2022年醫(yī)學(xué)專題-第6章-細(xì)菌的遺傳變異

第6章細(xì)菌(xìjūn)的遺傳變異遺傳(heredity):系指親代細(xì)菌與子代細(xì)菌的相似性，它使細(xì)菌的性狀保持相對穩(wěn)定，是細(xì)菌存在的根據(jù)。變異(biànyì)(variation):系指親代與子代以及子代細(xì)菌之間的不相似性，它使細(xì)菌得以進(jìn)化。第一頁，共四十六頁。第1節(jié)細(xì)菌常見的變異(biànyì)現(xiàn)象

形態(tài)(xíngtài)和結(jié)構(gòu)變異

菌落形態(tài)變異

毒力變異耐藥性變異代謝變異抗原性變異第二頁，共四十六頁。有莢膜的肺炎球菌無莢膜的肺炎球菌細(xì)菌形態(tài)(xíngtài)結(jié)構(gòu)變異第三頁，共四十六頁。S型菌落(jūnluò)R型菌落(jūnluò)細(xì)菌菌落(jūnluò)形態(tài)變異第四頁，共四十六頁。S型菌落(jūnluò)R型菌落(jūnluò)第五頁，共四十六頁。第2節(jié)細(xì)菌(xìjūn)遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)

基因組(genome)質(zhì)粒(plasmid)轉(zhuǎn)位(zhuǎnwèi)因子(transposableelement)毒力島(pathogenicityisland，PAl)第六頁，共四十六頁?；蚪M(genome)細(xì)菌的基因組位于(wèiyú)核體，是遺傳的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。細(xì)菌作為原核微生物，雖沒有完整的核結(jié)構(gòu)，但卻有核體，其功能與真核細(xì)胞染色體的功能相同，因此又稱其為染色體(chromosome)。細(xì)菌的基因組與真核細(xì)胞染色體不同，基因是連續(xù)的，無內(nèi)含子(intron)。第七頁，共四十六頁。DNA與蛋白質(zhì)第八頁，共四十六頁。計算機(jī)模擬(mónǐ)DNA第九頁，共四十六頁。脈沖場電泳（PFGE）方法及其他分子生物學(xué)手段為微生物基因組的分析提供了得力的工具。已知不同種群原核生物的基因組大小范圍(fànwéi)從0.6Mb(分支桿菌)到9.45Mb（粘細(xì)菌），據(jù)估計低等真核生物如酵母菌同“高等”原核生物（鏈霉菌）的基因組大小無大區(qū)別。與高等生物相比，原核生物的基因組要小得多，編碼的基因數(shù)目也少得多。然而與人類基因組中90-95%的非編碼區(qū)相比，微生物對遺傳物質(zhì)的利用效率就高得多，相關(guān)的基因常以操縱子形式出現(xiàn)，這樣有利于轉(zhuǎn)錄調(diào)控和協(xié)調(diào)表達(dá)?；?jīyīn)組大小和基因(jīyīn)數(shù)目的多樣性第十頁，共四十六頁?；驍?shù)目基因組大小（Mb）原核生物Mycoplasmagenitalium4730.58Haemophilusinfluenzae1,7601.83Bacillussubtilis3,7004.2Escherichiacoli4,1004.7Myxococcusxanthus8,0009.45真菌Saccharomycescerevisiae5,80013.5原生動物Cyanidioschyzonmerolae5,00011.7Oxytrichasimilis12,000600節(jié)肢動物Drosophilamelanogaster12,000650線蟲動物(dòngwù)Caenorhabditiselegans14,000100軟體動物L(fēng)oligopealii>35,0002,700脊索動物CionaintestinalisN165Fugurubripes70,000400DaniorerioN1,900Musmusculus70,0003,300Homosapiens70,0003,300植物Nicotianatabacum43,0004,500Arabidopsisthaliana16,000-33,00070-145引自GeorgeandGerald(1996)

。不同(bùtónɡ)進(jìn)化分支生物中預(yù)計的基因數(shù)目和基因組大小

第十一頁，共四十六頁。原核生物DNA化學(xué)組成差異很大，不同種群的GC含量范圍是24-76mol%，細(xì)菌種內(nèi)的GC含量差別≤3%，屬內(nèi)的差別≤10%。另外，不同種群的基因組DNA序列差異也很大，兩種DNA-DNA的結(jié)合（雜交）比例間接地反映了兩種細(xì)菌DNA序列的相似性程度(chéngdù)。通常同一個種的細(xì)菌菌株間的序列差異可高達(dá)30%。近年來發(fā)展的DNA指紋圖譜也顯示了細(xì)菌種內(nèi)不同菌株的DNA差別很大，常用的AFLP，RAPD，ARDRA及Ribotyping等都是鑒別菌株間的重要手段。遺傳物質(zhì)化學(xué)組成和DNA序列(xùliè)的差異

