04第4章细菌的遗传与变异

1、21.细菌遗传物质的种类细菌遗传物质的种类2.细菌基因的水平转移细菌基因的水平转移（1）转化、接合、转导、溶原性转换的概念及其在临床）转化、接合、转导、溶原性转换的概念及其在临床实践中的意义。实践中的意义。（2）耐药质粒与耐药性的传播。）耐药质粒与耐药性的传播。重点与难点重点与难点 BCG：牛型结核杆菌（有毒株）：牛型结核杆菌（有毒株） 胆汁胆汁- -甘油甘油- -马铃薯培养马铃薯培养 13年，年，230次传代次传代 减毒株（减毒株（BCG）基因型变异：基因型变异：BCG 表型变异：细菌表型变异：细菌L型型基因型变异与表型变异基因型变异与表型变异 基因型基因型 由细菌的基因组决定，可传给子代由

2、细菌的基因组决定，可传给子代 表型表型 基因型在一定环境中所显示的生物性状基因型在一定环境中所显示的生物性状变异变异1. 表型变异表型变异 受环境的影响受环境的影响 暂时性，不遗传暂时性，不遗传2. 基因型变异基因型变异 不受环境的影响不受环境的影响 稳定，可遗传稳定，可遗传一、细菌基因组一、细菌基因组（bacterial genome）包括染色体包括染色体、外源性外源性DNA（质粒、噬菌体的（质粒、噬菌体的部分或全部的基因组部分或全部的基因组和和可移动元件可移动元件 细菌染色体：细菌染色体： dsDNA，580kb5220kb 复制快：复制快：105 bp/min 无组蛋白，无内含子，为连续

3、基因无组蛋白，无内含子，为连续基因 单倍体：突变后更易表现单倍体：突变后更易表现 质粒质粒（plasmid）：独立独立复制复制水平水平转移转移整合整合相容性相容性丢失或消除丢失或消除 功能：功能：F质粒转移；质粒转移；Vi质粒毒力质粒毒力 R质粒耐药；质粒耐药；Col质粒细菌素质粒细菌素 噬菌体基因组噬菌体基因组（bacterial phage genome） 温和型噬菌体全部或部分基因组整合于宿温和型噬菌体全部或部分基因组整合于宿主菌的染色体。主菌的染色体。如如-棒状杆菌噬菌体棒状杆菌噬菌体携带白喉携带白喉外毒素基因外毒素基因，可整合至可整合至白喉白喉棒状棒状杆菌杆菌染色体中，使其染色体中，

4、使其产毒产毒株。株。 转座元件转座元件（transposable element） 插入序列插入序列 (insertion sequence，IS): 7501550 bp 两端重复序列，与插入有关两端重复序列，与插入有关 中心序列有转位酶基因中心序列有转位酶基因IS参与沙门菌鞭毛抗原参与沙门菌鞭毛抗原（H）的变异的变异ISH1 geneH2 geneH1鞭毛抗原H2 鞭毛抗原 转座子转座子 (transposon, Tn): 200025000 bp 两端为两端为IS 中心序列有与转位无关基因中心序列有与转位无关基因 如：毒素基因、耐药基因等如：毒素基因、耐药基因等常见的插入序列和转座子常见

5、的插入序列和转座子IS bp Tn 耐药或毒素基因耐药或毒素基因IS1 768 Tn1 AP（氨苄青霉素）（氨苄青霉素）IS2 1327 Tn6 Kan（卡那霉素）（卡那霉素）IS3 1300 Tn10 Tet（四环素）（四环素）IS4 1426 Tn551 Em（红霉素）（红霉素）IS5 1195 Tn681 E.coli ET（肠毒素）（肠毒素） 整合子整合子（integron，In）：l定位于细菌染色体、质粒或转座子上定位于细菌染色体、质粒或转座子上l基本结构基本结构：两端为保守末端，中间为可变区，含两端为保守末端，中间为可变区，含一个或多个基因盒一个或多个基因盒l整合子含有整合子含有3

