第4章細菌的遺傳與變異

1、21.細菌遺傳物質(zhì)的種類細菌遺傳物質(zhì)的種類2.細菌基因的水平轉(zhuǎn)移細菌基因的水平轉(zhuǎn)移（1）轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導、溶原性轉(zhuǎn)換的概念及其在臨床）轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導、溶原性轉(zhuǎn)換的概念及其在臨床實踐中的意義。實踐中的意義。（2）耐藥質(zhì)粒與耐藥性的傳播。）耐藥質(zhì)粒與耐藥性的傳播。重點與難點重點與難點 bcg：牛型結(jié)核桿菌（有毒株）：牛型結(jié)核桿菌（有毒株） 膽汁膽汁- -甘油甘油- -馬鈴薯培養(yǎng)馬鈴薯培養(yǎng) 13年，年，230次傳代次傳代 減毒株（減毒株（bcg）基因型變異：基因型變異：bcg 表型變異：細菌表型變異：細菌l型型基因型變異與表型變異基因型變異與表型變異 基因型基因型 由細菌的基因組決定，可傳給子代由

2、細菌的基因組決定，可傳給子代 表型表型 基因型在一定環(huán)境中所顯示的生物性狀基因型在一定環(huán)境中所顯示的生物性狀變異變異1. 表型變異表型變異 受環(huán)境的影響受環(huán)境的影響 暫時性，不遺傳暫時性，不遺傳2. 基因型變異基因型變異 不受環(huán)境的影響不受環(huán)境的影響 穩(wěn)定，可遺傳穩(wěn)定，可遺傳一、細菌基因組一、細菌基因組（bacterial genome）包括染色體包括染色體、外源性外源性dna（質(zhì)粒、噬菌體的（質(zhì)粒、噬菌體的部分或全部的基因組部分或全部的基因組和和可移動元件可移動元件 細菌染色體：細菌染色體： dsdna，580kb5220kb 復制快：復制快：105 bp/min 無組蛋白，無內(nèi)含子，為連續(xù)

3、基因無組蛋白，無內(nèi)含子，為連續(xù)基因 單倍體：突變后更易表現(xiàn)單倍體：突變后更易表現(xiàn) 質(zhì)粒質(zhì)粒（plasmid）：獨立獨立復制復制水平水平轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移整合整合相容性相容性丟失或消除丟失或消除 功能：功能：f質(zhì)粒轉(zhuǎn)移；質(zhì)粒轉(zhuǎn)移；vi質(zhì)粒毒力質(zhì)粒毒力 r質(zhì)粒耐藥；質(zhì)粒耐藥；col質(zhì)粒細菌素質(zhì)粒細菌素 噬菌體基因組噬菌體基因組（bacterial phage genome） 溫和型噬菌體全部或部分基因組整合于宿溫和型噬菌體全部或部分基因組整合于宿主菌的染色體。主菌的染色體。如如-棒狀桿菌噬菌體棒狀桿菌噬菌體攜帶白喉攜帶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狀棒狀桿菌桿菌染色體中，使其染色體中，

4、使其產(chǎn)毒產(chǎn)毒株。株。 轉(zhuǎn)座元件轉(zhuǎn)座元件（transposable element） 插入序列插入序列 (insertion sequence，is): 7501550 bp 兩端重復序列，與插入有關(guān)兩端重復序列，與插入有關(guān) 中心序列有轉(zhuǎn)位酶基因中心序列有轉(zhuǎn)位酶基因is參與沙門菌鞭毛抗原參與沙門菌鞭毛抗原（h）的變異的變異ish1 geneh2 geneh1鞭毛抗原h(huán)2 鞭毛抗原 轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子 (transposon, tn): 200025000 bp 兩端為兩端為is 中心序列有與轉(zhuǎn)位無關(guān)基因中心序列有與轉(zhuǎn)位無關(guān)基因 如：毒素基因、耐藥基因等如：毒素基因、耐藥基因等常見的插入序列和轉(zhuǎn)座子常見

