第7章基因水平转移
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质粒
细菌中能自我复制的染色体 外DNA遗传元件
质粒为最常用水平基因转移
工具
质粒
分为接合型质粒和非接合型 质粒
质粒与染色体DNA
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
噬菌体的基因转移元件
➢ 噬菌体是感染细菌、真菌、放 线菌或螺旋体等细菌病毒总称，
➢ 具有病毒特有的一些特性：个 体微小；不具完整细胞结构； 只含单一核酸
体上任何一个位点上 ➢ Mu DNA的两端没有黏性末端，
插入到基因中引起该基因的突变
优势
➢ 易于识别，不是细菌基因组正常 组分
➢ 可经诱导产生，易于制备
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
整合子(integron)
➢ 运动性DNA分子，可捕获和整合 外源性基因，使之转变为功能性 基因的表达单位
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
基因组岛（例：细菌水平基因转移与进化的工具）
➢ 细菌通过变异、重组和水平基因转移进行进化 ➢ 除了核心基因编码必要的代谢功能，基因组同时拥有大量附属基因。这
些基因可通过水平基因转移获得，细菌受益于这些基因 ➢ 水平基因转移由基因岛（genomic islands, GEIs）协助实现 ➢ GEIs分泌DNA片段，可移动或不可移动，取决于相关的菌体 ➢ 大量GEIs能够整合进入宿主并通过转化、转移和转导进入新宿主 ➢ GEIs决定了细菌的大部分进化，因为它们参与散播基因，包括抗性基因、
基因盒(gene cassette)
➢ 能够被整合到整合子上或是整合 子上切除的移动元件
➢ 整合子会转移抗性基因，如图addB基因属于aad基因家族(编码氨基酸甘 转移酶，作用于不同的氨基糖苷类抗生素，使其钝化，介导耐药性) aadB主要介导庆大霉素等
➢ 基因盒-整合子系统是细菌基因组中的基因克隆和表达单位，能携带位点 特异性重组系统组分，形成多种耐药基因的组合、排列
➢ 使受体菌获得新的生物学性状，以及微生物新种的形成
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
基因组岛(genomic island，GI)
染色体上可移动遗传元件，通过水平基因转移而获得的外源DNA片段
➢ 位于细菌染色体；大小不一(10-200kb)；两端具有重复序列；携带插入序 列元件(IS)及整合酶基因(int1)等其他可移动遗传元件
➢ 差异生物个体之间，或单个细胞内部细胞器之间所进行的遗 传物质的交流
➢ 水平基因转移不仅发生在细菌之间，而且也发生在细菌与高 等动物之间，甚至高等动物之间
意义
➢ 水平基因转移打破了亲缘关系的界限，使基因流动的可 能变得更为复杂
➢ 微生物水平转移增加了微生物的多样性；提高了微生物 适应新环境能力
第7章基因水平转移
➢ IS插入时，在靶位点产生短的同向重复序列，分布在IS的两侧
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动Hale Waihona Puke Baidu传元件
复杂转座子(complex transposon)
两端是短(30-40bp)的末端反 向复杂序列(IR)或同向重复序 列(DR)，中央是转座酶基因 和抗药性基因
接合型转座子 (conjugative transposon)
类型
➢ DNA转座子(DNA transponson)，存在于原核生物和真核生物。转座 过程从DNA→DNA
➢ RNA转座子(RNA transponson)，存在于真核生物。转座过程是以 RNA为中间体，从DNA → RNA → cDNA → DNA
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
病毒基因以及形成新代谢路径的代谢基因 ➢ 取决于基因模块的组成，同一种GEIs可促进不同类型微生物的进化，例
如致病菌和环境微生物
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
基因组岛（例：细菌水平基因转移与进化的工具）
GEI总体特性图 GEIs是一段大的DNA片 段，核酸特性不同于其 他染色体。GEI通常插 入于tRNA基因，靠近 DR酶 GEIs有与基因迁移相关 的编码子，例如整合酶, 转座酶和插入序列。根 据基因含量，GEIs被称 为致病性岛、共生岛、 代谢岛、抗性岛、适应 岛等
