生物專業(yè)細菌的遺傳和變異專家講座

醫(yī)學微生物學

MedicalMicrobiology基礎醫(yī)學院微生物學系鄔國軍生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第1頁第四章細菌遺傳和變異生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第2頁★遺傳（heredity）子代與親代生物學性狀基本相同，且代代相傳?！镒儺悾╲ariation）子代與親代以及子代與子代之間生物學性狀出現(xiàn)差異。概述生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第3頁★遺傳性變異——基因型變異（genotypicvariation）★非遺傳性變異——表型變異（phenotypicvariation）變異生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第4頁一、形態(tài)與結構變異二、菌落變異三、毒力變異四、耐藥性變異……細菌變異實例生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第5頁

※Bacterialchromosome(細菌染色體)※Plasmid(質(zhì)粒)※Phage(噬菌體)細菌遺傳變異物質(zhì)基礎：細菌基因組生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第6頁一.細菌基因組主要組成第一節(jié)細菌基因組(BacterialGenome)包含細菌染色體、質(zhì)粒及噬菌體基因組生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第7頁環(huán)狀雙螺旋雙鏈DNA,無組蛋白，為裸露核酸分子。B.操縱子

[Op(e)ron]結構。C.無內(nèi)含子，轉錄后無需剪切修飾。D.結構基因無重合。E.大多數(shù)基因為單拷貝。細菌染色體特點：1.細菌染色體生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第8頁Thestructureofoperon生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第9頁A.環(huán)狀雙螺旋雙鏈DNA,無組蛋白，為裸露核酸分子。B.操縱子

[Op(e)ron]結構。C.無內(nèi)含子，轉錄后無需剪切修飾。D.結構基因無重合。E.大多數(shù)基因為單拷貝。1.細菌染色體特點：生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第10頁F.種內(nèi)或種間存在廣泛基因交換◎Pathogenicislands(致病島)[alsocalledtoxicislands(毒力島),fitnessislands(適應島),

ecologicalislands(生態(tài)島),symbiosisislands(共生島)]◎Resistantgene(耐藥基因)生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第11頁致病島致病菌染色體上編碼與毒力相關基因外源性DNA片段(分子量較大基因群)。如adherencefactors,toxins,ironuptakesystems,invasionfactorsandsecretionsystems.★外源性DNA片段兩側含有重復序列或插入序列，且G+C百分比和密碼子使用偏向性與宿主菌染色體有顯著差異。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第12頁E.種內(nèi)或種間存在廣泛基因交換◎Pathogenicityislands（alsocalledToxicityIslands,fitnessislands,ecologicalislands,symbiosisislands）◎Resistantgene生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第13頁(1)概念:

細菌染色體外遺傳物質(zhì)，為環(huán)狀閉合或線性雙鏈DNA分子，能于細菌DNA外獨立復制。2.

Plasmid(質(zhì)粒)生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第14頁(2)特點：①

含有自我復制能力。②

編碼基因產(chǎn)物能賦予細菌一些特征

(非細菌生命活動不可缺乏)。③

質(zhì)?？勺孕衼G失與消除。④

質(zhì)粒含有轉移性。⑤質(zhì)粒含有相容性與不相容性。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第15頁①Accordingtotransferproperties

◎Conjugativeplasmids(接合性質(zhì)粒):

Conjugativeplasmidscontainso-calledtra-genes,whichperformthecomplexprocessofconjugation,thesexualtransferofplasmidstoanotherbacterium

◎Nonconjugativeplasmids(非接合性質(zhì)粒):

Non-conjugativeplasmidsareincapableofinitiatingconjugation,buttheycanbetransferredtogetherwithconjugativeplasmids,duringconjugation.

(3)分類生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第16頁②Phenotypiceffects

◎Fertilityplasmid(Ffactor，致育質(zhì)粒)

——whichcontainonlytra-genes.Theonlyfunctionistoinitiateconjugation.生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第17頁◎Bacteriocinogenicplasmids(細菌素質(zhì)粒)——whichcontaingenesthatcodefor

bacteriocin,proteinsthatcankillotherbacteria.SuchasColplasmidcanencodecolicin

生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第18頁◎Resistanceplasmids(Rfactors,