6、 3个功能元件：重组位点；整合酶基个功能元件：重组位点；整合酶基因；启动子因；启动子l通过转座子或接合性质粒，使多种耐药基因在细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菌中进行水平传播 噬菌体噬菌体（bacteriophage）：形态结构形态结构: : 蝌蚪形蝌蚪形衣壳：蛋白质衣壳：蛋白质核酸：核酸：dsDNA 分布广分布广: : 有菌就有噬菌体有菌就有噬菌体宿主特异性：流行病调查；分型宿主特异性：流行病调查；分型参与细菌变异：转导参与细菌变异：转导, , 溶原性转换溶原性转换二、基因突变二、基因突变影印平板：自发的，随机的，非诱导的药影印平板：自发的，随机的，非诱导的药 物

7、仅起选择作用物仅起选择作用 基因基因突变：突变：l突变率：突变率：10-610-9l自发突变与诱发突变自发突变与诱发突变l突变与选择突变与选择l回复突变与抑制突变回复突变与抑制突变彷徨试验：随机的、非定向的突变是在接触噬彷徨试验：随机的、非定向的突变是在接触噬 菌体之前就已发生，噬菌体对突变菌体之前就已发生，噬菌体对突变 仅起筛选而不是诱导作用。仅起筛选而不是诱导作用。 突变型细菌及其分离突变型细菌及其分离鉴定鉴定： 耐药性突变型耐药性突变型 药敏试验药敏试验 营养缺陷突变型营养缺陷突变型 营养物质筛选营养物质筛选 条件致死性突变型条件致死性突变型 温度敏感试验温度敏感试验 发酵阴性突变型发酵

8、阴性突变型 乳糖发酵试验乳糖发酵试验 三、基因的转移三、基因的转移基因基因转移：供转移：供体体菌提供菌提供DNA；受；受体体菌接受菌接受DNA基因转移类型基因来源转移方式举例转化供体菌受体菌摄入链球菌荚膜变异接合供体菌性菌毛R质粒介导的耐药性转递转导供体菌噬菌体介导金黄色葡萄球菌耐药传递溶原型转换噬菌体前噬菌体白喉棒状杆菌产毒株的变异 转化转化（transformation）：受受体体菌主动摄取外源性菌主动摄取外源性DNA供体菌供体菌死亡时释放或人工方法提取死亡时释放或人工方法提取DNA 影响因素：影响因素：l供受供受体体菌基因型：菌基因型：同源性；亲缘关系近，转化率高同源性；亲缘关系近，转化

9、率高l感受态感受态（competence）：生理活动过程中摄取生理活动过程中摄取转化因子的最佳时期转化因子的最佳时期 l环境因素：环境因素：Mg2、Ca2等可促进转化等可促进转化 转导转导（transduction）噬菌体媒介噬菌体媒介将将供体菌供体菌DNA转给受转给受体体菌菌分普遍性转导和局限性转导分普遍性转导和局限性转导毒性噬菌体，温和噬菌体毒性噬菌体，温和噬菌体 包装错误：包装错误： 任何部位细菌任何部位细菌DNA片段片段转导性噬菌体：转导性噬菌体： 宿主菌宿主菌DNA， 无噬菌体无噬菌体DNA受体菌受体菌接受转导噬菌体接受转导噬菌体( (供体菌供体菌) )DNA受体菌受体菌获得获得供体

10、菌供体菌性状性状 普遍性转导：普遍性转导：局限性转导局限性转导（溶原性转换溶原性转换）：温和性噬菌体：温和性噬菌体 脱落错误：前噬菌体及两边的细菌脱落错误：前噬菌体及两边的细菌DNA转导性噬菌体：噬菌体转导性噬菌体：噬菌体DNA及细菌及细菌DNA 接合接合（conjugation）通过性菌毛将通过性菌毛将供体菌供体菌DNA转给受转给受体菌，受体菌获得供体菌性状体菌，受体菌获得供体菌性状F质粒（质粒（fertility factor, 致育因子）致育因子）接触：接触：性菌毛与受体菌性菌毛与受体菌细胞质沟通细胞质沟通转移：转移：F质粒进入质粒进入F菌，菌，1分钟完成分钟完成复制：复制：F菌转为菌转

