醫(yī)學(xué)免疫學(xué)-第四章 細(xì)菌的遺傳與變異

1、第四章 細(xì)菌的遺傳與變異(heredity and variation) 第一節(jié) 細(xì)菌的遺傳物質(zhì)第二節(jié) 細(xì)菌基因突變第三節(jié) 基因的轉(zhuǎn)移和重組第四節(jié) 細(xì)菌遺傳變異的醫(yī)學(xué)意義基本概念遺傳(heredity)：子代與親代性狀的相似性。（Heredity is the transfer of characteristics from parent to offspring through their genes.） 變異(variation)：子代與親代性狀的差異性。表型變異(phenotypic variation)：基因結(jié)構(gòu)未改變，不可遺傳?；蛐妥儺?genotypic variation)：基

2、因結(jié)構(gòu)的改變，可遺傳的。 細(xì)菌的遺傳與變異一、細(xì)菌的變異現(xiàn)象形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異：L型細(xì)菌，莢膜變異，鞭毛變異。2. 抗原性變異。3. 菌落變異。4. 毒力變異：卡介苗。5. 耐藥性變異。形態(tài)結(jié)構(gòu)變異 3-6%食鹽鼠疫耶氏菌 多形態(tài)性 陳舊培基物 青霉素、溶菌酶正常形態(tài)細(xì)菌 L型變異 抗體或補(bǔ)體 (部分或完全失去胞壁)特殊結(jié)構(gòu)的變異 42-43炭疽桿菌 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天 變形桿菌 0.1%石炭酸 遷徙生長（H） 點(diǎn)狀生長、單個(gè)菌落（O）鞭毛變異毒力變異增強(qiáng) 棒狀噬菌體白喉棒狀桿菌 獲得白喉毒素 減弱 膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基牛分枝桿菌 卡介苗 13年(230代) 耐藥性變異

3、細(xì)菌對某種抗菌藥物有敏感變成耐藥的變異稱為耐藥性變異。有些細(xì)菌還同時(shí)耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產(chǎn)生藥物依賴性。 含鏈霉素培基痢疾桿菌 依鏈株 長期培養(yǎng)菌落變異 在陳舊培養(yǎng)基中長期培養(yǎng)光滑型菌落 粗糙型菌落 S R原因：失去LPS的特異多糖第一節(jié) 細(xì)菌遺傳物質(zhì)一、細(xì)菌的染色體二、質(zhì)粒三、噬菌體基因組四、轉(zhuǎn)座因子五、整合子一、細(xì)菌染色體 細(xì)菌的染色體通常僅由一條環(huán)狀雙鏈DNA分子組成細(xì)菌的染色體相對聚集在一起，形成一個(gè)較為致密的區(qū)域，稱為類核（nucleoid）。類核無核膜與胞漿分開，類核的中央部分由RNA和支架蛋白組成，外圍是雙鏈閉環(huán)的DNA超螺旋。 The bacterial chr

4、omosome and bacterial plasmids, as shown in the electron microscope. The plasmids(arrow) are the circular structures, much smaller than the main chromosomal DNA. The cell (large, white structure) was broken gently so the DNA would remain intact 細(xì)菌染色體的特點(diǎn)（1）環(huán)狀或線性dsDNA，較小5805220kb；（2）有操縱子結(jié)構(gòu)；（3）非編碼區(qū)少；（4

5、）不編碼的DNA部份所占比例比真核細(xì)胞基因組少得多；（5）在細(xì)菌基因組中編碼順序一般不會重疊，即不會出現(xiàn)基因重疊現(xiàn)象；（6）蛋白質(zhì)基因單拷貝，RNA基因多拷貝；（7）在DNA分子中具有各種功能的識別區(qū)域如復(fù)制起始區(qū)OriC，復(fù)制終止區(qū)TerC，轉(zhuǎn)錄啟動區(qū)和終止區(qū)等。這些區(qū)域往往具有特殊的順序，并且含有反向重復(fù)順序。Circular representations of the Shigella genomes.Fan Yang, Jian Yang, Xiaobing Zhang, et al. Nucleic Acids Research, 2005, Vol. 33, No. 19 致病島

