微生物學遺傳與變異

1、第十章第十章 細菌的遺傳和變異細菌的遺傳和變異Heredity and variation of bacteria第一節(jié) 細菌的遺傳與變異v遺傳性變異遺傳性變異/基因型變異基因型變異 genotypic variation v非遺傳性變異非遺傳性變異/表型變異表型變異 phenotypic variation 遺傳性變異 非遺傳性變異 基因的改變 + - 遺傳性 + - 外界環(huán)境 - + 可逆性 - +變異幅度 個別細菌 群體v形態(tài)、結構變異v菌落變異v毒力變異v耐藥性變異 一、細菌的變異現象 phenomenen of bacterial variationv 3-6%食鹽鼠疫耶氏菌 多形態(tài)

2、性 陳舊培基物1、形態(tài)結構變異、形態(tài)結構變異 Variation of morphology and structure 青霉素、溶菌酶正常形態(tài)細菌 L型變異 抗體或補體 (部分或完全失去胞壁) 特殊結構的變異 42-43炭疽芽孢桿菌 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天 變形桿菌 0.1%石炭酸 遷徙生長（H） 點狀生長、單個菌落（O）鞭毛變異基本結構的變異2、菌落變異、菌落變異 variation of colony 光滑型（光滑型（smooth,S） 粗造型粗造型 （rough,R） S-R 變異變異 S型菌株致病性強，一般新分離的菌株為型菌株致病性強，一般新分離的菌株為S型。菌落

3、發(fā)型。菌落發(fā)生變異后，細菌的理化特性、抗原性、生化能力、毒生變異后，細菌的理化特性、抗原性、生化能力、毒力等也可發(fā)生改變。力等也可發(fā)生改變。 S S型菌落型菌落R R型菌落型菌落細菌菌落形態(tài)變異細菌菌落形態(tài)變異3、毒力變異、毒力變異virulent variationv 毒力增強毒力增強 無毒的白喉棒狀桿菌感染溫和噬菌體后成為有毒株。無毒的白喉棒狀桿菌感染溫和噬菌體后成為有毒株。- 棒狀噬菌體棒狀噬菌體 含毒素基因含毒素基因 編碼毒素蛋白編碼毒素蛋白 v 毒力減弱毒力減弱 有毒菌株變異為弱毒或無毒菌株有毒菌株變異為弱毒或無毒菌株 卡介苗卡介苗 Bacillus of Calmette- Gue

4、rin,BCG : 卡介二氏用有毒的牛結卡介二氏用有毒的牛結核分枝桿菌在含甘油、馬鈴薯的培養(yǎng)基上，經核分枝桿菌在含甘油、馬鈴薯的培養(yǎng)基上，經13年連續(xù)年連續(xù)230次傳代所次傳代所獲得的一毒力減弱但保留有抗原性的變異株。是獲得的一毒力減弱但保留有抗原性的變異株。是 用于人工免疫以預用于人工免疫以預防結核病的活疫苗。防結核病的活疫苗。4、耐藥性變異、耐藥性變異variation of virulencep 細菌對某種抗生素或藥物由敏感變?yōu)椴幻舾屑礊榧毦哪退幀F象。p 多重耐藥株:同時耐受多種抗生素的菌株。p 抗生素依賴菌株：如痢疾志賀菌的賴鏈霉素菌株。 抗生素抗生素 抗生素抗生素 耐藥耐藥 敏感敏

5、感 細菌遺傳變異的物質基礎細菌遺傳變異的物質基礎 material basis of bacterial heredity and variationv染色體染色體DNA chromosomev質粒質粒 plasmidv轉位因子轉位因子 transposable elementv噬菌體噬菌體 phage v 染色體染色體DNA chromosomev 無內含子無內含子v 重復序列少重復序列少v 功能相關基因組功能相關基因組 成操縱子成操縱子v 病原菌中存在病原菌中存在毒力島（毒力島（pathogenecity Island)v定義：為染色體外的遺傳物質定義：為染色體外的遺傳物質,是存在于細菌胞