插入序列 (Insertion sequence, IS)
最简单的转座因子，可独立存 在，也可以作为其它转座因子 的一部分存在于某些细菌
特点
➢ 在IS两端含有长度为10-40bp的反向重复序列，反向重复序列在IS 的切割和DNA链转移中起作用
➢ 大多数IS含有一个编码转座酶的长编码区。转座酶负责识别切割 转座子的两端及靶位点的切口
通过接合作用转移的转座子，末端没 有重复序列，但含有整合酶基因、切 离酶基因、接合型转移基因及抗生素 基因
接合型转座子综合转座子、质粒、噬菌体的特征，是真正的基因转
移因子，能引起抗性基因在许多重要细菌中的扩散
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
Mu噬菌体(mutator phage)
Mu噬菌体不同于一般的温和噬菌体 ➢ Mu DNA几乎可插入到宿主染色
第七章 微生物基因水平转移
课时：4 学时 授课方式：讲授＋讨论 开课时间：2014年秋季学期
第7章基因水平转移
主要内容
细菌可移动遗传元件 水平基因转移方式及机制 水平基因转移生物进化意义 水平基因转移障碍
水平基因转移环境修复领域意义
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
水平基因转移 (horizontal gene transfer)
➢ 其基因转移对于细菌的生长繁 殖及进化过程有重要的作用
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
转座因子(transport element, TE)
➢ DNA分子具有转座因子，帮 助DNA分子在位点之间转移
➢ 不具有自我复制功能，但是 它们具有可复制插入后的宿 主DNA
➢ 插入寄主DNA后，导致基因失活 插入时在靶DNA位点产生一个短的同向重复顺序
第一节：细菌的可移动遗传元件
细菌的可移动遗传元件
分为核心基因库和易变基因库 ➢ 核心基因库：位于染色体DNA上，大部分编码负责细胞基
本功能的蛋白质 ➢ 易变基因库 ➢ DNA具有移动元件的特征 ➢ 细菌的可移动遗传元件：噬菌体、质粒、转座因子、整合子、
基因岛
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
细菌中能自我复制的染色体 外DNA遗传元件
质粒为最常用水平基因转移
工具
质粒
分为接合型质粒和非接合型 质粒
质粒与染色体DNA
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
噬菌体的基因转移元件
➢ 噬菌体是感染细菌、真菌、放 线菌或螺旋体等细菌病毒总称，
➢ 具有病毒特有的一些特性：个 体微小；不具完整细胞结构； 只含单一核酸
体上任何一个位点上 ➢ Mu DNA的两端没有黏性末端，
插入到基因中引起该基因的突变
优势
➢ 易于识别，不是细菌基因组正常 组分
➢ 可经诱导产生，易于制备
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
整合子(integron)
➢ 运动性DNA分子，可捕获和整合 外源性基因，使之转变为功能性 基因的表达单位
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
基因组岛（例：细菌水平基因转移与进化的工具）
➢ 细菌通过变异、重组和水平基因转移进行进化 ➢ 除了核心基因编码必要的代谢功能，基因组同时拥有大量附属基因。这
些基因可通过水平基因转移获得，细菌受益于这些基因 ➢ 水平基因转移由基因岛（genomic islands, GEIs）协助实现 ➢ GEIs分泌DNA片段，可移动或不可移动，取决于相关的菌体 ➢ 大量GEIs能够整合进入宿主并通过转化、转移和转导进入新宿主 ➢ GEIs决定了细菌的大部分进化，因为它们参与散播基因，包括抗性基因、
基因盒(gene cassette)
➢ 能够被整合到整合子上或是整合 子上切除的移动元件
➢ 整合子会转移抗性基因，如图addB基因属于aad基因家族(编码氨基酸甘 转移酶，作用于不同的氨基糖苷类抗生素，使其钝化，介导耐药性) aadB主要介导庆大霉素等
➢ 基因盒-整合子系统是细菌基因组中的基因克隆和表达单位，能携带位点 特异性重组系统组分，形成多种耐药基因的组合、排列
➢ 使受体菌获得新的生物学性状，以及微生物新种的形成
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