6、或毒力島（Pathogenicity island）是指細(xì)菌染色體上一段具有典型結(jié)構(gòu)特征的基因簇，主要編碼與細(xì)菌的毒力相關(guān)的產(chǎn)物。 毒力島的形成是細(xì)菌通過基因組水平轉(zhuǎn)移，從一種病原菌轉(zhuǎn)移到另一種細(xì)菌中。 毒力島的功能是直接或間接地增強(qiáng)了細(xì)菌的適應(yīng)性，使細(xì)菌和宿主之間相互影響，有助于細(xì)菌生態(tài)學(xué)的適應(yīng)性和致病性，并推進(jìn)了細(xì)菌的演變。A. ThecagislandofH. pylori(cause of stomach ulcers) harbors genes for a type IV secretion system that can translocate the toxin CagA in

7、to human cells, causing an inflammatory response.B. The SP-1 island ofSalmonella typhimurium(typhus and food poisoning) encodes a type III secretion system (grey), secreted proteins (dark grey), and regulatory proteins. The same island includes metabolic proteins unrelated to virulence.C. The HPI is

8、land ofYersinia enterocoliticahas genes that encode a high-affinity iron uptake system (dark grey) needed for extracellular growth of the pathogen during colonization of the host.D. The vSAL island ofmultiple drug-resistantStaphylococcus aureus(MRSA)encodes a remarkably high number ofenterotoxins.二、

9、質(zhì)粒(plasmid)：細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì)，環(huán)狀閉 合的雙股DNA。 可編碼許多重要的生物學(xué)性狀。質(zhì)粒DNA的特性:具有自我復(fù)制能力。 緊密型質(zhì)粒；松弛型質(zhì)粒。編碼的基因產(chǎn)物賦予細(xì)菌某些性狀特征?？勺孕衼G失與消除。可在細(xì)菌間轉(zhuǎn)移。分相容性與不相容性兩種。http:/www.cbs.dtu.dk/services/gwBrowser/precalc/project.php?pid=13146Available atlases forShigella boydii Sb227幾種重要的質(zhì)粒致育質(zhì)粒（F質(zhì)粒）耐藥質(zhì)粒毒力質(zhì)粒（Vi質(zhì)粒）細(xì)菌素質(zhì)粒代謝質(zhì)粒四、轉(zhuǎn)位因子轉(zhuǎn)位因子(transposab

10、le element)：存在于細(xì)菌染色體或質(zhì)粒DNA分子上的一段特異性核苷酸序列片段，能在DNA分子中移動。種類：插入序列（insertion sequence, IS）轉(zhuǎn)座子（transposon, Tn）轉(zhuǎn)座噬菌體：是一些具有轉(zhuǎn)座功能的溶原性噬菌體。插入序列（insertion sequence,IS）是最小的轉(zhuǎn)位因子，2kb，不攜帶任何已知與插入功能無關(guān)的基因區(qū)域。轉(zhuǎn)座子（transposon,Tn）2kb，除攜帶與轉(zhuǎn)位有關(guān)的基因外，還攜帶耐藥性基因、抗金屬基因、毒素基因及其他結(jié)構(gòu)基因?？赡芘c細(xì)菌的多重耐藥性有關(guān)。IS ISResistance Gene(s)Tn插入序列和轉(zhuǎn)座子的模式圖