第十二頁，共四十六頁。質(zhì)粒(plasmid)質(zhì)粒是細(xì)菌(xìjūn)染色體外的遺傳物質(zhì)，多為環(huán)狀雙螺旋DNA分子。第十三頁，共四十六頁。質(zhì)粒的特點(tèdiǎn)質(zhì)?？梢宰陨韽?fù)制，隨宿主菌分裂傳到子代菌體。質(zhì)粒是自行復(fù)制單位，有的需與核質(zhì)染色體的復(fù)制同步，稱為(chēnɡwéi)嚴(yán)緊型復(fù)制(stringentreplication)。一個質(zhì)?？赏瑫r具有幾種編碼功能。質(zhì)?？梢栽诩?xì)菌間轉(zhuǎn)移，而且不僅可以發(fā)生在同種、同屬之間，有的甚至還可以在不同種屬的細(xì)菌間進(jìn)行。質(zhì)?？梢宰孕衼G失(頻率10-2—10-8)，或經(jīng)人工處理而消除(curing)。用高溫、紫外線、吖啶橙等處理，可使質(zhì)粒丟失的頻率提高100—100000倍。第十四頁，共四十六頁。編碼細(xì)菌(xìjūn)重要的生物學(xué)性狀的幾種質(zhì)粒編碼性菌毛的質(zhì)粒稱致育質(zhì)?；騀質(zhì)粒(fertilityplasmid)，具有F質(zhì)粒的細(xì)菌有性菌毛，為雄性細(xì)菌；無F質(zhì)粒的細(xì)菌無性菌毛，為雌性細(xì)菌，該質(zhì)粒與細(xì)菌的有性結(jié)合有關(guān)。編碼細(xì)菌各種毒力因子的質(zhì)粒統(tǒng)稱(tǒngchēng)毒力質(zhì)粒或Vi質(zhì)粒(Virulenceplasmid)，如致病性大腸桿菌在黏膜上定居及產(chǎn)生毒素的能力可由不同質(zhì)粒編碼，其中K質(zhì)粒編碼對黏膜具有黏附活性的菌毛，ST質(zhì)粒與LT質(zhì)粒分別編碼耐熱腸毒素和不耐熱腸毒素。細(xì)菌對抗菌藥物或重金屬鹽類的抗性則由R質(zhì)粒(resistanceplasmid)所決定。第十五頁，共四十六頁。按其轉(zhuǎn)移(zhuǎnyí)的特性將質(zhì)粒分類接合性質(zhì)粒(conjugativeplasmid):接合性質(zhì)粒一般使細(xì)菌有致育性，如F質(zhì)粒。非接合性質(zhì)粒(nonconjugativeplasmid):不能在細(xì)菌之間轉(zhuǎn)移，但有的可以通過以噬菌體為載體或直接進(jìn)入另一個細(xì)菌而轉(zhuǎn)移。附加體(episome):有的質(zhì)粒還可以結(jié)合到染色體上，如大腸桿菌的這種質(zhì)粒稱為(chēnɡwéi)。自殺性質(zhì)粒(suicideplasmid):通常為R質(zhì)粒的衍生物質(zhì)粒，具有接合轉(zhuǎn)移基因的功能。其復(fù)制需要一種大多數(shù)細(xì)菌不產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，因此當(dāng)其進(jìn)入宿主細(xì)胞后，不能復(fù)制。穿梭載體(shuttlevector):是一類特殊的質(zhì)粒，可在一些種屬關(guān)系差異較大的微生物中轉(zhuǎn)移，例如在大腸桿菌與酵母之間。第十六頁，共四十六頁。轉(zhuǎn)位(zhuǎnwèi)因子(transposableelement)是一類獨特的DNA片段，不依賴于同源性重組可以在細(xì)菌的基因組中從一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置，也稱為跳躍基因(jumpinggenes)或移動基因(movablegenes)。轉(zhuǎn)位因子插入細(xì)菌基因組后，因在插入部位影響(yǐngxiǎng)了細(xì)菌基因組DNA的正常結(jié)構(gòu)，可使細(xì)菌失去某些功能，影響(yǐngxiǎng)細(xì)菌的致病性、耐藥性等。轉(zhuǎn)位因子主要有插入序列(insertionsequence，IS)、轉(zhuǎn)座子(transposon，Tn)及Mu噬菌體3類，新近發(fā)現(xiàn)的基因盒—整合子系統(tǒng)也應(yīng)歸屬其內(nèi)。第十七頁，共四十六頁。插入序列

