医学微生物学：细菌的遗传变异

1、第4章,细菌的遗传变异,几个概念： 细菌基因组：细菌全部遗传物质的总称。 细菌基因型：决定细菌某外在性状的基因片段。 细菌表型：在一定条件下，特定基因型实际表现出来的各种外在性状。 遗传性（基因型）变异：是由基因结构发生改变所致，主要通过基因突变、基因损伤后的修复、基因的转移与重组来实现（稳定遗传）。 非遗传性（表型）变异：是细菌在环境因素等影响下出现的变化，这种变化不是基因结构的变化而产生的（可逆、不遗传）。,牛型结核杆菌（有毒株） 胆汁-甘油-马铃薯培养 13年，230次传代 减毒株（BCG） 基因型变异（genotypic variation)：BCG,表型变异(phenotypic v

2、ariation)：细菌L型 青霉素、溶菌酶正常形态细菌 L型变异 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁),L型葡萄球菌,正常葡萄球菌,基因型和表型变异的比较,一、细菌的基因组,1.细菌染色体： 多为闭合环状dsDNA； 是细菌基因的主要存在处，相对较小,（一）主要组成：染色体、质粒、噬菌体DNA等。,细菌染色体特点： 功能相关的基因串联排列，组成操纵子（operon)结构，进行转录的控制。 大部分的DNA是用于编码蛋白的，无内含子 结构基因大多为单拷贝 DNA分子中具有各种功能区：细菌致病岛、耐药基因等。,大肠杆菌的乳糖操纵子调节子结构,P,2. 质粒（plasmid）：细菌染色体外遗传物质 特

3、点： 比细菌染色体小环状闭合dsDNA，有复制能力; 编码细菌某些特定性状; 自行消失或消除； 转移能力（如何转移？）,分类：根据质粒的不同特性分类 （1）接合性质粒与非接合性质粒 （2）严紧型质粒与松弛型质粒 （3）不相容性质粒与相容性质粒,（4）根据质粒编码的生物学性状分为： F质粒：编码性菌毛； 耐药性质粒； 毒力质粒； 细菌素质粒； 代谢质粒。,3. 噬菌体基因组 主要是整合于细菌染色体上的前噬菌体， 通过转导或溶原性转换方式参与细菌的变异。,（二）细菌基因组中主要的特殊结构,转座元件(transposable element)： 是细菌基因组中能改变自身位置的一段DNA序列（jump

4、ing genes)。 位于细菌的染色体和质粒； 所有生物均有； 特异性转座（位）酶； 可发生在同一染色体、染色体之间、质粒之间、染色体与质粒之间 转座的意义：导致细菌DNA重排，促使生物变异和进化。 包括插入序列、转座子和整合子。,细菌染色体上Tn10元件的转座作用,转座作用可出现在： 同一染色体上 染色体之间 质粒之间 染色体和质粒之间,转座子的位置,插入序列(IS,insertion sequence): 组成：两端反向重复序列和中心序列; 最简单的转座因子；2000bp 可单独存在，也可成为转座子的一部分；,转座子( Tn ,transposon): 2000bp； 两端为IS ; 中

5、心序列主要为与转位无关基因.如：耐药基因、毒素基因、代谢基因等。,转座子的种类和特征,整合子(In,integron)：一种可移动的DNA分子，具有独特结构可捕获和整合外源性基因，使之转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5端和3保守末端，中间为可变区(含一个或多个基因盒)。,整合子 5端含有3个功能元件：整合酶基因（int)、启动子（Pant）、特异重组位点(attI) I类整合子3端由三部分组成：季铵盐化合物溴乙锭的耐药基因（quacE)、磺胺耐药基因（sul1)、功能未明的ORF5。 意义：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

6、平传播.,整合子结构及耐药基因盒整合进整合子示意图,（三）细菌基因表达的调节,普遍采用操纵子模式, 原核生物功能相关的基因往往串联地排列在一起，在上游一个共同的调控区(启动子+调节基因构成）的调节下，一起转录，同时翻译 最终表达产物是一些功能相关的酶或蛋白质,乳糖操纵子调节机制,1.乳糖操纵子(lac operon)的结构,乳糖操纵子结构及产物,I: 1040bp，调节基因，编码360个氨基酸的阻遏蛋白 P: 90bp，启动子，RNA聚合酶识别和结合位点 O: 21-27bp，操纵基因，阻遏蛋白结合位点 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、，使乳糖进入细胞 A: 825bp， -半乳糖苷转移酶基因,没有乳糖存在时,2.阻遏蛋白的负性调节,有乳糖存在时,3.诱导物启动转录,内酰胺酶的诱导表达及基因突变后的持续高表达,二、细菌基因突变,突变(mutation)：是细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变（DNA碱基的置换、插入和缺失），导致细菌性状出现遗传性改变。,基因突变,点突变：单碱基置换,多点突变：多碱基的置换,插入或缺失突变,碱基置换导致遗传信息改变,沉默突变（蛋白质功能不变）,无义突变（蛋白质改变：不完整的肽链）,错义突变(蛋白性质、功能改变）,一、细菌基因突变的规律： 突变可以自然发生和诱导发生 突变菌株可以被选择出来 突

