醫(yī)學微生物學第五章 細菌的遺傳與變異1

1、由于細菌個體微小、遺傳物質(zhì)簡單，繁殖速度快，一直被用做研究生物遺傳與變異規(guī)律的理想實驗材料。 利用分子生物學技術(shù)，構(gòu)建“基因工程菌”，生產(chǎn)新藥、疫苗、或環(huán)保。,遺傳（heredity） 遺傳使細菌的性狀保持相對穩(wěn)定，且代代相傳，使其種屬得以保存。變異（variation） 在一定條件下，子代和親代之間以及子代和子代之間的差異稱為變異。,遺傳性變異（基因型變異）細菌的基因結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，如基因突變或重組

2、，不可逆，可遺傳給后代。非遺傳性變異（表型變異）環(huán)境改變導致，基因結(jié)構(gòu)未發(fā)生變異，可逆，不可遺傳。,細菌的遺傳與變異,一、細菌的基因與基因組學二、噬菌體三、細菌的基因突變四、微生物基因轉(zhuǎn)移和重組,,1、遺傳物質(zhì)DNA,細菌染色體是一個裸露的閉合環(huán)狀的雙鏈DNA分子，有核蛋白，缺乏組蛋白，無核膜包裹。,一、細菌的基因與基因組學,,（1）遺傳信息是連續(xù)的，不含內(nèi)含子。很少有插入序列。,（2）通常，編碼相關(guān)功能的基因高度集中，組成操

3、縱子（operon）結(jié)構(gòu)，自一個啟動子開始轉(zhuǎn)錄成多基因的mRNA分子，翻譯成多種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)。,一、細菌的基因與基因組學,2、細菌基因組結(jié)構(gòu),,（3）結(jié)構(gòu)基因單拷貝及rRNA基因的多拷貝有利于核糖體的快速組裝。 （4）基因組的重復序列少而短，反映了基因組結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性和高效性。,一、細菌的基因與基因組學,2、細菌基因組結(jié)構(gòu),,4、質(zhì)粒（plasmid）,是細菌染色體外的遺傳物質(zhì)，大多由閉合環(huán)狀雙鏈DNA組成。,一、細菌的基因

4、與基因組學,,● 具有自我復制的能力?！?所攜帶的基因賦予宿主菌某些生物學 性狀（如F質(zhì)粒、R質(zhì)粒、毒力質(zhì)粒、 代謝質(zhì)粒），增加細菌的存活機會?！?非生存所必需，可自行丟失或消除。● 可在細菌之間轉(zhuǎn)移。,質(zhì)粒DNA的特征,一、細菌的基因與基因組學,,帶有F質(zhì)粒的為雄性菌，能長出性菌毛；無F質(zhì)粒的為雌性菌，無性菌毛,致育質(zhì)粒（F質(zhì)粒）,一、細菌的基因與基因組學,耐藥性質(zhì)粒,編碼細菌對抗菌藥

5、物或重金屬鹽類的耐藥性—接合性耐藥質(zhì)粒，又稱R質(zhì)?！墙雍闲阅退庂|(zhì)粒，可通過噬菌體傳遞。,,●編碼與該菌致病性有關(guān)的毒力因子?！缰虏⌒缘拇竽c埃希菌產(chǎn)生的耐熱性腸毒素是由ST質(zhì)粒編碼的。,毒力質(zhì)粒（Vi質(zhì)粒）,一、細菌的基因與基因組學,●編碼各種細菌產(chǎn)生的細菌素。—Col質(zhì)粒編碼大腸埃希菌產(chǎn)生大腸菌素,細菌素質(zhì)粒（Col質(zhì)粒）,代謝質(zhì)粒,一、細菌的基因與基因組學二、噬菌體三、細菌的基因突變四、微生物基因轉(zhuǎn)移和重組,細菌的遺

6、傳與變異,,基因突變（gene mutation）：細菌染色體基因發(fā)生突然而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)改變，包括一對或少數(shù)幾對堿基的缺失、插入或置換（點突變：point mutation），導致細菌性狀的遺傳性變異。,1、概念,二、細菌的基因突變,,● 隨機發(fā)生，不定向 ● 穩(wěn)定 ● 自發(fā)突變產(chǎn)生頻率為10-10～10-6 ● 可誘發(fā)性：野生株、突變株,2、特點,二、細菌的基因突變,,細菌的遺傳基因發(fā)生突

