级八制第三细菌的遗传与变异

1、医学微生物学Medical Microbiology基础医学院微生物学系基础医学院微生物学系邬国军邬国军第三章第三章 细菌的遗传和变异细菌的遗传和变异 遗传（遗传（heredity） 子代与亲代的生物学性状基本相同，且代子代与亲代的生物学性状基本相同，且代代相传。代相传。 变异（变异（variation ） 子代与亲代以及子代与子代之间的生物学子代与亲代以及子代与子代之间的生物学性状出现差异。性状出现差异。概概 述述 遗传性变异遗传性变异 基因型变异基因型变异 （genotypic variation ） 非遗传性变异非遗传性变异 表型变异表型变异 （phenotypic variation）

2、变变 异异一、形态与结构变异一、形态与结构变异二、菌落变异二、菌落变异三、毒力变异三、毒力变异四、耐药性变异四、耐药性变异细菌变异实例细菌变异实例第一节第一节 细菌的变异现象细菌的变异现象第二节第二节 细菌的遗传物质细菌的遗传物质一一. 细菌基因组的主要组成细菌基因组的主要组成包括细菌染色体、质粒及噬菌体基因组包括细菌染色体、质粒及噬菌体基因组A. 环状双螺旋双链环状双螺旋双链 DNA, 无组蛋白，为裸露的核无组蛋白，为裸露的核 酸分子。酸分子。 B. 操纵子操纵子 Op(e)ron 结构。结构。C. 无内含子，转录后无需剪切修饰。无内含子，转录后无需剪切修饰。D. 结构基因无重叠。结构基因无

3、重叠。E. 大多数基因为单拷贝。大多数基因为单拷贝。细菌染色体的特点细菌染色体的特点：1. 细菌染色体细菌染色体The structure of operonA. 环状双螺旋双链环状双螺旋双链 DNA, 无组蛋白，为裸露的核无组蛋白，为裸露的核 酸分子。酸分子。 B. 操纵子操纵子 Op(e)ron结构。结构。C. 无内含子，转录后无需剪切修饰。无内含子，转录后无需剪切修饰。D. 结构基因无重叠。结构基因无重叠。E. 大多数基因为单拷贝。大多数基因为单拷贝。1.细菌染色体的特点：细菌染色体的特点：F. 种内或种间存在广泛的基因交换种内或种间存在广泛的基因交换 Pathogenic island

4、s(致病岛致病岛) also called toxic islands (毒力岛毒力岛), fitness islands(适应岛适应岛), ecological islands(生态岛生态岛) , symbiosis islands(共生共生 岛岛) Resistant gene(耐药基因耐药基因)致病岛致病岛 致病菌染色体上编码与毒力相关基因的致病菌染色体上编码与毒力相关基因的外外源性源性DNA片段片段(分子量较大的基因群分子量较大的基因群)。如。如adherence factors, toxins, iron uptake systems, invasion factors and se

5、cretion systems. 外源性外源性DNA片段片段 两侧含有重复序列或插入序列，且两侧含有重复序列或插入序列，且G+C百百分比和密码子使用偏向性与宿主菌染色体有明分比和密码子使用偏向性与宿主菌染色体有明显差异。显差异。E.种内或种间存在广泛的基因交换种内或种间存在广泛的基因交换 Pathogenicity islands（also called Toxicity Islands, fitness islands, ecological islands, symbiosis islands） Resistant gene(1) (1) 概念概念: : 细菌染色体外的遗传物质，为环状闭合

6、细菌染色体外的遗传物质，为环状闭合或线性的双链或线性的双链DNADNA分子，能于细菌分子，能于细菌DNADNA外独立外独立复制。复制。 According to the copy number of a plasmid in the host cell, plasmids can be classified into two groups, that is stringent plasmid(严严 紧型质粒紧型质粒) and relaxed plasmid(松弛型质松弛型质 粒粒) On the basis of compatibility, plasmids can be classifie

7、d into incompatibility(不相不相 容性容性) and compatibility(相容性相容性) plasmids.which contain genes that code for bacteriocin, proteins or peptides that can kill other bacteria. Such as Col plasmid can encode colicin Virulence plasmids(毒力质粒毒力质粒), which turn the non-pathogenic bacteria into a pathogen. Metaboli

8、sm plasmids(代谢质粒代谢质粒), also called degrative plasmids, which enable the digestion of unusual substances, e.g., toluyl(甲苯酰甲苯酰) or salicylic acid(水杨酸水杨酸). which contain genes that can establish a resistance against antibiotics or poisons. Historically known as R-factors, before the nature of plasmids

