細(xì)菌遺傳和變異醫(yī)學(xué)微生物學(xué)講義

1、細(xì)菌遺傳和變異醫(yī)學(xué)微生物學(xué)講義 由于細(xì)菌個(gè)體微小、遺傳物質(zhì)較為簡單由于細(xì)菌個(gè)體微小、遺傳物質(zhì)較為簡單，易于人工培養(yǎng)，繁殖速度快，突變型容易識，易于人工培養(yǎng)，繁殖速度快，突變型容易識別和檢出。因此，細(xì)菌一直被用做研究生物遺別和檢出。因此，細(xì)菌一直被用做研究生物遺傳與變異規(guī)律的實(shí)驗(yàn)材料。傳與變異規(guī)律的實(shí)驗(yàn)材料。 利用人工誘變或雜交選育醫(yī)藥或食品工利用人工誘變或雜交選育醫(yī)藥或食品工業(yè)中所需要的高產(chǎn)菌株。業(yè)中所需要的高產(chǎn)菌株。 利用分子生物學(xué)技術(shù)，構(gòu)建利用分子生物學(xué)技術(shù)，構(gòu)建“基因工程基因工程菌菌”，生產(chǎn)新藥、疫苗、食品添加劑，或者，生產(chǎn)新藥、疫苗、食品添加劑，或者用于環(huán)保等。用于環(huán)保等。一、一、細(xì)菌

2、遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)細(xì)菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)二、細(xì)菌的基因二、細(xì)菌的基因小胸泳衣小胸泳衣突變突變?nèi)⒓?xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組四、微生物基因組學(xué)四、微生物基因組學(xué)五、基因工程菌株的構(gòu)建五、基因工程菌株的構(gòu)建細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳與變異 細(xì)菌染色體是一個(gè)裸露的閉合環(huán)狀的細(xì)菌染色體是一個(gè)裸露的閉合環(huán)狀的雙鏈雙鏈DNA分子，有核蛋白，缺乏組蛋白，分子，有核蛋白，缺乏組蛋白，無核膜包裹。無核膜包裹。 細(xì)菌基因組結(jié)構(gòu)的主要特征：細(xì)菌基因組結(jié)構(gòu)的主要特征： （1）遺傳信息是連續(xù)的，不含內(nèi)含）遺傳信息是連續(xù)的，不含內(nèi)含子。很少有重復(fù)序列。子。很少有重復(fù)序列。 （2）通常，編碼相關(guān)功能的基因高度）通

3、常，編碼相關(guān)功能的基因高度集中，組成操縱子集中，組成操縱子（operon）結(jié)構(gòu)，自一個(gè)結(jié)構(gòu)，自一個(gè)啟動(dòng)子開始轉(zhuǎn)錄成多基因的啟動(dòng)子開始轉(zhuǎn)錄成多基因的mRNA分子，翻分子，翻譯成多種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)。譯成多種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)。（plasmid） 是細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì)，大多由閉合環(huán)是細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì)，大多由閉合環(huán)狀雙鏈狀雙鏈DNA組成。組成。 具有自我復(fù)制的能力。具有自我復(fù)制的能力。 所攜帶的基因賦予宿主菌某些生物學(xué)所攜帶的基因賦予宿主菌某些生物學(xué) 性狀（如性狀（如F質(zhì)粒、質(zhì)粒、R質(zhì)粒、毒力質(zhì)粒、質(zhì)粒、毒力質(zhì)粒、 代謝質(zhì)粒），增加代謝質(zhì)粒），增加小胸泳衣小胸泳衣細(xì)菌的存活機(jī)細(xì)菌的存活機(jī)會(huì)。

