變異

1、Bacterial heredity and variation,三峽大學醫(yī)學院病原生物學 韓莉教授,1.細菌遺傳物質的種類2.細菌基因的水平轉移(細菌變異的機制)（1）轉化、接合、轉導、溶原性轉換的概念及其在臨床實踐中的意義。（2）耐藥質粒與耐藥性的傳播。,重點與難點,遺傳（heredity） 子代與親代的生物學性狀基本相同，且代代相傳。,變異（variation） 子代與親代以及子代與子代之間的

2、生物學性狀出現(xiàn)差異。,BCG：牛型結核桿菌（有毒株） 膽汁-甘油-馬鈴薯培養(yǎng) 13年，230次傳代 減毒株（BCG）基因型變異：BCG 表型變異：細菌L型,,葡萄球菌L型,------細菌的變異現(xiàn)象,毒力變異,形態(tài)結構的變異,耐藥性變異,細菌的變異現(xiàn)象,菌落變異,形態(tài)結構變異,正常形態(tài)細菌,細菌L型,葡

3、萄球菌,葡萄球菌L型,------細菌的變異現(xiàn)象,細菌的變異現(xiàn)象,形態(tài)結構變異,有莢膜的肺炎球菌,無莢膜的肺炎球菌,,------細菌的變異現(xiàn)象,細菌的變異現(xiàn)象,毒力變異,白喉棒狀桿菌,獲得白喉毒素,白喉桿菌溶原性轉換示意圖,------細菌的變異現(xiàn)象,細菌的變異現(xiàn)象,耐藥性變異,1.金黃色葡萄球菌耐青霉素的菌株已從1946年的14% 上升至目前的80%以上。2.有些細菌還表現(xiàn)為同時耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產(chǎn)生藥物依

4、賴性。 含鏈霉素培養(yǎng)基痢疾桿菌─────→依鏈株(耐藥菌株)          長期培養(yǎng),------細菌的變異現(xiàn)象,細菌的變異現(xiàn)象,細菌菌落形態(tài)變異,S型菌落,,R型菌落,------細菌的變異現(xiàn)象,細菌的變異現(xiàn)象,質粒,染色體,噬菌體,轉位因子,整合子,------細菌的遺傳物質,染色體（chromosome）,環(huán)狀雙

5、螺旋DNA，長約1mm, 決定細菌基因型(genotype)和表型(phenotype） dsDNA，580kb～5220kb 復制快：105 bp/min 無組蛋白，無內含子 單倍體：突變后更易表現(xiàn),------細菌的遺傳物質,質粒（plasmid）,染色體外的遺傳物質，是環(huán)狀閉合雙鏈的 DNA，存在于細胞質中，具有自我復制能力，所攜帶的遺傳物質能賦予宿主菌某些生物學性狀。,--

6、----細菌的遺傳物質,醫(yī)學上重要的質粒,F質粒（致育因子）- 編碼細菌的性菌毛R質粒 (耐藥性質粒)- 與細菌耐藥性有關3. Vi質粒（毒力質粒）- 編碼與該菌致病性有關的毒力因子，如ST、LT質粒4. 代謝質粒 - 編碼產(chǎn)生相關的代謝酶5. 細菌素質粒-編碼細菌素,質粒（plasmid）,------細菌的遺傳物質,質粒的特性,1.獨立復制2.水平轉移3.整合4.相容性和不相容性5.丟失或消除,質粒（plasmid）

7、,------細菌的遺傳物質,噬菌體(bacteriophage),------細菌的遺傳物質,噬菌體(bacteriophage),------細菌的遺傳物質,噬菌體(bacteriophage),相關概念,1.前噬菌體（prophage）：? 2.溶原性細菌（lysogenic bacterium）：? 3.溫和噬菌體（temperate phage）：?,------細菌的遺傳物質,轉位因子( Transposab

8、le element),轉位因子是存在于細菌染色體或質粒DNA分子上的一段特異性核苷酸序列片段，它能在DNA分子中移動，不斷改變它們在基因組的位置，能從一個基因組轉移到另一個基因組中。,------細菌的遺傳物質,轉位因子( Transposable element),轉位因子分類,插入系列,轉座子,整合子：,轉座子的特征,------細菌的遺傳物質,IS參與沙門菌鞭毛抗原（H）的變異,IS,H1鞭毛抗原,H2 鞭毛抗原,,,,,,

9、,------細菌的遺傳物質,轉座子 (transposon, Tn): 2000~25000 bp 兩端為IS 中心序列有與轉位無關基因 如：毒素基因、耐藥基因等,------細菌的遺傳物質,整合子（integron，In）：定位于細菌染色體、質?；蜣D座子上基本結構：兩端為保守末端，中間為可變區(qū)，含一個或多個基因盒整合子含有3個功能元件：重組位點；整合酶基因；啟動子通過轉座子或接合性

10、質粒，使多種耐藥基因在細菌中進行水平傳播,------細菌的遺傳物質,特點,運動性DNA獨特結構可捕獲和整合外源性基因定位染色體、質?；蜣D座子上三個功能元件：整合酶、重組位點、啟動子,------細菌的遺傳物質,一、基因突變(mutation),基因突變即遺傳物質結構發(fā)生突然改變,基因突變的類型,點突變：范圍小 染色體畸變：范圍大,基因突變的機制,堿基的置換和移碼,------細菌的變異機制,一、基因突變(mutatio

