微生物免疫學－細菌的遺傳

(一) 認識基因體(genome)

• 定義：一個生物體中遺傳物質的總和

• 遺傳物質的所在處：

1. 染色體(chromosome)上－多數基因(gene)皆於此
2. 粒線體(mitochondria)與葉綠體(chloroplast)－部分真核生物
3. 質體(plasmid)－部分細菌與真菌 

•  組成：DNA　※些許病毒以RNA作為遺傳物質

(二) Bacterial DNA

• 外觀：多為 single circular loop (真核為 linear)

• DNA套數：haploid /one copy (真核為 multiple)

• size of bacterial genome:0.5-13 Mb (10 bp = 3.4nm)

• 擬核 (Nucleoid) ：僅發現於原核生物，無核膜包圍的核區（nuclear region），亦稱為核體（nuclear body）或染色質體（chromatin body）。DNA與蛋白質緊密纏繞，必須濃縮至細胞的十分之一。

• Replication fork

• oriC site：細菌複製的起始點，A=T較多

• Termination :

1. Tropo IV－剪斷重黏
2. dif (DNA片段) / XerCD (酵素) －重組

(三) Bacterial DNA Transcription

• sigama factors：屬於RNA polymerase，結合於 promotor (-10/-35)

• sense DNA = mRNA

• antisense DNA = template for RNA synthesis

(四) Bacterial RNA Translation

• start codon：AUG → formyl-methionine

• stop codon：UAA / UGA / UAG

• 搖擺現象(wobble)屬於一種退化 (degeneracy)

• ribosome site:

1. A－帶有下一個胺基酸的tRNA接合處
2. P－此位tRNA的胺基酸會接在Ａ位胺基酸後面，而空的tRNA移至E位
3. E－空的tRNA離開

• polyribosomal complex 

• inducible operon：lactose catabolism in E. coli

• normal time－ close (repressor 抑制 O site)

• 有 lactose時－ lactose可作誘導物(allolactose inducer)，與 repressor 結合後，使 repressor 不活化 

　　　→ positive regulation of lactose operon

• cAMP會與CAP結合，並啟動 promotor 

• cAMP 作為訊號，可反映環境中營養物質濃度

• 當葡萄糖多時，cAMP濃度低，反之，若環境中葡萄糖濃度不足，cAMP升高 

• repressible (抑制型/回饋式) operon：Arginin operon

• normal time－ open

• 有充足的 arginin－ arginin可作抑制訊號(corepressor)，與 repressor 結合後，抑制 promotor 

• post-transcriptional control：

• RNA-mediated repression of protein synthesis

• 當調節的RNA(為noncoding RNA)與mRNA結合後，即分解mRNA，或抑制其進行轉譯

•  bacteria－short RNA; human－ miRNA

•  目的－因應環境改變

 (五) Mutation

• base substitution (常見) - single base change

1. transition － purine→purine (A,G) or pyrimidine→pyrimidine (C,T)
2. transversion － purine↔pyrimidine

   　　⇨結果：point mutation

• silent 無表型 → same aa (搖擺現象)
• missense 錯義 → different aa = conservative mutation ⇨ lose/gain function [ex- 鐮刀型紅血球]
• nonsense 無義 → stop codon ⇨ protein truncation(縮短)

•  base number change

1. insertion － purine→purine (A,G) or pyrimidine→pyrimidine (C,T)
2. deletion － purine↔pyrimidine

           ⇨結果：frameshift mutation 移碼突變 → mostly no function = null mutation                  
                                                                                    [ex-亨丁頓舞蹈症]

(六) Repair of Mutation

• mismatch repair

• light repair (only found in microbs) － need photolyase (主要修復因UV照射所產生共價鍵結的突變，多為TT dimer)

• excision repair

(七) Ames test for carcinogen(致癌物)

• 為一種細菌回復突變試驗，利用突變的沙門氏菌（無法在無組織胺環境生存），放進袋測培養液中，觀察有無組織胺生成。

(八) horizontal gene transfer

• 定義：由同一代相鄰細胞轉移基因，而不是透過有性或無性生殖，使細胞由一母代變二子代的垂直基因轉移 (vertical gene transfer)。

• 重組 (recombination)

• general recombination

1. homologous recombination－最常見，相似DNA片段做交換
2. non-homologous recombination 

• site-specific recombination 

　　　⇨舉例

1.  bacteriophage (噬菌體) 插入至宿主細胞染色體
2.  沙門氏桿菌鞭毛的相變化(phase variation) 

•  Transpositional recombination 轉位性重組

• 應用：散播抗藥性基因

• 方式

1. conjugation－由帶有性腺毛(conjugation sex pilus, 由fertility plasmid合成)的革蘭氏陰性供體細胞與無性腺毛的接受者相連，並相互靠近直至直接連結，進行基因轉移，常發生於腸桿菌，不一定要同一種類才能散播。
2.  transformation－粗糙型菌落可接受死的平滑型細菌基因轉移，而轉型成平滑型菌落，可從外界取的DNA的細菌，我們稱它「competence」。
3. transduction－ 透過噬菌體幫忙傳遞基因，分為generalized transduction / specialized (restricted)  transduction。
4. transposons－ 基因可從原基因座「跳躍」至另一個基因座，這些基因稱jumping genes，而這些細胞帶有一種酵素稱transposase。