6、質是存在于細菌胞質中的閉合環(huán)狀雙鏈中的閉合環(huán)狀雙鏈DNA, 質粒帶有遺傳信息，控質粒帶有遺傳信息，控制細菌某些特定的遺傳性狀。制細菌某些特定的遺傳性狀。v醫(yī)學上重要的質粒有醫(yī)學上重要的質粒有F質粒（質粒（fertility plasmid）、）、R質粒（質粒（resistance plasmid）、）、Vi質粒質粒(virulent plasmid)等。等。質粒 plasmidv 能自我復制能自我復制v 決定特殊性狀；決定特殊性狀；v 能自發(fā)消除或丟失能自發(fā)消除或丟失v 轉移性轉移性v 質粒的不相容性質粒的不相容性質粒的重要特性：質粒的重要特性：常見的細菌質粒及其功能常見的細菌質粒及其功能vF

7、質粒質粒 fertility plasmid -含性菌毛蛋含性菌毛蛋白基因，編碼產生性菌毛。有質粒的細白基因，編碼產生性菌毛。有質粒的細菌稱雄性菌，能長出性菌毛；無質粒的菌稱雄性菌，能長出性菌毛；無質粒的細菌稱雌性菌，無性菌毛產生。細菌稱雌性菌，無性菌毛產生。 R質粒resistant plasmid 接合性耐藥質粒：接合性耐藥質粒： conjugative plasmid of drug resistance耐藥性質粒耐藥性質粒 非接合性質粒非接合性質粒 ：不能通過：不能通過 接合方式傳遞接合方式傳遞, 可通可通 過轉導方式傳遞過轉導方式傳遞.毒力質粒virulence plasmid ，V

8、i plasmidv如致病性大腸埃希菌的如致病性大腸埃希菌的ST質粒、質粒、 LT質粒質粒 等。等。v細菌素質粒細菌素質粒 、代謝質粒等。、代謝質粒等。轉位因子轉位因子 transposable elementv細胞基因組中能改變自身位置的一段細胞基因組中能改變自身位置的一段DNA序列序列。能在能在DNA分子中移動，在細菌基因組中不斷改變分子中移動，在細菌基因組中不斷改變位置，并可從一個基因組轉移到另一個基因組中。位置，并可從一個基因組轉移到另一個基因組中。v轉位因子主要有：轉位因子主要有： 插入序列插入序列 insertion sequence,IS 轉座子轉座子 transposon,Tn

9、 前噬菌體前噬菌體 prophage 插入序列插入序列insertion sequence,IS 轉座子轉座子 transposon,Tnprophage概念概念：噬菌體是感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微：噬菌體是感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒。生物的病毒。噬菌體的病毒特征：噬菌體的病毒特征：v個體微小，能通過濾菌器個體微小，能通過濾菌器v無完整細胞結構無完整細胞結構, 主要由衣殼（蛋白質）和核酸組成主要由衣殼（蛋白質）和核酸組成v專性細胞內寄生專性細胞內寄生v 噬菌體有嚴格宿主特異性，只感染易感宿主菌。噬菌體有嚴格宿主特異性，只感染易感宿主菌。 1形態(tài)結構：EM下有三種基本形

10、態(tài)： 蝌蚪型 微球形 絲形噬菌體與細菌的關系 1 概念：毒性噬菌體能在宿主菌細胞內復制增殖，產生許多子代噬菌體，并且最終裂解宿主菌。： 吸附吸附 穿入穿入 生物合成生物合成 成熟與釋放成熟與釋放 2v 概念：概念：噬菌體DNA與宿主菌染色體DNA整合，隨宿主菌DNA復制、分裂而傳代,建立溶原性周期。v 前噬菌體前噬菌體(prophage):整合在細菌染色體上的噬菌體基因組稱為前噬菌體；v 溶原性細菌溶原性細菌(lysogenic bacteria):帶有前噬菌體基因組的細菌稱為溶原性細菌。v 前噬菌體可使溶原性細菌的表型發(fā)生改變,稱溶原性轉換溶原性轉換(lysogenic conversion

