课件：第4章 细菌的遗传与变异.ppt

第四章 细菌的遗传与变异 (heredity and variation),第一节 细菌的遗传物质 第二节 细菌基因突变 第三节 基因的转移和重组 第四节 细菌遗传变异的医学意义,基本概念,遗传(heredity)：子代与亲代性状的相似性。（Heredity is the transfer of characteristics from parent to offspring through their genes.） 变异(variation)：子代与亲代性状的差异性。 表型变异(phenotypic variation)：基因结构未改变，不可遗传。 基因型变异(genotypic variation)：基因结构的改变，可遗传的。,细菌的遗传与变异,一、细菌的变异现象 形态结构的变异：L型细菌，荚膜变异，鞭毛变异。 2. 抗原性变异。 3. 菌落变异。 4. 毒力变异：卡介苗。 5. 耐药性变异。,形态结构变异,3-6%食盐 鼠疫耶氏菌 多形态性 陈旧培基物,青霉素、溶菌酶 正常形态细菌 L型变异 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁),特殊结构的变异 42-43 炭疽杆菌 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天 变形杆菌 0.1%石炭酸 迁徙生长（H） 点状生长、单个菌落（O）,毒力变异,增强 棒状噬菌体 白喉棒状杆菌 获得白喉毒素 减弱 胆汁、甘油、马铃薯培养基 牛分枝杆菌 卡介苗 13年(230代),耐药性变异,细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。 有些细菌还同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。 含链霉素培基 痢疾杆菌 依链株 长期培养,菌落变异,在陈旧培养基中长期培养 光滑型菌落 粗糙型菌落 S R 原因：失去LPS的特异多糖,第一节 细菌遗传物质,一、细菌的染色体 二、质粒 三、噬菌体基因组 四、转座因子 五、整合子,一、细菌染色体,细菌的染色体通常仅由一条环状双链DNA分子组成细菌的染色体相对聚集在一起，形成一个较为致密的区域，称为类核（nucleoid）。类核无核膜与胞浆分开，类核的中央部分由RNA和支架蛋白组成，外围是双链闭环的DNA超螺旋。,The bacterial chromosome 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,细菌染色体的特点,（1）环状或线性dsDNA，较小5805220kb； （2）有操纵子结构； （3）非编码区少； （4）不编码的DNA部份所占比例比真核细胞基因组少得多； （5）在细菌基因组中编码顺序一般不会重叠，即不会出现基因重叠现象； （6）蛋白质基因单拷贝，RNA基因多拷贝； （7）在DNA分子中具有各种功能的识别区域如复制起始区OriC，复制终止区TerC，转录启动区和终止区等。这些区域往往具有特殊的顺序，并且含有反向重复顺序。,Circular representations of the Shigella genomes.,Fan Yang, Jian Yang, Xiaobing Zhang, et al. Nucleic Acids Research, 2005, Vol. 33, No. 19,致病岛或毒力岛（Pathogenicity island）是指细菌染色体上一段具有典型结构特征的基因簇，主要编码与细菌的毒力相关的产物。 毒力岛的形成是细菌通过基因组水平转移，从一种病原菌转移到另一种细菌中。 毒力岛的功能是直接或间接地增强了细菌的适应性，使细菌和宿主之间相互影响，有助于细菌生态学的适应性和致病性，并推进了细菌的演变。,A. The cag island of H. pylori (cause of stomach ulcers) harbors genes for a type IV secretion system that can translocate the toxin CagA into human cells, causing an inflammatory response. B. The SP-1 island of Salmonella 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 island of Yersinia enterocolitica has 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 of multiple drug-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) encodes a remarkably high number of enterotoxins.,二、质粒(plasmid)：细菌染色体外的遗传物质，环状闭 合的双股DNA。 可编码许多重要的生物学性状。 质粒DNA的特性: 具有自我复制能力。 紧密型质粒；松弛型质粒。 编码的基因产物赋予细菌某些性状特征。 可自行丢失与消除。 可在细菌间转移。 分相容性与不相容性两种。,http:/www.cbs.dtu.dk/services/gwBrowser/precalc/project.php?pid=13146,Available atlases for Shigella boydii Sb227,几种重要的质粒 致育质粒（F质粒） 耐药质粒 毒力质粒（Vi质粒） 细菌素质粒 代谢质粒,四、转位因子,转位因子(transposable element)：存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段特异性核苷酸序列片段，能在DNA分子中移动。 