(insertionsequence，IS)插入序列IS與Tn具有兩個共同特點：一是都攜帶編碼轉(zhuǎn)座酶(transposase)的基因，二是在其DNA末端都有短的反向重復(fù)序列(invertedrepeat，IR)，IR長40—1000bp。IS較小，長0．7～1．4kb。IS是細(xì)菌染色體、質(zhì)粒和某些噬菌體的正常組分，最初(zuìchū)是從細(xì)菌的乳糖操縱子中發(fā)現(xiàn)的一段自發(fā)的插入序列，它阻止了被插入的基因的轉(zhuǎn)錄。其插入作用可以雙向進(jìn)行，既可以正向整合到基因組上，也可以反向整合到基因組上，IS插入位點一般是隨機(jī)的。第十八頁，共四十六頁。轉(zhuǎn)座子(transposon，Tn)Tn比IS大，長2～2．5kb，除轉(zhuǎn)座酶基因外，還含某些具有(jùyǒu)重要特性(例如抗性標(biāo)記)的基因。當(dāng)Tn插入某一基因時，一方面可引起插入基因失活產(chǎn)生基因突變，另一方面可因帶人抗性基因而使細(xì)菌獲得耐藥性。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征的不同，Tn可以分為復(fù)合型轉(zhuǎn)座子、Tn3系轉(zhuǎn)座子和接合性轉(zhuǎn)座子3類。

轉(zhuǎn)座酶ABCDEFGGFEDCBA800-1400bp第十九頁，共四十六頁。Mu噬菌體是促變噬菌體(mutatorphage)的簡稱，是一類具有轉(zhuǎn)位作用(transposion)的溫和(wēnhé)噬菌體，可隨機(jī)插入大腸桿菌DNA中，從而導(dǎo)致大腸桿菌基因組突變。其核酸為線性DNA分子，游離狀態(tài)和整合狀態(tài)的Mu噬菌體具有相同的基因序列，但不含末端IR序列。Mu的溶原性整合和裂解周期的復(fù)制均以轉(zhuǎn)座方式進(jìn)行。第二十頁，共四十六頁?；?jīyīn)盒—整合子系統(tǒng)(genecassette—integronsystem)1991年由Hall提出，能捕獲并表達(dá)外來耐藥基因(jīyīn)，形成多重耐藥性，是近年來發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌耐藥性傳播的機(jī)制之一。第二十一頁，共四十六頁。毒力島

(pathogenicityisland，PAl)PAI是指病原菌的某個或某些毒力基因(jīyīn)群，分子結(jié)構(gòu)和功能有別于細(xì)菌基因(jīyīn)組，但位于細(xì)菌基因(jīyīn)組之內(nèi)，因此稱之為“島”。近年來發(fā)現(xiàn)在許多病原性細(xì)菌中都存在著PAI。第二十二頁，共四十六頁。1.編碼細(xì)菌毒力基因簇的一個相對分子質(zhì)量較大的(20～100kb左右)染色體DNA片段；2.一些毒力島的兩側(cè)具有重復(fù)序列和插入元件,但是也可以沒有；3.毒力島往往位于細(xì)菌染色體的tRNA基因位點內(nèi)或附近,或者(huòzhě)位于與噬菌體整合有關(guān)的位點；4.毒力島DNA片段的G+Cmol%、密碼使用和宿主細(xì)菌染色體有明顯差異，有的比宿主細(xì)胞的G+Cmol%明顯高，有的明顯低；毒力島的特點(tèdiǎn)第二十三頁，共四十六頁。5.毒力島編碼的基因產(chǎn)物(chǎnwù)許多是分泌性蛋白和細(xì)胞表面蛋白；6.一種病原菌可以有一個或幾個毒力島；7.細(xì)菌的毒力島應(yīng)該包括位于噬菌體和質(zhì)粒上的、與細(xì)菌的毒力有關(guān)的、其G+C百分比和密碼使用與宿主細(xì)胞明顯不同的DNA片段；8.毒力島可能與新發(fā)現(xiàn)的病原性細(xì)菌有關(guān)。第二十四頁，共四十六頁。第3節(jié)細(xì)菌變異(biànyì)的機(jī)制

