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第四章細(xì)菌的遺傳和變異 1 遺傳 heredity 是子代與親代的相似性 保證了物種的穩(wěn)定性 變異 variation 是子代與親代的差異 有利于物種的進(jìn)化 遺傳變異 genotypicvariation 表型變異 phenotypicvariation 2 細(xì)菌的基因組基因突變基因轉(zhuǎn)移與重組遺傳變異在醫(yī)學(xué)上的意義 3 學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn) 1 細(xì)菌遺傳物質(zhì)的種類(lèi) 染色體 質(zhì)粒 噬菌體 轉(zhuǎn)位因子 整合子2 細(xì)菌基因的水平轉(zhuǎn)移 1 轉(zhuǎn)化 接合 轉(zhuǎn)導(dǎo) 溶原性轉(zhuǎn)換的概念及其在臨床實(shí)踐中的意義 2 耐藥質(zhì)粒與耐藥性的傳播 4 第一節(jié)細(xì)菌基因組 包括染色體 外源性DNA 質(zhì)粒 噬菌體 及可移動(dòng)元件 插入序列 轉(zhuǎn)座子 整合子 Genome包含菌細(xì)胞的全部遺傳信息 構(gòu)成細(xì)菌的基因型 決定細(xì)菌的生物學(xué)特性 5 一條環(huán)狀雙螺旋的雙鏈DNA dsDNA 按一定結(jié)構(gòu)反復(fù)回旋成松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)附著于橫隔中介體或細(xì)胞膜 一 細(xì)菌染色體 chromosome 6 1 特點(diǎn) 相對(duì)較小 只有一個(gè)復(fù)制起始位點(diǎn)多數(shù)基因?yàn)閱慰截惞δ芟嚓P(guān)的基因高度集中成操縱子具有連續(xù)基因結(jié)構(gòu) 無(wú)內(nèi)含子非編碼序列較少 且編碼序列多無(wú)重疊具有各種功能的識(shí)別區(qū) 含有特殊順序 7 細(xì)菌染色體的復(fù)制 半保留復(fù)制 8 2 致病島 pathogenicityisland 位于致病菌染色體上 編碼毒力相關(guān)因子的外源性DNA片斷 常為分子量較大 20 100kbp 的基因群兩側(cè)往往含有重復(fù)序列或插入序列G C 與密碼使用與細(xì)菌染色體有明顯差異 9 細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì) 為環(huán)狀閉合或線狀dsDNA 能自我復(fù)制 賦予細(xì)菌的某些重要的生物學(xué)性狀 并非細(xì)菌生命活動(dòng)所必需 可以自然丟失 也可以在細(xì)菌間轉(zhuǎn)移 具有相容性與不相容性 二 質(zhì)粒 plasmid 10 11 12 質(zhì)粒的分類(lèi) 1 接合性質(zhì)粒與非接合性質(zhì)粒2 嚴(yán)緊型質(zhì)粒與松弛型質(zhì)粒3 相容性質(zhì)粒與不相容性質(zhì)粒4 具質(zhì)?；蚓幋a的生物學(xué)性狀分類(lèi) 致育性質(zhì)粒 F 耐藥性質(zhì)粒 R 毒力質(zhì)粒 Vi 細(xì)菌素質(zhì)粒 col 代謝質(zhì)粒 13 三 轉(zhuǎn)座元件 tranponsableelement 不依賴(lài)于同源重組即可在細(xì)菌基因組中改變自身位置的獨(dú)特DNA序列 其轉(zhuǎn)位導(dǎo)致了細(xì)菌基因的不穩(wěn)定性和高突變率 14 廣泛存在于G 菌和G 菌中插入位點(diǎn)不存在同源性核苷序列轉(zhuǎn)位作用主要依靠自身合成的特異性轉(zhuǎn)座酶轉(zhuǎn)位發(fā)生范圍廣 1 特點(diǎn) 15 保留型轉(zhuǎn)位通過(guò)轉(zhuǎn)座酶切割轉(zhuǎn)座元件 再插入到新位點(diǎn)復(fù)制型轉(zhuǎn)位轉(zhuǎn)座元件的一個(gè)拷貝保留于供體原位 另一拷貝插入新位點(diǎn) 2 轉(zhuǎn)位類(lèi)型 16 插入序列轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座性噬菌體整合子 3 轉(zhuǎn)座元件的種類(lèi) 17 1 插入序列 insertionsequence IS 