11、) .如白喉棒狀桿菌3v溫和噬菌體感染宿主菌后所建立的溶原狀態(tài)可中斷，前噬菌體可自發(fā)或在一定理化因素誘導下從宿主菌染色體切離下來，重新復制新的子代噬菌體，最終裂解細菌。v溫和噬菌體可轉變成毒性噬菌體的潛在性稱為溶溶原性。原性。因此溫和噬菌體有溶原性周期和溶菌性周溫和噬菌體有溶原性周期和溶菌性周期，期，噬菌體表達的基因產物決定兩種狀態(tài)的存在。 prophage: 整合在宿主菌基因組中的噬菌體基因組溶原性細菌溶原性細菌的溶原性周期和溶菌性周期溶原性細菌的溶原性周期和溶菌性周期細菌變異的機制細菌變異的機制 Mechanism of bacterial variation一、基因突變一、基因突變 ge

12、ne mutationv 突變：子代細胞中出現的可通過復制而遺傳的突變：子代細胞中出現的可通過復制而遺傳的DNADNA結構結構改變。改變。v 突變特點突變特點 自發(fā)性和不對應性 稀少性：自發(fā)突變率10-610-9 可誘發(fā)性：誘變劑 獨立性 穩(wěn)定性，可遺傳 可逆性（回復突變）野生株野生株突變株突變株正向突變正向突變回復突變回復突變 有抗生素有抗生素 無抗生素無抗生素 有抗生素有抗生素 基因基因 突變突變 理論理論 標記點標記點 無菌印模無菌印模 培養(yǎng)液培養(yǎng)液 培養(yǎng)液培養(yǎng)液 (渾濁渾濁) ( 澄清澄清) 影印培養(yǎng)影印培養(yǎng)自發(fā)突變的證實（彷徨試驗 、影印培養(yǎng)法）二、基因的轉移與重組二、基因的轉移與重

13、組 gene tranfer and recombination 1. 1. 轉化轉化 transformation 供體菌游離的供體菌游離的DNA片段被受體菌直接攝取，使受體菌獲得新的性狀。片段被受體菌直接攝取，使受體菌獲得新的性狀。 R S R S DNA v 轉化因子（transforming principle ） 在轉化過程中，轉化的DNA片段稱為轉化因子 ，分子量小于107，最多不超過1020個基因。v 感受態(tài)（competence）細菌轉化的條件細菌轉化的條件2.接合conjugationv細菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物細菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質（主要是質粒質（

14、主要是質粒DNA）從供體菌轉移給受）從供體菌轉移給受體菌。體菌。v接合性質粒：能通過接合方式轉移的質粒接合性質粒：能通過接合方式轉移的質粒稱為接合性質粒，稱為接合性質粒，F質粒質粒、R質粒質粒、Col質質粒和毒力質粒等。粒和毒力質粒等。F質粒的接合F質粒的接合F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipientF+接合與Hfr Hfr（高頻重組菌）（高頻重組菌）：F質粒整合于宿主菌染色體后，能高效地帶動細菌染色體上的基因轉移入F菌，因此稱為高頻重組菌。 v日本首先分離到抗多種藥物的宋內志賀菌多重耐藥株，多重耐藥性很難用基因突變解釋。v健康人中大腸埃希菌30%50%有R質粒，而致病性大腸

15、埃希菌90%有R質粒。v與多重耐藥性有關。耐藥質粒從一個細菌轉移到另一個細菌中。R質粒的接合R質粒v耐藥傳遞因子（resistance transfer factor,RTF）v與F質粒相似，編碼性菌毛的產生和通過接合轉移v耐藥（r）決定子3.轉導 transductionv定義：以溫和噬菌體為載體，將供體菌的定義：以溫和噬菌體為載體，將供體菌的一段一段DNA轉移到受體菌內，使受體菌獲得轉移到受體菌內，使受體菌獲得新的性狀。新的性狀。 完全轉導完全轉導v類型：普遍性轉導類型：普遍性轉導 流產轉導流產轉導 局限性轉導局限性轉導供體菌受體菌轉導噬菌體細菌DNA噬菌體DNA普遍性轉導普遍性轉導v完全

