导图社区 医学微生物学——细菌的遗传与变异
人民卫生出版社 第九版 《医学微生物学》第四章 细菌的遗传与变异,包含细菌基因组、细菌基因突变、基因的转移和重组等。
编辑于2024-03-11 11:37:33细菌的遗传与变异
二、细菌基因突变
突变与突变规律
基因突变
定义
DNA碱基对的置换、插入或缺失所致的基因结构的变化
碱基对变化类型
置换
分类
转换
嘌呤-嘌呤、嘧啶-嘧啶的变化
颠换
嘌呤-嘧啶、嘧啶-嘌呤的变化
后果
沉默突变
错义突变
无义突变
插入
后果
移码突变
缺失
后果
移码突变
细菌变异的基本特征
突变更容易出现表型变化
速度快,在短期内可致表型变异
基因突变的规律
基因的自发突变
定义
自然发生
证明
彷徨实验(fluctuation test)
意义
证明了突变的随机性和自发性
实验分析
若抗性发生在接触噬菌体后
不同试管内菌液所含抗性菌落数应基本相同
若抗性发生在细菌接触噬菌体之前
不同试管内菌液所含抗性菌落数则有明显差别
实验结果
噬菌体仅起了筛选作用
特点
突变率低
基因的诱发突变
定义
通过人工诱导可提高细菌的突变率
特点
突变率高
突变与选择
影印培养实验(replica plating)
意义
证明
突变是自发的、随机的
耐药突变在接触抗生素之前就已发生,抗生素仅起到了筛选抗性突变株的作用
回复突变与抑制突变
背景知识
野生型
从自然界分离的未发生突变的菌株
突变型
相对于野生型菌株发生某一性状改变的菌株
正向突变
细菌由野生型变为突变型
回复突变
突变株经过第二次突变可恢复野生型的性状
特点
往往是表型回复突变
分类
突变为原来的基因型
另一处基因突变代偿了原来的表型
抑制突变
基因内抑制
抑制突变发生同一基因内的不同部位
基因间抑制
抑制突变发生在不同基因
突变型细菌及分离
三、基因的转移和重组
背景知识
基因转移
DNA由一个位置到另一个基因组位置的过程
基因水平转移(基因侧向转移,LGT)
DNA可以从一种生物转移至另一生物,整合至染色体,改变其遗传信息的组成
特点
可以发生在亲缘、远缘,甚至无亲缘关系的生物之间
相对基因的垂直转移(遗传)而言
基因水平转移主要方式
转化(transformation)
定义
受体菌直接摄取供体菌(外源)DNA片段而获得新的遗传性状的过程
决定因素
受体菌对转化的感受态
相关实验
Griffith实验
基本过程
影响转化效率的主要因素
亲缘关系的远近(供、受体菌的基因型)
亲缘关系越近,转化率越高
受体菌的生理状态
在转化过程中,受体菌只有在感受态的生理状态下才能摄入外源DNA片段
环境因素
接合(conjugation)
定义
细菌通过性菌毛相互连接沟通,将遗传物质从供体菌传递给受体菌的方式
接合性质粒
编码的功能
不相容性
F质粒不能转移至F+菌
性菌毛的合成和组装
维持细菌接合配接时的稳定性
切割旋转DNA,并促进转移链进入受体菌
有些接合性质粒还介导非接合性质粒或部分染色体的传递
分类
F质粒(fertility plasmid)
F质粒介导的“接合”的机制
基本过程
单链DNA通过性菌毛接合桥进入F-菌内
高频重组株(high frequency recombination,Hfr)
定义
F质粒整合到细菌的染色体,介导宿主菌染色体上的基因的高频率转移
特点
Hfr中的F质粒可介导自身染色体转移给另一F-细菌
接合过程中,F质粒最后进入受体菌