8、变型细菌可以借助抑制突变发生回复突变,突变可以自然发生和诱导发生： 细菌突变常自然发生（自发突变），突变是随机的，不定向的，但突变率极低，细菌每分裂106-1010次发生一次突变。 突变亦可人工诱导产生（诱发突变），突变率高于自发突变，细菌每分裂104-106次发生一次突变 。,彷徨试验：说明细菌突变是随机的、自发的， 噬菌体对突变仅起筛选而不是诱导 作用。,影印平板：突变是自发的、随机的、非诱导的，药物仅起选择作用,突变可被选择出来：细菌耐药突变的选择，影印实验（replica plating),二、突变型细菌及其分离： 以下常见突变型细菌可以通过检测表型进行鉴定 耐药性突变型 药敏试验 营

9、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,三、转移和重组,转移：供菌提供DNA受菌接受DNA过程 重组：受菌获得供菌DNA并重新整合过程,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 噬菌体与宿主菌结合,转化（transformation）： 供菌死亡时释放或人工方法提取的DNA片段，受菌 主动摄取这些外源性DNA ，使受菌获得新的性状。,Griffith1928年研究肺炎链球菌时发现转化现象,1.,2.,3.,4.,5.1944年,转化的基本过程： 转化因子吸附于受体细胞;

10、dsDNA的一条链被降解，释放的能量供另一条互补链进入细胞； 进入的单链DNA片段与细菌染色体的同源部位重组； 随着染色体的复制，一个保持原性状，另一个为转化型细菌。,细菌转化过程示意图,影响转化的因素： 供受菌基因型：亲缘关系近，转化率高； 感受态（competence）摄取，感受态可人工诱导。 环境因素：Mg2、Ca2等可促进转化。,接合(conjugation) 概念：通过性菌毛将供菌DNA转给受菌，受菌获得供菌性状。 通过接合方式转移的质粒：F质粒和R质粒。,F质粒（fertility factor, 致育因子）,接触：细胞质沟通 转移：F质粒进入F菌，1分钟完成 复制：F菌转为F菌,

11、接合的过程,Hfr（高频重组菌株）：F质粒与细菌自身染色体整合的菌株， 该菌株具有高频率转移自身染色体至F-菌的能力。 有性菌毛，具有接合和转移功能； 细菌染色体转移频率高，F质粒转移频率低； 受体菌获得供体菌性状； 用于绘制基因图。,Hfr转移细菌染色体过程,F质粒,F质粒,染色体,Hfr,质粒,F+菌,F质粒转移的不同结果,F 质粒,R质粒组成： 耐药传递因子(RTF)：编码性菌毛； r决定因子：耐药。,R质粒结构图,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。 特点： 分普遍性转导和局限性转导。,仅发生在同种细菌之间,毒性噬菌

12、体，温和噬菌体 包装错误： 细菌DNA片段(任何部位)或质粒 转导性噬菌体： 含宿主菌DNA， 无噬菌体DNA 受菌接受转导噬菌体(供菌)DNA 受菌获得供菌性状,普遍性转导：,结果 完全转导 流产转导,局限性转导：温和噬菌体,脱落错误：前噬菌体及两边的细菌DNA 转导性噬菌体：含噬菌体DNA+细菌DNA,溶原性转换（lysogenic conversion） 概念：温和噬菌体感染宿主菌后，以前噬菌体形式与细菌DNA整合，使宿主菌获得噬菌体基因编码的性状。 如棒状杆菌噬菌体编码白喉毒素，当其感染白喉棒状杆菌后，形成溶原性细菌，使原来无毒的白喉棒状杆菌产生白喉毒素。,溶原性转换,原生质体融合 将

13、俩种不同细菌处理失去细胞壁成为原生质体后，进行彼此融合的过程。 染色体间发生基因的重组和交换，获得多种不同表型的重组融合体。,原生质体融合,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 噬菌体载体,溶原性转换 噬菌体 噬菌体DNA整合,细菌几种基因转移类型的比较,诊断困难 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 治疗困难：耐药,四、实际意义,制备疫苗：BCG 检测致癌物,Ames试验：,（活化剂）,少量生长-自发突变菌株,大量菌株生长，说明发生突变,基因工程,载体：质粒，噬菌体 工程菌和酶：限制性内切酶，连接酶 选择目的基因，在细菌中表达，如胰岛素、白介素、干扰素等 基因工程疫苗,1.细菌基因转移和重组的类型及其主要差异？ 2.何谓BCG、transposon、R质粒、Hfr和lyso