医学微生物学第四章细菌的遗传和变异

遗传是指亲代的特性可通过遗传物质传递给子代。细菌的遗传性保证了物种的稳定性，而变异性则使其更能适应外界环境的变化，从而促使其在物种上发生进化。细菌基因组(genome)包含菌细胞的全部遗传信息，包括染色体和(或)外源性DNA(质粒、噬菌体的部分或全部基因组)，以及可移动元件(mobile elements)。细菌的全部遗传信息构成了细菌基因型(genotype)，决定细菌的形态结构、生理代谢、致病性、免疫性及药物抗性等生物学性状。细菌的基因型决定同种间的相似性及个体间的差异性。

医学微生物学 第四章 细菌的遗传和变异

• 第一节 细菌的基因组成
  • 一、细菌基因组主要组成
    • 1. 细菌染色体
      • 典型的原核细胞含有单个环状染色体。 微生物基因组测序工作是在人类基因组计划的促进下开始的，开始是作为模式生物，后来不断发展，已成为研究微生物学的最有力的手段。
      • 单倍体,dsDNA,相对较小,580~5220kb
      • 非编码序列少，无内含子。Gene Economv
      • 大多数基因单拷贝.rRNA多拷贝
      • 功能相关的结构基因组成操纵子
      • 不同细菌 G+C%不同。
      • 种内种间存在广泛的基因水平转移
      • 基因岛
        • 细菌染色体基因组主要由核心序列组成。核心序列具有相对恒定的 G+C% 含量和密码子使用。 除了核心序列以外，有些特殊序列的 G+C% 含量和密码子使用不同于核心序列，并且是通过水平转移方式获得，这些序列所在的特殊区域称为基因岛(genomic island)。
    • 2. 质粒
      • 定义：质粒是细菌染色体外具有独立复制能力的遗传物质，存在于细胞质中，为环状闭合或线性dsDNA,游离或整合在细菌染色体上。
      • 分类
        • I. 根据是否通过细菌的性菌毛
          • 接合性质粒：F质粒和R质粒
          • 非接合性质粒：志贺菌毒力质粒
        • II. 根据宿主菌中的拷贝数
          • 严紧型质粒
          • 松弛型质粒
        • III. 根据质粒的相容性
          • 相容性质粒
          • 不相容性
        • IV. 根据质粒基因编码的生物性状
          • 致育质粒
            • 编码性菌毛，介导细菌间质粒的接合传递
          • 耐药质粒
            • 其编码产物与多种抗菌药物和重金属的抗性相关，其中可通过接合方式进行基因传递的接合性耐药质粒又称为R质粒，在革兰阴性菌中多见。不能通过细菌结合传递的智力称为非结合性耐药质粒，称为r质粒，可通过噬菌体转导等方式在细菌间传递
          • 毒力质粒
            • 编码与细菌致病性相关的毒力因子
          • 细菌素质粒
            • 可编码各类细菌素，如col质粒，编码大肠埃希细菌的大肠菌素
          • 代谢质粒
            • 编码与代谢相关的酶类，如沙门菌发酵乳糖的能力通常由质粒决定
    • 3. 前噬菌体
  • 二、细菌基因组主要特殊结构
    • 转座元件
      • 1. 位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，可导致基因的不稳定和高突变率。转座元件广泛分布于原核和真核细胞中。
      • 2. 转移类型
        • I. 保留性转位
          • 子主题
        • II. 复制性转位
      • 3. 转移方式
        • I. 染色体 « 染色体
        • II. 质粒 « 质粒
        • III. 染色体 « 质粒
        • IV. 细菌 « 细菌
      • 4. 组成
        • I. 插入序列（IS）
          • 最简单的转座元件，长度250-1600bp，只携带与转座功能有关的基因，而不携带任何使细菌表现性状改变的基因。转座酶负责识别切割转座子的两端及在靶位点造成切口
        • II. 转座子（Tn）
          • 转座子长度一般超过2kb，除两端的IS外，还携带耐药、抗金属、毒素等基因。当Tn插入某一基因时，一方面可引起插入处基因失活产生基因突变，另一方面可因带入的基因而使细菌获得新性状(耐药性)。
        • III. 整合子（In）
          • 
          • 整合子基本结构
• 第二节 细菌的基因突变
• 第三节 基因的转移的和重组
  • 水平转移
    • 一、转化
      • 1. 定义：供菌裂解释放的DNA片段被受体菌直接摄取，使受菌获得新的性状
      • 2. Griffith发现细菌转化实验肺炎链球菌的毒力实验转化