受体菌获得Hfr菌的完整F质粒DNA的概率很低
Hfr亦有性菌毛
F质粒在Hfr菌株中的整合是可逆的
有时会从染色体上脱离,从而使细菌终止Hfr状态
F'质粒
定义
自染色体上脱离的F质粒还可能携带整合位点相邻的DNA片段,称为F'质粒
R质粒(传染性耐药因子)
组成
耐药传递因子(resistance transfer factor,RTF)
特点
功能与F质粒相似
编码性菌毛
决定质粒的复制、接合及转移
耐药决定子(resistance determinant, r-det)
特点
可以是多个耐药性基因
功能
决定菌株的耐药性
特点
RTF和r-det可整合在一起,也可以单独存在
单独存在时无接合传递耐药基因的功能
转导(transduction)
定义
由噬菌体介导(以噬菌体为载体),将供体菌的DNA片段转入受体菌,重组后使受体菌获得供体菌的部分遗传性状
分类
普遍性转导
噬菌体类型(都可)
毒性噬菌体
温和噬菌体
发生条件
噬菌体成熟装配过程中的装配错误
发生时期
溶菌期
机制
两种结果
完全转导
供体菌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
流产转导
供体菌的DNA游离在细胞质中,不能自身复制,也不能传代
特点
多发生于同种细菌间
由于噬菌体的宿主特异性
举例
金黄色葡萄球菌中耐药传递的主要方式
局限性转导
噬菌体类型
温和噬菌体
发生条件
前噬菌体从宿主菌染色体上脱离时发生偏差(或带走部分宿主菌DNA)
发生时期
溶原期
机制
特点
仅发生于同种细菌之间
由于噬菌体的宿主特异性
被转导的基因只限于前噬菌体两侧的供体菌基因
对比:普遍性转导
供体菌染色体DNA任何部位或质粒
转导频率比普遍性转导更高
由于普遍性转导存在流产转导的后果
二者主要对比与区别
溶原性转换
局限性转导的一种方式(?)
定义
温和噬菌体感染宿主菌后,以前噬菌体的形式与细菌基因组整合,使宿主菌成为溶原性细菌,从而获得由噬菌体基因编码的某些生物学性状
举例
四、细菌遗传变异在医学上的实际意义
在疾病的诊断、治疗与预防中的应用
在测定致癌物质中的应用
在流行病学中的应用
在基因工程中的应用
一、细菌基因组
细菌基因组的主要组成
细菌染色体(bacterial chromosome)
特点
无核膜、核仁,不定型核质
单倍体,可呈环状或线性
多数细菌(>90%)的染色体为单条环状双螺旋双链DNA(dsDNA)
dsDNA
环状双螺旋双链DNA
"利用率"高
细菌基因组中非编码序列较少
约90%编码基因
基因连续,无内含子
功能相关基因常组成操纵子(operon)
结构基因为单拷贝,而rRNA基因则为多拷贝
满足细菌迅速生长繁殖的需要
种属特异性GC含量
不同种细菌染色体的G+C含量(百分比)不同
举例
中间部分外源性DNA的GC含量明显低于两侧插入序列 · (两处DNA有明显的种属特异性)
细菌致病岛(pathogenic island)PAI
定义
指病原菌基因组中存在编码与细菌毒力或致病性相关因子(如黏附因子和毒素等)的外源DNA片段
特点
两侧有重复或插入序列
特异GC含量和密码子使用偏向性
一个或数个
水平传递
相对较小
质粒(plasmid)
定义
染色体外的环状dsDNA分子
特点
具有独立复制能力,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(?)
