1、第四章 细菌的遗传与变异heredity and variation of bacteria第一节 细菌基因组第二节 细菌基因突变第三节 基因的转移与重组第四节 细菌遗传变异在医学上的实际意义重点难点熟悉了解掌握1.细菌基因组2.基因的转移与重组方式种类与定义3.噬菌体及其相关概念1.噬菌体与宿主菌相互关系，溶菌周期及溶原状态2.细菌基因突变的规律与机制1.细菌的变异现象2.细菌遗传变异研究的实际意义细菌基因组bacterial genome第一节1.遗传变异（genetic variation）遗传变异与表型变异2.表型变异（phenotypic variation）（1）只发生在少数个体（
2、2）遗传物质结构发生改变（3）可稳定传给子代，产生变种或新种（4）有利于物种的进化 医学微生物学（第9版）一、细菌的变异现象（1）外界因素所致，常波及同一环境中的大多数个体（2）遗传物质的结构未改变（3）变化为可逆，表型变异不能遗传1.细菌染色体（bacterial chromosome）（一）细菌基因组的主要组成2.噬菌体（phage）（1）dsDNA，单倍体，无组蛋白，无内含子（2）大多数基因为单拷贝，而rRNA基因则为多拷贝（3）代谢岛、毒力岛的G+C百分比和密码子使用偏向性与细菌染色体有明显差异 医学微生物学（第9版）二、细菌基因组（1）侵袭细菌或真菌的病毒（2）蝌蚪型：头部由核心（D
3、NA 或 RNA）与蛋白质衣壳组成；尾部为蛋白质，与吸附宿主有关（3）感染细菌的结果 溶菌性周期：毒性噬菌体、温和噬菌体 溶原性周期：温和噬菌体、前噬菌体（prophage）、溶原性细菌 3.质粒（plasmid）（1）双股闭合环状DNA分子（2）自主复制（3）编码某些生物学表型（4）可丢失和转移，与细菌生命无关（5）分类 A.是否可通过细菌的接合作用传递 接合性质粒（conjugative plasmid）；非接合性质粒（non-conjugative plasmid）B.宿主菌中的拷贝数 严紧型质粒（stringent plasmid）；松弛型质粒（relaxed plasmid）C.质粒
4、的相容性 相容性质粒；不相容性质粒 D.质粒基因编码的生物学性状 F质粒；R质粒；Vi质粒；Col质粒 等 医学微生物学（第9版）1.转位因子或转座元件（transposable element）（二）细菌基因组中的主要特殊结构（1）插入序列(insertion sequence，IS)7502000 bp 两端重复序列，与插入有关 中心序列有转位酶基因（2）转座子(transposon,Tn)200025000 bp 两端为IS 中心序列有与转位无关基因,如：毒素基因、耐药基因等 医学微生物学（第9版）转座酶基因AATTCGTACGAATTIS 的命名：IS1，IS2ISn反向重复序列反向重
5、复序列插入序列,insertion sequence,ISgene 1 gene 2gene 3gene nISISTn 的命名：Tn1，Tn2Tnn转座子,Transposon,Tn 医学微生物学（第9版）转座子转座子插入的识别序列插入的识别序列耐药基因或毒素基因耐药基因或毒素基因Tn1 Tn2 Tn3IS1AP（氨苄青霉素）抗性基因(b-内酰胺酶)Tn4IS2AP、Sm（链霉素）、Su（磺胺）等抗性基因Tn5IS50L,ISRKm（卡那霉素）、BLM（博莱霉素）、Sm等抗性基因Tn6IS4Km等抗性基因Tn7Tn7R,Tn7L为位点识别序列TMP（甲氧苄氨嘧啶）、Sm、壮观霉素等抗性基因（
6、含有整合子）Tn9IS1Cm（氯霉素）抗性基因Tn10IS10-RTc（四环素）抗性、重金属抗性、氧化应激等基因Tn551IS2Em（红霉素）抗性基因Tn1681IS1大肠埃希菌耐热肠毒素（ST）Tn903ISR1Km抗性基因常见转座子及插入序列2.整合子（integron）医学微生物学（第9版）（1）定位于细菌染色体、质粒或转座子上（2）基本结构：两端为保守末端，中间为可变区，含一个或多个基因盒（3）整合子含有3个功能元件：特异性重组位点、整合酶基因、启动子（4）通过转座子或接合性质粒，使多种耐药基因在细菌中进行水平传播attlattC整合子可存在于 质粒、转座子和基因组中基因盒1基因盒2整
7、合子,integron细菌基因突变bacterial gene mutation第二节 1.点突变 转换（transition）颠换（transversion）2.插入或缺失突变：移码突变 （一）突变 医学微生物学（第9版）一、细菌变异机制 1.染色体重排 2.倒位（inversion）3.重复（duplication）4.染色体缺失（二）染色体畸变(多点突变)（一）突变自发产生（二）自发突变率约为每一世代10-1010-6（三）突变是自发的，随机的 医学微生物学（第9版）二、基因的自发突变（一）人工诱导可提高细菌的突变率，称为诱发突变（二）诱发突变发生率可达到每一世代10-610-4（三）诱