在自然或人工條件下，細(xì)菌的基因發(fā)生了改變(gǎibiàn)，使相應(yīng)的性狀也發(fā)生變化，并可以遺傳下去，稱為遺傳性變異。遺傳性變異一般又包括基因突變和基因轉(zhuǎn)移兩個方面。第二十五頁，共四十六頁?；蛲蛔?jīyīntūbiàn)細(xì)菌與其他生物細(xì)胞一樣可發(fā)生突變，突變也可按其發(fā)生改變范圍的大小分為染色體畸變(chromosomalaberration)和點突變(pointmutation)。染色體畸變是指染色體的一大段發(fā)生了變化，它包括染色體結(jié)構(gòu)上的缺失(delection)、重復(fù)(duplication)、插入(insertion)、易位(translocation)和倒置(inversion)。點突變是相應(yīng)基因上的DNA鏈中一個或少數(shù)幾個核苷酸對的改變，包括核苷酸對的置換(replacement)，進(jìn)一步可分為轉(zhuǎn)換(zhuǎnhuàn)(transtion)、顛換(transversion)以及因缺失或插入而造成的移碼(frameshift)。第二十六頁，共四十六頁。突變(tūbiàn)染色體畸變類型A～G、X代表不同的DNA片段

野生型倒位重復(fù)缺失置換插入第二十七頁，共四十六頁。細(xì)菌(xìjūn)的突變也可分為自發(fā)突變(spontaneousmutation)和人工誘變(inducedmutation)。自發(fā)突變是在未經(jīng)人工誘導(dǎo)的外界(wàijiè)條件下自然發(fā)生的突變，它經(jīng)常發(fā)生，但發(fā)生的幾率(突變率)很低，通常僅1／106～1／109。人工誘變是在應(yīng)用誘變因素的影響下而發(fā)生的突變，其突變率常高于自然突變。許多物理和化學(xué)因素，如X射線、紫外光、亞硝酸、吖啶橙類染料、烷化劑和堿基結(jié)構(gòu)類似物等均可誘發(fā)細(xì)菌的突變。第二十八頁，共四十六頁。影印(yǐngyìn)試驗(replicaplating)耐藥性菌株在接觸藥物前已出現(xiàn)(chūxiàn)，抗菌藥物的作用只是選擇耐藥株

第二十九頁，共四十六頁。基因(jīyīn)轉(zhuǎn)移(transgenosis)供體細(xì)菌間接或直接地將部分遺傳物質(zhì)單向傳遞給受體細(xì)菌，從而導(dǎo)致受體細(xì)菌發(fā)生(fāshēng)基因重組的現(xiàn)象，稱為基因轉(zhuǎn)移。細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移主要形式有轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合、原生質(zhì)體融合和轉(zhuǎn)染。第三十頁，共四十六頁。轉(zhuǎn)化(zhuǎnhuà)(transformation)供體菌裂解游離的DNA片段被受體菌直接攝取，使受體菌獲得新的遺傳性狀的過程稱為(chēnɡwéi)轉(zhuǎn)化。

第三十一頁，共四十六頁。肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化試驗

轉(zhuǎn)化(zhuǎnhuà)試驗第三十二頁，共四十六頁。轉(zhuǎn)導(dǎo)(zhuǎndǎo)(transduction)以溫和噬菌體為媒介，把供體菌的DNA小片段攜帶到受體菌中，通過交換與整合使受體菌獲得供體菌的部分遺傳性狀稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)(zhuǎndǎo)。細(xì)菌的轉(zhuǎn)導(dǎo)又可分為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)。第三十三頁，共四十六頁。噬菌體吸附(xīfù)大腸桿菌示意圖第三十四頁，共四十六頁。噬菌體裂解(lièjiě)大腸桿菌示意圖第三十五頁，共四十六頁。溶菌性周期毒性(dúxìnɡ)噬菌體溶原性周期前噬菌體溶原性細(xì)菌溫和噬菌體噬菌體感染(gǎnrǎn)細(xì)菌的結(jié)果第三十六頁，共四十六頁。普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)：完全(wánquán)轉(zhuǎn)導(dǎo)和流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)

普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖第三十七頁，共四十六頁。局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)(zhuǎndǎo)：

普遍(pǔbiàn)轉(zhuǎn)導(dǎo)：裝配錯誤局限轉(zhuǎn)導(dǎo)：脫落錯誤第三十八頁，共四十六頁。當(dāng)噬菌體感染細(xì)菌時，宿主菌染色體中獲得了噬菌體的DNA片段，使其成為溶原狀態(tài)(zhuàngtài)時，而使細(xì)菌獲得新的性狀。溶原性轉(zhuǎn)換(zhuǎnhuàn)(lysogenicconversion)第三十九頁，共四十六頁。接