4、會(huì)。非生存所必需，可自行丟失或消除。非生存所必需，可自行丟失或消除?？稍诩?xì)菌之間轉(zhuǎn)移。可在細(xì)菌之間轉(zhuǎn)移。質(zhì)粒質(zhì)粒DNA的特征的特征v1) 1)致育質(zhì)粒（致育質(zhì)粒（F F質(zhì)粒）與有性生殖功能關(guān)聯(lián)；質(zhì)粒）與有性生殖功能關(guān)聯(lián)；v2)2)耐藥性質(zhì)粒耐藥性質(zhì)粒 編碼細(xì)菌對抗菌藥物或重金屬鹽類的編碼細(xì)菌對抗菌藥物或重金屬鹽類的耐藥性。分兩類，一是耐藥性。分兩類，一是接合性接合性耐藥質(zhì)粒（耐藥質(zhì)粒（R R質(zhì)粒），另質(zhì)粒），另一是非接合耐藥性質(zhì)粒；一是非接合耐藥性質(zhì)粒； v3)3)毒力質(zhì)粒（毒力質(zhì)粒（ViVi質(zhì)粒）質(zhì)粒） 編碼與該菌致病性有關(guān)的毒力編碼與該菌致病性有關(guān)的毒力因子；因子；v4)4)細(xì)菌素質(zhì)粒細(xì)菌

5、素質(zhì)粒 編碼細(xì)菌產(chǎn)生細(xì)菌素；編碼細(xì)菌產(chǎn)生細(xì)菌素；v5)5)代謝質(zhì)粒代謝質(zhì)粒 編碼產(chǎn)生相關(guān)的代謝酶。編碼產(chǎn)生相關(guān)的代謝酶。 （transposon） 是一個(gè)是一個(gè)DNA片段（片段（2kb），可在質(zhì)粒），可在質(zhì)粒與質(zhì)粒之間或質(zhì)粒與染色體之間隨機(jī)轉(zhuǎn)移，與質(zhì)粒之間或質(zhì)粒與染色體之間隨機(jī)轉(zhuǎn)移，故又稱為故又稱為“跳躍基因跳躍基因” 。 轉(zhuǎn)座子不能自我復(fù)制。轉(zhuǎn)座子不能自我復(fù)制。轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子質(zhì)粒質(zhì)粒轉(zhuǎn)座子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)轉(zhuǎn)座子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 能為整合酶所能為整合酶所識別，與插入功能有關(guān)。識別，與插入功能有關(guān)。 帶有遺傳信息，如常帶有耐帶有遺傳信息，如常帶有耐藥基因、細(xì)菌毒素基因、整合酶（或轉(zhuǎn)座酶藥基因、細(xì)菌毒素基因、整

6、合酶（或轉(zhuǎn)座酶）基因。）基因。 當(dāng)轉(zhuǎn)座子插入到某一基因組中，可能當(dāng)轉(zhuǎn)座子插入到某一基因組中，可能會(huì)產(chǎn)生什么遺傳學(xué)效應(yīng)？會(huì)產(chǎn)生什么遺傳學(xué)效應(yīng)？ 可引起插入基因失活，可引起插入基因失活，產(chǎn)生基因突變。產(chǎn)生基因突變。 在插入部位又出現(xiàn)一個(gè)或在插入部位又出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)耐藥基因，使細(xì)菌產(chǎn)生耐多個(gè)耐藥基因，使細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性或多重耐藥性。藥性或多重耐藥性。 （bacteriophage）噬菌體是感染細(xì)菌、真噬菌體是感染細(xì)菌、真菌、放線菌或螺旋體等菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒。微生物的病毒。轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子質(zhì)粒質(zhì)粒一、細(xì)菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)一、細(xì)菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移小胸泳衣小胸泳衣

7、與重組與重組四、微生物基因組學(xué)四、微生物基因組學(xué)五、基因工程菌株的構(gòu)建五、基因工程菌株的構(gòu)建細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳與變異（gene mutation）：）：細(xì)菌染色細(xì)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、插入對或少數(shù)幾對堿基的缺失、插入或置換（點(diǎn)突變：或置換（點(diǎn)突變：point mutation），），導(dǎo)致細(xì)菌性狀的遺傳性變異。導(dǎo)致細(xì)菌性狀的遺傳性變異。 隨機(jī)發(fā)生，不定向隨機(jī)發(fā)生，不定向 穩(wěn)定穩(wěn)定 自發(fā)突變產(chǎn)生頻率為自發(fā)突變產(chǎn)生頻率為10-1010-6 可誘發(fā)性：野生株、突變株可誘發(fā)性：野生株、突變株 耐藥性突變：選擇標(biāo)記

