医学微生物学课件：2-细菌遗传变异

细菌遗传与变异第4章医学微生物学一、细菌的遗传（heredity）

（一）遗传物质-基因组的组成

（二）细菌基因组的特殊结构

插入序列、转座子、整合子

噬菌体二、细菌的变异（variation）

（一）细菌的变异现象

（二）细菌变异的特点（三）细菌变异的分类：基因突变

基因水平转移和重组主要内容2JULY2010VOL329SCIENCE人造细菌一、细菌的遗传染色体（Chromosome）特殊结构：插入序列转座子整合子（一）细菌的遗传物质

质粒（plasmid）前噬菌体（prophage）Chromosomenumber?Plasmidnumber?基因组

(genome)1.细菌的染色体（Chromosome）

双链DNA，百万级碱基对

复制快(双向）：105

bp/min

无内含子操纵子结构（operon）

单倍体：突变后更易表现特点：1条，2条，3条环状，线性2.质粒(plasmid)细菌染色体外的遗传物质，环状闭合的双链DNA（1）质粒的特点：自主复制，不依赖染色体复制；非生命必需基因；可在细菌增殖过程中丢失；可赋予细菌新特性（e.g.毒力、耐药性）可游离，或整合入染色体；大小不一，可在细菌间转移；质粒间相容相斥；分子生物学中基因工程工具质粒整合入染色体Integration质粒在染色体外Extrachromosomal（2）质粒的分类：严紧型质粒（stringentplasmid）

松弛型质粒（relaxedplasmid）接合性质粒（conjugativeplasmid）

非接合性质粒（nonconjugativeplasmid）质粒基因编码的生物学性状分类：

F质粒－致育；

Vi质粒－毒力

R质粒－耐药；

Col质粒－细菌素

代谢质粒……

（二）细菌基因组的特殊结构转座元件（Transposableelement）插入序列（InsertionSequence）转座子(Transposon)整合子(Intergron)cut-and-pastetranspositionmechanism能够改变自身位置的一段DNA序列可以发生在：

√同一染色体上√染色体之间

√染色体和质粒之间√质粒之间1.插入序列（Insertionsequences,

IS）

转座酶基因+

两端反向重复序列（IR）

（1）插入序列的特点：位于染色体、质粒上，可多个（IS1、IS2…）、多拷贝序列短（数百-两千碱基对）、结构简单可独立存在，亦可成为转座子的一部分一般只编码一种转座酶，识别IR序列IS可随机双向插入“hotspot”（2）插入序列的意义：引起插入突变（InsertionalMutation）如与质粒有相同序列，可辅助质粒插入染色体（e.g.F质粒）

可引起基因失活、表型改变（e.g.沙门菌鞭毛抗原的相变异）2.转座子（Transposon，Tn）结构一般为：两端IS+其他功能基因命名：e.g.Tn1…Tn10意义：插入突变：基因失活基因转移：毒力基因，耐药基因，代谢基因…常见的插入序列和转座子ISbpTn

耐药或毒素基因IS1768

Tn1

AP（氨苄青霉素）IS21327Tn6

Kan（卡那霉素）IS31300

Tn10

Tet（四环素）IS41426

Tn551

Em（红霉素）IS51195

Tn681

E.coliET（肠毒素）Ref3.整合子（Integron，In）存在于：染色体、质粒、转座子

组成：整合酶基因+重组位点+启动子重组位点整合酶基因启动子整合酶功能：捕获、整合外源性基因，形成基因盒；通过启动子使外源性基因表达通过转座子或接合性质粒水平传播：如耐药基因整合子4.噬菌体（phage，bacteriophage）P48NOBEL(1969)AlfredHersheyDiscoveryonthereplicationofvirusesandgeneticstructure核酸（1）噬菌体的形态和组成形态结构:蝌蚪形衣壳：蛋白质核酸：(ss/ds)DNAorRNA（2）噬菌体的特点个体微小、无细胞结构专性细胞内寄生分布广、抵抗力较强:有菌就有噬菌体宿主特异性：流行病调查；分型参与细菌变异：转导,溶原性转换（4）噬菌体的生活周期毒性噬菌体感染细菌后，噬菌体增殖，细菌裂解，建立溶菌性周期。温和噬菌体感染细菌后，噬菌体核酸与染色体DNA整合，建立溶原性周期；可自发/诱导下脱离染色体而进入溶菌性周期。（3）噬菌体的分类毒性噬菌体（virulentphage）温和噬菌体（temperatephage）

or溶原性噬菌体（lysogenicphage）1个周期2个周期毒性噬菌体的生活周期

LYTICPHAGEGROWTH(5steps)

LyticCycletotaltime=~15minsAttach吸附InjectDNA穿入Replication复制Assemble装配celllysisReleasing释放

~200phageHostcellVirulentphage温和噬菌体的生活周期带有前噬菌体的细菌-溶原菌（Lysogen）1.溶原性周期前噬菌体（prophage）2.溶菌性周期Temperatephage溶原性细菌的特点：免疫性：e.g.CRISPRs

(clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats)溶原性转换（lysogenicconversion）

e.g.白喉毒素

Q:哪些细菌的毒素与溶原性转换有关？自发或诱发裂解

-释放噬菌体溶原性细菌的自愈（5）噬菌体的应用：细菌的鉴定和分型；检测标本中未知细菌;基因工程的工具;细菌感染型的治疗

一、细菌的遗传（heredity）

（一）遗传物质-基因组的组成

（二）细菌基因组的特殊结构

插入序列、转座子、整合子

噬菌体二、细菌的变异（variation）

（一）细菌的变异现象

（二）细菌变异的特点（三）细菌变异的分类：基因突变

基因水平转移和重组主要内容（一）细菌的变异现象形态结构变异：鞭毛变异H-O,细菌的L型,荚膜变异毒力变异：毒力增强或减弱，e.g.BCG、猪链球菌代谢途径变异：营养缺陷型抗性变异：甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌(MRSA)菌落变异：光滑型-粗糙型（S-R)有荚膜的肺炎球菌无荚膜的肺炎球菌S型菌落R型菌落（二）细菌变异的特点细菌显性突变率高-单倍体-生长快(细菌生长速率)->1010/ml选择优势