7、然而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)改變。耐藥性基因突變的特點有：,● 隨機發(fā)生● 一般只對一種或兩種相類 似的藥物產(chǎn)生耐藥● 與抗生素的使用無關(guān)● 耐藥菌株產(chǎn)生的頻率為 10-10～10-7,二、細菌的基因突變,基因突變,二、細菌的基因突變,,● 耐藥性突變：選擇標記● 毒力突變：疫苗研制、新現(xiàn)傳染病● 營養(yǎng)缺陷體突變：新藥誘變作用檢測● 高產(chǎn)突變：抗生素等藥品、食品生產(chǎn)● 抗原性突變：逃逸免疫機制,3、突變

8、現(xiàn)象,二、細菌的基因突變,,日本發(fā)生過一次細菌性痢疾大流行。從病人糞便中分離到大量的痢疾桿菌敏感株和耐藥株（同時耐鏈霉素、氯霉素、四環(huán)素、磺胺類），且大腸桿菌與痢疾桿菌有完全相同的多重耐藥性。多重耐藥性傳播迅速。耐藥菌在傳代、保藏過程中可自發(fā)失去耐藥性。 能否用基因突變解釋以上現(xiàn)象？,二、細菌的基因突變,一、細菌的基因與基因組學二、噬菌體三、細菌的基因突變四、微生物基因轉(zhuǎn)移和重組,細菌的遺傳與變異,,供體菌（donor）

9、將遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移至受體菌（recipient），使后者獲得新的生物學性狀，稱為基因轉(zhuǎn)移（gene transfer）。 細菌通過水平方向的基因轉(zhuǎn)移和重組，產(chǎn)生新的基因型個體，以適應(yīng)隨時改變的環(huán)境。,基因轉(zhuǎn)移的概念,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,● 質(zhì)粒（plasmid）● 轉(zhuǎn)座子（transposon）● 溫和噬菌體（temperate phage）,基因轉(zhuǎn)移的元件,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,● 接合（

10、conjugation） ● 轉(zhuǎn)化（transformation） ● 轉(zhuǎn)導（transduction） ● 轉(zhuǎn)座（transposition）,基因轉(zhuǎn)移的方式,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,Griffith肺炎鏈球菌感染小鼠實驗（1928）,無莢膜活菌,有莢膜活菌,有莢膜死菌,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,有莢膜的活菌？,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,活的無莢膜肺炎鏈球菌從死的有莢膜肺炎

11、鏈球菌中獲得莢膜（毒力決定因子）編碼基因，稱之為轉(zhuǎn)化（transformation）。 引起轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的物質(zhì)稱為轉(zhuǎn)化因子。,Avery研究揭示，轉(zhuǎn)化因子的本質(zhì)是DNA，即遺傳物質(zhì)是DNA。1944年，獲得諾貝爾醫(yī)學生理學獎。,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,1、轉(zhuǎn)化（transformation）,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,轉(zhuǎn)化：受體菌從周圍環(huán)境中直接攝取供體菌游離的DNA片段，并整合入受體菌基因組中，從而獲得供體菌部分遺傳

12、性狀的過程。,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,（1）轉(zhuǎn)化的前提條件,● 供體菌DNA片段的大?。?＜10～20 個基因● 供體DNA性質(zhì)：同源性高的、未變 性的雙鏈DNA；質(zhì)粒DNA?！?受體菌的生理狀態(tài)：處于“感受態(tài)”,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,（2）自然轉(zhuǎn)化過程,受體菌處于感受態(tài)（competence） 自然轉(zhuǎn)化naturally occurring transfor

13、mation 對數(shù)生長期后期 人工轉(zhuǎn)化 artificial transformation Cacl2處理、電穿孔,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,② 轉(zhuǎn)化因子的結(jié)合與進入 雙鏈DNA與感受態(tài)受體菌表面的DNA結(jié)合受體結(jié)合。其中一條鏈被降解產(chǎn)生能量；另一條鏈與特異DNA結(jié)合蛋白形成復合物，進入菌體內(nèi)。,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,③ 轉(zhuǎn)化因子的整合 單鏈DNA不

14、經(jīng)復制，與受體菌同源DNA區(qū)段的單鏈配對，被取代的受體菌DNA單鏈被降解，最終產(chǎn)生轉(zhuǎn)化子。,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,有莢膜的活菌？,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,2、接合（conjugation）,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,接合：供體菌通過性菌毛與受體菌直接接觸，并將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）轉(zhuǎn)移給受體菌，使受體菌獲得新的遺傳性狀。,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,質(zhì)粒,質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移示意圖,染色體,性菌毛,受體菌,供體菌,三、細菌的