11、插入序列序列長度（bp）轉(zhuǎn)座子耐藥基因或毒素基因IS1768Tn1、Tn2、Tn3ampR（氨芐青霉素）IS21331Tn4smR（鏈霉素）、suR（磺胺）、ampR（氨芐青霉素）、HgR （汞）IS31258Tn5bleR（博來霉素）、neoR（新霉素）、strR（鏈霉素）IS41426Tn6、Tn903kanR（卡那霉素）IS51195Tn7dfrA1 （甲氧芐啶）、 sat1（鏈霉素）、 aadA1（氨基糖甙類）IS6051887Tn9cat（氯霉素）IS10R1329Tn10tetR、tetA、tetC、tetD（四環(huán)素）IS50R1534Tn917、 Tn551ermB（紅霉素）IS

12、903B1057Tn1681大腸埃希菌耐熱腸毒素ISR11259 Tn5422cadA（鎘抗性基因）常見的插入序列和轉(zhuǎn)座子五、整合子整合子(Integron，In )：是一種運(yùn)動性DNA分子，可捕獲和整合外源性基因，使其轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ苄曰虻谋磉_(dá)單位。整合子定位于染色體和質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上，由兩端的保守末端和中間的可變區(qū)構(gòu)成，含三個(gè)功能元件：整合酶基因、重組位點(diǎn)和啟動子， 均位于整合子5保守末端。The intI gene codes for a tyrosine recombinase (integrase) that catalyzes site-specific recombination be

13、tween 59-base elements (59-be) and the attI site, resulting in integration or excision of gene cassettes. Cassettes in the free circular form are transcriptionally silent, but the captured linear cassettes come under the control of the integron-associated Pc promoter. General structure of integron-g

14、ene cassette system.第二節(jié) 細(xì)菌基因突變基因突變 是指DNA堿基對的置換、插入或缺失所致的基因結(jié)構(gòu)的變化。可分點(diǎn)突變和染色體畸變。堿基置換包括轉(zhuǎn)換和顛換；插入或缺失導(dǎo)致移碼突變。突變的類型-倒位、重復(fù)、缺失、置換、插入一、基因突變規(guī)律1自發(fā)突變與誘發(fā)突變 ：自發(fā)突變自然發(fā)生，是隨機(jī)的、不定向的。 人工誘導(dǎo)產(chǎn)生的突變?yōu)檎T發(fā)突變，可提高細(xì)菌的突變率，許多理化因子都具誘變活性。2突變率： 是指細(xì)菌生長時(shí)發(fā)生突變的頻率。自發(fā)突變率為109106，誘發(fā)突變率可提高101000倍，達(dá)到106104左右。3突變與選擇： 要從菌群中找出個(gè)別突變株，必須將菌群置于一種有利于突變株而不利于其他

15、菌的環(huán)境中，才能將突變株篩選出來。4回復(fù)突變與抑制突變：從自然界分離的未發(fā)生突變的菌株稱為野生型。相對野生型菌株發(fā)生某一性狀的改變，成為突變型。由野生型變?yōu)橥蛔冃褪钦蛲蛔?，?jīng)再次突變又恢復(fù)到原來的性狀，稱為回復(fù)突變?；貜?fù)突變往往不是基因型恢復(fù)，而是表型的恢復(fù)。二、突變型細(xì)菌及其分離1抗性突變型 包括噬菌體抗性突變和耐藥性突變。2營養(yǎng)缺陷突變型 細(xì)菌由原來能合成某種營養(yǎng)物質(zhì)的原養(yǎng)型，突變?yōu)椴荒芎铣稍撐镔|(zhì)的營養(yǎng)缺陷型。可用選擇培養(yǎng)基篩選。3條件致死突變型 突變的細(xì)菌在某些特定條件下不能存活，而在另一適當(dāng)條件下仍可正常生長。如溫度敏感突變株（temperature sensitive mutant