9、was understood. RTFR determinantResistance Transfer Factor(3) (3) 特点：特点： 具有自我复制的能力。具有自我复制的能力。 编码的基因产物能赋予细菌某些特性编码的基因产物能赋予细菌某些特性 ( (非细菌生命活动不可缺少的非细菌生命活动不可缺少的) )。 质粒可自行丢失与消除。质粒可自行丢失与消除。 质粒具有转移性。质粒具有转移性。 质粒具有相容性与不相容性。质粒具有相容性与不相容性。 不依赖于同源重组即可在细菌或其它生物的不依赖于同源重组即可在细菌或其它生物的基因组（基因组（如染色体、质粒及噬菌体基因组如染色体、质粒及噬菌体基因组

10、）中改）中改变自身位置的独特变自身位置的独特DNA序列，又称为跳跃基因序列，又称为跳跃基因（jumping genes or movable genes）. (1)(1)定义定义3.3.细菌基因组中的可移动元件细菌基因组中的可移动元件麦克琳托克（McClintock B.）（19021992） (2) 特点特点： 非同源重组非同源重组; 两侧存在重复序列、插入序列或两侧存在重复序列、插入序列或tRNA； 转座依赖于其编码的转座酶。转座依赖于其编码的转座酶。 . Intra-chromosome（AB） . Between chromosome and plasmid . Among diffe

11、rent plasmids or chromosomeISH1 geneH2 geneH1 flagellaH2 flagella a. 两侧带长度不一定相等的反向重复序列，其中两侧带长度不一定相等的反向重复序列，其中 有有310个个bp为转座酶的识别位点。为转座酶的识别位点。b. 中心序列仅编码转座酶及与转录有关的调节蛋中心序列仅编码转座酶及与转录有关的调节蛋 白。白。c. 插入序列的转座可以是双向的，即可通过正向插入序列的转座可以是双向的，即可通过正向 或反向整合到基因组上。或反向整合到基因组上。d. 可独立存在，也可以是转座子的一部分。可独立存在，也可以是转座子的一部分。e. 长度一般在

12、长度一般在2.2k bp以下。以下。. 定义定义 除了两端的除了两端的IS和携带的转座酶编码基因和携带的转座酶编码基因及转录调节蛋白以外还携带有一个或多个其及转录调节蛋白以外还携带有一个或多个其他基因（如耐药基因、重金属抗性基因等）他基因（如耐药基因、重金属抗性基因等）的转位因子。的转位因子。a. a. 两侧带两侧带ISIS。b. b. 中心序列除编码转座酶及与转录有关的调节蛋中心序列除编码转座酶及与转录有关的调节蛋 白外，尚带有其它基因如耐药基因等。白外，尚带有其它基因如耐药基因等。.分类分类根据结构特点，转座子可以分为三类：根据结构特点，转座子可以分为三类： 复合型转座子复合型转座子(Co

13、mpositive transposon)ISnISnAntibiotic resistant geneISnISnAntibiotic resistant geneDRDRIRIRISnISnAntibiotic resistant geneIRIRISnISnAntibiotic resistant geneDRDR 复杂型转座子复杂型转座子( (complex transposon) )IRIRTnpATnpR-LacThe central separated areaDRDRTnpATnpR-LacThe central separated areaTn3Tn3系转座子系转座子 接合型

14、转座子接合型转座子(Conjugative transposon) 存在于革兰阳性球菌中，可通过接合而转移。存在于革兰阳性球菌中，可通过接合而转移。无末端重复序列（正向或反向）。无末端重复序列（正向或反向）。Tn916 常见的插入序列及转座子常见的插入序列及转座子. 定义 整合子是一种运动性的DNA分子，具有独特结构可捕获和整合外源基因，使之转变为功能性基因的表达单位。它通过转座子或接合性质粒，使多重耐药基因在细菌中进行水平传播。 a gene encoding for a site-specific integrase: intI, belonging to the tyrosine int

15、egrase family a proximal recombination site: attI, which is recognized by the integrase and at which gene cassettes may be inserted a promoter: Pc, which directs transcription of cassette-encoded genes. . 结构结构 整合子结构包括两端的高度保守片断5CS和3CS以及中间的可变区。可变区含有一个或多个可插入基因盒。整合酶(intI)是整合子中的一个功能元件。. . 特点特点整合子介导的获得耐药基

16、因盒的机制整合子介导的获得耐药基因盒的机制The integron mechanism of antibiotic-resistance gene cassette acquisitionattC，基因盒的重组位点；，基因盒的重组位点； attI，整合子的重组位点；，整合子的重组位点； Pant， 基基因盒表达的启动子；因盒表达的启动子； qac，季铵盐类化合物耐药基因，季铵盐类化合物耐药基因; sul，磺胺，磺胺类耐药基因。类耐药基因。 5、转座元件的转座类型、转座元件的转座类型 Gene shift or rearrangement is mediated by IS or Tn. The