15、基因轉(zhuǎn)移與重組,F質(zhì)粒的接合F+×F－高頻重組菌（high frequency recombination,Hfr）F′ F+ 、 Hfr、 F′都為雄菌,接合（conjugation）,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,接合（conjugation）,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,2）接合（conjugation）,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,接合（conjugation）,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,接合（conjugation）

16、,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,賦予宿主菌的耐藥性,編碼性菌毛，決定自主復制與接合轉(zhuǎn)移,耐藥性（R）質(zhì)粒,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,R質(zhì)粒主要以接合方式從耐藥菌傳遞給敏感菌，使后者變?yōu)槟退幘?R質(zhì)粒在同一種屬或不同種屬細菌之間傳遞，造成耐藥性的廣泛傳播，尤其在腸道桿菌中比較普遍，給臨床治療帶來很大困難 。,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,3、轉(zhuǎn)導（transduction）,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,以溫和噬菌體為媒介，

17、將供體菌DNA片段（染色體DNA、非接合性質(zhì)粒DNA）轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，通過基因重組而使受體菌獲得新的遺傳性狀。,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,（1）轉(zhuǎn)導的概念,,● 是感染細菌、放線菌、真菌等的病毒。 ● 分為頭部和尾部。頭部由核心（核酸） 和衣殼（蛋白質(zhì)）構(gòu)成。 ● 能通過細菌濾器。 ● 須寄生在活的易感宿主 菌體內(nèi)。,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,（2）噬菌體（phage

18、）,,（3）溫和噬菌體,烈（毒）性噬菌體（virulent phage）：噬菌體在宿主菌體內(nèi)復制增殖，產(chǎn)生大量子代噬菌體，并最終裂解細菌，建立溶菌周期。,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,溫和噬菌體（temperate phage）：感染宿主菌后，不立即增殖，而是將其核酸整合到宿主菌染色體基因組中，與宿主菌DNA一起復制，并隨細菌的分裂而傳至子代細菌。,前噬菌體,溶原性細菌,,溶原性細菌能正常以二分裂方式繁殖

19、，前噬菌體也一代一代傳下去。但有時也會自發(fā)終止（發(fā)生率10-5），從染色體上脫落，進入溶菌周期。,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,（4）轉(zhuǎn)導的機制,,前噬菌體從染色體上脫離進行增殖，裝配成新的子代噬菌體。大約在105～107次裝配中發(fā)生一次錯誤，誤將大小合適的供體菌DNA片段裝入噬菌體頭部，成為“假噬菌體”。,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,假噬菌體,供體菌,,當“假噬菌體”（轉(zhuǎn)導噬菌體）再度感染受體菌時，將供體菌DNA帶入受體菌內(nèi)。,完全轉(zhuǎn)導

20、與流產(chǎn)轉(zhuǎn)導,普遍性轉(zhuǎn)導、局限性轉(zhuǎn)導,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,假噬菌體,受體菌,供體菌DNA,普遍性轉(zhuǎn)導：因被包裝的DNA可以是供體菌染色體上的任何部分，故稱為普遍性轉(zhuǎn)導,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,普遍性轉(zhuǎn)導的結(jié)局,完全轉(zhuǎn)導外源性DNA片段與受體菌的染色體整合，并隨染色體而傳代，稱完全轉(zhuǎn)導 流產(chǎn)轉(zhuǎn)導外源性DNA片段游離在胞質(zhì)中,既不能與受體菌染色體整合，也不能自身復制，稱為流產(chǎn)轉(zhuǎn)導,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重

21、組,脫落錯誤：前噬菌體及兩邊的細菌DNA轉(zhuǎn)導性噬菌體：噬菌體DNA及細菌DNA,局限性轉(zhuǎn)導：溫和性噬菌體,,● 用于細菌（如鼠疫桿菌、霍亂弧菌） 的鑒定和分型。 ● 耐藥菌感染的治療。 ● 分子生物學研究工具。 ● 遺傳工程：噬菌體展示 技術(shù),三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,（5）噬菌體的應(yīng)用,,溶原性轉(zhuǎn)換是當噬菌體感染細菌時，宿主菌染色體中獲得了噬菌體的DNA片段，使其成為溶原