5、的插入序列和轉(zhuǎn)座子is bp tn 耐藥或毒素基因耐藥或毒素基因is1 768 tn1 ap（氨芐青霉素）（氨芐青霉素）is2 1327 tn6 kan（卡那霉素）（卡那霉素）is3 1300 tn10 tet（四環(huán)素）（四環(huán)素）is4 1426 tn551 em（紅霉素）（紅霉素）is5 1195 tn681 e.coli et（腸毒素）（腸毒素） 整合子整合子（integron，in）：l定位于細菌染色體、質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上定位于細菌染色體、質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上l基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)：兩端為保守末端，中間為可變區(qū)，含兩端為保守末端，中間為可變區(qū)，含一個或多個基因盒一個或多個基因盒l(wèi)整合子含有整合子含有3

6、 3個功能元件：重組位點；整合酶基個功能元件：重組位點；整合酶基因；啟動子因；啟動子l通過轉(zhuǎn)座子或接合性質(zhì)粒，使多種耐藥基因在細通過轉(zhuǎn)座子或接合性質(zhì)粒，使多種耐藥基因在細菌中進行水平傳播菌中進行水平傳播 噬菌體噬菌體（bacteriophage）：形態(tài)結(jié)構(gòu)形態(tài)結(jié)構(gòu): : 蝌蚪形蝌蚪形衣殼：蛋白質(zhì)衣殼：蛋白質(zhì)核酸：核酸：dsdna 分布廣分布廣: : 有菌就有噬菌體有菌就有噬菌體宿主特異性：流行病調(diào)查；分型宿主特異性：流行病調(diào)查；分型參與細菌變異：轉(zhuǎn)導參與細菌變異：轉(zhuǎn)導, , 溶原性轉(zhuǎn)換溶原性轉(zhuǎn)換二、基因突變二、基因突變影印平板：自發(fā)的，隨機的，非誘導的藥影印平板：自發(fā)的，隨機的，非誘導的藥 物

7、僅起選擇作用物僅起選擇作用 基因基因突變：突變：l突變率：突變率：10-610-9l自發(fā)突變與誘發(fā)突變自發(fā)突變與誘發(fā)突變l突變與選擇突變與選擇l回復突變與抑制突變回復突變與抑制突變彷徨試驗：隨機的、非定向的突變是在接觸噬彷徨試驗：隨機的、非定向的突變是在接觸噬 菌體之前就已發(fā)生，噬菌體對突變菌體之前就已發(fā)生，噬菌體對突變 僅起篩選而不是誘導作用。僅起篩選而不是誘導作用。 突變型細菌及其分離突變型細菌及其分離鑒定鑒定： 耐藥性突變型耐藥性突變型 藥敏試驗藥敏試驗 營養(yǎng)缺陷突變型營養(yǎng)缺陷突變型 營養(yǎng)物質(zhì)篩選營養(yǎng)物質(zhì)篩選 條件致死性突變型條件致死性突變型 溫度敏感試驗溫度敏感試驗 發(fā)酵陰性突變型發(fā)酵

8、陰性突變型 乳糖發(fā)酵試驗乳糖發(fā)酵試驗 三、基因的轉(zhuǎn)移三、基因的轉(zhuǎn)移基因基因轉(zhuǎn)移：供轉(zhuǎn)移：供體體菌提供菌提供dna；受；受體體菌接受菌接受dna基因轉(zhuǎn)移類型基因來源轉(zhuǎn)移方式舉例轉(zhuǎn)化供體菌受體菌攝入鏈球菌莢膜變異接合供體菌性菌毛r質(zhì)粒介導的耐藥性轉(zhuǎn)遞轉(zhuǎn)導供體菌噬菌體介導金黃色葡萄球菌耐藥傳遞溶原型轉(zhuǎn)換噬菌體前噬菌體白喉棒狀桿菌產(chǎn)毒株的變異 轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化（transformation）：受受體體菌主動攝取外源性菌主動攝取外源性dna供體菌供體菌死亡時釋放或人工方法提取死亡時釋放或人工方法提取dna 影響因素：影響因素：l供受供受體體菌基因型：菌基因型：同源性；親緣關(guān)系近，轉(zhuǎn)化率高同源性；親緣關(guān)系近，轉(zhuǎn)化

