医学微生物学-4-细菌的遗传与变异

这是一篇关于医学微生物学-4-细菌的遗传与变异的思维导图，主要内容有细菌基因组、细菌基因突变、基因的转移与重组等。

细菌的遗传与变异

• 细菌基因组
  • 包括染色体、质粒、整合的噬菌体基因组、可移动元件
    • 1. 细菌染色体： • 大多数环状双螺旋dsDNA，580kb～5220kb • 非编码基因少；无内含子，不需要转录后剪接加工， • 形成操纵子（operon）转录单位 • 单倍体：突变后更易表现 • 不同种的G+C百分比不同 外源DNA片段：代谢岛、Pathogenic island 致病岛（毒力岛）：G+C百分比和密码子使用偏向性与细菌染色体有明显差异。来源：基因水平转移（可移动元件）
    • 2. 质粒（plasmid）： 细菌染色体外遗传物质，存在于细胞质中的环状闭合或线状dsDNA，可赋予宿主特定生物学性状。 特性： • 丢失或消除，与细菌生命无关 • 独立复制 • 拷贝数：严紧型（数个）；松弛型（>20～60) • 水平转移(接合） • 相容性(稳定共存：群） 功能：F质粒－转移；Vi质粒－毒力；R质粒－耐药；Col质粒－细菌素
    • 3.噬菌体基因组（bacterial phage genome） 温和型噬菌体全部或部分基因组整合于宿主菌的染色体，前噬菌体（prophage） 。 如β-棒状杆菌噬菌体携带白喉外毒素基因，可整合至白喉棒状杆菌染色体中，使其产毒株。
    • 4.细菌基因组中主要的特殊结构 可移动元件移动方式：转位（transposition） 转座元件（transposable element）：独特DNA序列 跳跃基因：不依赖同源重组改变位置 Conservative transposition 保守（留）性转位、Replicative transposition 复制性转位 基因不稳定和高突变率→生物性状的改变 如：插入序列、转座子、整合子
      • 1. 插入序列 (insertion sequence，IS): 750~2000 bp 两端重复序列，与插入有关；中心序列有transposase转位酶（转座酶）基因
      • 2. 转座子 (transposon, Tn): 2000~25000 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,可携带基因进行转移重组。
      • 3. 整合子（integron，In）： 功能性基因的表达单位（1989），可捕获和整合外源基因 ·定位于细菌染色体、质粒或转座子上，可移动DNA分子 ·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
• 细菌基因突变
  • ·基因突变：DNA碱基对的置换、插入或缺失所致的基因结构变化 1. 自发突变率：10-10~10-6 /世代 2. 诱发突变率：人工诱导 10-6~10-4 /世代 – 诱变剂： 物理：X线、紫外线、电离辐射 等、化学：亚硝酸盐、烷化剂及吖啶橙染料、生物： 丝裂霉素、黄曲霉素B1 等 诱导剂→直接大量损伤DNA分子→SOS基因修复系统→低保真修复→高频突变 致癌因子的筛查 Ames 试验
  • ·自发突变与诱发突变 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。结论：突变的发生是自发和随机
  • 3、突变与选择：影印培养实验再次证明：突变是自发的，随机的，非诱导的 药物仅起选择作用
  • 4、回复突变与抑制突变 野生型（wild type）: 从自然界分离的未发生突变的菌株 突变型（mutant type）: 相对于野生型菌株发生某一性状的改变 正向突变（forward mutation）: 细菌由野生型变为突变型 回复突变（reverse mutation）: 突变株经过第二次突变可恢复野生型的性状 抑制突变（suppressor mutation）：在其它位点突变，抑制第一次突变的效应，包括基因内抑制和基因间抑制
• 基因的转移与重组
  • Ø 重组 • 同源重组：序列相同或相近，rec基因编码的重组酶：双向交换或单向转移 • 非同源重组：不需要序列同源性，需要位点专一重组酶连接，eg Tn，前噬菌体的插入
  • Ø基因的转移 • 垂直转移：亲代到子代 • 水平转移：一种生物到另一种生物，并整合至染色体
    • 1.转化：受体菌直接摄取外源性DNA；肺炎链球菌转化试验 影响因素： ① 供受体菌基因型： 亲缘关系近，转化率高；DNA大小 ② 感受态（competence）： • 受体菌摄取转化因子（转化的DNA片段）的生理状态 • 感受态细菌表面带正电荷，细胞膜通透性增高 ③ 环境因素：Mg2＋、Ca2＋等可促进转化
    • 2.接合（conjugation）常见于G-菌 通过性菌毛将供体菌DNA转给受体菌，受体菌获得供体菌性状 最常传递的是质粒（F质粒、R质粒等）
      • 1. F质粒（fertility factor, 致育因子） 接触：性菌毛与受体菌细胞质沟通 转移：F质粒进入F－菌，1分钟完成 复制：F－菌转为F＋菌
        • Hfr（High frequency recombinant高频重组菌株）： F质粒与染色体整合，具有接合和转移功能，可用于绘制基因图
      • 2. R质粒 Ø 耐药传递因子RTF：编码性菌毛 Ø 耐药决定子（resistancedeterminant，r-det） ：决定菌株耐药性
    • 3.转导（transduction） 噬菌体媒介 将供体菌DNA转给受体菌，重组后使受体菌获得供体菌的部分遗传性状 分普遍性转导和局限性转导
      • 普遍性转导：毒性噬菌体，温和噬菌体（金葡菌耐药传递主要方式，因为宿主特异性，故主要发生在同种细菌之间） 包装错误（10-7~10- 5 ）：任何部位细菌DNA片段 转导性噬菌体：宿主菌DNA， 受体菌接受转导噬菌体(供体菌)DNA，受体菌获得供体菌性状 结果：完全转导、流产转导
      • 局限性转导：温和性噬菌体 脱离错误：前噬菌体及两边的细菌DNA 转导性噬菌体：噬菌体DNA及细菌DNA
      • 3.溶原性转换（lysogenic conversion） 噬菌体DNA与细菌染色体整合，受体菌获得新的性状（来自噬菌体DNA） 如白喉棒状杆菌： β-棒状杆菌噬菌体-外毒素基因→不产毒白喉棒状杆菌→产毒白喉棒状杆菌
• 细菌遗传变异在医学上的实际意义
  • 1. 形态结构变异导致诊断困难
  • 2.治疗困难：耐药：MRSA
  • 3. 毒力变异与减毒活疫苗株
    • 条件致死性突变株：生长必需基因发生突变，基因产物仅在特定培养条件下才具有活性，突变体在该条件下可存活 – 温度敏感突变株（temperature sensitive mutant，ts株）30 ℃可以存活，42 ℃ 不能生存（突变产生的蛋白在较低温下有活性）
    • BCG：牛型结核杆菌（有毒株）→减活株
  • 4、流行病学分析方面的应用
  • 5. 检测致癌物：Ames试验
  • 6.基因工程
• l 遗传（heredity）：亲代生物学的性状通过遗传物质传给子代， 且基本相同，使微生 物的物种保持相对稳定。 Ø 基因型– 由细菌的基因组决定，可遗传给子代 Ø 表型– 基因型在一定环境中所显示的性状总和 l 变异（variation） ：子代与亲代之间以及子代与子代之间的生物学性状出现的差异 1. 基因型变异（遗传性变异） ─ 不受环境的影响，只发生在少数个体 ─ 稳定，可遗传 2. 表型变异（非遗传性变异 ） ─ 受环境的影响，波及同一环境的大多数个体 ─ 暂时性（可逆），不遗传：遗传物质结构未改