22、狀態(tài)時而致細菌獲得新的性狀。 例如，白喉棒狀桿菌若攜帶β噬菌體時，可產(chǎn)生白喉毒素。,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,4、溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenic conversion）,,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,原生質(zhì)體融合是將兩種不同的細菌經(jīng)溶菌酶或青霉素等處理，失去細胞壁成為原生質(zhì)體后進行彼此融合的過程。 聚乙二醇可促使二種原生質(zhì)體的融合。 原生質(zhì)體融合是一種人工

23、基因轉(zhuǎn)移系統(tǒng)，本質(zhì)上與基因轉(zhuǎn)移無關(guān)或關(guān)系很小。,,5、原生質(zhì)體融合（protopast fusion),,6、轉(zhuǎn)座（transposition）,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,轉(zhuǎn)座子在質(zhì)粒之間或質(zhì)粒與染色體之間的自行轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，稱之為轉(zhuǎn)座 。,插入序列IS (insertion sequence): 750~1550 bp 兩端重復序列，與插入有關(guān) 中心序列有轉(zhuǎn)位酶基因,轉(zhuǎn)位因子,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重

24、組,轉(zhuǎn)座子Tn (transposon): 2000~25000 bp 兩端為IS 中心序列有與轉(zhuǎn)位無關(guān)基因如：毒素 基因、耐藥基因等,,● 中心序列：帶有遺傳信息，如常帶有耐藥基因、細菌毒素基因、整合酶（或轉(zhuǎn)座酶）基因。,一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ),常見的插入序列和轉(zhuǎn)座子,,,,,IS bp Tn 耐藥或毒素基因,IS1 7

25、68 Tn1 AP（氨芐青霉素）,IS2 1327 Tn6 Kan（卡那霉素）,IS3 1300 Tn10 Tet（四環(huán)素）,IS4 1426 Tn551 Em（紅霉素）,IS5 1195 Tn681 E.coli ET（腸毒素）,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,三

26、、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,整合子(integron,In): 定位于細菌染色體、質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上 基本結(jié)構(gòu)：兩端為保守末端，中間為可變 區(qū)，含一個或多個基因盒 3個功能元件：重組位點 整合酶基因 啟動子 通過轉(zhuǎn)座子或接合性質(zhì)

27、粒，使多種耐藥基因在細菌中進行水平傳播,,當轉(zhuǎn)座子插入到某一基因組中，可能會產(chǎn)生什么遺傳學效應(yīng)？,一、細菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ),,轉(zhuǎn)座子能在2個沒有任何同源性的基因組之間轉(zhuǎn)座（即插入到某一基因），并能引起一系列遺傳效應(yīng)。 ● 可引起插入基因失活，產(chǎn)生基因突 變。 ● 在插入部位引入一個或多個新的基 因（如耐藥基因、毒素基因）。,三、細菌的基因轉(zhuǎn)移與重組,一、在疾病的診斷、治療與預(yù)防 中的應(yīng)用二、在測定致癌

28、物質(zhì)中的應(yīng)用三、在流行病學中的應(yīng)用四、在基因工程中的應(yīng)用,微生物遺傳與變異在醫(yī)學上的應(yīng)用,,形態(tài)、結(jié)構(gòu)、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的變異，使得診斷復雜化-----如金黃色葡萄球菌的耐藥性菌株增加，絕大由金黃色變成灰白色，血漿凝固酶陰性的葡萄球菌也成為致病菌，給診斷帶來困難；-----傷寒沙門菌有10%不產(chǎn)生鞭毛，檢查無動力，無H抗體，影響正確判斷。 耐藥菌株日益增多，因此以藥敏實驗為指導 減

29、毒菌株和無毒株可制備成疫苗,在疾病的診斷、治療與預(yù)防中的應(yīng)用,凡能誘導細菌發(fā)生突變的物質(zhì)都有可能是致癌物質(zhì)。 Ames實驗---傷寒沙門菌（his-）—（his+）---組氨酸缺陷型菌株在組氨酸缺乏的培養(yǎng)基中不生長，當發(fā)生變異時長出菌落。,在測定致癌物質(zhì)中的應(yīng)用,分子生物學分析方法已被用于流行病學調(diào)查質(zhì)粒指紋圖（PEP）對噬菌體的敏感性，對細菌素的敏感性,在流行病學中的應(yīng)用,基因工程是根據(jù)遺傳變異中細菌可因基因轉(zhuǎn)移和重組而獲得