突变的细胞外，一般只能分裂几次，形成在显微镜下才能见到的微菌落。受诱变剂作用后，大量细胞发生回复突变，自行合成组氨酸，发育成肉眼可见的菌落。,载体：质粒，噬菌体工程菌和酶：