8、变剂：物理诱变剂：X线、紫外线、电离辐射 等 化学诱变剂：亚硝酸盐、烷化剂及吖啶橙染料 丝裂霉素、黄曲霉素B1 等 医学微生物学（第9版）三、基因的诱发突变（一）突变的发生是随机，不定向的 在细菌群体中仅少数细菌发生突变（二）彷徨试验证明 随机的、非定向的突变是在接触噬菌体之前就已发生，噬菌体对突变仅起筛选而不是诱导作用 医学微生物学（第9版）四、突变与选择细菌自然突变的检出试验（彷徨试验）备注：图片源自人卫社医学微生物学第8版，主编李凡、徐志凯。（P51，图4-2）（一）野生型（wild type）:从自然界分离的未发生突变的菌株（二）突变型（mutant type）:相对于野生型菌株发生某
9、一性状的改变（三）正向突变（forward mutation）:细菌由野生型变为突变型（四）回复突变（reverse mutation）:突变株经过第二次突变可恢复野生型的性状 1.基因型回复突变（genotypic reversion），机率很低 2.表型回复突变（phenotypic reversion）抑制突变（suppressor mutation）：包括基因内抑制（intragenic suppression）和基因间抑制（extragenic suppression）医学微生物学（第9版）五、回复突变与抑制突变细菌基因的转移和重组gene transfer and recombin
10、ation第三节 医学微生物学（第9版）转移：供体菌提供DNA；受体菌接受DNA重组：受体菌获得供体菌DNA，表现出供体菌的遗传性状基因转移方式DNA传递过程转移DNA的特性转化/transformation细菌（感受态）直接摄入DNA片段同源DNA片段接合/conjugationDNA通过性菌毛从F+细菌传递给F-细菌质粒或染色体转导/transduction 普遍性转导 generalized transductionDNA片段通过毒性噬菌体/或温和噬菌体传递任何DNA片段 局限性转导 specialized（restricted）transductionDNA片段通过温和噬菌体传递前噬菌
11、体整合位点两侧DNA片段 溶原性转换 lysogenic reversionDNA片段通过温和噬菌体传递噬菌体携带的特定基因细菌基因水平转移方式（一）转化（transformation）:受体菌主动摄取外源性DNA供体菌死亡时释放或人工方法提取DNA获得供体菌的某些生物学性状 医学微生物学（第9版）一、转化（transformation）肺炎链球菌的转化试验备注：图片源自人卫社医学微生物学第8版，主编李凡、徐志凯。（P54，图4-4）（二）影响转化的因素：1.供受菌基因型 同源性；亲缘关系近，转化率高 2.感受态（competence）受体菌摄取转化因子（转化的DNA片段）的生理状态 转化因子
12、被摄取的最佳时期 感受态细菌表面带正电荷，细胞膜通透性增高 3.环境因素 Mg2、Ca2、cAMP等可维持DNA稳定性，促进转化 医学微生物学（第9版）接合（conjugation）通过性菌毛将供体菌DNA转给受体菌，使受体菌获得供体菌的生物学性状（一）F质粒（fertility plasmid,fertility factor，致育因子）接触：细胞质沟通 转移：F质粒进入F菌 复制：F菌转为F菌 医学微生物学（第9版）二、接合（conjugation）F质粒从F+菌转移到F-菌，使F-菌变为F+菌备注：图片源自人卫社医学微生物学第8版，主编李凡、徐志凯。（P55，图4-5,a）高频重组菌株（
13、high-frequency recombination strain，Hfr）1.F质粒与染色体整合 2.具有接合和转移功能 3.细菌染色体转移频率高，F质粒低 4.受体菌获得供体菌遗传性状 5.用于绘制基因图 医学微生物学（第9版）Hfr将其部分染色体转入F-菌，产生重组的F-菌备注：图片源自人卫社医学微生物学第8版，主编李凡、徐志凯。（P55，图4-5,b、c）（二）R质粒（resistant plasmid）1.耐药传递因子（resistance transfer factor，RTF）编码性菌毛 2.耐药决定子（resistance determinant，r-det）决定菌株耐药性
