變異

1、Bacterial heredity and variation,三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院病原生物學(xué) 韓莉教授,1.細(xì)菌遺傳物質(zhì)的種類(lèi)2.細(xì)菌基因的水平轉(zhuǎn)移(細(xì)菌變異的機(jī)制)（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。,重點(diǎn)與難點(diǎn),遺傳（heredity） 子代與親代的生物學(xué)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(xué)性狀出現(xiàn)差異。,BCG：牛型結(jié)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(xì)菌L型,,葡萄球菌L型,------細(xì)菌的變異現(xiàn)象,毒力變異,形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異,耐藥性變異,細(xì)菌的變異現(xiàn)象,菌落變異,形態(tài)結(jié)構(gòu)變異,正常形態(tài)細(xì)菌,細(xì)菌L型,葡

3、萄球菌,葡萄球菌L型,------細(xì)菌的變異現(xiàn)象,細(xì)菌的變異現(xiàn)象,形態(tài)結(jié)構(gòu)變異,有莢膜的肺炎球菌,無(wú)莢膜的肺炎球菌,,------細(xì)菌的變異現(xiàn)象,細(xì)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?xiàng)U菌溶原性轉(zhuǎn)換示意圖,------細(xì)菌的變異現(xiàn)象,細(xì)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(xì)菌還表現(xiàn)為同時(shí)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(zhǎng)期培養(yǎng),------細(xì)菌的變異現(xiàn)象,細(xì)菌的變異現(xiàn)象,細(xì)菌菌落形態(tài)變異,S型菌落,,R型菌落,------細(xì)菌的變異現(xiàn)象,細(xì)菌的變異現(xiàn)象,質(zhì)粒,染色體,噬菌體,轉(zhuǎn)位因子,整合子,------細(xì)菌的遺傳物質(zhì),染色體（chromosome）,環(huán)狀雙

5、螺旋DNA，長(zhǎng)約1mm, 決定細(xì)菌基因型(genotype)和表型(phenotype） dsDNA，580kb～5220kb 復(fù)制快：105 bp/min 無(wú)組蛋白，無(wú)內(nèi)含子 單倍體：突變后更易表現(xiàn),------細(xì)菌的遺傳物質(zhì),質(zhì)粒（plasmid）,染色體外的遺傳物質(zhì)，是環(huán)狀閉合雙鏈的 DNA，存在于細(xì)胞質(zhì)中，具有自我復(fù)制能力，所攜帶的遺傳物質(zhì)能賦予宿主菌某些生物學(xué)性狀。,--

6、----細(xì)菌的遺傳物質(zhì),醫(yī)學(xué)上重要的質(zhì)粒,F質(zhì)粒（致育因子）- 編碼細(xì)菌的性菌毛R質(zhì)粒 (耐藥性質(zhì)粒)- 與細(xì)菌耐藥性有關(guān)3. Vi質(zhì)粒（毒力質(zhì)粒）- 編碼與該菌致病性有關(guān)的毒力因子，如ST、LT質(zhì)粒4. 代謝質(zhì)粒 - 編碼產(chǎn)生相關(guān)的代謝酶5. 細(xì)菌素質(zhì)粒-編碼細(xì)菌素,質(zhì)粒（plasmid）,------細(xì)菌的遺傳物質(zhì),質(zhì)粒的特性,1.獨(dú)立復(fù)制2.水平轉(zhuǎn)移3.整合4.相容性和不相容性5.丟失或消除,質(zhì)粒（plasmid）

7、,------細(xì)菌的遺傳物質(zhì),噬菌體(bacteriophage),------細(xì)菌的遺傳物質(zhì),噬菌體(bacteriophage),------細(xì)菌的遺傳物質(zhì),噬菌體(bacteriophage),相關(guān)概念,1.前噬菌體（prophage）：? 2.溶原性細(xì)菌（lysogenic bacterium）：? 3.溫和噬菌體（temperate phage）：?,------細(xì)菌的遺傳物質(zhì),轉(zhuǎn)位因子( Transposab

