细菌的变异现象细菌的变异现象毒力变异

Bacterialheredityandvariation三峡大学医学院病原生物学韩莉教授1.细菌遗传物质的种类2.细菌基因的水平转移(细菌变异的机制)（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。重点与难点遗传（heredity）子代与亲代的生物学性状基本相同，且代代相传。变异（variation）子代与亲代以及子代与子代之间的生物学性状出现差异。基因型变异表型变异基因改变+-遗传+-可逆性-+外界环境-+变异幅度个别细胞群体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型葡萄球菌L型------细菌的变异现象毒力变异形态结构的变异耐药性变异细菌的变异现象菌落变异形态结构变异正常形态细菌细菌L型葡萄球菌葡萄球菌L型青霉素、溶菌酶等------细菌的变异现象细菌的变异现象形态结构变异有荚膜的肺炎球菌无荚膜的肺炎球菌------细菌的变异现象细菌的变异现象毒力变异白喉棒状杆菌获得白喉毒素β棒状杆菌噬菌体白喉杆菌溶原性转换示意图------细菌的变异现象细菌的变异现象耐药性变异1.金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946年的14%上升至目前的80%以上。2.有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。含链霉素培养基痢疾杆菌─────→依链株(耐药菌株)长期培养------细菌的变异现象细菌的变异现象细菌菌落形态变异S型菌落R型菌落------细菌的变异现象细菌的变异现象质粒染色体噬菌体转位因子整合子------细菌的遗传物质染色体（chromosome）环状双螺旋DNA，长约1mm,决定细菌基因型(genotype)和表型(phenotype）dsDNA，580kb～5220kb复制快：105bp/min无组蛋白，无内含子单倍体：突变后更易表现------细菌的遗传物质质粒（plasmid）染色体外的遗传物质，是环状闭合双链的DNA，存在于细胞质中，具有自我复制能力，所携带的遗传物质能赋予宿主菌某些生物学性状。------细菌的遗传物质医学上重要的质粒1.F质粒（致育因子）-编码细菌的性菌毛2.R质粒(耐药性质粒)-与细菌耐药性有关3.Vi质粒（毒力质粒）-编码与该菌致病性有关的毒力因子，如ST、LT质粒4.代谢质粒-编码产生相关的代谢酶5.细菌素质粒-编码细菌素质粒（plasmid）------细菌的遗传物质质粒的特性1.独立复制2.水平转移3.整合4.相容性和不相容性5.丢失或消除质粒（plasmid）------细菌的遗传物质噬菌体(bacteriophage)------细菌的遗传物质噬菌体(bacteriophage)------细菌的遗传物质噬菌体(bacteriophage)相关概念1.前噬菌体（prophage）：?2.溶原性细菌（lysogenicbacterium）：?3.温和噬菌体（temperatephage）：?------细菌的遗传物质转位因子(Transposableelement)转位因子是存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段特异性核苷酸序列片段，它能在DNA分子中移动，不断改变它们在基因组的位置，能从一个基因组转移到另一个基因组中。------细菌的遗传物质转位因子(Transposableelement)转位因子分类插入系列转座子整合子：是最小的转位因子，不携带细菌表现任何性状的基因，可能是原核细胞正常代谢的调节开关之一除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、毒素基因等,它可能与细菌的多重耐药性有关转座子携带耐药或毒素基因Tn1Tn2Tn3AP(氨苄青霉素)Tn4AP、SM(链霉素)、Su(磺胺)Tn5Tn6Km(卡那霉素)Tn7TMP(甲氧苄氨嘧啶)、SMTn9Cm(氯霉素)Tn10Tc(四环素)Tn551Em(红霉素)Tn971Em(红霉素)Tn1681大肠埃希菌(肠毒素基因)转座子的特征------细菌的遗传物质IS参与沙门菌鞭毛抗原（H）的变异ISH1geneH2geneH1鞭毛抗原H2鞭毛抗原------细菌的遗传物质转座子(transposon,Tn):2000~25000bp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------细菌的遗传物质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------细菌的遗传物质特点运动性DNA独特结构可捕获和整合外源性基因定位染色体、质粒或转座子上三个功能元件：整合酶、重组位点、启动子------细菌的遗传物质一、基因突变(mutation)基因突变即遗传物质结构发生突然改变基因突变的类型点突变：范围小染色体畸变：范围大基因突变的机制碱基的置换和移码------细菌的变异机制一、基因突变(mutation)基因突变特性：10-6~10-91.自发性与可诱发性2.随机性与不对应性e.g.彷徨试验；影印试验3.可逆性突变可回复：野生型↔突变株------细菌的变异机制一、基因突变(mutation)------细菌的变异机制影印平板：自发的，随机的，非诱导的药物仅起选择作用影印实验彷徨试验：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。