（antibiotics,nutrients…）-基因的水平传递Horizontalgenetransfer人类：双倍体的等位基因突变

–隐性（recessiveness）细菌：单倍体突变

–显性（dorminance）非遗传性变异：

细菌在环境因素等影响下出现的变化，这种变化不是因基因结构的变化而产生的遗传性变异：是由基因结构发生改变所致突变（基因突变、染色体畸变）基因损伤后的修复(回复突变）基因的转移与重组（三）细菌变异的分类表型变异基因变异和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（1）基因突变自发突变与诱发突变自发突变率：10-10~10-6突变与选择回复突变与抑制突变突变型细菌及其分离：

耐药性突变型

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Q:突变是诱导的，还是自然产生的？彷徨试验/波动试验(fluctuationtest)随机的、非定向的突变是在接触噬菌体之前就已发生，噬菌体对突变仅起筛选而不是诱导作用。结果：各平板上抗性菌的数值差异很大1969NobelPrizeinPhysiologyorMedicine自发的，随机的，非诱导的药物仅起选择作用EstherLederbergandJoshuaLederbergin1952shewenttothefabricsstoreandselectedvelvetofthebestthickness,pile,etc.togivethecleanestprints

平板影印实验（Replicaplating）（2）基因的水平转移转化Transformation

转导Transduction

溶原性转换Lysogenicconversion接合Conjugation类型基因来源转移方式供菌受菌摄入供菌通过性菌毛供菌噬菌体媒介噬菌体前噬菌体转化（transformation）受体菌（Recipient）接收供体菌（Donor）DNA片段,并重组后，从而获得供体菌某些遗传性状的过程。可在自然条件下发生，亦可在基因工程中使用影响因素：

供受菌基因型：同源性；亲缘关系近，转化率高

感受态（competence）：

生理活动过程中摄取外源性DNA的最佳时期

环境因素：Ca2＋等可促进转化供菌死亡时释放DNA；

受菌主动摄取外源性DNA获得新的遗传性状效率低、整合率更低（1）自然发生的转化PeterJ.Russell,iGenetics:Copyright©PearsonEducation,Inc.,publishingasBenjaminCummings.Griffith’stransformationexperiment(1928)RformSformAvery,MacLeod,McCartyexperiment(1944)（2）基因工程中的转化转导（transduction）

噬菌体介导,将供菌DNA转给受体菌,重组后，受体菌获得供体菌某些遗传性状的过程。-普遍性转导（generalizedtransduction）-局限性转导（restrictedtransduction）-流产转导（abortivetransduction）Potentiallyanydonorgenecanbetransferred毒性噬菌体，温和噬菌体噬菌体在复制过程中，包装了任何部位细菌DNA片段

-转导性噬菌体释放的转导性噬菌体感染受体菌受菌接受转导噬菌体(供菌)DNA,重组后获得供菌性状普遍性转导(generalizedtransduction)

局限性转导（restrictedtransduction）温和性噬菌体

前噬菌体发生不准确切割，形成转导性噬菌体：

前噬菌体+两侧的细菌DNA片段溶原性转换

(lysogenicconversion)温和性噬菌体DNA整合致受体菌染色体,受体菌获得新的性状举例：白喉毒素、肉毒毒素、葡萄球菌肠毒素、霍乱弧菌毒素β-噬菌体-白喉杆外毒素基因不产毒棒状杆菌产毒白喉杆菌接合(conjugation)供体菌通过性菌毛（Fpili）连接、并将遗传物质转递给受体菌F质粒-接合性质粒（conjugativeplasmid）videoF+

供体菌F-

受体菌细菌染色体细菌染色体F质粒性菌毛F+

供体菌F+

新供体菌1.F质粒（致育因子，Fertilityfactor）Traregion：与质粒转移和性菌毛合成有关OriT：转移起始位点Tn转座子：帮助F质粒整合到染色体上，

形成Hfr菌株Ref2.R质粒（Rplasmid，Rfactor）与r质粒R质粒耐药传递因子RTF（ResistanceTransferFactor）性菌毛基因质粒以接合方式进行传递耐药决定因子（Rdeterminant）耐药基因含转座子r质粒：没有RTFF质粒

R质粒DNA水平转移F+F-F+F-F+F+F+F+F+xF-

的接合高频重组菌株

(Hfr,

HighFrequencyofRecombination)F质粒整合至细菌染色体，该过程可逆-具有接合和转移染色体的功能受体菌获得供体菌性状细菌染色体转移频率高，但HfrF因子转移率低

F+HfrHfrxF-的接合接合转传递供体的部分染色体F-仍为F-Hfr仍为HfrHfrF-HfrF-HfrF-HfrF-用于绘制基因图整合至细菌染色体或质粒上的F质粒发生不准确切离，形成F’质粒F’质粒可携带染色体或质粒上的基因HfrF’F’质粒的形成F’xF-

接合F’F’F’F’F’F-F’F-F’质粒可将其携带的其他基因的传递给F-诊断困难

H→O变异：如伤寒沙门菌鞭毛

S→R变异：消失荚膜或多糖

抗原