第4章细菌的遗传与变异文档资料.ppt

,1,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,1.细菌遗传物质的种类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。,重点与难点,BCG：牛型结核杆菌（有毒株）胆汁-甘油-马铃薯培养 13年，230次传代 减毒株（BCG）基因型变异：BCG 表型变异：细菌L型,基因型变异与表型变异,基因型 由细菌的基因组决定，可传给子代表型 基因型在一定环境中所显示的生物性状变异表型变异受环境的影响暂时性，不遗传基因型变异不受环境的影响稳定，可遗传,一、细菌基因组（bacterial genome）包括染色体、外源性DNA（质粒、噬菌体的部分或全部的基因组和可移动元件,细菌染色体：dsDNA，580kb5220kb 复制快：105 bp/min 无组蛋白，无内含子，为连续基因 单倍体：突变后更易表现,质粒（plasmid）：,独立复制水平转移整合相容性丢失或消除,功能：F质粒转移；Vi质粒毒力 R质粒耐药；Col质粒细菌素,噬菌体基因组（bacterial phage genome）温和型噬菌体全部或部分基因组整合于宿主菌的染色体。如-棒状杆菌噬菌体携带白喉外毒素基因，可整合至白喉棒状杆菌染色体中，使其产毒株。,转座元件（transposable element）插入序列(insertion sequence，IS):7501550 bp 两端重复序列，与插入有关 中心序列有转位酶基因,IS参与沙门菌鞭毛抗原（H）的变异,IS,H1鞭毛抗原,H2 鞭毛抗原,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,常见的插入序列和转座子,IS bp Tn 耐药或毒素基因IS1 768 Tn1 AP（氨苄青霉素）IS2 1327 Tn6 Kan（卡那霉素）IS3 1300 Tn10 Tet（四环素）IS4 1426 Tn551 Em（红霉素）IS5 1195 Tn681 E.coli ET（肠毒素）,整合子（integron，In）：定位于细菌染色体、质粒或转座子上基本结构：两端为保守末端，中间为可变区，含一个或多个基因盒整合子含有3个功能元件：重组位点；整合酶基因；启动子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,噬菌体（bacteriophage）：,形态结构:蝌蚪形衣壳：蛋白质核酸：dsDNA,分布广:有菌就有噬菌体宿主特异性：流行病调查；分型参与细菌变异：转导,溶原性转换,二、基因突变,影印平板：自发的，随机的，非诱导的药 物仅起选择作用,基因突变：突变率：10-610-9自发突变与诱发突变突变与选择回复突变与抑制突变,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 仅起筛选而不是诱导作用。,突变型细菌及其分离鉴定：耐药性突变型 药敏试验 营养缺陷突变型 营养物质筛选 条件致死性突变型 温度敏感试验 发酵阴性突变型 乳糖发酵试验,三、基因的转移,基因转移：供体菌提供DNA；受体菌接受DNA,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,影响因素：供受体菌基因型：同源性；亲缘关系近，转化率高感受态（competence）：生理活动过程中摄取转化因子的最佳时期 环境因素：Mg2、Ca2等可促进转化,转导（transduction）噬菌体媒介将供体菌DNA转给受体菌分普遍性转导和局限性转导,毒性噬菌体，温和噬菌体 包装错误：任何部位细菌DNA片段转导性噬菌体：宿主菌DNA，无噬菌体DNA受体菌接受转导噬菌体(供体菌)DNA受体菌获得供体菌性状,普遍性转导：,局限性转导（溶原性转换）：温和性噬菌体,脱落错误：前噬菌体及两边的细菌DNA转导性噬菌体：噬菌体DNA及细菌DNA,接合（conjugation）通过性菌毛将供体菌DNA转给受体菌，受体菌获得供体菌性状,F质粒（fertility factor,致育因子）,接触：性菌毛与受体菌细胞质沟通转移：F质粒进入F菌，1分钟完成复制：F菌转为F菌,Hfr（高频重组菌株）：F质粒与染色体整合 具有接合和转移功能 细菌染色体转移频率高，F质粒转移率低 受体菌获得供体菌性状 可用于绘制基因图,Hfr转移细菌染色体过程,R质粒耐药传递因子：编码性菌毛r决定因子：耐药,溶原性转换（lysogenic conversion）噬菌体DNA与菌染色体整合受体菌获得新的性状如白喉棒状杆菌：-棒状杆菌噬菌体-外毒素基因 不产毒白喉棒状杆菌 产毒白喉棒状杆菌,诊断困难 HO变异：如伤寒沙门菌鞭毛 SR变异：消失荚膜或多糖 抗原性改变 毒力下降，生化反应改变治疗困难：耐药 预防：BCG,四、实际应用,Ames试验：,基因工程,载体：质粒，噬菌体工程菌和酶：限制性内切酶，连接酶选择目的基因，细菌中表达，如胰岛素、白介素、干扰素等基因工程疫苗,细菌基因转移的类型及其主要差异？何谓Transposon、IS、F质粒、R质粒、Hfr和Ames试验？影印试验验证何种理论？研究细菌的突变在临床上有何意义？,思考题,中英文关键词(key words),Chromsome（染色体）Plasmid（质粒）Transposable Elements（转座元件）Lysophage(temperate)phage（温和噬菌体）Virulent phage（烈性噬菌体）Prophage（前噬菌体）Horizontal Gene transfer（水平基因转移）Transformation（转化）Transduction（转导）General transduction（普遍性转导）Lysogenic（specific）transduction/conversion（溶原性转换）Conjugation（接合）F factor（F 因子）Hfr（高频重组菌株）R plasmid（R质粒）,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.FEMS Microbiol Rev.2011,35(5):756-67.,课外阅读资料,8 Skippington E,Ragan MA.Lateral genetic transfer and the construction of genetic exchange communities.FEMS Microbiol Rev.2011,35(5):707-35.9 van Reenen CA,Dicks LM.Horizontal gene transfer amongst probiotic lactic acid bacteria and other intestinal microbiota:what are the possibilities?Arch Microbiol.2011,193(3):157-68.10 Leung MM,Florizone SM,Taylor TA,et al.The gene transfer agent of Rhodobacter capsulatus.Adv Exp Med Biol.2010,675:253-64.11 Holmgren L.Horizontal gene transfer:you are what you eat.Biochem Biophys Res Commun.2010,396(1):147-51.12 Rankin DJ,Rocha EP,Brown SP.What traits are carried on mobile genetic elements,and why?Heredity(Edinb).2011,106(1):1-10.13 Kado CI.Horizontal gene transfer:sustaining pathogenicity and optimizing host-pathogen interactions.Mol Plant Pathol.2009,10(1):143-50.14 Koonin EV,Wolf YI.Genomics of bacteria and archaea:the emerging dynamic view of the prokaryotic world.Nucleic Acids Res.2008 Dec;36(21):6688-719.,课外阅读资料,