耐藥性質(zhì)粒)

whichcontaingenesthatcanestablisharesistanceagainstantibioticsorpoisons.HistoricallyknownasR-factors,beforethenatureofplasmidswasunderstood.生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第19頁RTFRdeterminantRTF(ResistanceTransferFactor)■Conjugativeplasmid■TransfergenesRdeterminant■Resistancegenes■Transposons生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第20頁◎

Virulenceplasmids(毒力質(zhì)粒),whichturnthenon-pathogenicbacteriaintoapathogen.◎

Metabolism

plasmids(代謝質(zhì)粒),alsocalleddegrativeplasmids,whichenablethedigestionofunusualsubstances,e.g.,toluyl(甲苯酰)orsalicylicacid(水楊酸).生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第21頁③Accordingtothecopynumberofaplasmidinthehostcell,plasmidscanbeclassifiedintotwogroups,thatisstringentplasmid(嚴緊型質(zhì)粒)andrelaxedplasmid(松弛型質(zhì)粒)④Onthebasisofcompatibility,plasmidscanbeclassifiedintoincompatibility(不相容性)andcompatibility(相容性)plasmids.生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第22頁3.噬菌體基因組(genomeofphage)

生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第23頁轉位因子

(Transposableelements

)，又稱為轉座元件。不依賴于同源重組即可在細菌或其它生物基因組（如染色體、質(zhì)粒及噬菌體基因組）中改變本身位置獨特DNA序列，又稱為跳躍基因（jumpinggenesormovablegenes）.1.定義二.細菌基因組中主要特殊結構生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第24頁麥克琳托克（McClintockB.）（1902－1992）生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第25頁2.特點：(1)非同源重組(2)兩側存在重復序列、插入序列或tRNA.(3)

轉座依賴于其編碼轉座酶。①Intra-chromosome（A—B）②Betweenchromosomeandplasmid③Amongdifferentplasmidsorchromosome生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第26頁3.意義插入突變、基因重排或插入位點附近基因轉錄表示改變。ISH1geneH2geneH1flagellaH2flagella生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第27頁4.分類☆插入序列（Insertionsequence,IS）

☆轉座子（Transposon,Tn）☆整合子（integron，In）生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第28頁(1)插入序列(Insertionsequence,IS)①定義

僅含轉座酶及轉錄調(diào)整蛋白編碼基因轉座元件，是細菌（也包含其它生物）基因組（包含染色體、質(zhì)粒及噬菌體）正常組分。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第29頁②結構特點

Ⅰ.兩側帶長度不一定相等反向重復序列，其中有3～10個bp為轉座酶識別位點。Ⅱ.中心序列僅編碼轉座酶及與轉錄相關調(diào)整蛋白。Ⅲ.插入序列轉座能夠是雙向，即可經(jīng)過正向或反向整合到基因組上。Ⅳ.可獨立存在，也能夠是轉座子一部分。Ⅴ.長度普通在2kbp以下。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第30頁（2）轉座子(Transposon,Tn)①定義除了兩端IS和攜帶轉座酶編碼基因及轉錄調(diào)整蛋白以外還攜帶有一個或多個其它基因（如耐藥基因、重金屬抗性基因等）轉位因子。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第31頁②結構特點Ⅰ.兩側帶IS。Ⅱ.中心序列除編碼轉座酶及與轉錄相關調(diào)整蛋白外，尚帶有其它基因如耐藥基因等。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第32頁③分類依據(jù)結構特點，轉座子能夠分為三類：☆復合型轉座子(Complextransposon)ISnISnAntibioticresistantgeneISnISnAntibioticresistantgeneIRIRIRIR生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第33頁☆Tn3系轉座子(Tn3transposon)IRIRTnpATnpRβ-LacThecentralseparatedarea☆接合型轉座子(Conjugativetransposon)存在于革蘭陽性球菌中，可經(jīng)過接合而轉移。無末端重復序列（正向或反向）。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第34頁常見插入序列及轉座子生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第35頁(3)整合子（integron，In）：①定義整合子是一個運動性DNA分子，含有獨特結構可捕捉和整合外源基因，使之轉變?yōu)楣π曰虮硎締挝?。它?jīng)過轉座子或接合性質(zhì)粒，使多重耐藥基因在細菌中進行水平傳輸。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第36頁★ageneencodingforasite-specificintegrase:intI,belongingtothetyrosineintegrasefamily★aproximalrecombinationsite:attI,whichisrecognizedbytheintegraseandatwhichgenecassettesmaybeinserted★apromoter:Pc,whichdirectstranscriptionofcassette-encodedgenes②結構整合子結構包含兩端高度保守片斷5′CS和3′CS以及中間可變區(qū)?？勺儏^(qū)含有一個或多個可插入基因盒。整合酶(intI)是整合子中一個功效元件。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第37頁※定位于細菌染色體、質(zhì)?；蜣D座子上※基本結構：兩端為保守末端，中間為可變區(qū)，含一個或多個基因盒※整合子含有3個功效元件：重組位點；整合酶基