17、re are two kinds of transposition, i.e. replicative transposition（复制型转座）（复制型转座）, conservative transposition（保守型转座）（保守型转座）。Replicative transposition After the transposable elements replicated, one copy moves to a new position, while the other is left in its normal position Conservative transposition

18、Transposable elements move from the normal position to a new positionReplicative transposition After the transposable elements replicated, one copy moves to a new position, while the other is left in its normal positionConservative transposition Transposable elements move from the normal position to

19、 a new position第第3节节 噬菌体噬菌体 (bacteriophage)要求要求1.1.掌握噬菌体的概念及特点掌握噬菌体的概念及特点2.2.掌握溶原性细菌的特点掌握溶原性细菌的特点掌握噬菌体与宿主菌的关系掌握噬菌体与宿主菌的关系1. Definition：是感染细菌、真菌、放线菌或是感染细菌、真菌、放线菌或 螺旋体等微生物的螺旋体等微生物的病毒病毒.2. Characteristics：个体微小个体微小 (small)结构简单结构简单 (simple)核酸单一核酸单一 (single)寄生特异寄生特异 (special)4 S1. Definition：是感染细菌、真菌、放线菌或

20、是感染细菌、真菌、放线菌或 螺旋体等微生物的螺旋体等微生物的病毒病毒.2. Characteristics：个体微小个体微小 (small)结构简单结构简单 (simple)核酸单一核酸单一 (single)寄生特异寄生特异 (special)4 S3.Appearence and stucture： 多为蝌蚪状；少微球形、细杆形多为蝌蚪状；少微球形、细杆形 4. Chemical composition： nucleic aciddsDNA(多多)；ssDNA(少少) +/- ssRNA(少少)；dsRNA(最少最少) protein5. Types (噬菌体与宿主菌的关系噬菌体与宿主菌的关

21、系) Virulent phage(毒性噬菌体毒性噬菌体) Lysogenic phage(溶原性噬菌体溶原性噬菌体) Sheath Tail pinsTail fiberHeadCore(nucleic acid)Capsid(proteins)Ideograph of phage3Shape and stucture： 多为蝌蚪状；少微球形、细杆形多为蝌蚪状；少微球形、细杆形 4Chemical composition： nucleic aciddsDNA(多多)；ssDNA(少少) +/- ssRNA(少少)；dsRNA(最少最少) protein5Types (噬菌体与宿主菌的关系噬菌

22、体与宿主菌的关系) Virulent phage(毒性噬菌体毒性噬菌体) Lysogenic phage(溶原性噬菌体溶原性噬菌体) 1、定义、定义毒性噬菌体毒性噬菌体(virulent phage)： 能在宿主菌内增殖并使宿主菌裂解的噬菌体能在宿主菌内增殖并使宿主菌裂解的噬菌体 1、定义：、定义：溶原性噬菌体溶原性噬菌体(Lysogenic phage or temperate phage)： 感染宿主菌后感染宿主菌后不增殖不增殖，不产生子代噬菌体，也，不产生子代噬菌体，也不不引起细菌裂解，引起细菌裂解，其其基因整合于细菌基因组中基因整合于细菌基因组中，随细菌，随细菌的基因组复制而复制的噬菌

23、体。的基因组复制而复制的噬菌体。2、存在形式、存在形式 游离的具有感染性的噬菌体颗粒游离的具有感染性的噬菌体颗粒(宿主菌内、外宿主菌内、外)、游离的类似质粒的噬菌体核酸、前噬菌体游离的类似质粒的噬菌体核酸、前噬菌体(宿主菌内宿主菌内)。Prophage：整合在：整合在细菌基因组中的噬细菌基因组中的噬菌体基因组菌体基因组溶原性细菌溶原性细菌前噬菌体前噬菌体(prophage):整合整合在细菌染色体上的在细菌染色体上的噬菌体基因噬菌体基因,随细随细菌染色体复制而复制，并随细菌的分裂而分配至子代细菌的染菌染色体复制而复制，并随细菌的分裂而分配至子代细菌的染色体中色体中。溶原性细菌溶原性细菌(lyso

24、genic bacterium):细菌细菌染色体上带有前噬菌染色体上带有前噬菌体体的细菌。的细菌。3、溶原性细菌的特点：、溶原性细菌的特点：1. 1. 可正常繁殖，但其子代含前噬菌体；可正常繁殖，但其子代含前噬菌体；2. 2. 对相应噬菌体具有免疫性；对相应噬菌体具有免疫性；3. 3. 可产生可产生溶原性转换溶原性转换（噬菌体本身的基因转（噬菌体本身的基因转 给宿主菌的转递方式）；给宿主菌的转递方式）；4. 4. 其溶原状态可自发或诱导终止；其溶原状态可自发或诱导终止；吸附吸附 absorption穿入穿入 penetration整合整合 integration原Lysogenic life