转导转化接合溶原性转换原生质体融合二、基因的转移和重组------细菌的变异机制二、基因的转移和重组转化（transformation）转化是供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。------细菌的转移和重组二、基因的转移和重组转化（transformation）------细菌的转移和重组二、基因的转移和重组转导（transduction）以温和噬菌体为媒介，将供体菌的DNA片段转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。普遍性转导（generalizedtransduction）包括完全转导与流产转导局限性转导（restrictedtransduction）------细菌的转移和重组二、基因的转移和重组转导（transduction）------细菌的转移和重组普遍转导二、基因的转移和重组转导（transduction）局限性转导------细菌的转移和重组二、基因的转移和重组普遍性转导与局限性转导的区别区别要点普遍性转导局限性转导基因转导发生的时期裂解期溶原期转导的遗传物质供体菌染色体DNA任何部位或质粒噬菌体DNA及供体菌DNA的特定部位转导的后果完全转导或流产转导受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗传特性转导频率受体菌的10-7转导频率较普遍转导增加1000倍(10-4)------细菌的转移和重组二、基因的转移和重组接合（conjugation）细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌,使受体菌获得新性状。------细菌的转移和重组二、基因的转移和重组接合（conjugation）F质粒的接合(F+与F-的接合)------细菌的转移和重组二、基因的转移和重组接合（conjugation）F+与Hfr菌的转换Hfr与F+菌的转换------细菌的转移和重组二、基因的转移和重组接合（conjugation）F质粒的接合(Hfr与F-的接合)------细菌的转移和重组二、基因的转移和重组高频重组菌（highfrequencyrecombinant，Hfr）细菌染色体上整合有F质粒，该菌能以较高的频率转移细菌染色体基因。F′质粒：F质粒在Hfr菌中的整合作用是一种可逆过程，从染色体上脱离下来的F质粒还会携带邻近的染色体基因或DNA片段。F+、Hfr、F′都为雄菌------细菌的转移和重组Hfr转移细菌染色体过程二、基因的转移和重组R质粒的接合耐药传递因子（resistancetransferfactor,RTF）与F质粒相似耐药（r）决定子(resistancedeterminant)编码对抗菌药物的耐药性，可由几个转座子连接相邻排列。------细菌的转移和重组RTFRdeterminant二、基因的转移和重组R质粒的接合------细菌的转移和重组二、基因的转移和重组溶原性转换（lysogenicconversion）溶原性细菌因染色体上整合有前噬菌体,从而获得新的遗传性状，称溶原性转换。白喉棒状杆菌获得白喉毒素β棒状杆菌噬菌体------细菌的转移和重组二、基因的转移和重组原生质体融合（protoplastfusion)是将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行彼此融合的过程。------细菌的转移和重组二、基因的转移和重组基因转移：供体菌提供DNA；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------细菌的转移和重组------细菌遗传变异的医学应用1.在疾病的诊断、治疗与预防中的应用2.在流行病学中的应用噬菌体分型指纹图谱法（plasmidfingerprinting,PFP）3.在测定致癌物质中的应用--Ame'stest4.在基因工程中的应用工程技术生产胰岛素、生长激素、疫苗等------细菌遗传变异的医学应用Ame'stestAmes试验：------细菌遗传变异的医学应用基因工程的主要步骤1.细菌基因转移的类型及其主要差异？2.何谓Transposon、IS、F质粒、R质粒、Hfr和Ames试验？3.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(keywords)Chromsome（染色体）Plasmid（质粒）TransposableElements（转座元件）Lysophage(temperate)phage（温和噬菌体）Virulentphage（烈性噬菌体）Prophage（前噬菌体）HorizontalGenetransfer（水平基因转移）Transformation（转化）Transduction（转导）Generaltransduction（普遍性转导）Lysogenic（specific）transduction/conversion（溶原性转换）Conjugation（接合）Ffactor（F因子）Hfr（高频重组菌株）Rplasmid（R质粒）[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'twel