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第四章细菌的遗传和变异 1 遗传 heredity 是子代与亲代的相似性 保证了物种的稳定性 变异 variation 是子代与亲代的差异 有利于物种的进化 遗传变异 genotypicvariation 表型变异 phenotypicvariation 2 细菌的基因组基因突变基因转移与重组遗传变异在医学上的意义 3 学习重点与难点 1 细菌遗传物质的种类 染色体 质粒 噬菌体 转位因子 整合子2 细菌基因的水平转移 1 转化 接合 转导 溶原性转换的概念及其在临床实践中的意义 2 耐药质粒与耐药性的传播 4 第一节细菌基因组 包括染色体 外源性DNA 质粒 噬菌体 及可移动元件 插入序列 转座子 整合子 Genome包含菌细胞的全部遗传信息 构成细菌的基因型 决定细菌的生物学特性 5 一条环状双螺旋的双链DNA dsDNA 按一定结构反复回旋成松散的网状结构附着于横隔中介体或细胞膜 一 细菌染色体 chromosome 6 1 特点 相对较小 只有一个复制起始位点多数基因为单拷贝功能相关的基因高度集中成操纵子具有连续基因结构 无内含子非编码序列较少 且编码序列多无重叠具有各种功能的识别区 含有特殊顺序 7 细菌染色体的复制 半保留复制 8 2 致病岛 pathogenicityisland 位于致病菌染色体上 编码毒力相关因子的外源性DNA片断 常为分子量较大 20 100kbp 的基因群两侧往往含有重复序列或插入序列G C 与密码使用与细菌染色体有明显差异 9 细菌染色体外的遗传物质 为环状闭合或线状dsDNA 能自我复制 赋予细菌的某些重要的生物学性状 并非细菌生命活动所必需 可以自然丢失 也可以在细菌间转移 具有相容性与不相容性 二 质粒 plasmid 10 11 12 质粒的分类 1 接合性质粒与非接合性质粒2 严紧型质粒与松弛型质粒3 相容性质粒与不相容性质粒4 具质粒基因编码的生物学性状分类 致育性质粒 F 耐药性质粒 R 毒力质粒 Vi 细菌素质粒 col 代谢质粒 13 三 转座元件 tranponsableelement 不依赖于同源重组即可在细菌基因组中改变自身位置的独特DNA序列 其转位导致了细菌基因的不稳定性和高突变率 14 广泛存在于G 菌和G 菌中插入位点不存在同源性核苷序列转位作用主要依靠自身合成的特异性转座酶转位发生范围广 1 特点 15 保留型转位通过转座酶切割转座元件 再插入到新位点复制型转位转座元件的一个拷贝保留于供体原位 另一拷贝插入新位点 2 转位类型 16 插入序列转座子转座性噬菌体整合子 3 转座元件的种类 17 1 插入序列 insertionsequence IS 最简单的转座元件 长度小于2kb不携带任何与转位功能无关的基因区域可能导致插入点附近基因表达改变 18 2 转座子 transposon Tn 结构复杂 大小约2 2 5kb除携带转位有关基因 还带多种结构基因可导致插入突变 基因重排或插入点附近基因表达改变 19 复合型转座子两端IS 中间耐药基因 是细菌耐药形成的重要原因Tn3系转座子两端重复序列 中间抗生素相关基因及转座相关基因接合性转座子无末端重复序列 通过接合作用转位 Tn的三种类型 20 3 转座噬菌体 Mu噬菌体 具有转座功能的溶原性噬菌体从细菌染色体脱落时 可能携带细菌DNA片段随之转位Mu噬菌体是分子克隆中的重要工具 21 4 整合子 Integron In 一种可移动的DNA分子 具有独特结构可捕获和整合外源性基因 使之转化为功能性基因的表达单位 存在于染色体 质粒或转座子上 是细菌固有的遗传单位 22 5 CS 3 CS intI gene2 gene1 attI A B C P1 P2 attC 整合子 基因盒系统的结构 5 端保守区 5 CS 中间可变区 基因盒 3 端保守区 3 CS 整合酶基因intI重组位点attIP1 P2启动子 结构基因 多耐药基因 特异性重组位点attC 23 intI基因 编码整合酶 催化基因盒在重组位点的整合及切除 据基因序列分为6类 短小的可移动DNA 只含有一个结构基因及一个特异性重组位点 attC 不含启动子 多为耐药基因 基因盒 24 许多相关基因串联排列在细菌染色体的特定部位 上游有启动子或调控信号序列与操纵基因序列 共同构成的转录单位 四 基因表达的调节系统 1 操纵子 operon 25 启动子或调控信号序列调节操纵子表达相关基因同时转录翻译 形成功能相关蛋白质功能蛋白质正负反馈调控操纵子 