11、为F菌菌F+F-F+F-F+F+F+F+性菌毛性菌毛F F质粒复制质粒复制F F质粒质粒染色体染色体Hfr（高频重组菌株）：（高频重组菌株）： F质粒与染色体整合质粒与染色体整合 具有具有接接合和转移功能合和转移功能 细菌染色体转移频率高，细菌染色体转移频率高，F质粒质粒转移率转移率低低 受体菌获得供体菌性状受体菌获得供体菌性状 可可用于绘制基因图用于绘制基因图F+HfrF F质粒质粒染色体染色体F F质粒质粒整合整合Hfr转移细菌染色体过程转移细菌染色体过程R质粒质粒耐药传递因子：耐药传递因子： 编码性菌毛编码性菌毛r决定因子：耐药决定因子：耐药 溶原性转换溶原性转换（lysogenic c

12、onversion）噬菌体噬菌体DNA与菌染色体整合与菌染色体整合受体菌受体菌获得新的性状获得新的性状如如白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌：- -棒状杆菌棒状杆菌噬菌体噬菌体- -外毒素基因外毒素基因 不产毒不产毒白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌 产毒产毒白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌 诊断困难诊断困难 HO变变异：如伤寒沙门菌鞭毛异：如伤寒沙门菌鞭毛 SR变异：消失荚膜或多糖变异：消失荚膜或多糖 抗原性改变抗原性改变 毒力下降，生化反应改变毒力下降，生化反应改变 治疗困难：耐药治疗困难：耐药 预防：预防：BCG四、实际应用四、实际应用 Ames试验试验： 基因工程基因工程l载体：质粒，噬菌体载体：质粒，噬菌体l工

13、程菌和酶：限制性工程菌和酶：限制性内切酶，连接酶内切酶，连接酶l选择目的基因，细菌选择目的基因，细菌中表达，如胰岛素、中表达，如胰岛素、白介素、干扰素等白介素、干扰素等l基因工程疫苗基因工程疫苗1. 细菌基因转移的类型及其主要差异？细菌基因转移的类型及其主要差异？2. 何谓何谓Transposon、IS、F质粒、质粒、R质粒、质粒、Hfr和和Ames试验试验？3. 影印试验验证何种理论？影印试验验证何种理论？研究细菌的研究细菌的突变突变在临床上有何意义在临床上有何意义？思考题思考题中英文关键词中英文关键词 (key words)Chromsome （染色体）（染色体）Plasmid（质粒）（质

14、粒）Transposable Elements （转座元件）（转座元件）Lysophage (temperate) phage （温和噬菌体）（温和噬菌体）Virulent phage （烈性噬菌体）（烈性噬菌体）Prophage（前噬菌体）（前噬菌体）Horizontal Gene transfer （水平基因转移）（水平基因转移）Transformation（转化）（转化）Transduction（转导）（转导）General transduction （普遍性转导）（普遍性转导）Lysogenic （specific）transduction/conversion （溶原性转换）（溶原性

15、转换）Conjugation（接合）（接合）F factor （F 因子）因子）Hfr（高频重组菌株）（高频重组菌株） R plasmid（R质粒）质粒）1 Brooks GF, Carroll CK, Butel JS, et al. Jawetz, Melnick, & Adelbergs Medical Microbiology, 25th ed., (LANGE Basic Science) McCraw Hill Co, 2009, 2010, page 97-1182 Lang AS, Zhaxybayeva O, Beatty JT. Gene transfer agen

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