最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)座元件 長(zhǎng)度小于2kb不攜帶任何與轉(zhuǎn)位功能無(wú)關(guān)的基因區(qū)域可能導(dǎo)致插入點(diǎn)附近基因表達(dá)改變 18 2 轉(zhuǎn)座子 transposon Tn 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 大小約2 2 5kb除攜帶轉(zhuǎn)位有關(guān)基因 還帶多種結(jié)構(gòu)基因可導(dǎo)致插入突變 基因重排或插入點(diǎn)附近基因表達(dá)改變 19 復(fù)合型轉(zhuǎn)座子兩端IS 中間耐藥基因 是細(xì)菌耐藥形成的重要原因Tn3系轉(zhuǎn)座子兩端重復(fù)序列 中間抗生素相關(guān)基因及轉(zhuǎn)座相關(guān)基因接合性轉(zhuǎn)座子無(wú)末端重復(fù)序列 通過(guò)接合作用轉(zhuǎn)位 Tn的三種類(lèi)型 20 3 轉(zhuǎn)座噬菌體 Mu噬菌體 具有轉(zhuǎn)座功能的溶原性噬菌體從細(xì)菌染色體脫落時(shí) 可能攜帶細(xì)菌DNA片段隨之轉(zhuǎn)位Mu噬菌體是分子克隆中的重要工具 21 4 整合子 Integron In 一種可移動(dòng)的DNA分子 具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)可捕獲和整合外源性基因 使之轉(zhuǎn)化為功能性基因的表達(dá)單位 存在于染色體 質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上 是細(xì)菌固有的遺傳單位 22 5 CS 3 CS intI gene2 gene1 attI A B C P1 P2 attC 整合子 基因盒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 5 端保守區(qū) 5 CS 中間可變區(qū) 基因盒 3 端保守區(qū) 3 CS 整合酶基因intI重組位點(diǎn)attIP1 P2啟動(dòng)子 結(jié)構(gòu)基因 多耐藥基因 特異性重組位點(diǎn)attC 23 intI基因 編碼整合酶 催化基因盒在重組位點(diǎn)的整合及切除 據(jù)基因序列分為6類(lèi) 短小的可移動(dòng)DNA 只含有一個(gè)結(jié)構(gòu)基因及一個(gè)特異性重組位點(diǎn) attC 不含啟動(dòng)子 多為耐藥基因 基因盒 24 許多相關(guān)基因串聯(lián)排列在細(xì)菌染色體的特定部位 上游有啟動(dòng)子或調(diào)控信號(hào)序列與操縱基因序列 共同構(gòu)成的轉(zhuǎn)錄單位 四 基因表達(dá)的調(diào)節(jié)系統(tǒng) 1 操縱子 operon 25 啟動(dòng)子或調(diào)控信號(hào)序列調(diào)節(jié)操縱子表達(dá)相關(guān)基因同時(shí)轉(zhuǎn)錄翻譯 形成功能相關(guān)蛋白質(zhì)功能蛋白質(zhì)正負(fù)反饋調(diào)控操縱子 2 操縱子的調(diào)控 26 第二節(jié)細(xì)菌基因突變 自發(fā)突變誘導(dǎo)突變 點(diǎn)突變?nèi)旧w畸變 細(xì)菌遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變 導(dǎo)致細(xì)菌發(fā)生遺傳性變異 27 1 基因突變的規(guī)律 稀有性及可誘導(dǎo)性突變與選擇可逆性與回復(fù)突變 28 2 基因突變的分子機(jī)制 堿基置換包括轉(zhuǎn)換與顛換 不一定引起編碼產(chǎn)物氨基酸序列的改變移碼突變序列移位可導(dǎo)致后面的密碼意義發(fā)生錯(cuò)誤 而產(chǎn)生無(wú)功能肽類(lèi)和蛋白質(zhì) 29 3 突變型細(xì)菌及其應(yīng)用 抗性突變型耐藥突變菌株用于研究藥物作用機(jī)制及細(xì)菌耐藥機(jī)制營(yíng)養(yǎng)缺陷突變型用于研究細(xì)菌的生物合成代謝途徑條件致死性突變型溫度敏感突變株發(fā)酵陰性突變型突變?cè)斐赡撤N酶缺陷 失去發(fā)酵某種糖的能力 30 第三節(jié)基因的轉(zhuǎn)移與重組 