16、，Ts株），可作為菌苗。4發(fā)酵陰性突變型 突變造成某種酶的缺陷，使細(xì)菌失去發(fā)酵某種糖的能力。Replica plating method for detection of nutritional mutants. 溫度敏感突變株的篩選第三節(jié) 基因的轉(zhuǎn)移和重組基因轉(zhuǎn)移（gene transfer） 外源性的遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入某受體菌細(xì)胞的過程稱為基因轉(zhuǎn)移。重組（recombination）基因重組是指由于不同DNA鏈的斷裂和連接而產(chǎn)生的DNA片段的交換和重新組合，形成新的DNA分子的過程。重組產(chǎn)物為重組體DNA (recombinant DNA) 。 重組的類型（1）同源重組 (homolog

17、ous recombination )：是指發(fā)生在姐妹染色單體（sister chromatin) 之間或同一染色體上含有同源序列的DNA分子之間或分子之內(nèi)的重新組合。其主要特點(diǎn)是需要一系列的蛋白質(zhì)催化。（2）位點(diǎn)特異性重組（site-specific recombination）：重組發(fā)生在特殊位點(diǎn)上，此位點(diǎn)含有短的同源序列，供重組蛋白識別。（3）轉(zhuǎn)座重組（transposition recombination）：由轉(zhuǎn)座因子產(chǎn)生的特殊的行為。轉(zhuǎn)座的機(jī)制依賴DNA的交錯(cuò)剪切和復(fù)制，但不依賴于同源序列。（4）異常重組：分為兩類，末端連接和鏈滑動。其特征時(shí)重組對中很少或沒有序列同源性，所以也稱為非

18、同源性重組。Homologous recombination between pSL4 and E.coli CSH60-31 chromosomal DNA大腸桿菌tyrR基因剔除及其對苯丙氨酸生物合成的影響. Knockout oftyrR Gene inEscherichia coliand Its Effects on the Phenylalanine Biosynthesis. BIOCHIMICA et BIOPHYSICA SINICA . 2003,35(8):728733Phage attachment sites are regions of DNA required f

19、or site-specific recombination. Molecularprocessofsite-specificrecombinationbytransposition細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移和重組可通過轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)、溶原性轉(zhuǎn)換和原生質(zhì)體融合等方式進(jìn)行。基因的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化（transformation）轉(zhuǎn)化：供體菌裂解游離的DNA片段被受體菌直接攝取，使受體菌獲得新的性狀。小鼠體內(nèi)肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)轉(zhuǎn)化因子（transforming principle ）在轉(zhuǎn)化過程中，轉(zhuǎn)化的DNA片段稱為轉(zhuǎn)化因子 ，分子量小于107，最多不超過1020個(gè)基因。感受態(tài)（competence）Mechanis

20、m of DNA transfer by transformation in a gram-positive bacterium.Binding of free doubled-stranded DNA by a membrane-bound DNA binding protein. (b) Passage of one of the two strands into the cell while nuclease activity degrades the other strand. (c) The single strand in the cell is bound by specific

21、 proteins, and recombination with homologous regions of the bacterial chromosome mediated by RecA protein occurs. (d) Transformed cell. 接合（conjugation）細(xì)菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌。 接合性質(zhì)粒：能通過接合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒稱為接合性質(zhì)粒，F(xiàn)質(zhì)粒、R質(zhì)粒和毒力質(zhì)粒等。非接合性質(zhì)粒：亦叫不能自我轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒。它們雖然具有自主復(fù)制的遺傳信息，但失去了控制細(xì)胞接合轉(zhuǎn)移的基因，因此是不能夠從一個(gè)細(xì)胞自我轉(zhuǎn)移到另

22、一個(gè)細(xì)胞， ColE1質(zhì)粒。conjugationconjugationR質(zhì)粒的接合日本首先分離到抗多種藥物的宋內(nèi)志賀菌多重耐藥菌株，多重耐藥性很難用基因突變解釋。健康人中大腸埃希菌30%50%有R質(zhì)粒，而致病性大腸埃希菌90%有R質(zhì)粒。與多重耐藥性有關(guān)，耐藥質(zhì)粒從一個(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)菌中。R質(zhì)粒耐藥傳遞因子（resistance transfer factor,RTF）與F質(zhì)粒相似，編碼性菌毛的產(chǎn)生和通過接合轉(zhuǎn)移耐藥（r）決定子質(zhì)粒的接合過程模式圖 轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）以噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲得新的性狀。 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（generalized

