细菌的遗传与变异-16年.pdf

细菌的遗传与变异 (Bacterial Heredity and Variation)授课教师：李杰 副教授联系方式：82805133；jieli@授课单位：北京大学基础医学院病原生物学系1细菌的遗传物质细菌的变异现象细菌变异的机制细菌遗传变异在医学上的应用2本讲主要内容3n 染色体(chromosome)n 质粒(plasmid)n 前噬菌体(prophage)n 转座子(transposon, Tn)细菌的遗传物质 Genetic materials of bacteria细菌的染色体 Bacterial chromosome多种形式一条环状双链DNA：大多数（>90%）细菌，大小范围在 580kbp～～5220kbp之间两条环状dsDNA：少数细菌（如霍乱弧菌，问号钩端螺旋体，马耳他布鲁菌）三条环状dsDNA：paracoccusdernitrificans线性dsDNA：疏螺旋体属（Borrella）伯氏疏螺旋体、迦氏疏螺旋体、埃氏疏螺旋体和radyrhizobiunjaponicum等真核和原核生物染色体的区别项目原核生物（以细菌为例）真核生物（以人为例）核膜无有DNA形态多为双股闭合环状DNA少有线性DNA、或多个DNA双链线性DNA染色体形态裸露的DNA纤维染色质或染色体DNA碱基对数58万-1000万30亿染色体数目多为1条，单倍体46条，二倍体基因数量约4000 约2-2.5万非编码序列无内含子，很少有重复序列许多内含子和重复序列霍乱弧菌有两条染色体，大的含2961146bp，小的含1072314bp细菌rRNA编码基因是多拷贝以装备大量核糖体满足细菌生长需求顺式作用元件、反式作用转录后无需剪切复制方向5＇→3＇，有多个真核和原核生物染色体的区别项目原核生物（以细菌为例）真核生物（以人为例）因子（较复杂）无修饰，边转录边翻译需要进行加工、剪切内含子无内含子和基因间区有内含子和基因间区起始点复制起始点，半不连续复制操纵子（operon）：指包含结构基因、操纵基因以及启动基因 等相邻基因组成的DNA片段，其中结构基因的表达受到操纵基 因的调控。

主要见于原核生物，其大多数基因表达调控是通过 操纵子机制实现的细菌染色体上有耐药基因(drug resistance gene)和致病岛(pathogenicity island)的存在，细菌种内和种间可交换致病岛指细菌基因组中编码与细菌毒力相关因子的外源DNA（～200kb），两侧有重复序列、插入序列或tRNA基因组测序显示致病岛基因序列 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7细菌的染色体 Bacterial chromosome质粒 Plasmid细菌染色体外的可独立复制的遗传物质由闭合的双链环状DNA组成，控制细菌某些特定的遗传性状，非细菌生命活动所必须一个质粒即为一个复制子(replicon)8自我复制性：可自行丢失或经诱导消除，但细菌仍存活赋予细菌某些性状特征：F、R、Col及Vi 质粒转移性：经接合、转化或转导等在细菌间转移接合性质粒(conjugative plasmid)： F、R质粒非接合性质粒(non-conjugative plasmid)： Vi 质粒相容性(compatibility)和不相容性(incompatibility)9质粒的特征质粒的特征控制的生物学性状① F质粒(fertility plasmid)：编码性菌毛，介导细菌间质粒接 合传递。