      • 3. 意义
        • 基因的水平转移Þ遗传的多样性
        • 基因重组
    • 二、接合
      • 1. 定义：细菌通过性菌毛相互沟通，将遗传物质由供体菌传递给受体菌的方式
      • 2. 种类
        • I. F质粒
          • F质粒编码性菌毛，含F质粒的细菌为F+，无性菌毛的菌株为F-。在接合过程中，F+作为供体菌，F+为受体菌。将F+菌和F-菌混合培养，F+性菌毛与F-菌表面受体接合形成通道，F质粒自orit位点开始传递。在orit切割形成单链缺口，单链DNA经性菌毛接合桥进入F菌内，两个菌内的单链DNA以滚环式进行复制，各自形成完整的双链F质粒。接合的DNA转移过程仅需1分钟。受体菌获得F质粒后即成为F+菌，可形成性菌毛。
        • II. R质粒
          • 接合性耐药质粒(R质粒)通过接合方式可以在同种属或不同种属的细菌间传递，在革兰阴性菌中最为突出；同时R质粒还可以诱导非接合性耐药质粒的传递，从而导致细菌耐吵性的迅速传播和耐药菌株不断增加，因此R质粒又被称为传染性耐药因子
        • III. 高频重组菌Hfr
          • F质粒整合到染色体形成Hfr。 Hfr可以把部分甚至全部细菌染色体传递给F-菌并与F-发生重组，由此得名高频重组菌。由于染色体转移过程常被中断，而F质粒位于染色体链的末端因，此F质粒几乎没有可能进入F-菌，Hfr×F-杂交后的受体菌大多数仍然是F-。
      • 3. 意义
        • 基因水平Þ转移遗传的多样性ÞDNA转移量大
        • 质粒Þ快速水平转移功能基因Þ展示了细菌不是由染色体携带所有基因的优点Þ
    • 三、转导
      • 1. 定义
        • 由噬菌体介导，将供菌的DNA片段转入受菌，使受菌获得供菌的部分遗传性状
      • 2. 种类
        • 普遍性转导
          • 金黄色葡萄球菌中耐药传递的主要方式，由于噬菌体有宿主特异性，故耐药性撞倒的现象主要发生在同种细菌之间.毒性噬菌体和温和噬菌体均可介导，普遍性转导
          • 供体菌任何片段的DNA都有同等的机会被装入噬菌体内，通过噬菌体进入受体菌内，完成遗传物质的转移过程
          • 类型
            • 完全转导：一种是供菌体DNA片段通过同源重组整合至受体菌染色体，随染色体复制而稳定遗传称为完全转导
            • 流产转导：供菌体的DNA游离在细胞质中，不能自身复制，也不能传代，称为流产传导
        • 局限性转导
          • 温和噬菌体介导
          • 前噬菌体在终止溶原状态脱离原宿主菌时，发生偏差脱离，连同相邻的一段细菌染色体基因包进噬菌体衣壳内，再感染其他细菌时将原宿主菌的基因转移给新宿主菌，使受体菌获得供体菌的某些遗传性状
        • 溶原性转换：噬菌体感染宿主菌后，以前噬菌体形式与细菌基因组整合成为溶原性细菌，从而获得由噬菌体基因编码的某些性状
          • 白喉棒状杆菌
      • 3. 意义
        • I. 基因水平转Þ移遗传的多样性
        • II. 前噬菌体与宿主菌细胞之间紧密的进化关系
        • III. 前噬菌体Þ宿主菌Þ提示病毒感染与癌症发生的可能机制
        • IV. 有趣的联想：人、动物共感染病毒 人类F转基因
  • 同源重组
• 第四节 细菌遗传变异在医学上的实际意义
  • 1. 形态结构变异与细菌学诊断细菌的形态
    • 细菌的形态，大小和结构受外界环境因素或基因突变的影响可发生变异，失去其典型特性，如菌落形态，鞭毛和抗原性等发生变化
      • I. 鞭毛变异
      • II. L型变异
      • III. 乳糖分解变异
      • IV. 发酵变异
  • 2. 耐药性变异与防控
    • 由于耐药性变异及耐药基因的水平传递，加之临床和饲料使用抗生素的筛选作用，耐药性细菌不断增加，且出现耐多种抗菌药物的菌株，临床上通过耐药监测，注意耐药谱的变化并开展耐药机制，将有利于指导抗菌药物的选择和合理使用，控制耐药菌的产生和扩散
  • 3. 毒力变异与疫苗研制
    • 毒力的增强与减弱，在细菌鉴定中应考虑细菌毒力和毒力因子表达等检测。在疫苗研究方面，通过突变降低细菌的毒力，用于制备减毒，活疫菌株
  • 4. 流行病学分析方面的应用
    • 将分子生物学的方法应用与分子流行病学调查，在追踪传染源或相关基因的转移和播散方面由具有独特的优势
  • 5. 致癌物质检测中的应用
    • 化学诱变器可引起基因突变，凡能诱导细菌突变的物质，也能诱导人体细胞的突变，是潜在的致癌物质。Ames试验是利用检测细菌的诱发突变率，进行可疑致癌物的筛选
  • 6. 基因工程方面的应用
    • 目前许多不易从天然生物体内大量获取的生物活性物质，如胰岛素、白介素、干扰素、生长激素和凝血因子等，都可采用基因工程大量生产