细菌的遗传与变异

第四章细菌的遗传与变异heredityandvariationofbacteria第一节细菌基因组第二节细菌基因突变第三节基因的转移与重组第四节细菌遗传变异在医学上的实际意义重点难点熟悉了解掌握1.细菌基因组2.基因的转移与重组方式种类与定义3.噬菌体及其相关概念1.噬菌体与宿主菌相互关系，溶菌周期及溶原状态2.细菌基因突变的规律与机制1.细菌的变异现象2.细菌遗传变异研究的实际意义细菌基因组bacterialgenome第一节1.遗传变异（geneticvariation）遗传变异与表型变异2.表型变异（phenotypicvariation）（1）只发生在少数个体（2）遗传物质结构发生改变（3）可稳定传给子代，产生变种或新种（4）有利于物种的进化医学微生物学（第9版）一、细菌的变异现象（1）外界因素所致，常波及同一环境中的大多数个体（2）遗传物质的结构未改变（3）变化为可逆，表型变异不能遗传1.细菌染色体（bacterialchromosome）（一）细菌基因组的主要组成2.噬菌体（phage）（1）dsDNA，单倍体，无组蛋白，无内含子（2）大多数基因为单拷贝，而rRNA基因则为多拷贝（3）代谢岛、毒力岛的G+C百分比和密码子使用偏向性与细菌染色体有明显差异医学微生物学（第9版）二、细菌基因组（1）侵袭细菌或真菌的病毒（2）蝌蚪型：头部由核心（DNA或RNA）与蛋白质衣壳组成；尾部为蛋白质，与吸附宿主有关（3）感染细菌的结果溶菌性周期：毒性噬菌体、温和噬菌体溶原性周期：温和噬菌体、前噬菌体（prophage）、溶原性细菌3.质粒（plasmid）（1）双股闭合环状DNA分子（2）自主复制（3）编码某些生物学表型（4）可丢失和转移，与细菌生命无关（5）分类A.是否可通过细菌的接合作用传递接合性质粒（conjugativeplasmid）；非接合性质粒（non-conjugativeplasmid）B.宿主菌中的拷贝数严紧型质粒（stringentplasmid）；松弛型质粒（relaxedplasmid）C.质粒的相容性相容性质粒；不相容性质粒D.质粒基因编码的生物学性状F质粒；R质粒；Vi质粒；Col质粒等医学微生物学（第9版）1.转位因子或转座元件（transposableelement）（二）细菌基因组中的主要特殊结构（1）插入序列(insertionsequence，IS)750~2000bp两端重复序列，与插入有关中心序列有转位酶基因（2）转座子(transposon,Tn)2000~25000bp两端为IS中心序列有与转位无关基因,如：毒素基因、耐药基因等医学微生物学（第9版）转座酶基因AATTCGTACGAATTIS的命名：IS1，IS2…ISn反向重复序列反向重复序列插入序列,insertionsequence,ISgene1gene2gene3genenISISTn的命名：Tn1，Tn2…Tnn转座子,Transposon,Tn医学微生物学（第9版）转座子插入的识别序列耐药基因或毒素基因Tn1Tn2Tn3IS1AP（氨苄青霉素）抗性基因(b-内酰胺酶)Tn4IS2AP、Sm（链霉素）、Su（磺胺）等抗性基因Tn5IS50L,ISRKm（卡那霉素）、BLM（博莱霉素）、Sm等抗性基因Tn6IS4Km等抗性基因Tn7Tn7R,Tn7L为位点识别序列TMP（甲氧苄氨嘧啶）、Sm、壮观霉素等抗性基因（含有整合子）Tn9IS1Cm（氯霉素）抗性基因Tn10IS10-RTc（四环素）抗性、重金属抗性、氧化应激等基因Tn551IS2Em（红霉素）抗性基因Tn1681IS1大肠埃希菌耐热肠毒素（ST）Tn903ISR1Km抗性基因常见转座子及插入序列2.