8、耐藥性突變：選擇標(biāo)記 毒力突變：疫苗研制、新現(xiàn)傳染病毒力突變：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)高產(chǎn)突變：抗生素等藥品、食品生產(chǎn) 抗原性突變：抗原性突變：逃逸免疫機(jī)制逃逸免疫機(jī)制 日本發(fā)生過一次細(xì)菌性痢疾大流行。從病日本發(fā)生過一次細(xì)菌性痢疾大流行。從病人糞便中分離到人糞便中分離到痢疾桿菌敏感株和耐藥痢疾桿菌敏感株和耐藥株（同時(shí)耐鏈霉素、氯霉素、四環(huán)素、磺胺類株（同時(shí)耐鏈霉素、氯霉素、四環(huán)素、磺胺類），且），且有完全相同的多重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、耐藥性。多重耐藥性傳播迅速。

9、耐藥菌在傳代、保藏過程中可保藏過程中可耐藥性。耐藥性。 能否用基因突變解釋以上現(xiàn)象？能否用基因突變解釋以上現(xiàn)象？二、細(xì)菌的基因突變二、細(xì)菌的基因突變四、微生物基因組學(xué)四、微生物基因組學(xué)五、基因工程菌株的構(gòu)建五、基因工程菌株的構(gòu)建細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳與變異 供體菌供體菌（donor）將遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移至受體將遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移至受體菌菌（recipient），使后者獲得新的生物學(xué)性狀，使后者獲得新的生物學(xué)性狀，稱為基因轉(zhuǎn)移稱為基因轉(zhuǎn)移（gene transfer）。 細(xì)菌通過水平方向的基因轉(zhuǎn)移和重組，細(xì)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(gè)體，以適應(yīng)隨時(shí)改變的環(huán)產(chǎn)生新的基因型個(gè)體，以適應(yīng)隨

10、時(shí)改變的環(huán)境。境?；蜣D(zhuǎn)移的概念基因轉(zhuǎn)移的概念 質(zhì)粒質(zhì)粒（plasmid） 轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子（transposon） 溫和噬菌體溫和噬菌體（temperate phage）基因轉(zhuǎn)移的元件基因轉(zhuǎn)移的元件 接合（接合（conjugation） 轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化（transformation） 轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction） 轉(zhuǎn)座轉(zhuǎn)座（transposition）基因轉(zhuǎn)移的方式基因轉(zhuǎn)移的方式1、接合、接合（conjugation） 接合：供體菌通過性菌毛與受體菌直接接合：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)粒接觸，并將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)移給受體菌，使受體菌獲得新的遺傳性

11、狀。移給受體菌，使受體菌獲得新的遺傳性狀。質(zhì)粒質(zhì)粒質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移示意圖質(zhì)粒接合轉(zhuǎn)移示意圖染色體染色體性菌毛性菌毛受體菌受體菌供體菌供體菌賦予宿主菌的賦予宿主菌的耐藥性耐藥性 編碼性菌毛，決編碼性菌毛，決定自主復(fù)制與接定自主復(fù)制與接合轉(zhuǎn)移合轉(zhuǎn)移 R質(zhì)粒主要以接合方式從耐藥菌傳遞給敏質(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８芯?，使后者變?yōu)槟退幘?R質(zhì)粒在同一種屬或不同種屬細(xì)菌之間質(zhì)粒在同一種屬或不同種屬細(xì)菌之間傳遞，造成耐藥性的廣泛傳播，尤其在腸傳遞，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道桿菌中比較普遍，給臨床治療帶來很大困難困難 。 日本發(fā)生過一次

12、細(xì)菌性痢疾大流行。從病日本發(fā)生過一次細(xì)菌性痢疾大流行。從病人糞便中分離到人糞便中分離到痢疾桿菌敏感株和耐藥痢疾桿菌敏感株和耐藥株（同時(shí)耐鏈霉素、氯霉素、四環(huán)素、磺胺類株（同時(shí)耐鏈霉素、氯霉素、四環(huán)素、磺胺類），且），且有完全相同的多有完全相同的多重耐藥性。多重耐藥性傳播迅速。耐藥菌在重耐藥性。多重耐藥性傳播迅速。耐藥菌在傳代、保藏過程中可傳代、保藏過程中可耐藥性。耐藥性。 能否用基因突變解釋以上現(xiàn)象？能否用基因突變解釋以上現(xiàn)象？F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipient三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組F+F+Hfr三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重