8、le element),轉(zhuǎn)位因子是存在于細(xì)菌染色體或質(zhì)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(dòng)，不斷改變它們?cè)诨蚪M的位置，能從一個(gè)基因組轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基因組中。,------細(xì)菌的遺傳物質(zhì),轉(zhuǎn)位因子( Transposable element),轉(zhuǎn)位因子分類(lèi),插入系列,轉(zhuǎn)座子,整合子：,轉(zhuǎn)座子的特征,------細(xì)菌的遺傳物質(zhì),IS參與沙門(mén)菌鞭毛抗原（H）的變異,IS,H1鞭毛抗原,H2 鞭毛抗原,,,,,,

9、,------細(xì)菌的遺傳物質(zhì),轉(zhuǎn)座子 (transposon, Tn): 2000~25000 bp 兩端為IS 中心序列有與轉(zhuǎn)位無(wú)關(guān)基因 如：毒素基因、耐藥基因等,------細(xì)菌的遺傳物質(zhì),整合子（integron，In）：定位于細(xì)菌染色體、質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上基本結(jié)構(gòu)：兩端為保守末端，中間為可變區(qū)，含一個(gè)或多個(gè)基因盒整合子含有3個(gè)功能元件：重組位點(diǎn)；整合酶基因；啟動(dòng)子通過(guò)轉(zhuǎn)座子或接合性

10、質(zhì)粒，使多種耐藥基因在細(xì)菌中進(jìn)行水平傳播,------細(xì)菌的遺傳物質(zhì),特點(diǎn),運(yùn)動(dòng)性DNA獨(dú)特結(jié)構(gòu)可捕獲和整合外源性基因定位染色體、質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上三個(gè)功能元件：整合酶、重組位點(diǎn)、啟動(dòng)子,------細(xì)菌的遺傳物質(zhì),一、基因突變(mutation),基因突變即遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生突然改變,基因突變的類(lèi)型,點(diǎn)突變：范圍小 染色體畸變：范圍大,基因突變的機(jī)制,堿基的置換和移碼,------細(xì)菌的變異機(jī)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(jī)性與不對(duì)應(yīng)性 e.g. 彷徨試驗(yàn)；影印試驗(yàn)3. 可逆性 突變可回復(fù)： 野生型 ? 突變株,------細(xì)菌的變異機(jī)制,一、基因突變(mutation),------細(xì)菌的變異機(jī)制,影印平板：自發(fā)的，隨機(jī)的，非誘導(dǎo)的藥物僅起選擇作用,影印實(shí)驗(yàn),彷徨試驗(yàn)：隨機(jī)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(duì)突變,僅起篩選而不是誘導(dǎo)作用。,轉(zhuǎn)導(dǎo)

12、,轉(zhuǎn)化,接合,溶原性轉(zhuǎn)換,原生質(zhì)體融合,二、基因的轉(zhuǎn)移和重組,------細(xì)菌的變異機(jī)制,二、基因的轉(zhuǎn)移和重組,轉(zhuǎn)化（transformation）,轉(zhuǎn)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(xì)菌的轉(zhuǎn)移和重組,二、基因的轉(zhuǎn)移和重組,轉(zhuǎn)化（transformation）,------細(xì)菌的轉(zhuǎn)移和重組,二、基因的轉(zhuǎn)移和重組,轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）,以溫和噬菌體為媒介，將供體菌的DNA片段

13、轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲得新的性狀。,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（generalized transduction） 包括完全轉(zhuǎn)導(dǎo)與流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（restricted transduction）,------細(xì)菌的轉(zhuǎn)移和重組,二、基因的轉(zhuǎn)移和重組,轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）,------細(xì)菌的轉(zhuǎn)移和重組,普遍轉(zhuǎn)導(dǎo),二、基因的轉(zhuǎn)移和重組,轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）,局限性轉(zhuǎn)導(dǎo),------細(xì)菌的轉(zhuǎn)移和重組,二、