携带与细菌生命活动非必需的基因
赋予宿主菌某些特定的生物学性状
如致育性、耐药性、致病性和代谢改变等
可自行丢失或通过人工处理而消除
可通过接合、转化等方式转移
分类依据及其分类
是否可以通过性菌毛传递
接合性质粒
携带与接合传递有关的基因
分子量大
举例
F质粒
R质粒
非接合性质粒
不能通过接合方式传递
分子量小
在宿主菌中的拷贝数(质粒拷贝数:每个细菌内所含有相同质粒的数量)
严密型质粒
复制与染色体同步
拷贝数低,仅为数个
分子量较大
松弛型质粒
复制与染色体不同步
拷贝数高
分子量小
质粒的相容性
不相容性
相关的质粒不能稳定地共存于同一宿主菌的现象
相容性质粒
不相容性质粒
质粒基因编码的生物学性状
F质粒或致育质粒(fertility plasmid)
编码性菌毛
介导细菌间质粒的接合传递
耐药性质粒
其编码产物与多种抗菌药物和重金属的抗性有关
分类
R质粒(接合性耐药质粒)
可以通过接合方式进行基因传递
特点
在G-中多见
r质粒(非接合性耐药质粒)
不能通过细菌接合传递的质粒
可以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
举例
Col质粒
编码大肠埃希菌的大肠菌素
代谢质粒
编码与代谢相关的酶类
人工改造质粒
载体
整合在染色体中的噬菌体基因组
相关知识
噬菌体感染类型
溶菌性周期
对象
毒性噬菌体
特点
DNA不整合到宿主染色体上
溶原性周期
对象
温和噬菌体
特点
DNA整合到宿主染色体上
成为——前噬菌体
前噬菌体可以从宿主染色体脱离
亦可介导细菌基因的水平转移,参与细菌的遗传与变异
细菌基因组中主要的特殊结构(可移动元件)
背景知识
转位
定义
可移动遗传元件的移动方式
分类
保留性转位
特点
通过所编码的转座酶将转座元件自原位点切割下来,插入至其他位点
复制性转位
特点
转座元件复制一个新拷贝插入至新靶位,而原拷贝保留在原位
特点
具有随机性
转座元件(又称:跳跃基因)
定义
是一类不依赖于同源重组既可在细菌或其他生物的基因组(染色体、质粒和噬菌体基因组)改变自身位置的独特DNA序列
不依赖于同源重组
转座元件的插入位点无需存在同源的核苷酸序列
意义
导致基因的不稳定和高突变率
转座元件(又称:跳跃基因)
插入序列(insertion sequence,IS)
基本结构
两端
中间
特点
最简单的转座元件
不携带任何与转位功能无关的基因
两端末端有反向重复序列(Inverted repeat,IR)
是重组酶的识别位点
中间序列编码转座酶以及与转录有关的调节蛋白
转座酶
催化转座元件的整合或解离
IS的共同特征
IS可独立存在,亦可以成为转座子的一部分
什么是反向的重复序列?
转座子(transposon,Tn)
基本结构
IS-功能基因-IS
即
两侧末端
IS
中间区域
功能基因
如:耐药性基因、毒力基因等
特点
较IS大而结构复杂
根据结构特点分类
复合型转座子
基本结构
中间
抗生素抗性基因
两端
各有1个相同的IS
Tn3家族转座子
基本结构
中间
与Tn转移功能相关的基因
耐药相关基因
两端
两末端无IS
但含有20-40个末端正向或反向重复序列
接合性转座子
既无末端反向重复序列,也无同向重复序列
整合子(integron,In)
基本单位
3个功能元件
整合酶integrase gene(Intl)
催化基因盒的整合及切除
启动子promoter
特异性重组位点att
定位
染色体
质粒
转座子
特点
能捕获和整合外源性基因
增强细菌的适应性
基本结构
两侧末端
保守区
中间
可变区
含有一个或多个基因盒
基因盒
组成
一个结构基因(多为耐药基因)
57-141个碱基对组成
无启动子
背景知识
几个基本概念
遗传(heredity)
变异(variation)
细菌基因组
指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
染色体
外源性DNA
质粒
噬菌体的部分或全部基因组
可移动元件
表型
在特定外界环境中,细菌在生长中所表现的形态和生理特征等性状的总和
具有相同基因型的细菌,在不同的条件下可呈现不同的特性
细菌的变异
遗传变异(基因型变异)
变异幅度
个别细胞
特点
可稳定传给子代
表型变异
变异幅度
群体(同一环境中的大多数个体)
特点
变化可逆,不能遗传
分类
形态与结构变异
荚膜变异
芽胞变异
鞭毛变异
菌落变异
SR变异
光滑型菌落(S)
粗糙型菌落(R)
原因
失去LPS的特异多糖、荚膜等
L型变异
毒力变异
毒力消失、减弱或增强
耐药性变异
抗原性、免疫性等变异