23、 transduction）局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（restricted transduction）Transduction has subsequently been shown to be quite common among both temperate and virulent phages. There are two kinds of transduction: generalized and specialized. Generalized transducing phages can carry any part of the chromosome, whereas specialized

24、 transducing phages carry only restricted parts of the bacterial chromosome.An Introduction to Genetic Analysis. 7th edition.Griffiths AJF, Miller JH, Suzuki DT, et al.New York: W. H. Freeman; 2000. 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)(generalized transduction) ：在噬菌體DNA裝入外殼蛋白組成新的噬菌體時(shí)，大約在1057次裝配中有一次裝配錯(cuò)誤。誤將微生物殘留的DNA片段裝入噬菌體的外殼蛋白中，成為

25、一個(gè)轉(zhuǎn)導(dǎo)性的噬菌體。誤裝的DNA片段可以是菌體染色體上的任何部分，質(zhì)粒也可被裝入，故稱普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)(restricted transduction) ：細(xì)菌由溶原期轉(zhuǎn)入裂解期，噬菌體DNA又從微生物染色體上分離。分離時(shí)會有10-6機(jī)會發(fā)生偏差，噬菌體將其本身DNA上的一段留在微生物染色體上，卻帶走了微生物DNA上二側(cè)中的個(gè)別特定的基因。The mechanism of generalized transduction. In reality, only a very small minority of phage progeny (1 in 10,000) carries dono

26、r genes. Generalized transduction: one possible mechanism by which virus (phage) particles containing host DNA can be formed 供體菌受體菌轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體細(xì)菌DNA噬菌體DNAgeneralized transduction局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)(restricted transduction)或稱特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)， 所轉(zhuǎn)導(dǎo)的只限于供體菌染色體上特定的基因。溶原期時(shí)，噬菌體DNA整合在細(xì)菌染色體特定部位，噬菌體DNA發(fā)生偏差分離，將自身的一段DNA留在細(xì)菌染色體上，而帶走了細(xì)菌DNA上兩側(cè)的基因

27、。當(dāng)其轉(zhuǎn)導(dǎo)并整合到受體菌中，使受體菌獲得供體菌的某些遺傳性狀。所轉(zhuǎn)導(dǎo)的只限于供體菌上個(gè)別的基因。Normal lytic events and the production of particles transducing the galactose genes in an Escherichia coli cell containing a lambda prophageUnder rare conditions, the phage genome is excised incorrectly. Lambda dgal (defective galactose) under the assi

28、stance of helper, the defective phage can be replicated and can transduce the galactose genes 結(jié)果完全轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)未整合整合普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)與局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)的區(qū)別區(qū)別要點(diǎn)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)基因轉(zhuǎn)導(dǎo)發(fā)生的時(shí)期裂解期溶原期轉(zhuǎn)導(dǎo)的遺傳物質(zhì)供體菌染色體DNA任何部位或質(zhì)粒噬菌體DNA及供體菌DNA的特定部位轉(zhuǎn)導(dǎo)的后果完全轉(zhuǎn)導(dǎo)或流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)受體菌獲得供體菌DNA特定部位的遺傳特性轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率受體菌的10-7轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率較普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)增加1000倍(10-4)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)與局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)溶原性轉(zhuǎn)換（ lysogenic conversion）