14、基因的轉(zhuǎn)移和重組,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)與局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)的區(qū)別,------細(xì)菌的轉(zhuǎn)移和重組,二、基因的轉(zhuǎn)移和重組,接合（conjugation）,細(xì)菌通過(guò)性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌,使受體菌獲得新性狀。,------細(xì)菌的轉(zhuǎn)移和重組,二、基因的轉(zhuǎn)移和重組,接合（conjugation）,F質(zhì)粒的接合(F+與F-的接合),------細(xì)菌的轉(zhuǎn)移和重組,二、基因的轉(zhuǎn)移和重組,接合（conjugation）,F+

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

16、下來(lái)的F質(zhì)粒還會(huì)攜帶鄰近的染色體基因或DNA片段。,F+ 、 Hfr、 F′都為雄菌,------細(xì)菌的轉(zhuǎn)移和重組,Hfr轉(zhuǎn)移細(xì)菌染色體過(guò)程,,,二、基因的轉(zhuǎn)移和重組,R質(zhì)粒的接合,耐藥傳遞因子（resistance transfer factor, RTF）與F質(zhì)粒相似 耐藥（r）決定子 (resistance determinant)編碼對(duì)抗菌藥物的耐藥性，可由幾個(gè)轉(zhuǎn)座子連接相鄰排列。,------細(xì)菌的轉(zhuǎn)移和重組,二、基因的

17、轉(zhuǎn)移和重組,R質(zhì)粒的接合,------細(xì)菌的轉(zhuǎn)移和重組,二、基因的轉(zhuǎn)移和重組,溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenic conversion）,溶原性細(xì)菌因染色體上整合有前噬菌體,從而獲得新的遺傳性狀，稱(chēng)溶原性轉(zhuǎn)換。,白喉棒狀桿菌,獲得白喉毒素,------細(xì)菌的轉(zhuǎn)移和重組,二、基因的轉(zhuǎn)移和重組,原生質(zhì)體融合（protoplast fusion),是將兩種不同的細(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。,,-----

18、-細(xì)菌的轉(zhuǎn)移和重組,二、基因的轉(zhuǎn)移和重組,基因轉(zhuǎn)移：供體菌提供DNA；受體菌接受DNA,------細(xì)菌的轉(zhuǎn)移和重組,------細(xì)菌遺傳變異的醫(yī)學(xué)應(yīng)用,1.在疾病的診斷、治療與預(yù)防中的應(yīng)用 2.在流行病學(xué)中的應(yīng)用 噬菌體分型 指紋圖譜法 （plasmid fingerprinting ,PFP） 3.在測(cè)定致癌物質(zhì)中的應(yīng)用--Ame's test 4.在基因工程中的應(yīng)用 工程技術(shù)生產(chǎn)胰島素、生長(zhǎng)

19、激素 、疫苗等,------細(xì)菌遺傳變異的醫(yī)學(xué)應(yīng)用,Ame's test,Ames試驗(yàn)：,------細(xì)菌遺傳變異的醫(yī)學(xué)應(yīng)用,基因工程的主要步驟,細(xì)菌基因轉(zhuǎn)移的類(lèi)型及其主要差異？何謂Transposon、IS、F質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Hfr和Ames試驗(yàn)？影印試驗(yàn)驗(yàn)證何種理論？研究細(xì)菌的突變?cè)谂R床上有何意義？,思考題,中英文關(guān)鍵詞 (key words),Chromsome （染色體）

20、 Plasmid（質(zhì)粒）Transposable Elements （轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移）Transformation（轉(zhuǎn)化） Transduction（轉(zhuǎn)導(dǎo)）General tran

21、sduction （普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)）Lysogenic （specific）transduction/conversion （溶原性轉(zhuǎn)換）Conjugation（接合） F factor （F 因子）Hfr（高頻重組菌株） R plasmid（R質(zhì)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