整合子（integron）医学微生物学（第9版）（1）定位于细菌染色体、质粒或转座子上（2）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）整合子含有3个功能元件：特异性重组位点、整合酶基因、启动子（4）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attlattC整合子可存在于质粒、转座子和基因组中基因盒1基因盒2整合子,integron细菌基因突变bacterialgenemutation第二节1.点突变转换（transition）颠换（transversion）2.插入或缺失突变：移码突变（一）突变医学微生物学（第9版）一、细菌变异机制1.染色体重排2.倒位（inversion）3.重复（duplication）4.染色体缺失（二）染色体畸变(多点突变)（一）突变自发产生（二）自发突变率约为每一世代10-10~10-6（三）突变是自发的，随机的医学微生物学（第9版）二、基因的自发突变（一）人工诱导可提高细菌的突变率，称为诱发突变（二）诱发突变发生率可达到每一世代10-6~10-4（三）诱变剂：物理诱变剂：X线、紫外线、电离辐射等化学诱变剂：亚硝酸盐、烷化剂及吖啶橙染料丝裂霉素、黄曲霉素B1等医学微生物学（第9版）三、基因的诱发突变（一）突变的发生是随机，不定向的在细菌群体中仅少数细菌发生突变（二）彷徨试验证明随机的、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医学微生物学（第9版）四、突变与选择细菌自然突变的检出试验（彷徨试验）备注：图片源自人卫社《医学微生物学》第8版，主编李凡、徐志凯。（P51，图4-2）（一）野生型（wildtype）:从自然界分离的未发生突变的菌株（二）突变型（mutanttype）:相对于野生型菌株发生某一性状的改变（三）正向突变（forwardmutation）:细菌由野生型变为突变型（四）回复突变（reversemutation）:突变株经过第二次突变可恢复野生型的性状1.基因型回复突变（genotypicreversion），机率很低2.表型回复突变（phenotypicreversion）抑制突变（suppressormutation）：包括基因内抑制（intragenicsuppression）和基因间抑制（extragenicsuppression）医学微生物学（第9版）五、回复突变与抑制突变细菌基因的转移和重组genetransferandrecombination第三节医学微生物学（第9版）转移：供体菌提供DNA；受体菌接受DNA重组：受体菌获得供体菌DNA，表现出供体菌的遗传性状基因转移方式DNA传递过程转移DNA的特性转化/transformation细菌（感受态）直接摄入DNA片段同源DNA片段接合/conjugationDNA通过性菌毛从F+细菌传递给F-细菌质粒或染色体转导/transduction普遍性转导generalizedtransductionDNA片段通过毒性噬菌体/或温和噬菌体传递任何DNA片段局限性转导specialized（restricted）transductionDNA片段通过温和噬菌体传递前噬菌体整合位点两侧DNA片段溶原性转换lysogenicreversionDNA片段通过温和噬菌体传递噬菌体携带的特定基因细菌基因水平转移方式（一）转化（transformation）:受体菌主动摄取外源性DNA供体菌死亡时释放或人工方法提取DNA获得供体菌的某些生物学性状医学微生物学（第9版）一、转化（transformation）肺炎链球菌的转化试验备注：图片源自人卫社《医学微生物学》第8版，主编李凡、徐志凯。（P54，图4-4）（二）影响转化的因素：1.供受菌基因型同源性；亲缘关系近，转化率高2.感受态（competence）受体菌摄取转化因子（转化的DNA片段）的生理状态转化因子被摄取的最佳时期感受态细菌表面带正电荷，细胞膜通透性增高3.