因；開啟子※經(jīng)過轉座子或接合性質(zhì)粒，使各種耐藥基因在細

菌中進行水平傳輸③特點生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第38頁整合子介導取得耐藥基因盒機制Theintegronmechanismofantibiotic-resistancegenecassetteacquisitionattC，基因盒重組位點；attI，整合子重組位點；Pant，基因盒表示開啟子；qac，季銨鹽類化合物耐藥基因;sul，磺胺類耐藥基因。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第39頁5、轉座元件轉座類型GeneshiftorrearrangementismediatedbyISorTn.Therearetwokindsoftransposition,i.e.replicativetransposition（復制型轉座）,conservativetransposition（保守型轉座）。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第40頁ReplicativetranspositionAfterthetransposableelementswerereplicated,onecopymovestoanewposition,whiletheotherisleftinitsnormalposition

Conservativetransposition

Transposableelementsmovefromthenormalpositiontoanewposition生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第41頁生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第42頁ReplicativetranspositionAfterthetransposableelementswerereplicated,onecopymovestoanewposition,whiletheotherisleftinitsnormalpositionConservativetransposition

Transposableelementsmovefromthenormalpositiontoanewposition生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第43頁生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第44頁第二節(jié)細菌基因突變生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第45頁一、定義二、類型：點突變、插入突變、缺失突變等。三、細菌基因突變規(guī)律1.突變頻率Themutationalfrequencyofspontaneousmutation(自發(fā)突變)

isabout10-10~10-6,whilesomemutagencanincreasethemutationalfrequencywith10-1000times,thatistosaythatthemutationalfrequencyofinducedmutation(誘發(fā)突變)canreachto10-6~10-4.生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第46頁2.突變與選擇

★Is

mutationinducedbyenvironmentalfactor?

★Isittakeplaceatrandom,nondirectional?生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第47頁In1943and1952,LuriaandLederbergdesignedveryfamousexperimentsnamedfluctuationtest(彷徨試驗)andreplicaplating（影印培養(yǎng)）,respectively,andtheresultofthesetwoexperimentsansweredtheabovequestionperfectly。

生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第48頁Fluctuationtest(彷徨試驗)生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第49頁Theprincipleofreplicaplating生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第50頁Conclusion

A.Mutationistakeplacespontaneouslyandatrandom.B.Environmentalfactorssuchasantibioticsisnotthemotivationofmutation,theonlyfunctionofthesefactorsisselection.生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第51頁wildstrain

(野生株)mutantstrain(突變株)forwardmutationreversemutationMechanism:

inhibitinggenemutationistakeplaceinmutantstrain.Reversemutationcantakeplacespontaneouslyorbyinduce.3.回復突變(Reversemutation)生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第52頁

Suppressormutationtakesplaceindifferentgene.TypesofreversemutationReversemutationIntragenicsuppressor

(基因內(nèi)抑制)

Extragenicsuppressor

(基因間抑制)Suppressormutationtakesplaceindifferentsiteofthesamegene.生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第53頁genotypemechanismstrainphenotypeBeforemutatinwildstrainsensitivePost-mutationmutantstrainresistant

Intragenicreversalmutantsensitivesuppressor

strainIdeographofreversemutationgenotype

Intergenicreversalmutantsensitivesuppressor

strain生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第54頁4.突變型細菌及其分離

自學自學思索題細菌有哪幾個常見基因突變型，其各自主要性狀分離方法是什么？生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第55頁第三節(jié)基因轉移與重組1.Basicconcept(1)

Genetransfer(基因轉移)orgeneexchange(基因交換)

TheprocessthatDNAtransferfromdonortorecipient.(2)Generecombination(基因重組)

TheprocessthatexogenousDNAintegratewiththechromosomeofplasmidoftherecipientcell,resultinthechangeofthegenotypeandbecomearecombinantbacteria.生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第56頁2.Themainwaysofgenetransferandrecombination：