种类： 插入序列（insertion sequence, IS） 转座子（transposon, Tn） 转座噬菌体：是一些具有转座功能的溶原性噬菌体。,插入序列（insertion sequence,IS） 是最小的转位因子，2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域。 转座子（transposon,Tn） 2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因。 可能与细菌的多重耐药性有关。,Tn,插入序列和转座子的模式图,常见的插入序列和转座子,五、整合子,整合子(Integron，In )：是一种运动性DNA分子，可捕获和整合外源性基因，使其转变为功能性基因的表达单位。 整合子定位于染色体和质粒或转座子上，由两端的保守末端和中间的可变区构成，含三个功能元件：整合酶基因、重组位点和启动子， 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 between 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-gene cassette system.,第二节 细菌基因突变,基因突变 是指DNA碱基对的置换、插入或缺失所致的基因结构的变化。可分点突变和染色体畸变。 碱基置换包括转换和颠换；插入或缺失导致移码突变。,突变的类型 -倒位、重复、缺失、置换、插入,一、基因突变规律,1自发突变与诱发突变 ：自发突变自然发生，是随机的、不定向的。 人工诱导产生的突变为诱发突变，可提高细菌的突变率，许多理化因子都具诱变活性。 2突变率： 是指细菌生长时发生突变的频率。自发突变率为109106，诱发突变率可提高101000倍，达到106104左右。 3突变与选择： 要从菌群中找出个别突变株，必须将菌群置于一种有利于突变株而不利于其他菌的环境中，才能将突变株筛选出来。 4回复突变与抑制突变：从自然界分离的未发生突变的菌株称为野生型。相对野生型菌株发生某一性状的改变，成为突变型。由野生型变为突变型是正向突变，经再次突变又恢复到原来的性状，称为回复突变。回复突变往往不是基因型恢复，而是表型的恢复。,二、突变型细菌及其分离,1抗性突变型 包括噬菌体抗性突变和耐药性突变。 2营养缺陷突变型 细菌由原来能合成某种营养物质的原养型，突变为不能合成该物质的营养缺陷型。可用选择培养基筛选。 3条件致死突变型 突变的细菌在某些特定条件下不能存活，而在另一适当条件下仍可正常生长。如温度敏感突变株（temperature sensitive mutant，Ts株），可作为菌苗。 4发酵阴性突变型 突变造成某种酶的缺陷，使细菌失去发酵某种糖的能力。,Replica plating method for detection of nutritional mutants.,温度敏感突变株的筛选,第三节 基因的转移和重组,基因转移（gene transfer） 外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过程称为基因转移。 重组（recombination） 基因重组是指由于不同DNA链的断裂和连接而产生的DNA片段的交换和重新组合，形成新的DNA分子的过程。 重组产物为重组体DNA (recombinant DNA) 。,重组的类型,（1）同源重组 (homologous recombination )：是指发生在姐妹染色单体（sister chromatin) 之间或同一染色体上含有同源序列的DNA分子之间或分子之内的重新组合。其主要特点是需要一系列的蛋白质催化。 （2）位点特异性重组（site-specific recombination）：重组发生在特殊位点上，此位点含有短的同源序列，供重组蛋白识别。 （3）转座重组（transposition recombination）：由转座因子产生的特殊的行为。转座的机制依赖DNA的交错剪切和复制，但不依赖于同源序列。 （4）异常重组：分为两类，末端连接和链滑动。其特征时重组对中很少或没有序列同源性，所以也称为非同源性重组。,Homologous recombination between pSL4 and E.coli CSH60-31 chromosomal DNA,大肠杆菌tyrR基因剔除及其对苯丙氨酸生物合成的影响. Knockout of tyrR Gene in Escherichia coli and Its Effects on the Phenylalanine Biosynthesis. BIOCHIMICA et BIOPHYSICA SINICA . 2003, 35(8): 728733,Phage attachment sites are regions of DNA required for site-specific recombination.,Molecular process of site-specific recombination by transposition,细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、溶原性转换和原生质体融合等方式进行。,基因的转移,转化（transformation）,转化：供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。,小鼠体内肺炎链球菌转化试验,转化因子（transforming principle ） 在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子 ，分子量小于107，最多不超过1020个基因。 