环境因素Mg2＋、Ca2＋、cAMP等可维持DNA稳定性，促进转化医学微生物学（第9版）接合（conjugation）通过性菌毛将供体菌DNA转给受体菌，使受体菌获得供体菌的生物学性状（一）F质粒（fertilityplasmid,fertilityfactor，致育因子）接触：细胞质沟通转移：F质粒进入F－菌复制：F－菌转为F＋菌医学微生物学（第9版）二、接合（conjugation）F质粒从F+菌转移到F-菌，使F-菌变为F+菌备注：图片源自人卫社《医学微生物学》第8版，主编李凡、徐志凯。（P55，图4-5,a）高频重组菌株（high-frequencyrecombinationstrain，Hfr）1.F质粒与染色体整合2.具有接合和转移功能3.细菌染色体转移频率高，F质粒低4.受体菌获得供体菌遗传性状5.用于绘制基因图医学微生物学（第9版）Hfr将其部分染色体转入F-菌，产生重组的F-菌备注：图片源自人卫社《医学微生物学》第8版，主编李凡、徐志凯。（P55，图4-5,b、c）（二）R质粒（resistantplasmid）1.耐药传递因子（resistancetransferfactor，RTF）编码性菌毛2.耐药决定子（resistancedeterminant，r-det）决定菌株耐药性3.R质粒通过接合方式在同种属或不同种属间传递,又称为传染性耐药因子4.RTF和r-det可整合在一起，也可单独存在r质粒：r-det单独存在，无接合传递耐药基因的功能医学微生物学（第9版）耐药决定因子gene1gene2gene3geneNTnTnTnTn耐药传递因子R质粒耐药传递因子：性菌毛基因和传递相关基因耐药决定因子：耐药基因，转座子转导（transduction）噬菌体媒介将供体菌DNA转给受体菌受体菌获得供体菌的某些生物学性状分为普遍性转导和局限性转导医学微生物学（第9版）三、转导（transduction）（一）普遍性转导（generaltransduction）1.毒性噬菌体或温和噬菌体介导2.包装错误：可转导任何部位细菌DNA片段3.转导性噬菌体宿主菌DNA无噬菌体DNA4.转导噬菌体DNA(供体菌)整合至受体菌染色体基因组，受体菌获得供体菌遗传性状：完全转导5.转导噬菌体DNA(供体菌)未整合至受体菌染色体基因组，流产转导（abortivetransduction）医学微生物学（第9版）整合不整合完全转导流产转导普遍性转导模式图（二）局限性转导（restricted(specialized)transduction）1.温和噬菌体介导2.不准确切离：前噬菌体及两边的细菌DNA3.转导性噬菌体宿主菌DNA噬菌体DNA4.受体菌接受转导噬菌体DNA5.受体菌获得供体菌遗传性状医学微生物学（第9版）局限性转导模式图备注：图片源自人卫社《医学微生物学》第8版，主编李凡、徐志凯。（P57，图4-8）（三）溶原性转换（lysogenicconversion）1.局限性转导的一种形式2.温和噬菌体DNA与受体菌染色体整合3.受体菌获得噬菌体的某些生物学性状白喉杆菌：β-噬菌体-外毒素基因不产毒白喉杆菌产毒白喉杆菌医学微生物学（第9版）细菌遗传变异在医学上的实际意义medicalsignificanceofbacterialheredityandvariation第四节诊断困难1.H→O变异：如伤寒沙门菌鞭毛2.S→R变异：消失荚膜或多糖抗原性改变毒力下降，生化反应改变3.乳糖分解变异4.发酵突变需充分了解细菌的变异现象和规律，才能正确诊断细菌性感染疾病医学微生物学（第9版）一、细菌形态结构的变异与细菌学诊断治疗困难1.耐药变异及耐药基因的水平传递2.耐药性细菌不断增加3.多耐药菌株的出现临床上通过耐药监测，注意耐药谱的变化并开展耐药机制研究，将有利于指导抗菌药物的选择和合理使用，控制耐药菌的产生和扩散医学微生物学（第9版）二、细菌的耐药变异与控制减毒活疫苗株1.卡介苗BCG2.炭疽芽胞杆菌减毒活疫苗3.布鲁氏菌减毒活疫苗4.鼠疫耶尔森菌减毒活疫苗条件致死性突变株温度敏感突变株医学微生物学（第9版）三、细菌毒力变异与疫苗研制1.脉冲场凝胶电泳（pulsed-fieldgelelectrop