13、組HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組FFFFFF-FF-三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組雄性菌株雄性菌株 Hfr菌株菌株 F 菌株菌株 菌株菌株 （雌株）（雌株）因子和接合因子和接合 F+ 菌株菌株三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組FF+F+F+F+FFF+FHfrHfrF（多數(shù)情況下）F+HfrHfrHfr（少數(shù)情況下）雄性菌株與雌性菌株接合結(jié)果三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組Griffith肺炎鏈球菌感染肺炎鏈球菌感染小鼠實(shí)驗(yàn)（小鼠實(shí)驗(yàn)（1928）無莢膜活菌無莢膜活菌有莢膜活菌有莢膜活菌有莢

14、膜死菌有莢膜死菌有莢膜的活菌？有莢膜的活菌？ 活的無莢膜肺炎鏈球菌從死的有莢膜肺活的無莢膜肺炎鏈球菌從死的有莢膜肺炎鏈球菌中獲得莢膜（毒力決定因子）編碼基炎鏈球菌中獲得莢膜（毒力決定因子）編碼基因，稱之為轉(zhuǎn)化因，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。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)是研究揭示，轉(zhuǎn)化因子的本質(zhì)是DNA，即遺傳物質(zhì)是，即遺傳物質(zhì)是DNA。1944年，獲得諾年，獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng)。貝爾醫(yī)學(xué)生理學(xué)獎(jiǎng)。 2、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)化（transformation） 轉(zhuǎn)化：受體菌從周圍環(huán)境中直接攝取供轉(zhuǎn)化：受體菌從周圍環(huán)

15、境中直接攝取供體菌游離的體菌游離的DNA片段，并整合入受體菌基因片段，并整合入受體菌基因組中，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的過程組中，從而獲得供體菌部分遺傳性狀的過程。 （1）轉(zhuǎn)化的前提條件）轉(zhuǎn)化的前提條件 1020 個(gè)基因個(gè)基因同源性高的、未變同源性高的、未變 性的雙鏈性的雙鏈DNA；質(zhì)粒；質(zhì)粒DNA。處于處于“感受態(tài)感受態(tài)”（2）自然轉(zhuǎn)化過程）自然轉(zhuǎn)化過程1 1、受體菌處于感受態(tài)、受體菌處于感受態(tài)(competence)(competence) Ca Ca2 2誘導(dǎo)法、電穿孔法誘導(dǎo)法、電穿孔法 受體細(xì)胞經(jīng)過一些特殊方法處理后受體細(xì)胞經(jīng)過一些特殊方法處理后, ,細(xì)胞膜的細(xì)胞膜的通透性發(fā)生了暫時(shí)

16、性的改變通透性發(fā)生了暫時(shí)性的改變, ,成為能允許外源成為能允許外源DNADNA分分子進(jìn)入的感受態(tài)細(xì)胞。子進(jìn)入的感受態(tài)細(xì)胞。 轉(zhuǎn)化因子的結(jié)合與進(jìn)入轉(zhuǎn)化因子的結(jié)合與進(jìn)入 雙鏈雙鏈DNA與感受態(tài)受體菌表面的與感受態(tài)受體菌表面的DNA結(jié)結(jié)合受體結(jié)合。其中一條鏈被降解產(chǎn)生能量；合受體結(jié)合。其中一條鏈被降解產(chǎn)生能量；另一條鏈與特異另一條鏈與特異DNA結(jié)合蛋白形成復(fù)合物，結(jié)合蛋白形成復(fù)合物，進(jìn)入菌體內(nèi)。進(jìn)入菌體內(nèi)。 轉(zhuǎn)化因子的整合轉(zhuǎn)化因子的整合 單鏈單鏈DNA不經(jīng)復(fù)制，與受體菌同源不經(jīng)復(fù)制，與受體菌同源DNA區(qū)段的單鏈配對，被取代的受體菌區(qū)段的單鏈配對，被取代的受體菌DNA單單鏈被降解，最終鏈被降解，最終產(chǎn)

