1、Bacterial heredity and variation,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。,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,
2、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,-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,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
3、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，580kb5220kb 复制快：105 bp/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,F质粒（致育因子）- 编码细菌的性菌毛R
4、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（lysogenic bacteri
5、um）：? 3.温和噬菌体（temperate phage）：?,-细菌的遗传物质,转位因子( Transposable element),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( Transposable element),转位因子分类,插入系列,转座子,整合子：,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,IS,H1鞭毛抗原,H2 鞭毛抗原,-细菌的遗传物质,转座子 (transposon, Tn): 20002500
6、0 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,-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,
7、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：10-610-9,1. 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（transformat
8、ion）,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（generalized transduction） 包括完全转导与流产转导局限性转导（restricted transduction）,-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
9、（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,-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
10、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 （high frequency recombinant，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（resistance transfer factor, RTF）与F质粒相似 耐药（r）决定子 (resistance determinan
11、t)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,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（lysogenic conversion）,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,-细菌的转移和重组,二、基因的转移和重组,原生质体融合（protoplast fusion),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,-细菌的转移和重
12、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 （plasmid fingerprinting ,PFP） 3.在测定致癌物质中的应用-Ames test 4.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,Ames test,Ames试验：,-细菌遗传变异的医学应用,基因工程的主要步骤,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),
13、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
14、 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 R
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