医学微生物学医学微生物学1细菌的遗传与变异优秀课件细菌的遗传变异Bacterial genetics and mutations瞿涤 博士/教授复旦大学上海医学院2细菌的遗传与变异优秀课件1.细菌遗传物质的种类细菌遗传物质的种类2.细菌基因的水平转移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）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。实践中的意义。（2）耐药质粒与耐药性的传播。）耐药质粒与耐药性的传播。重点与难点重点与难点3细菌的遗传与变异优秀课件 BCG：牛型结核杆菌（有毒株）：牛型结核杆菌（有毒株） 胆汁胆汁- -甘油甘油- -马铃薯培养马铃薯培养 13年，年，230次传代次传代 减毒株（减毒株（BCG）基因型变异：基因型变异：BCG 表型变异：细菌表型变异：细菌L型型4细菌的遗传与变异优秀课件基因型变异与表型变异基因型变异与表型变异基因型基因型 由细菌的基因组决定，可传给子代由细菌的基因组决定，可传给子代表型表型 基因型在一定环境中所显示的生物性状基因型在一定环境中所显示的生物性状变异变异1.表型变异表型变异受环境的影响受环境的影响暂时性，不遗传暂时性，不遗传2.基因型变异基因型变异不受环境的影响不受环境的影响稳定，可遗传稳定，可遗传5细菌的遗传与变异优秀课件一、细菌基因组一、细菌基因组（bacterial genome）包括染色体包括染色体、外源性外源性DNA（质粒、噬菌体的（质粒、噬菌体的部分或全部的基因组部分或全部的基因组和和可移动元件可移动元件细菌染色体：细菌染色体： dsDNA，580kb5220kb 复制快：复制快：105 bp/min 无组蛋白，无内含子，为连续基因无组蛋白，无内含子，为连续基因 单倍体：突变后更易表现单倍体：突变后更易表现6细菌的遗传与变异优秀课件质粒质粒（plasmid）：独立复制独立复制水平转移水平转移整合整合相容性相容性丢失或消除丢失或消除 功能：功能：F质粒转移；质粒转移；Vi质粒毒力质粒毒力 R质粒耐药；质粒耐药；Col质粒细菌素质粒细菌素 噬菌体基因组噬菌体基因组（bacterial phage genome） 温温和和型型噬噬菌菌体体全全部部或或部部分分基基因因组组整整合合于于宿宿主菌的染色体。主菌的染色体。如如-棒棒状状杆杆菌菌噬噬菌菌体体携携带带白白喉喉外外毒毒素素基基因因，可可整整合至合至白喉白喉棒状棒状杆菌杆菌染色体中，使其染色体中，使其产毒产毒株。株。 转座元件转座元件（transposable element）插入序列插入序列 (insertion sequence，IS): 7501550 bp 两端重复序列，与插入有关两端重复序列，与插入有关 中心序列有转位酶基因中心序列有转位酶基因IS参与沙门菌鞭毛抗原参与沙门菌鞭毛抗原（H）的变异的变异ISH1 geneH2 geneH1鞭毛抗原H2 鞭毛抗原10细菌的遗传与变异优秀课件转座子转座子 (transposon, Tn): 200025000 bp 两端为两端为IS 中心序列有与转位无关基因中心序列有与转位无关基因 如：毒素基因、耐药基因等如：毒素基因、耐药基因等常见的插入序列和转座子常见的插入序列和转座子IS bp Tn 耐药或毒素基因耐药或毒素基因IS1 768 Tn1 AP（氨苄青霉素）（氨苄青霉素）IS2 1327 Tn6 Kan（卡那霉素）（卡那霉素）IS3 1300 Tn10 Tet（四环素）（四环素）IS4 1426 Tn551 Em（红霉素）（红霉素）IS5 1195 Tn681 E.coli ET（肠毒素）（肠毒素） 整合子整合子（integron，In）：l定位于细菌染色体、质粒或转座子上定位于细菌染色体、质粒或转座子上l基基本本结结构构：两两端端为为保保守守末末端端，中中间间为为可可变变区区，含含一个或多个基因盒一个或多个基因盒l整整合合子子含含有有3 3个个功功能能元元件件：重重组组位位点点；整整合合酶酶基基因因；启动子启动子l通通过过转转座座子子或或接接合合性性质质粒粒，使使多多种种耐耐药药基基因因在在细细菌中进行水平传播菌中进行水平传播13细菌的遗传与变异优秀课件噬菌体噬菌体（bacteriophage）：形态结构形态结构: : 蝌蚪形蝌蚪形衣壳：蛋白质衣壳：蛋白质核酸：核酸：dsDNA 分布广分布广: : 有菌就有噬菌体有菌就有噬菌体宿主特异性：流行病调查；分型宿主特异性：流行病调查；分型参与细菌变异：转导参与细菌变异：转导, , 溶原性转换溶原性转换二、基因突变二、基因突变影印平板：自发的，随机的，非诱导的药影印平板：自发的，随机的，非诱导的药 物仅起选择作用物仅起选择作用基因基因突变：突变：l突变率：突变率：10-610-9l自发突变与诱发突变自发突变与诱发突变l突变与选择突变与选择l回复突变与抑制突变回复突变与抑制突变16细菌的遗传与变异优秀课件彷徨试验：随机的、非定向的突变是在接触噬彷徨试验：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。