29、當(dāng)噬菌體感染細(xì)菌時(shí)，宿主菌染色體中獲得了噬菌體的DNA片段，使其成為溶原狀態(tài)時(shí)而致細(xì)菌獲得新的性狀。 白喉棒狀桿菌、A群鏈球菌、肉毒梭菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌、霍亂弧菌原生質(zhì)體融合(protoplast fusion) 將兩種不同的細(xì)菌經(jīng)溶菌酶或青霉素等處理，失去細(xì)胞壁成為原生質(zhì)體后進(jìn)行相互融合的過程。聚乙二醇(PEG)起促融合的作用。 第四節(jié) 細(xì)菌遺傳變異在醫(yī)學(xué)上的實(shí)際意義一、影響細(xì)菌學(xué)診斷 多數(shù)細(xì)菌變異后，其表型改變很大，以致難以識別。但其基因型的改變不會很大，常用DNA分子雜交及細(xì)菌核酸探針等方法來測定某特異性DNA片段，協(xié)助診斷。二、預(yù)防耐藥菌株的擴(kuò)散 1為提高抗菌藥物的療效，防止耐藥菌株的擴(kuò)

30、散，應(yīng)在治療前先做藥物敏感試驗(yàn)，選擇用藥。2合理使用抗生素，對需長期用藥，易產(chǎn)生耐藥性的慢性疾病，應(yīng)將幾種藥物聯(lián)合應(yīng)用，還應(yīng)考慮免疫調(diào)節(jié)劑的使用。三、細(xì)菌毒力變異與疾病控制毒力變異包括增強(qiáng)和減弱。毒力減弱的菌株可以作為疫苗：布魯氏菌病鼠疫卡介苗四、在流行病學(xué)中的應(yīng)用分子生物學(xué)分析方法已被用于流行病學(xué)調(diào)查質(zhì)粒指紋圖（PFP）對噬菌體的敏感性，對抗生素的敏感性已完成基因組測序的致病細(xì)菌種類病原菌株所致疾病基因組大小(Mb)伯氏疏螺旋體B31萊姆病1.44胎兒彎曲菌NCTC-11169胃腸炎1.64肺炎衣原體CWL急性呼吸道疾病0.29肺炎衣原體AR動脈硬化癥3.9沙眼衣原體D/UW-3/Ck沙眼1

31、.05沙眼衣原體Mopn沙眼1.07嗜血流感桿菌Rd腦膜炎、中耳炎1.83幽門螺旋桿菌26695胃潰瘍1.66幽門螺旋桿菌J99胃潰瘍1.64李斯忒單細(xì)胞菌EGD-2-e李斯忒病、流產(chǎn)2.95分枝麻風(fēng)桿菌麻風(fēng)3.10分枝結(jié)核桿菌H37Rv結(jié)核病4.40生殖道支原體G-37尿道炎0.58肺炎衣原體M129呼吸道疾病0.61奈氏腦膜炎球菌A型Z2491腦膜炎2.18奈氏腦膜炎球菌B型MC58腦膜炎2.27普氏立克次體MadridE斑疹傷寒1.10化膿性鏈球菌M1中毒性休克綜合癥猩紅熱、風(fēng)濕病1.85蒼白螺旋體Nicholas梅毒1.14霍亂弧菌N16961霍亂4.03銅綠假單胞桿菌(綠膿桿菌)PA

32、01條件致病6.30GenoList genome browser GenoListThe New Multi-Microbial Genome browser. SubtiListBacillus subtilis strain 168 GenoList browser ColibriEscherichia coli strain K12 GenoList browser TubercuListMycobacterium tuberculosis strain H37Rv GenoList browser LepromaMycobacterium leprae strain TN GenoL

33、ist browser BoviListMycobacterium bovis strain AF2122/97 GenoList browser BuruListMycobacterium ulcerans strain Agy99 GenoList browser ListiListListeria monocytogenes strain EGD-e and Listeria innocua strain CLIP 11262 Multi-GenoList browser LegioListLegionella pneumophila Paris strain and Legionella pneumophila Lens strain Multi-GenoList browser PyloriGeneHelicobacter pylori strains 26694 and J99 Multi-GenoList