轉(zhuǎn)移與重組是細(xì)菌在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生多種基因組合以更好適應(yīng)環(huán)境的最重要原因 打破親緣關(guān)系的界限 可獲得更多遺傳信息 31 一 重組的類(lèi)型 同源重組發(fā)生在有共同起源的基因間 需recA蛋白酶參與非同源重組不需DNA片段的同源性 需位點(diǎn)專(zhuān)一重組酶參與 32 二 轉(zhuǎn)移與重組的方式 轉(zhuǎn)化接合轉(zhuǎn)導(dǎo)溶原性轉(zhuǎn)換原生質(zhì)體融合 33 供體菌受體菌 游離DNA直接攝取 1 轉(zhuǎn)化 transformation 34 1 轉(zhuǎn)化條件 供 受體菌的基因型同源性 轉(zhuǎn)化因子不超過(guò)20個(gè)基因受體菌的生理狀態(tài)感受態(tài)環(huán)境因素Ca2 Mg2 cAMP等可維持DNA穩(wěn)定性 促進(jìn)轉(zhuǎn)化 35 2 感受態(tài) competence 細(xì)菌表面出現(xiàn)有利于外源DNA攝入的狀態(tài) 如表達(dá)利于DNA吸附及攝入的酶和蛋白質(zhì) 細(xì)胞帶正電 細(xì)胞膜通透性增高等 常出現(xiàn)在細(xì)菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)末期 持續(xù)時(shí)間不一 低滲的氯化鈣 冷休克可人工誘導(dǎo)感受態(tài) 36 3 轉(zhuǎn)化過(guò)程 37 供體菌受體菌 性菌毛 接合性質(zhì)?；蛉旧wDNA 2 接合 conjugation 38 接合性質(zhì)粒攜帶tra基因簇 編碼約40基因 參與接合轉(zhuǎn)移過(guò)程 排斥F質(zhì)粒進(jìn)入F 菌性菌毛的合成與組裝維持配接時(shí)的穩(wěn)定切割解旋DNA 并促使轉(zhuǎn)移鏈的進(jìn)入 39 1 F F 2F 40 F質(zhì)粒可整合到細(xì)菌染色體上 引起宿主菌染色體發(fā)生高頻率轉(zhuǎn)移到F 菌 Hfr菌也可重新變?yōu)镕 菌 2 高頻重組菌株 Highfrequencyofrecombination Hfr 41 Hfr F Hfr F 42 Hfr菌上的F質(zhì)粒被異常切割時(shí) 常帶有染色體上幾個(gè)鄰近的基因 可導(dǎo)致其再感染菌遺傳物質(zhì)的改變 此為性導(dǎo) 3 F 質(zhì)粒 43 4 R質(zhì)粒的接合 耐藥傳遞因子 RTF 編碼性菌毛 決定質(zhì)粒的復(fù)制 接合和轉(zhuǎn)移耐藥決定因子決定細(xì)菌的多重耐藥性 R質(zhì)粒還可誘導(dǎo)非接合性質(zhì)粒的傳遞 被稱(chēng)為傳染性耐藥因子 44 供體菌受體菌 噬菌體 轉(zhuǎn)導(dǎo)現(xiàn)象只發(fā)生在同種細(xì)菌之間 3 轉(zhuǎn)導(dǎo) transduction 供體DNA片段 45 裂解末期的裝配錯(cuò)誤所致 可轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌的任一基因片段 會(huì)產(chǎn)生完全轉(zhuǎn)導(dǎo)和流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)兩種結(jié)果 1 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo) Generalizedtransduction 46 47 48 溶原期的偏差脫落所致 只轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌染色體上個(gè)別特定的基因片段 2 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo) restrictedtransduction 49 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)與局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)的區(qū)別 50 4 溶原性轉(zhuǎn)換 lysogenicconversion 溫和噬菌體以前噬菌體的形式與細(xì)菌染色體發(fā)生重組 