17、生轉(zhuǎn)化子。產(chǎn)生轉(zhuǎn)化子。有莢膜的活菌？有莢膜的活菌？3、轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction） 以以溫和噬菌體溫和噬菌體為媒介，將供體菌為媒介，將供體菌DNA片片段（染色體段（染色體DNA、非接合性質(zhì)粒、非接合性質(zhì)粒DNA）轉(zhuǎn)移到）轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，通受體菌內(nèi)，通過基因重組而使受體過基因重組而使受體菌獲得新的遺傳性狀。菌獲得新的遺傳性狀。（1）轉(zhuǎn)導(dǎo)的概念）轉(zhuǎn)導(dǎo)的概念 是感染細(xì)菌、放線菌、真菌等的病毒。是感染細(xì)菌、放線菌、真菌等的病毒。 分為頭部和尾部。頭部由核心（核酸）分為頭部和尾部。頭部由核心（核酸） 和衣殼（蛋白質(zhì)）構(gòu)成。和衣殼（蛋白質(zhì)）構(gòu)成。 能通過細(xì)菌濾器。能通過細(xì)菌濾器。 須寄生在活的易

18、感宿主須寄生在活的易感宿主 菌體內(nèi)。菌體內(nèi)。（2）噬菌體）噬菌體（phage）（3）溫和噬菌體）溫和噬菌體 烈（毒）性噬菌體烈（毒）性噬菌體（virulent phage）：噬菌體在宿主菌體內(nèi)復(fù)制增殖，產(chǎn)生大量子代噬菌體在宿主菌體內(nèi)復(fù)制增殖，產(chǎn)生大量子代噬菌體，并最噬菌體，并最終裂解細(xì)菌，建立終裂解細(xì)菌，建立溶菌周期。溶菌周期。 溫和噬菌體溫和噬菌體（temperate phage）：感：感染宿主菌后，不立即增殖，而是將其核酸染宿主菌后，不立即增殖，而是將其核酸整合到宿主菌染色體基因組中，與宿主菌整合到宿主菌染色體基因組中，與宿主菌DNA一起復(fù)制，一起復(fù)制，并隨細(xì)菌的分裂而傳并隨細(xì)菌的分裂而傳

19、至子代細(xì)菌。至子代細(xì)菌。前噬菌體前噬菌體溶原性細(xì)菌溶原性細(xì)菌 有些溫和噬菌體可使溶原性細(xì)菌的表型有些溫和噬菌體可使溶原性細(xì)菌的表型發(fā)生相應(yīng)改變，稱之為溶原性轉(zhuǎn)換發(fā)生相應(yīng)改變，稱之為溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenic conversion）。）。例如，白喉棒狀桿例如，白喉棒狀桿菌若攜帶菌若攜帶噬菌體時(shí)，可產(chǎn)生白喉毒素。噬菌體時(shí)，可產(chǎn)生白喉毒素。 溶原性細(xì)菌能正常以二分裂方式繁殖溶原性細(xì)菌能正常以二分裂方式繁殖，前噬菌體也一代一代傳下去。但有時(shí)也會(huì)，前噬菌體也一代一代傳下去。但有時(shí)也會(huì)自發(fā)終止（發(fā)生自發(fā)終止（發(fā)生率率10-5），從染色體上），從染色體上脫落，進(jìn)入溶菌周期。脫落，進(jìn)入溶菌周期。（4）轉(zhuǎn)導(dǎo)