2 操纵子的调控 26 第二节细菌基因突变 自发突变诱导突变 点突变染色体畸变 细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变 导致细菌发生遗传性变异 27 1 基因突变的规律 稀有性及可诱导性突变与选择可逆性与回复突变 28 2 基因突变的分子机制 碱基置换包括转换与颠换 不一定引起编码产物氨基酸序列的改变移码突变序列移位可导致后面的密码意义发生错误 而产生无功能肽类和蛋白质 29 3 突变型细菌及其应用 抗性突变型耐药突变菌株用于研究药物作用机制及细菌耐药机制营养缺陷突变型用于研究细菌的生物合成代谢途径条件致死性突变型温度敏感突变株发酵阴性突变型突变造成某种酶缺陷 失去发酵某种糖的能力 30 第三节基因的转移与重组 转移与重组是细菌在短时间内产生多种基因组合以更好适应环境的最重要原因 打破亲缘关系的界限 可获得更多遗传信息 31 一 重组的类型 同源重组发生在有共同起源的基因间 需recA蛋白酶参与非同源重组不需DNA片段的同源性 需位点专一重组酶参与 32 二 转移与重组的方式 转化接合转导溶原性转换原生质体融合 33 供体菌受体菌 游离DNA直接摄取 1 转化 transformation 34 1 转化条件 供 受体菌的基因型同源性 转化因子不超过20个基因受体菌的生理状态感受态环境因素Ca2 Mg2 cAMP等可维持DNA稳定性 促进转化 35 2 感受态 competence 细菌表面出现有利于外源DNA摄入的状态 如表达利于DNA吸附及摄入的酶和蛋白质 细胞带正电 细胞膜通透性增高等 常出现在细菌的对数生长末期 持续时间不一 低渗的氯化钙 冷休克可人工诱导感受态 36 3 转化过程 37 供体菌受体菌 性菌毛 接合性质粒或染色体DNA 2 接合 conjugation 38 接合性质粒携带tra基因簇 编码约40基因 参与接合转移过程 排斥F质粒进入F 菌性菌毛的合成与组装维持配接时的稳定切割解旋DNA 并促使转移链的进入 39 1 F F 2F 40 F质粒可整合到细菌染色体上 引起宿主菌染色体发生高频率转移到F 菌 Hfr菌也可重新变为F 菌 2 高频重组菌株 Highfrequencyofrecombination Hfr 41 Hfr F Hfr F 42 Hfr菌上的F质粒被异常切割时 常带有染色体上几个邻近的基因 可导致其再感染菌遗传物质的改变 此为性导 3 F 质粒 43 4 R质粒的接合 耐药传递因子 RTF 编码性菌毛 决定质粒的复制 接合和转移耐药决定因子决定细菌的多重耐药性 R质粒还可诱导非接合性质粒的传递 被称为传染性耐药因子 44 供体菌受体菌 噬菌体 转导现象只发生在同种细菌之间 3 转导 transduction 供体DNA片段 45 裂解末期的装配错误所致 可转导供体菌的任一基因片段 会产生完全转导和流产转导两种结果 1 普遍性转导 Generalizedtransduction 46 47 48 溶原期的偏差脱落所致 只转导供体菌染色体上个别特定的基因片段 2 局限性转导 restrictedtransduction 49 普遍性转导与局限性转导的区别 50 4 溶原性转换 lysogenicconversion 温和噬菌体以前噬菌体的形式与细菌染色体发生重组 导致细菌获得新的性状 51 5 原生质体融合 protopastfusion 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 进行彼此融合的过程 聚乙二醇可促使融合经基因交换与重组 可获得多种表型的重组融合体一种人工基因转移系统 52 细菌的耐药性 获得性耐药 细菌耐药的机制 遗传机制 生化机制 固有耐药 53 第四节细菌遗传变异在医学上实际的意义 54 一 形态结构变异与细菌学诊断 在外界因素作用下 细菌可失去其典型的形态 结构 在临床细菌学诊断中 应充分了解细菌变异现象及规律 55 形态变异 3 6 食盐鼠疫杆菌 多形态性 衰残型 琼脂培基 56 L型变异 青霉素 溶菌酶正常形态细菌 L型变异 部分或完全失去胞壁 57 特殊结构变异 变形杆菌 H 1 石炭酸 O 迁徙生长菌落样生长 58 二 耐药性变异与控制 金葡菌耐药菌株已上升至90 以上 有些菌还表现为多重耐药性 甚至产生药物依赖性 药物敏感试验耐药监测耐药机制研究 59 三 毒力变异与疾病控制 炭疽减毒活疫苗布鲁菌减毒活疫苗鼠疫耶尔森菌减毒活疫苗 胆汁 甘油 马铃薯培养基牛型结核杆菌 卡介苗13年 230代 60 四 