※轉化(Transformation)※轉導(transduction)※接合(conjugation)※溶原性轉換(lysogenicconversion)※原生質(zhì)體融合(protoplastfusion)生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第57頁(1)轉化

(Transformation)

①定義

受體菌直接攝取供體菌DNA片段而取得新遺傳性狀過程。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第58頁②肺炎鏈球菌轉化試驗1928,Griffith1944Avery生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第59頁生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第60頁③轉化機制生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第61頁④影響轉化原因Ⅰ．DNA大小DoublestrandedDNAofatleast5×105

daltonsworksbest.Inaddition,theconcentration,purityandconfigurationoftargetDNAcanalsoaffecttheprocessoftransformation.Ⅱ．供體菌與受體菌親緣關系生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第62頁Ⅲ．受體菌生理狀態(tài)SomebacteriaareabletotakeupDNAnaturally.However,thesebacteriaonlytakeupDNAataparticulartimeintheirgrowthcyclewhentheyproduceaspecificproteincalledacompetencefactor.Thebacteriaatthisstagearecalledcompetent.MostbacteriaarenotabletotakeupDNAnaturally.However,inthesebacteriacompetencecanbeinducedinvitrobytreatmentwithchemicals(e.g.CaCl2).生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第63頁Ⅳ．環(huán)境原因：Ca++，Mg++，cAMP等由于有利于維持DNA穩(wěn)定性，故含有促進轉化作用。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第64頁(2)接合(Conjugation)①定義

經(jīng)過性菌毛連接溝通，將遺傳物質(zhì)由供體菌轉給受體菌方式。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第65頁②F質(zhì)粒接合Ⅰ.F因子基本知識※功能——編碼性菌毛產(chǎn)生※復制方式——滾環(huán)復制或與宿主菌染色體整合而隨著宿主菌染色體復制而復制。※存在形式:

F+

菌——包含游離F質(zhì)粒細菌

Hfr菌——高頻重組菌

(highfrequencyrecombinant)F質(zhì)粒整合到宿主菌基因組中.

F’

菌——含有游離F’質(zhì)粒（F質(zhì)粒上整合了部分宿主基因組片段）生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第66頁F-F+HfrF’ConjugatewithF+CuringIntegrateexcisionDeviationalexcisionCuringIntegrateConjugatewithF’Ⅲ．TransformofE.coliFplasmid生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第67頁Ⅳ．F質(zhì)粒接合類型☆F+×F-

接合生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第68頁☆

Hfr×F-接合生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第69頁☆

F’×F－接合生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第70頁（3）轉導(Transduction)①定義

由噬菌體介導，將供體菌DNA片段轉入受體菌，使受體菌取得供體菌部分遺傳性狀。生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第71頁②轉導類型Generalizedtransduction(普遍性轉導)TransductioninwhichpotentiallyanydornorbacterialgenecanbetransferredRestrictedtransduction

（不足轉導）

Transductioninwhichonlycertaindonorgenescanbetransferred生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第72頁Ⅰ．普遍性轉導(GeneralizedTransduction)Potentiallyanydonorgenecanbetransferred生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第73頁ThefateofexogenousDNAinGeneralizedTransductioni)Completetransduction(完全轉導)ii)Abortivetransduction(流產(chǎn)轉導):生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第74頁Ⅱ．不足轉導(Restrictedtransduction)

(LysogenicPhage)生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第75頁Ⅲ．DifferencebetweengeneralizedtransductionandRestrictedtransduction(discuss)生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第76頁

GeneralizedRestrictedVectorTargetgeneTimeCausePseudophageDefectivephageAnydornorgeneCertaindonorgeneBacteriolysisphaseLysogenicphaseErrorassembleErrorexcision生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第77頁(4)溶原性轉換(LysogenicConversion)①定義溶原性轉換是指侵入細菌噬菌體在溶原期，以前噬菌體形式與細菌染色體發(fā)生重組，造成細菌基因發(fā)生改變。溶原性細菌可因之而取得新特征，如白喉桿菌、產(chǎn)氣莢膜桿菌和肉毒桿菌分別可因溶原性轉換而分別成為可產(chǎn)生白喉毒素、α毒素和肉毒素有毒株。

生物專業(yè)細菌的遺傳和變異第78頁②ExampleCorynebacteriumdiphtheriae

(Doesnotproducediphtheratoxin)β-corynebacteriapha