20、的機(jī)制）轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制 前噬菌體從染色體前噬菌體從染色體上脫離進(jìn)行增殖，裝配成上脫離進(jìn)行增殖，裝配成新的子代噬菌體。大約在新的子代噬菌體。大約在105107次裝配中發(fā)生一次裝配中發(fā)生一次錯(cuò)誤，誤將大小合適的次錯(cuò)誤，誤將大小合適的供體菌供體菌DNA片段裝入噬菌片段裝入噬菌體頭部，成為體頭部，成為“假噬菌體假噬菌體”。 假噬菌體假噬菌體供體菌供體菌 當(dāng)當(dāng)“假噬菌體假噬菌體”（轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體）再度（轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體）再度感染受體菌時(shí)，將供感染受體菌時(shí)，將供體菌體菌DNA帶入受體菌帶入受體菌內(nèi)。內(nèi)。完全轉(zhuǎn)導(dǎo)與流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)完全轉(zhuǎn)導(dǎo)與流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)假噬菌體假噬菌體受體菌受體菌供體菌供體

21、菌DNA（transposition） 轉(zhuǎn)座子在質(zhì)粒之間或質(zhì)粒與染色體之轉(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)座間的自行轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，稱之為轉(zhuǎn)座 。 轉(zhuǎn)座子能在轉(zhuǎn)座子能在2個(gè)沒有任何同源性的基因組個(gè)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)。一系列遺傳效應(yīng)。 可引起插入基因失活，產(chǎn)生基因突變。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(gè)或多個(gè)新的基因在插入部位引入一個(gè)或多個(gè)新的基因 （如耐藥基因、毒素基因。（如耐藥基因、毒素基因。 轉(zhuǎn)座子的自行轉(zhuǎn)移不需要核苷酸堿基對轉(zhuǎn)座子的自行轉(zhuǎn)移不需要核苷酸堿基對

22、同源才能插入，可在革蘭陰性菌和革蘭陽性同源才能插入，可在革蘭陰性菌和革蘭陽性菌之間轉(zhuǎn)移。菌之間轉(zhuǎn)移。二、細(xì)菌的基因突變二、細(xì)菌的基因突變?nèi)⒓?xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組五、基因工程菌株的構(gòu)建五、基因工程菌株的構(gòu)建細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳與變異 微生物基因組學(xué)微生物基因組學(xué)（Genomics）是利用全是利用全基因組基因組DNA序列研究微生物基因及其功能序列研究微生物基因及其功能的學(xué)科。的學(xué)科。 細(xì)菌是研究和分析基因組序列與相細(xì)菌是研究和分析基因組序列與相關(guān)生物學(xué)功能關(guān)系的理想模式。關(guān)生物學(xué)功能關(guān)系的理想模式。 首先，用超聲波將細(xì)菌染色體首先，用超聲波將細(xì)菌染色體DNA隨隨機(jī)切割

23、成一定大小的機(jī)切割成一定大小的DNA片段，插入到測序片段，插入到測序載體（質(zhì)粒）中，以構(gòu)建載體（質(zhì)粒）中，以構(gòu)建DNA文庫，文庫，進(jìn)行進(jìn)行大規(guī)模的測序，大規(guī)模的測序，對對DNA序列加以拼接。序列加以拼接。1、核苷酸序列測定、核苷酸序列測定 經(jīng)過計(jì)算機(jī)分析，完成全基因組各個(gè)經(jīng)過計(jì)算機(jī)分析，完成全基因組各個(gè)區(qū)域的編號和注釋，最后存入數(shù)據(jù)庫，并區(qū)域的編號和注釋，最后存入數(shù)據(jù)庫，并在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)表，以供全世界的科學(xué)家參在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)表，以供全世界的科學(xué)家參考和使用。考和使用。 細(xì)菌全基因組序列測定完成后，更重細(xì)菌全基因組序列測定完成后，更重要的任務(wù)是鑒定基因及盡可能確定基因的要的任務(wù)是鑒定基因及盡可能確定

24、基因的功能，稱之為后基因組學(xué)。功能，稱之為后基因組學(xué)。 2、微生物基因組結(jié)構(gòu)與功能研究、微生物基因組結(jié)構(gòu)與功能研究 根據(jù)病原菌全基因組序列，應(yīng)用現(xiàn)代生物根據(jù)病原菌全基因組序列，應(yīng)用現(xiàn)代生物信息軟件對基因序列進(jìn)行分析，可確定哪些基信息軟件對基因序列進(jìn)行分析，可確定哪些基因與毒力、體內(nèi)定居或體內(nèi)持續(xù)感染有關(guān)，從因與毒力、體內(nèi)定居或體內(nèi)持續(xù)感染有關(guān)，從而闡明病原菌致病基因及其產(chǎn)物。而闡明病原菌致病基因及其產(chǎn)物。（1）揭示病原微生物的致病機(jī)制）揭示病原微生物的致病機(jī)制 從分子和細(xì)胞水平上，揭示微生物與宿主從分子和細(xì)胞水平上，揭示微生物與宿主之間的相互作用，更深入地闡明病原微生物的之間的相互作用，更深入