基因组岛(genomic island，GI)
染色体上可移动遗传元件，通过水平基因转移而获得的外源DNA片段
➢ 位于细菌染色体；大小不一(10-200kb)；两端具有重复序列；携带插入序 列元件(IS)及整合酶基因(int1)等其他可移动遗传元件
➢ 差异生物个体之间，或单个细胞内部细胞器之间所进行的遗 传物质的交流
➢ 水平基因转移不仅发生在细菌之间，而且也发生在细菌与高 等动物之间，甚至高等动物之间
意义
➢ 水平基因转移打破了亲缘关系的界限，使基因流动的可 能变得更为复杂
➢ 微生物水平转移增加了微生物的多样性；提高了微生物 适应新环境能力
第7章基因水平转移
➢ IS插入时，在靶位点产生短的同向重复序列，分布在IS的两侧
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动Hale Waihona Puke Baidu传元件
复杂转座子(complex transposon)
两端是短(30-40bp)的末端反 向复杂序列(IR)或同向重复序 列(DR)，中央是转座酶基因 和抗药性基因
接合型转座子 (conjugative transposon)
类型
➢ DNA转座子(DNA transponson)，存在于原核生物和真核生物。转座 过程从DNA→DNA
➢ RNA转座子(RNA transponson)，存在于真核生物。转座过程是以 RNA为中间体，从DNA → RNA → cDNA → DNA
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
病毒基因以及形成新代谢路径的代谢基因 ➢ 取决于基因模块的组成，同一种GEIs可促进不同类型微生物的进化，例
如致病菌和环境微生物
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
基因组岛（例：细菌水平基因转移与进化的工具）
GEI总体特性图 GEIs是一段大的DNA片 段，核酸特性不同于其 他染色体。GEI通常插 入于tRNA基因，靠近 DR酶 GEIs有与基因迁移相关 的编码子，例如整合酶, 转座酶和插入序列。根 据基因含量，GEIs被称 为致病性岛、共生岛、 代谢岛、抗性岛、适应 岛等
插入序列 (Insertion sequence, IS)
最简单的转座因子，可独立存 在，也可以作为其它转座因子 的一部分存在于某些细菌
特点
➢ 在IS两端含有长度为10-40bp的反向重复序列，反向重复序列在IS 的切割和DNA链转移中起作用
➢ 大多数IS含有一个编码转座酶的长编码区。转座酶负责识别切割 转座子的两端及靶位点的切口
通过接合作用转移的转座子，末端没 有重复序列，但含有整合酶基因、切 离酶基因、接合型转移基因及抗生素 基因
接合型转座子综合转座子、质粒、噬菌体的特征，是真正的基因转
移因子，能引起抗性基因在许多重要细菌中的扩散
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
Mu噬菌体(mutator phage)
Mu噬菌体不同于一般的温和噬菌体 ➢ Mu DNA几乎可插入到宿主染色
第七章 微生物基因水平转移
课时：4 学时 授课方式：讲授＋讨论 开课时间：2014年秋季学期
第7章基因水平转移
主要内容
细菌可移动遗传元件 水平基因转移方式及机制 水平基因转移生物进化意义 水平基因转移障碍
水平基因转移环境修复领域意义
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
水平基因转移 (horizontal gene transfer)
➢ 其基因转移对于细菌的生长繁 殖及进化过程有重要的作用
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件
转座因子(transport element, TE)
➢ DNA分子具有转座因子，帮 助DNA分子在位点之间转移
➢ 不具有自我复制功能，但是 它们具有可复制插入后的宿 主DNA
➢ 插入寄主DNA后，导致基因失活 插入时在靶DNA位点产生一个短的同向重复顺序
第一节：细菌的可移动遗传元件
细菌的可移动遗传元件
分为核心基因库和易变基因库 ➢ 核心基因库：位于染色体DNA上，大部分编码负责细胞基
本功能的蛋白质 ➢ 易变基因库 ➢ DNA具有移动元件的特征 ➢ 细菌的可移动遗传元件：噬菌体、质粒、转座因子、整合子、
基因岛
第7章基因水平转移
第一节：细菌的可移动遗传元件