14、 3.R质粒通过接合方式在同种属或不同种属间传递,又称为传染性耐药因子 4.RTF和r-det可整合在一起，也可单独存在 r质粒：r-det单独存在，无接合传递耐药基因的功能 医学微生物学（第9版）耐药决定因子gene 1 gene 2 gene 3gene NTnTnTnTn耐药传递因子R质粒耐药传递因子：性菌毛基因和传递相关基因耐药决定因子：耐药基因，转座子转导（transduction）噬菌体媒介将供体菌DNA转给受体菌受体菌获得供体菌的某些生物学性状分为普遍性转导和局限性转导 医学微生物学（第9版）三、转导（transduction）（一）普遍性转导（general transduct
15、ion）1.毒性噬菌体或温和噬菌体介导 2.包装错误：可转导任何部位细菌DNA片段3.转导性噬菌体 宿主菌DNA 无噬菌体DNA4.转导噬菌体DNA(供体菌)整合至受体菌染色体基因组，受体菌获得供体菌遗传性状：完全转导5.转导噬菌体DNA(供体菌)未整合至受体菌染色体基因组，流产转导（abortive transduction）医学微生物学（第9版）整合整合不整合不整合完全转导完全转导流产转导流产转导普遍性转导模式图（二）局限性转导（restricted(specialized)transduction）1.温和噬菌体介导 2.不准确切离：前噬菌体及两边的细菌DNA 3.转导性噬菌体 宿主菌D
16、NA 噬菌体DNA 4.受体菌接受转导噬菌体DNA 5.受体菌获得供体菌遗传性状 医学微生物学（第9版）局限性转导模式图备注：图片源自人卫社医学微生物学第8版，主编李凡、徐志凯。（P57，图4-8）（三）溶原性转换（lysogenic conversion）1.局限性转导的一种形式 2.温和噬菌体DNA与受体菌染色体整合 3.受体菌获得噬菌体的某些生物学性状 白喉杆菌：-噬菌体-外毒素基因 不产毒白喉杆菌 产毒白喉杆菌 医学微生物学（第9版）细菌遗传变异在医学上的实际意义medical significance of bacterial heredity and variation第四节诊断困
17、难 1.HO变异：如伤寒沙门菌鞭毛 2.SR变异：消失荚膜或多糖 抗原性改变 毒力下降，生化反应改变 3.乳糖分解变异 4.发酵突变 需充分了解细菌的变异现象和规律，才能正确诊断细菌性感染疾病 医学微生物学（第9版）一、细菌形态结构的变异与细菌学诊断治疗困难 1.耐药变异及耐药基因的水平传递 2.耐药性细菌不断增加 3.多耐药菌株的出现临床上通过耐药监测，注意耐药谱的变化并开展耐药机制研究，将有利于指导抗菌药物的选择和合理使用，控制耐药菌的产生和扩散 医学微生物学（第9版）二、细菌的耐药变异与控制减毒活疫苗株 1.卡介苗 BCG 2.炭疽芽胞杆菌减毒活疫苗 3.布鲁氏菌减毒活疫苗 4.鼠疫耶尔
18、森菌减毒活疫苗条件致死性突变株温度敏感突变株 医学微生物学（第9版）三、细菌毒力变异与疫苗研制1.脉冲场凝胶电泳（pulsed-field gel electrophoresis，PFGE）2.质粒谱分析3.PCR产物-限制性片段多态性分析（RFLP）4.核酸序列分析有助于确定感染流行菌株或基因的来源，或调查医院内耐药质粒在不同细菌中的播散情况 医学微生物学（第9版）四、流行病学分析方面的应用Ames 试验：1.his-菌在组氨酸缺乏的培养基上不能生长；2.在可疑诱变剂作用下发生回复突变，成为his+菌，则可在无组氨酸的培养基上生长；3.将含有可疑诱变剂平板与无诱变剂平板上的菌落数进行比较，凡
19、能提高突变率、使试验平板的诱导菌落数高出对照组一倍时，即为Ames试验阳性，提示被检物具有致癌潜能。医学微生物学（第9版）五、致癌物物质检测中的应用Ames试验备注：图片源自人卫社医学微生物学第8版，主编李凡、徐志凯。（P58，图4-9）（一）载体：质粒，噬菌体（二）工程菌和酶：限制性内切酶，连接酶（三）选择目的基因，细菌中表达，如胰岛素、白介素、干扰素等（四）基因工程疫苗（五）基因组表达谱研究 基因工程技术是双刃剑，外源性基因的插入具有不确定性，也可能造成不良后果，因此有些研究应经过认真的风险评估及管理（参见生物技术研发开发安全管理办法-科技部，2017年7月12日）医学微生物学（第9版）六、基因工程方面的应用1.遗传和变异是细菌的基本属性，基因是遗传的基本单位2.细菌基因组包括细菌染色体和/或外源性DNA（质粒、噬菌体的部分或全部的基因组），以及可移动元件3.细菌基因组中可移动元件有插入序列、转座子和前噬菌体4.细菌的变异分为遗传变异与表型变异两类5.细菌遗传变异包括：自发突变、诱发突变及基因水平转移6.细菌基因的水平转移方式有转化、转导、接合和溶原性转换7.细菌遗传变异在微生物学诊断、疾病预防和治疗等方面的具有重要意义