25、地闡明病原微生物的致病機(jī)制，諸如毒素作用機(jī)制、宿主細(xì)胞中微致病機(jī)制，諸如毒素作用機(jī)制、宿主細(xì)胞中微生物的受體，侵入細(xì)胞內(nèi)微生物的定位和新表生物的受體，侵入細(xì)胞內(nèi)微生物的定位和新表位的發(fā)現(xiàn)，對宿主免疫系統(tǒng)的反應(yīng)等。位的發(fā)現(xiàn)，對宿主免疫系統(tǒng)的反應(yīng)等。（2）建立靈敏特異的基因診斷技術(shù)）建立靈敏特異的基因診斷技術(shù) 傳統(tǒng)的病原體診斷依賴于致病微生物的形傳統(tǒng)的病原體診斷依賴于致病微生物的形態(tài)、培養(yǎng)和生化特征。態(tài)、培養(yǎng)和生化特征。 通過測定多種致病與非致病微生物的基因通過測定多種致病與非致病微生物的基因組序列，可以獲得大量的基因信息。如特異組序列，可以獲得大量的基因信息。如特異DNA序列用于診斷，菌株特異性

26、基因用于分型序列用于診斷，菌株特異性基因用于分型。 圖圖2 2 引物特異性單重引物特異性單重PCRPCR電泳結(jié)果電泳結(jié)果m 100bp Marker， 1 CMCC51252, 2 CMCC51572, 3 CMCC51592, 4 GIM-Shi1, 5 GIM-Shi2, 6 ATCC9027, 7 ATCC15442, 8 CMCC10104, 9 GIM-Ps, 10 ATCC43889, 11 GDCIQ-O157-1, 12 GDCIQ-O157-2, 13 CMCC50093, 14 CMCC50071, 15 CMCC50115, 16 CMCC47001, 17 GIM-Vp

27、, 18 GDCIQ-Vp（3）開發(fā)新型抗菌藥物）開發(fā)新型抗菌藥物 病原菌全基因組序列的測定，一方面病原菌全基因組序列的測定，一方面，能揭示細(xì)菌耐藥的確切機(jī)制，對現(xiàn)有抗，能揭示細(xì)菌耐藥的確切機(jī)制，對現(xiàn)有抗菌藥物進(jìn)行改造或開發(fā)新型藥物。菌藥物進(jìn)行改造或開發(fā)新型藥物。 另一方面，可使藥物的研發(fā)策略從篩選另一方面，可使藥物的研發(fā)策略從篩選化合物庫轉(zhuǎn)向優(yōu)先篩選靶位基因，即以病原化合物庫轉(zhuǎn)向優(yōu)先篩選靶位基因，即以病原菌為目標(biāo)，找出在人類基因組中缺失，對耐菌為目標(biāo)，找出在人類基因組中缺失，對耐藥菌生存必不可少并在感染過程中優(yōu)先表達(dá)藥菌生存必不可少并在感染過程中優(yōu)先表達(dá)的基因；選擇這些基因作為抗菌藥物的靶位

28、的基因；選擇這些基因作為抗菌藥物的靶位點(diǎn)，可設(shè)計(jì)出具有針對性很強(qiáng)的藥物（窄譜點(diǎn)，可設(shè)計(jì)出具有針對性很強(qiáng)的藥物（窄譜抗生素）?？股兀?。 病原菌全基因組序列的測定，還可大大病原菌全基因組序列的測定，還可大大加速新疫苗的研制。加速新疫苗的研制。（4）開發(fā)新型疫苗）開發(fā)新型疫苗 通過生物信息學(xué)軟件，對全基因組序列進(jìn)通過生物信息學(xué)軟件，對全基因組序列進(jìn)行分析，可預(yù)測出病原體的具有很高免疫原性行分析，可預(yù)測出病原體的具有很高免疫原性的保護(hù)性抗原及其表位。的保護(hù)性抗原及其表位。 將抗原或表位編碼基因在合適的載體系將抗原或表位編碼基因在合適的載體系統(tǒng)中表達(dá)，分離純化目的抗原或表位。最后統(tǒng)中表達(dá)，分離純化目的