導(dǎo)致細(xì)菌獲得新的性狀 51 5 原生質(zhì)體融合 protopastfusion 兩種不同的細(xì)菌經(jīng)溶菌酶或青霉素等處理 失去細(xì)胞壁成為原生質(zhì)體后 進(jìn)行彼此融合的過(guò)程 聚乙二醇可促使融合經(jīng)基因交換與重組 可獲得多種表型的重組融合體一種人工基因轉(zhuǎn)移系統(tǒng) 52 細(xì)菌的耐藥性 獲得性耐藥 細(xì)菌耐藥的機(jī)制 遺傳機(jī)制 生化機(jī)制 固有耐藥 53 第四節(jié)細(xì)菌遺傳變異在醫(yī)學(xué)上實(shí)際的意義 54 一 形態(tài)結(jié)構(gòu)變異與細(xì)菌學(xué)診斷 在外界因素作用下 細(xì)菌可失去其典型的形態(tài) 結(jié)構(gòu) 在臨床細(xì)菌學(xué)診斷中 應(yīng)充分了解細(xì)菌變異現(xiàn)象及規(guī)律 55 形態(tài)變異 3 6 食鹽鼠疫桿菌 多形態(tài)性 衰殘型 瓊脂培基 56 L型變異 青霉素 溶菌酶正常形態(tài)細(xì)菌 L型變異 部分或完全失去胞壁 57 特殊結(jié)構(gòu)變異 變形桿菌 H 1 石炭酸 O 遷徙生長(zhǎng)菌落樣生長(zhǎng) 58 二 耐藥性變異與控制 金葡菌耐藥菌株已上升至90 以上 有些菌還表現(xiàn)為多重耐藥性 甚至產(chǎn)生藥物依賴(lài)性 藥物敏感試驗(yàn)?zāi)退幈O(jiān)測(cè)耐藥機(jī)制研究 59 三 毒力變異與疾病控制 炭疽減毒活疫苗布魯菌減毒活疫苗鼠疫耶爾森菌減毒活疫苗 膽汁 甘油 馬鈴薯培養(yǎng)基牛型結(jié)核桿菌 卡介苗13年 230代 60 四 流行病學(xué)分析方面的應(yīng)用 將分子生物學(xué)方法用于流調(diào)追蹤基因水平的轉(zhuǎn)移與播散PFGE 質(zhì)粒譜分析 RFLP 核酸序列分析等 61 五 檢測(cè)致癌物質(zhì)方面的運(yùn)用 凡能誘導(dǎo)突變的物質(zhì)有可能是潛在致癌物利用細(xì)菌試驗(yàn)篩選可疑致癌物 62 六 基因工程方面的運(yùn)用 DNA體外重組技術(shù)不同種屬個(gè)體間的遺傳物質(zhì)可相互轉(zhuǎn)移和重組有利于疾病的特異性防治 63 小結(jié) 細(xì)菌基因組的主要組成染色體和質(zhì)粒 細(xì)菌基因組中的轉(zhuǎn)座元件插入序列 轉(zhuǎn)座子和整合子 細(xì)菌基因突變 細(xì)菌基因轉(zhuǎn)移與重組的主要方式轉(zhuǎn)化 接合 轉(zhuǎn)導(dǎo) 溶原性轉(zhuǎn)換 細(xì)菌遺傳變異在醫(yī)學(xué)上的實(shí)際意義 64 1 簡(jiǎn)述質(zhì)粒的概念及其特點(diǎn) 2 細(xì)菌的轉(zhuǎn)座元件有哪些 簡(jiǎn)述它的醫(yī)學(xué)意義 3 簡(jiǎn)述細(xì)菌基因轉(zhuǎn)移與重組的方式 4 微生物的遺傳變異在醫(yī)學(xué)上有何實(shí)際意義 5 結(jié)合所學(xué)知識(shí) 試分析細(xì)菌耐藥的遺傳學(xué)機(jī)制 思考題 65 中英文關(guān)鍵詞 keywords 染色體Chromsome噬斑plaque質(zhì)粒Plasmid轉(zhuǎn)化Transformation轉(zhuǎn)座原件TransposableElements轉(zhuǎn)導(dǎo)Transduction溫和噬菌體Lysophage temperate phage接合Conjugation毒性噬菌體VirulentphageR質(zhì)粒Rplasmid前噬菌體ProphageF因子Ffactor溶原性轉(zhuǎn)換Lysogenicconversion轉(zhuǎn)座子Transposon Tn溶原性細(xì)菌Lysogenicbacterium整合子Integron In普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)Generaltransduction突變Mutation高頻重組菌株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 課外閱讀資料 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