② 耐药性质粒（resistance plasmid，R 质粒)：通过接合方式 进行基因传递的称接合性耐药质粒，常编码对数种抗菌药物和重 金属抗性，革兰阴性菌中多见③ 毒力质粒（virulence plasmid)：编码与细菌致病性相关的 毒力因子，如肠产毒素大肠埃希菌中的ST质粒编码耐热性肠毒素④ 细菌素质粒：编码各类细菌素，如Col质粒（Colicinogenic plasmid）编码大肠埃希菌的大肠菌素What is a prophage?16n 染色体(chromosome)n 质粒(plasmid) n 前噬菌体(prophage)n 转座子(transposon, Tn)细菌的遗传物质17噬菌体n 是感染细菌和真菌的病毒n 可通过除菌滤器n 严格活细胞内寄生n 有严格宿主特异性n 有蝌蚪形、丝形及微球形n 基因组可为DNA或RNA毒性噬菌体(virulent phage)：是感染后能在宿主菌内复制增殖，产生许多子代噬菌体，最终裂解宿主菌的噬菌体噬菌体溶原性噬菌体 (lysogenicphage) 或温和噬菌体(temperate phage)：是感染后噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但随宿主菌DNA的复制而复制，并随细菌的分裂而传代的噬菌体 1 9吸附核酸注入组装、成熟释放生物合成20毒性噬菌体的溶菌周期进入溶菌 性周期前噬菌体保持溶原 性状态吸附细菌分裂核酸注入prophagelysogenic bacterium溶原性转换 (lysogenic conversion)：由于携带前噬菌体而使细菌发生基因型和遗传性状改变的的现象，如白喉毒素产生21溶原性噬菌体的溶菌周期前噬菌体(prophage)定义：整合在宿主菌染色体上的温和噬菌体基因，即为前噬菌体；其可作为宿主菌遗传物质，使细菌发生溶原性转换n 是基因组上的一段特殊序列，它能在细菌及其他生物染色体、质粒和噬菌体之间自行移动，如耐药性岛、毒力岛、代谢岛等n 类型：insertion sequence（IS）complex transposon（耐药基因、独立基因）n Barbara McClintock于20世纪40年代提出n 1983年获 Noble PrizeRTFISTn4McClintock 1902-1992转座子Transposon, Tn细菌的遗传物质细菌的变异现象细菌变异的机制细菌遗传变异在医学上的应用2本讲主要内容BCG：卡介苗是将有毒力的牛型结核分枝杆菌置于含甘油和马铃薯的培养基中，经13年传代230代次，获得的一株毒力减弱而抗原性保留的变异株。

用于结核病的预防细菌的变异现象1. 形态与结构变异 2. 抗原性变异 3. 菌落变异（S-R变异） 4. 毒力变异（BCG）5. 耐药性变异（1）细胞壁缺陷型（L型变异）（2）细菌特殊结构变异荚膜鞭毛（H-O变异）芽胞14细菌变异的机制1、突变mutation ：细菌染色体DNA序列或组成发生 突然而稳定的改变，从而引起细菌遗传性状改变ATG CCG TAA TTGATG CCG AAA TTG (mutation)ATG CCG TAA GTT G (insertion)ATG CCG TAT TG (deletion)16172、基因转移和重组(gene transfer and recombination)：细菌获得外源DNA片段并与自身染色体DNA重组，引起细菌遗传性状改变转化接合转导细菌变异的机制供体菌游离的DNA片段直接进入受体菌，使受体菌获得新的遗传性状l研究史：1928, Griffith发现转化现象；1944，Avery发现转化因子是DNAl可转化的细菌：呈自然感受态的细菌，如肺炎链球菌、淋病和脑膜炎奈瑟菌、流感嗜血杆菌l可转化的性状：抗原性、抗药性、致病性等转化 TransformationGriffith菌落 RSS + ΔR + (S + Δ)R + S DNA: Avery肺炎链球菌转化试验菌 落RSRSFertility factor 接合 Conjugation细菌通过性菌毛相互连接沟 通，将供体菌的遗传物质转 移至受体菌，使受体菌获得新的遗传性状的过程。

高频重组菌，Hfr染色体整合有F+质粒的细 菌，其染色体易高频转移 至F-菌，故名F+ F-高频重组菌 High frequency recombinant, H转导Transduction以噬菌体作为载体，将供体菌的遗传物质转移至受体菌中，使受体菌获得新的遗传性状普遍性转导Generalized transductionn 毒性和温和噬菌体均可介导n 供体菌任意基因均可误装子代噬菌体中，感染后带入受体菌中n 金葡菌获得耐药基因的主要方式23局限性转导 Specialized transductionn 温和噬菌体的前噬菌体介导n 带有宿主菌基因的前噬菌体形成噬菌体后，再感染时可将特定供体菌的基因带入受体菌的过程n 大肠埃希菌的gal和 biogene（入噬菌体）24细菌变异的实际应用1.疾病诊断与防治2.测定致癌物质3.流行病学研究4.基因工程中的应用25Take home messages· chromosome · plasmid · prophage · transposon · pathogenicity island · plasmid · fertility plasmid · R plasmid · phage· virulent phage · prophage · lysogenic conversion · transformation · conjugation · Hfr · Transduction · generalized transduction · specialized transduction请参见爱课网《医学微生物学》同一章节的总结内容WWW。