仅起筛选而不是诱导作用。17细菌的遗传与变异优秀课件突变型细菌及其分离突变型细菌及其分离鉴定鉴定： 耐药性突变型耐药性突变型 药敏试验药敏试验 营养缺陷突变型营养缺陷突变型 营养物质筛选营养物质筛选 条件致死性突变型条件致死性突变型 温度敏感试验温度敏感试验 发酵阴性突变型发酵阴性突变型 乳糖发酵试验乳糖发酵试验 18细菌的遗传与变异优秀课件三、基因的转移三、基因的转移基因转移：供体菌提供基因转移：供体菌提供DNA；受体菌接受；受体菌接受DNA基因转移类型基因来源转移方式举例转化供体菌受体菌摄入链球菌荚膜变异接合供体菌性菌毛R质粒介导的耐药性转递转导供体菌噬菌体介导金黄色葡萄球菌耐药传递溶原型转换噬菌体前噬菌体白喉棒状杆菌产毒株的变异转化转化（transformation）：受受体体菌主动摄取外源性菌主动摄取外源性DNA供体菌供体菌死亡时释放或人工方法提取死亡时释放或人工方法提取DNA影响因素：影响因素：l供受供受体体菌基因型：菌基因型：同源性；亲缘关系近，转化率高同源性；亲缘关系近，转化率高l感受态感受态（competence）：生理活动过程中摄取生理活动过程中摄取转化因子的最佳时期转化因子的最佳时期 l环境因素：环境因素：Mg2、Ca2等可促进转化等可促进转化21细菌的遗传与变异优秀课件转导转导（transduction）噬菌体媒介噬菌体媒介将将供体菌供体菌DNA转给受转给受体体菌菌分普遍性转导和局限性转导分普遍性转导和局限性转导22细菌的遗传与变异优秀课件毒性噬菌体，温和噬菌体毒性噬菌体，温和噬菌体 包装错误：包装错误： 任何部位细菌任何部位细菌DNA片段片段转导性噬菌体：转导性噬菌体： 宿主菌宿主菌DNA， 无噬菌体无噬菌体DNA受体菌接受转导噬菌体受体菌接受转导噬菌体( (供体菌供体菌) )DNA受体菌获得供体菌性状受体菌获得供体菌性状 普遍性转导：普遍性转导：局限性转导（局限性转导（溶原性转换溶原性转换）：温和性噬菌体）：温和性噬菌体 脱落错误：前噬菌体及两边的细菌脱落错误：前噬菌体及两边的细菌DNA转导性噬菌体：噬菌体转导性噬菌体：噬菌体DNA及细菌及细菌DNA 24细菌的遗传与变异优秀课件接合接合（conjugation）通通过过性性菌菌毛毛将将供供体体菌菌DNA转转给给受受体体菌菌，受体菌获得供体菌性状受体菌获得供体菌性状25细菌的遗传与变异优秀课件F质粒（质粒（fertility factor, 致育因子）致育因子）接触：接触：性菌毛与受体菌细胞质沟通性菌毛与受体菌细胞质沟通转移：转移：F质粒进入质粒进入F菌，菌，1分钟完成分钟完成复制：复制：F菌转为菌转为F菌菌F+F-F+F-F+F+F+F+性菌毛性菌毛F F质粒复制质粒复制F F质粒质粒染色体染色体Hfr（高频重组菌株）：（高频重组菌株）： F质粒与染色体整合质粒与染色体整合 具有接合和转移功能具有接合和转移功能 细菌染色体转移频率高，细菌染色体转移频率高，F质粒转移率低质粒转移率低 受体菌获得供体菌性状受体菌获得供体菌性状 可用于绘制基因图可用于绘制基因图F+HfrF F质粒质粒染色体染色体F F质粒质粒整合整合27细菌的遗传与变异优秀课件Hfr转移细菌染色体过程转移细菌染色体过程R质粒质粒耐药传递因子：耐药传递因子： 编码性菌毛编码性菌毛r决定因子：耐药决定因子：耐药 溶原性转换溶原性转换（lysogenic conversion）噬菌体噬菌体DNA与菌染色体整合与菌染色体整合受体菌受体菌获得新的性状获得新的性状如如白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌：- -棒状杆菌棒状杆菌噬菌体噬菌体- -外毒素基因外毒素基因 不产毒不产毒白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌 产毒产毒白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌30细菌的遗传与变异优秀课件诊断困难诊断困难 HO变变异：如伤寒沙门菌鞭毛异：如伤寒沙门菌鞭毛 SR变异：消失荚膜或多糖变异：消失荚膜或多糖 抗原性改变抗原性改变 毒力下降，生化反应改变毒力下降，生化反应改变治疗困难：耐药治疗困难：耐药 预防：预防：BCG四、实际应用四、实际应用31细菌的遗传与变异优秀课件Ames试验试验：基因工程基因工程l载体：质粒，噬菌体载体：质粒，噬菌体l工工程程菌菌和和酶酶：限限制制性性内切酶，连接酶内切酶，连接酶l选选择择目目的的基基因因，细细菌菌中中表表达达，如如胰胰岛岛素素、白介素、干扰素等白介素、干扰素等l基因工程疫苗基因工程疫苗1.