25、cycles)溶原与溶菌周期溶原与溶菌周期 Lysogenic and lytic life cycle of Temperate phages Bacteriophage Prophage Virulent phages Lysogenic phage lysogenic bacterium简述噬菌体与宿主菌的关系及医学意义简述噬菌体与宿主菌的关系及医学意义第四节第四节 细菌变异的机制细菌变异的机制exogenous DNA integrate with the chromosome of plasmid of the cell , result in the change of the g

26、enotype and become a recombinant bacteria.2. The main ways of gene transfer and recombination： 转化转化(Transformation) 转导转导( transduction) 接合接合(conjugation) 溶原性转换溶原性转换(lysogenic conversion) 原生质体融合原生质体融合( protoplast fusion) 肺炎链球菌转化实验肺炎链球菌转化实验1928, Griffith1944 Avery 转化的机制转化的机制 影响转化的因素影响转化的因素 DNA 大小大小 Do

27、uble stranded DNA of at least 5 105daltons works best. In addition, the concentration, purity and configuration of target DNA can also affect the process of transformation. 供体菌与受体菌的亲缘关系供体菌与受体菌的亲缘关系受体菌的生理状态受体菌的生理状态 Some bacteria are able to take up DNA naturally. However, these bacteria only take up

28、DNA at a particular time in their growth cycle when they produce a specific protein called a competence factor. The bacteria at this stage are called competent. Most bacteria are not able to take up DNA naturally. However, in these bacteria competence can be induced in vitro by treatment with chemic

29、als (e.g. CaCl2). 环境因素：环境因素：Ca2+，Mg2+，cAMP等由等由于有利于维持于有利于维持DNA 的稳定性，故具有促进转的稳定性，故具有促进转化的作用。化的作用。 F质粒的接合质粒的接合. F因子的基本知识因子的基本知识 功功 能能 编码性菌毛的产生编码性菌毛的产生 复制方式复制方式 滚环复制或与宿主菌染色体整合而随滚环复制或与宿主菌染色体整合而随 着宿主菌染色体的复制而复制。着宿主菌染色体的复制而复制。 存在形式存在形式: F+ 菌菌 包含游离包含游离F质粒的细菌质粒的细菌 Hfr菌菌 高频重组菌高频重组菌 (high frequency recombinant)

30、F 质粒整合到宿主菌基因组中质粒整合到宿主菌基因组中. F 菌菌 含有游离的含有游离的F质粒（质粒（F质粒上整合了部分宿质粒上整合了部分宿 主基因组片段）主基因组片段）F-F+HfrFConjugate with F+CuringIntegrateexcisionDeviational excisionCuringIntegrateConjugate with FTransform of E. coli F plasmidF质粒接合的类型质粒接合的类型Restricted transduction （局限性转导）（局限性转导） Transduction in which only certai

31、n donor genes can be transferred(Generalized Transduction)Potentially any donor gene can be transferredThe fate of exogenous DNA in Generalized Transductioni) Complete transduction (完全转导完全转导)ii) Abortive transduction (流产转导流产转导):Restricted transduction Difference between RestrictedRestrictedVectorTar

32、get geneTimeCausePseudophageDefective phageCertain donor geneBacteriolysis phaseLysogenic phaseError assembleError Differences between generalized and restricted transduction ExampleCorynebacterium diphtheriae (Can not produce diphthera toxin)-corynebacteria phageInfected withLosogenic Corynebacteri

33、um diphtheriae(PhageS DNA integrated into host chromosomeand encode diphthera toxin) 原生质体融合原生质体融合(protoplast fusion)：指通过人为的：指通过人为的方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体进行融方法，使遗传性状不同的两个细胞的原生质体进行融合，借以获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程。合，借以获得兼有双亲遗传性状的稳定重组子的过程。 原生质体融合原生质体融合( () )The protocol of Bacteria A Bacteria BTreat with lysozyme

34、or penicilinTreat with polyethylene glycolRecombinant fusionIncubationRecombinant bacteria Comparison among different ways of bacterial gene transfer and recombanation (discuss)mannerOrigin of geneTransfer mechanismtransformationGeneralized transductionRestricted transductionLysogenic ConversionConj

35、ugationProtoplast fusionDonorIntake directlybacteriaPseudo phage infectionLysogenic bacteriaDefective phage infectionTemperate phageTemperate phage infection“Male” bacteriaSex pili communicationProtoplastProtoplast fusion1. 定义定义2. 类型：点突变、插入突变、缺失突变等。类型：点突变、插入突变、缺失突变等。3. 细菌基因突变的规律细菌基因突变的规律(1) 突变频率突变频率 The mutational frequency of spontaneous mutation can increase induced mutation(诱发突变诱发突变) can reach to 10-6二、细菌的基因突变二、细菌的基因突变Is mutation induced b