流行病学分析方面的应用 将分子生物学方法用于流调追踪基因水平的转移与播散PFGE 质粒谱分析 RFLP 核酸序列分析等 61 五 检测致癌物质方面的运用 凡能诱导突变的物质有可能是潜在致癌物利用细菌试验筛选可疑致癌物 62 六 基因工程方面的运用 DNA体外重组技术不同种属个体间的遗传物质可相互转移和重组有利于疾病的特异性防治 63 小结 细菌基因组的主要组成染色体和质粒 细菌基因组中的转座元件插入序列 转座子和整合子 细菌基因突变 细菌基因转移与重组的主要方式转化 接合 转导 溶原性转换 细菌遗传变异在医学上的实际意义 64 1 简述质粒的概念及其特点 2 细菌的转座元件有哪些 简述它的医学意义 3 简述细菌基因转移与重组的方式 4 微生物的遗传变异在医学上有何实际意义 5 结合所学知识 试分析细菌耐药的遗传学机制 思考题 65 中英文关键词 keywords 染色体Chromsome噬斑plaque质粒Plasmid转化Transformation转座原件TransposableElements转导Transduction温和噬菌体Lysophage temperate phage接合Conjugation毒性噬菌体VirulentphageR质粒Rplasmid前噬菌体ProphageF因子Ffactor溶原性转换Lysogenicconversion转座子Transposon Tn溶原性细菌Lysogenicbacterium整合子Integron In普遍性转导Generaltransduction突变Mutation高频重组菌株Highfrequencyofrecombination Hfr 66 1 BrooksGF CarrollCK ButelJS etal Jawetz Melnick Adelberg sMedicalMicrobiology 25thed LANGEBasicScience McCrawHillCo 2009 2010 page97 118 2 LangAS ZhaxybayevaO BeattyJT Genetransferagents phage likeelementsofgeneticexchange NatRevMicrobiol 2012 10 7 472 82 3 CasasV MaloyS Roleofbacteriophage encodedexotoxinsintheevolutionofbacterialpathogens FutureMicrobiol 2011 6 12 1461 73 4 MuzziA DonatiC Populationgeneticsandevolutionofthepan genomeofStreptococcuspneumoniae IntJMedMicrobiol 2011 301 8 619 22 5 LazcanoA Naturalhistory microbesandsequences shouldn twelookbackagaintoorganisms PLoSOne 2011 6 8 e21334 6 WiedenbeckJ CohanFM Originsofbacterialdiversitythroughhorizontalgenetictransferandadaptationtonewecologicalniches FEMSMicrobiolRev 2011 35 5 957 76 7 AndamCP FournierGP GogartenJP Multilevelpopulationsandtheevolutionofantibioticresistancethroughhorizontalgenetransfer FEMSMicrobiolRev 2011 35 5 756 67 课外阅读资料 67 8 SkippingtonE RaganMA Lateralgenetictransferandtheconstructionofgeneticexchangecommunities FEMSMicrobiolRev 2011 35 5 707 35 9 vanReenenCA DicksLM Horizontalgenetransferamongstprobioticlacticacidbacteriaandotherintestinalmicrobiota whatarethepossibilities ArchMicrobiol 2011 193 3 157 68 10 LeungMM FlorizoneSM