细菌基因转移的类型及其主要差异？细菌基因转移的类型及其主要差异？2.何何谓谓Transposon、IS、F质质粒粒、R质质粒粒、Hfr和和Ames试验试验？3.影影印印试试验验验验证证何何种种理理论论？研研究究细细菌菌的的突变突变在临床上有何意义在临床上有何意义？思考题思考题34细菌的遗传与变异优秀课件中英文关键词中英文关键词 (key words)Chromsome （染色体）（染色体）Plasmid（质粒）（质粒）Transposable Elements （转座元件）（转座元件）Lysophage (temperate) phage （温和噬菌体）（温和噬菌体）Virulent phage （烈性噬菌体）（烈性噬菌体）Prophage（前噬菌体）（前噬菌体）Horizontal Gene transfer （水平基因转移）（水平基因转移）Transformation（转化）（转化）Transduction（转导）（转导）General transduction （普遍性转导）（普遍性转导）Lysogenic （specific）transduction/conversion （溶原性转换）（溶原性转换）Conjugation（接合）（接合）F factor （F 因子）因子）Hfr（高频重组菌株）（高频重组菌株） R plasmid（R质粒）质粒）35细菌的遗传与变异优秀课件1 Brooks GF, Carroll CK, Butel JS, et al. Jawetz, Melnick, & Adelbergs Medical Microbiology, 25th ed., (LANGE Basic Science) McCraw Hill Co, 2009, 2010, page 97-1182 Lang AS, Zhaxybayeva O, Beatty JT. Gene transfer agents: phage-like elements of genetic exchange. Nat Rev Microbiol. 2012, 10(7):472-823 Casas V, Maloy S. Role of bacteriophage-encoded exotoxins in the evolution of bacterial pathogens. Future Microbiol. 2011, 6(12):1461-73. 4 Muzzi A, Donati C. Population genetics and evolution of the pan-genome of Streptococcus pneumoniae. Int J Med Microbiol. 2011, 301(8):619-22. 5 Lazcano A. Natural history, microbes and sequences: shouldnt we look back again to organisms? PLoS One. 2011, 6(8):e21334. 6 Wiedenbeck J, Cohan FM. Origins of bacterial diversity through horizontal genetic transfer and adaptation to new ecological niches. FEMS Microbiol Rev. 2011, 35(5):957-76. 7 Andam CP, Fournier GP, Gogarten JP. Multilevel populations and the evolution of antibiotic resistance through horizontal gene transfer. 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