16、轉導v流產轉導未整合未整合整合整合 普遍性轉導模式圖普遍性轉導與局限性轉導的區(qū)別區(qū)別要點普遍性轉導普遍性轉導局限性轉導局限性轉導基因轉導發(fā)生的時期基因轉導發(fā)生的時期裂解期溶原期轉導的遺傳物質轉導的遺傳物質供體菌染色體DNA任何部位或質粒噬菌體DNA及供體菌DNA的特定部位轉導的后果轉導的后果完全轉導或流產轉導受體菌獲得供體菌DNA特定部位的遺傳特性轉導頻率轉導頻率受體菌的10-7轉導頻率較普遍轉導增加1000倍(10-4)4. 溶原性轉換溶原性轉換 lysogenic conversion 定義：溶原性細菌因染色體上整合有前噬定義：溶原性細菌因染色體上整合有前噬菌體而獲得新的遺傳性狀。菌體而獲

17、得新的遺傳性狀。 白喉棒狀桿菌白喉棒狀桿菌 鏈球菌鏈球菌 產氣莢膜梭菌產氣莢膜梭菌 肉毒梭菌肉毒梭菌 白喉毒素白喉毒素 致熱外毒素致熱外毒素 毒素毒素 肉毒毒素肉毒毒素 常見的細菌及其所產生的毒素有：常見的細菌及其所產生的毒素有：名稱基因來源轉移方式transformation供體菌直接攝取conjugation供體菌性菌毛transduction供體菌噬菌體為載體lysogenic conversion噬菌體整合基因轉移與重組方式的比較基因轉移與重組方式的比較5.原生質體融合 protoplast fusionv將兩種不同的細菌經溶菌酶或青霉素等處理，失將兩種不同的細菌經溶菌酶或青霉素等處理

18、，失去細胞壁成為原生質體以后進行相互融合的過程。去細胞壁成為原生質體以后進行相互融合的過程。 第二節(jié) 病毒的遺傳與變異 一、病毒的變異現象v毒力變異v抗原變異v空斑變異v對理化因素抵抗力或依賴性的變異二、病毒的基因組特 點： （1）僅含有一種核酸類型，DNA或RNA； （2）基因組小 （3）具有多樣性 （4）基因重疊 （5）有內含子 三、病毒變異的機制（一）基 因 突 變v突變株：指的是因基因改變而發(fā)生某些生物特性改變的毒株。v一般采用的是從自然界分離，或是用紫外線，亞硝酸等理化因子誘發(fā)而獲得。1、條件致死性突變株指在某種條件下增殖，而在另一種條件下不能增殖的病毒株。溫度敏感突變株（溫度敏感突

19、變株（ts）： 2835可增殖，3740 不能增殖。具有減低毒力而保持免疫原性的特點，用于制備疫苗（Polio V減毒活疫苗） 2、缺陷干擾突變株（ DIM） 病毒基因組中堿基缺失突變引起，此類病毒不能單獨復制，卻能干擾感染性病毒顆粒的增殖。 3、宿主范圍突變株指病毒基因組突變而影響了對宿主細胞的感染范圍，能感染野生型病毒所不能感染的細胞。4、耐藥突變株（drug-resistant mutant ）v因編碼病毒酶基因的改變而降低了靶酶對藥物的親和力或作用，從而產生相應的耐藥作用而繼續(xù)增殖。 v基因重組： 兩種病毒感染同一種宿主細胞時，基因交換產生具有兩種親代病毒特征的子代病毒的過程稱為基因重組，其子代病毒稱為重組體。親代親代V核酸核酸子代子代V重組體重組體（二）基因重組與重配親代V1.親代V2.子代V1.子代V2.v基因重配 對于基因分節(jié)段的RNA病毒（IFV，輪狀病毒）等，通過交換RNA節(jié)段而進行的重組被稱為重配 。（三）基因整合v病毒感染宿主細胞的過程中，有時病毒基因組中DNA片