9、率高l感受態(tài)感受態(tài)（competence）：生理活動過程中攝取生理活動過程中攝取轉(zhuǎn)化因子的最佳時期轉(zhuǎn)化因子的最佳時期 l環(huán)境因素：環(huán)境因素：mg2、ca2等可促進轉(zhuǎn)化等可促進轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)導轉(zhuǎn)導（transduction）噬菌體媒介噬菌體媒介將將供體菌供體菌dna轉(zhuǎn)給受轉(zhuǎn)給受體體菌菌分普遍性轉(zhuǎn)導和局限性轉(zhuǎn)導分普遍性轉(zhuǎn)導和局限性轉(zhuǎn)導毒性噬菌體，溫和噬菌體毒性噬菌體，溫和噬菌體 包裝錯誤：包裝錯誤： 任何部位細菌任何部位細菌dna片段片段轉(zhuǎn)導性噬菌體：轉(zhuǎn)導性噬菌體： 宿主菌宿主菌dna， 無噬菌體無噬菌體dna受體菌受體菌接受轉(zhuǎn)導噬菌體接受轉(zhuǎn)導噬菌體( (供體菌供體菌) )dna受體菌受體菌獲得獲得供體

10、菌供體菌性狀性狀 普遍性轉(zhuǎn)導：普遍性轉(zhuǎn)導：局限性轉(zhuǎn)導局限性轉(zhuǎn)導（溶原性轉(zhuǎn)換溶原性轉(zhuǎn)換）：溫和性噬菌體：溫和性噬菌體 脫落錯誤：前噬菌體及兩邊的細菌脫落錯誤：前噬菌體及兩邊的細菌dna轉(zhuǎn)導性噬菌體：噬菌體轉(zhuǎn)導性噬菌體：噬菌體dna及細菌及細菌dna 接合接合（conjugation）通過性菌毛將通過性菌毛將供體菌供體菌dna轉(zhuǎn)給受轉(zhuǎn)給受體菌，受體菌獲得供體菌性狀體菌，受體菌獲得供體菌性狀f質(zhì)粒（質(zhì)粒（fertility factor, 致育因子）致育因子）接觸：接觸：性菌毛與受體菌性菌毛與受體菌細胞質(zhì)溝通細胞質(zhì)溝通轉(zhuǎn)移：轉(zhuǎn)移：f質(zhì)粒進入質(zhì)粒進入f菌，菌，1分鐘完成分鐘完成復制：復制：f菌轉(zhuǎn)為菌轉(zhuǎn)

11、為f菌菌f+f-f+f-f+f+f+f+性菌毛性菌毛f f質(zhì)粒復制質(zhì)粒復制f f質(zhì)粒質(zhì)粒染色體染色體hfr（高頻重組菌株）：（高頻重組菌株）： f質(zhì)粒與染色體整合質(zhì)粒與染色體整合 具有具有接接合和轉(zhuǎn)移功能合和轉(zhuǎn)移功能 細菌染色體轉(zhuǎn)移頻率高，細菌染色體轉(zhuǎn)移頻率高，f質(zhì)粒質(zhì)粒轉(zhuǎn)移率轉(zhuǎn)移率低低 受體菌獲得供體菌性狀受體菌獲得供體菌性狀 可可用于繪制基因圖用于繪制基因圖f+hfrf f質(zhì)粒質(zhì)粒染色體染色體f f質(zhì)粒質(zhì)粒整合整合hfr轉(zhuǎn)移細菌染色體過程轉(zhuǎn)移細菌染色體過程r質(zhì)粒質(zhì)粒耐藥傳遞因子：耐藥傳遞因子： 編碼性菌毛編碼性菌毛r決定因子：耐藥決定因子：耐藥 溶原性轉(zhuǎn)換溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenic c