29、抗原或表位。最后，檢測抗原的安全性和有效性。，檢測抗原的安全性和有效性。 隨著微生物基因組被解碼和微生物功能隨著微生物基因組被解碼和微生物功能基因組的研究與開發(fā)，微生物學(xué)正面臨著革基因組的研究與開發(fā)，微生物學(xué)正面臨著革命性的飛躍。微生物基因組研究所獲得的信命性的飛躍。微生物基因組研究所獲得的信息將迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，微生物感染性疾病息將迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，微生物感染性疾病的診、防、治，將會(huì)徹底得到改觀。的診、防、治，將會(huì)徹底得到改觀。 二、細(xì)菌的基因突變二、細(xì)菌的基因突變?nèi)⒓?xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組三、細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移與重組四、微生物基因組學(xué)四、微生物基因組學(xué)細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳與變異目的基因目的

30、基因重組質(zhì)粒重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化目的蛋白目的蛋白重組重組DNA技術(shù)技術(shù)基因工程菌基因工程菌 質(zhì)粒作為一種獨(dú)立的復(fù)制子，容易從細(xì)胞質(zhì)粒作為一種獨(dú)立的復(fù)制子，容易從細(xì)胞中分離出來、在體外進(jìn)行遺傳操作和轉(zhuǎn)入到合適中分離出來、在體外進(jìn)行遺傳操作和轉(zhuǎn)入到合適的受體細(xì)胞中，表達(dá)外源目的基因。的受體細(xì)胞中，表達(dá)外源目的基因。 自主復(fù)制，自主復(fù)制，可表達(dá)外源基因可表達(dá)外源基因 限制性酶切位點(diǎn)限制性酶切位點(diǎn) 選擇性標(biāo)記（耐藥性）選擇性標(biāo)記（耐藥性） 質(zhì)粒可作為表達(dá)載體，首先在體外構(gòu)建質(zhì)?？勺鳛楸磉_(dá)載體，首先在體外構(gòu)建重組質(zhì)粒（攜帶目的基因）；再轉(zhuǎn)入原核表重組質(zhì)粒（攜帶目的基因）；再轉(zhuǎn)入原核表達(dá)系統(tǒng)（大腸桿菌）或真核

31、表達(dá)系統(tǒng)（酵母達(dá)系統(tǒng)（大腸桿菌）或真核表達(dá)系統(tǒng)（酵母菌）中，構(gòu)建菌）中，構(gòu)建“基因工程菌株基因工程菌株”；大量表達(dá)；大量表達(dá)目的基因，獲得目的蛋白（如氨基酸、味精目的基因，獲得目的蛋白（如氨基酸、味精、抗生素、胰島素、干、抗生素、胰島素、干擾素、生長激素、乙肝疫苗）。擾素、生長激素、乙肝疫苗）。 幽門螺桿菌幽門螺桿菌（Helicobacter pylori，Hp）是慢性活動(dòng)性胃炎和消化性潰瘍的致病菌，并是慢性活動(dòng)性胃炎和消化性潰瘍的致病菌，并與胃腺癌與胃腺癌和胃部淋巴瘤的和胃部淋巴瘤的發(fā)生密切相關(guān)。發(fā)生密切相關(guān)。立論依據(jù)立論依據(jù) 我國人口我國人口Hp感染率為感染率為70%。目前主要采。目前主要采用的抗生素療法（三聯(lián)藥物用的抗生素療法（三聯(lián)藥物:埃索美拉唑阿莫埃索美拉唑阿莫西林克拉霉素西林克拉霉素 ）的療效不甚理想，易復(fù)發(fā)