感受态（competence）,Mechanism 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 proteins, and recombination with homologous regions of the bacterial chromosome mediated by RecA protein occurs. (d) Transformed cell.,接合（conjugation）,细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。 接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，F质粒、R质粒和毒力质粒等。 非接合性质粒：亦叫不能自我转移的质粒。它们虽然具有自主复制的遗传信息，但失去了控制细胞接合转移的基因，因此是不能够从一个细胞自我转移到另一个细胞， ColE1质粒。,conjugation,conjugation,R质粒的接合 日本首先分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重耐药菌株，多重耐药性很难用基因突变解释。 健康人中大肠埃希菌30%50%有R质粒，而致病性大肠埃希菌90%有R质粒。 与多重耐药性有关，耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。,R质粒 耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF） 与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移 耐药（r）决定子,质粒的接合过程模式图,转导（transduction）,以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。 普遍性转导（generalized transduction） 局限性转导（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 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.,普遍性转导(generalized transduction) ：在噬菌体DNA装入外壳蛋白组成新的噬菌体时，大约在1057次装配中有一次装配错误。误将微生物残留的DNA片段装入噬菌体的外壳蛋白中，成为一个转导性的噬菌体。误装的DNA片段可以是菌体染色体上的任何部分，质粒也可被装入，故称普遍性转导。,局限性转导(restricted transduction) ：细菌由溶原期转入裂解期，噬菌体DNA又从微生物染色体上分离。分离时会有10-6机会发生偏差，噬菌体将其本身DNA上的一段留在微生物染色体上，却带走了微生物DNA上二侧中的个别特定的基因。,The mechanism of generalized transduction. In reality, only a very small minority of phage progeny (1 in 10,000) carries donor genes.,Generalized transduction: one possible mechanism by which virus (phage) particles containing host DNA can be formed,供体菌,generalized transduction,局限性转导(restricted transduction),或称特异性转导， 所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。 溶原期时，噬菌体DNA整合在细菌染色体特定部位，噬菌体DNA发生偏差分离，将自身的一段DNA留在细菌染色体上，而带走了细菌DNA上两侧的基因。当其转导并整合到受体菌中，使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。所转导的只限于供体菌上个别的基因。,Normal lytic events and the production of particles transducing the galactose genes in an Escherichia coli cell containing a lambda prophage Under rare conditions, the phage genome is excised incorrectly. Lambda dgal (defective galactose) under the assistance of helper, the defective phage can be replicated and can transduce the galactose genes,结果 完全转导 流产转导,普遍性转导与局限性转导的区别,普遍性转导与局限性转导,溶原性转换（ lysogenic conversion）,当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的DNA片段，使其成为溶原状态时而致细菌获得新的性状。 白喉棒状杆菌、A群链球菌、肉毒梭菌、产气荚膜梭菌、霍乱弧菌,原生质体融合(protoplast fusion),将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行相互融合的过程。聚乙二醇(PEG)起促融合的作用。,第四节 细菌遗传变异在医学上的实际意义,一、影响细菌学诊断 多数细菌变异后，其表型改变很大，以致难以识别。但其基因型的改变不会很大，常用DNA分子杂交及细菌核酸探针等方法来测定某特异性DNA片段，协助诊断。,二、预防耐药菌株的扩散,1为提高抗菌药物的疗效，防止耐药菌