12、onversion）噬菌體噬菌體dna與菌染色體整合與菌染色體整合受體菌受體菌獲得新的性狀獲得新的性狀如如白喉棒狀桿菌白喉棒狀桿菌：- -棒狀桿菌棒狀桿菌噬菌體噬菌體- -外毒素基因外毒素基因 不產(chǎn)毒不產(chǎn)毒白喉棒狀桿菌白喉棒狀桿菌 產(chǎn)毒產(chǎn)毒白喉棒狀桿菌白喉棒狀桿菌 診斷困難診斷困難 ho變變異：如傷寒沙門菌鞭毛異：如傷寒沙門菌鞭毛 sr變異：消失莢膜或多糖變異：消失莢膜或多糖 抗原性改變抗原性改變 毒力下降，生化反應改變毒力下降，生化反應改變 治療困難：耐藥治療困難：耐藥 預防：預防：bcg四、實際應用四、實際應用 ames試驗試驗： 基因工程基因工程l載體：質(zhì)粒，噬菌體載體：質(zhì)粒，噬菌體l工

13、程菌和酶：限制性工程菌和酶：限制性內(nèi)切酶，連接酶內(nèi)切酶，連接酶l選擇目的基因，細菌選擇目的基因，細菌中表達，如胰島素、中表達，如胰島素、白介素、干擾素等白介素、干擾素等l基因工程疫苗基因工程疫苗1. 細菌基因轉(zhuǎn)移的類型及其主要差異？細菌基因轉(zhuǎn)移的類型及其主要差異？2. 何謂何謂transposon、is、f質(zhì)粒、質(zhì)粒、r質(zhì)粒、質(zhì)粒、hfr和和ames試驗試驗？3. 影印試驗驗證何種理論？影印試驗驗證何種理論？研究細菌的研究細菌的突變突變在臨床上有何意義在臨床上有何意義？思考題思考題中英文關(guān)鍵詞中英文關(guān)鍵詞 (key words)chromsome （染色體）（染色體）plasmid（質(zhì)粒）（質(zhì)

14、粒）transposable elements （轉(zhuǎn)座元件）（轉(zhuǎn)座元件）lysophage (temperate) phage （溫和噬菌體）（溫和噬菌體）virulent phage （烈性噬菌體）（烈性噬菌體）prophage（前噬菌體）（前噬菌體）horizontal gene transfer （水平基因轉(zhuǎn)移）（水平基因轉(zhuǎn)移）transformation（轉(zhuǎn)化）（轉(zhuǎn)化）transduction（轉(zhuǎn)導）（轉(zhuǎn)導）general transduction （普遍性轉(zhuǎn)導）（普遍性轉(zhuǎn)導）lysogenic （specific）transduction/conversion （溶原性轉(zhuǎn)換）（溶原性

15、轉(zhuǎn)換）conjugation（接合）（接合）f factor （f 因子）因子）hfr（高頻重組菌株）（高頻重組菌株） r plasmid（r質(zhì)粒）質(zhì)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

16、ts: phage-like elements of genetic exchange. nat rev microbiol. 2012, 10(7):472-823 casas v, maloy s. role of bacteriophage-encoded exotoxins in the evolution of bacterial pathogens. future microbiol. 2011, 6(12):1461-73. 4 muzzi a, donati c. population genetics and evolution of the pan-genome of st

17、reptococcus pneumoniae. int j med microbiol. 2011, 301(8):619-22. 5 lazcano a. natural history, microbes and sequences: shouldnt we look back again to organisms? plos one. 2011, 6(8):e21334. 6 wiedenbeck j, cohan fm. origins of bacterial diversity through horizontal genetic transfer and adaptation t

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