11、n),基因突變特性：10-6~10-9,1. 自發(fā)性與可誘發(fā)性2. 隨機性與不對應性 e.g. 彷徨試驗；影印試驗3. 可逆性 突變可回復： 野生型 ? 突變株,------細菌的變異機制,一、基因突變(mutation),------細菌的變異機制,影印平板：自發(fā)的，隨機的，非誘導的藥物僅起選擇作用,影印實驗,彷徨試驗：隨機的、非定向的突變是在接觸噬菌體之前就已發(fā)生，噬菌體對突變,僅起篩選而不是誘導作用。,轉導

12、,轉化,接合,溶原性轉換,原生質體融合,二、基因的轉移和重組,------細菌的變異機制,二、基因的轉移和重組,轉化（transformation）,轉化是供體菌裂解游離的DNA片段被受體菌直接攝取，使受體菌獲得新的性狀。,------細菌的轉移和重組,二、基因的轉移和重組,轉化（transformation）,------細菌的轉移和重組,二、基因的轉移和重組,轉導（transduction）,以溫和噬菌體為媒介，將供體菌的DNA片段

13、轉移到受體菌內，使受體菌獲得新的性狀。,普遍性轉導（generalized transduction） 包括完全轉導與流產(chǎn)轉導局限性轉導（restricted transduction）,------細菌的轉移和重組,二、基因的轉移和重組,轉導（transduction）,------細菌的轉移和重組,普遍轉導,二、基因的轉移和重組,轉導（transduction）,局限性轉導,------細菌的轉移和重組,二、

14、基因的轉移和重組,普遍性轉導與局限性轉導的區(qū)別,------細菌的轉移和重組,二、基因的轉移和重組,接合（conjugation）,細菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質（主要是質粒DNA）從供體菌轉移給受體菌,使受體菌獲得新性狀。,------細菌的轉移和重組,二、基因的轉移和重組,接合（conjugation）,F質粒的接合(F+與F-的接合),------細菌的轉移和重組,二、基因的轉移和重組,接合（conjugation）,F+

15、與Hfr菌的轉換,Hfr與F+菌的轉換,------細菌的轉移和重組,二、基因的轉移和重組,接合（conjugation）,F質粒的接合(Hfr與F-的接合),------細菌的轉移和重組,二、基因的轉移和重組,高頻重組菌 （high frequency recombinant，Hfr）,細菌染色體上整合有F質粒，該菌能以較高的頻率轉移細菌染色體基因。 F′質粒： F質粒在Hfr菌中的整合作用是一種可逆過程，從染色體上脫離

16、下來的F質粒還會攜帶鄰近的染色體基因或DNA片段。,F+ 、 Hfr、 F′都為雄菌,------細菌的轉移和重組,Hfr轉移細菌染色體過程,,,二、基因的轉移和重組,R質粒的接合,耐藥傳遞因子（resistance transfer factor, RTF）與F質粒相似 耐藥（r）決定子 (resistance determinant)編碼對抗菌藥物的耐藥性，可由幾個轉座子連接相鄰排列。,------細菌的轉移和重組,二、基因的

17、轉移和重組,R質粒的接合,------細菌的轉移和重組,二、基因的轉移和重組,溶原性轉換（lysogenic conversion）,溶原性細菌因染色體上整合有前噬菌體,從而獲得新的遺傳性狀，稱溶原性轉換。,白喉棒狀桿菌,獲得白喉毒素,------細菌的轉移和重組,二、基因的轉移和重組,原生質體融合（protoplast fusion),是將兩種不同的細菌經(jīng)溶菌酶或青霉素等處理，失去細胞壁成為原生質體后進行彼此融合的過程。,,-----

18、-細菌的轉移和重組,二、基因的轉移和重組,基因轉移：供體菌提供DNA；受體菌接受DNA,------細菌的轉移和重組,------細菌遺傳變異的醫(yī)學應用,1.在疾病的診斷、治療與預防中的應用 2.在流行病學中的應用 噬菌體分型 指紋圖譜法 （plasmid fingerprinting ,PFP） 3.在測定致癌物質中的應用--Ame's test 4.在基因工程中的應用 工程技術生產(chǎn)胰島素、生長

19、激素 、疫苗等,------細菌遺傳變異的醫(yī)學應用,Ame's test,Ames試驗：,------細菌遺傳變異的醫(yī)學應用,基因工程的主要步驟,細菌基因轉移的類型及其主要差異？何謂Transposon、IS、F質粒、R質粒、Hfr和Ames試驗？影印試驗驗證何種理論？研究細菌的突變在臨床上有何意義？,思考題,中英文關鍵詞 (key words),Chromsome （染色體）

20、 Plasmid（質粒）Transposable Elements （轉座元件）Lysophage (temperate) phage （溫和噬菌體）Virulent phage （烈性噬菌體）Prophage（前噬菌體）Horizontal Gene transfer （水平基因轉移）Transformation（轉化） Transduction（轉導）General tran

21、sduction （普遍性轉導）Lysogenic （specific）transduction/conversion （溶原性轉換）Conjugation（接合） F factor （F 因子）Hfr（高頻重組菌株） R plasmid（R質粒）,[1] Brooks GF, Carroll CK, Butel JS, et al. J

22、awetz, Melnick, & Adelberg's Medical Microbiology, 25th ed., (LANGE Basic Science) McCraw Hill Co, 2009, 2010, page 97-118[2] Lang AS, Zhaxybayeva O, Beatty JT. Gene transfer agents: phage-like elements of gene

23、tic exchange. Nat Rev Microbiol. 2012, 10(7):472-82[3] 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. Po

24、pulation 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: shouldn't we look back again to organi

25、sms? 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] Anda

26、m 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.,課外閱讀資料,[8] Skippington E, Ragan MA. Lateral gen

27、etic 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 intesti

28、nal 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

29、] 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 (Ed

30、inb). 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 a