微生物學(xué)遺傳與變異

第十章細(xì)菌的遺傳和變異Heredityandvariationofbacteria第一節(jié)細(xì)菌的遺傳與變異

遺傳性變異/基因型變異genotypicvariation非遺傳性變異/表型變異phenotypicvariation

遺傳性變異非遺傳性變異

基因的變更+-遺傳性+-外界環(huán)境-+可逆性-+變異幅度個(gè)別細(xì)菌群體形態(tài)、結(jié)構(gòu)變異菌落變異毒力變異耐藥性變異

一、細(xì)菌的變異現(xiàn)象

phenomenenofbacterialvariation

3-6%食鹽

鼠疫耶氏菌多形態(tài)性

陳舊培基物

1、形態(tài)結(jié)構(gòu)變異

Variationofmorphologyandstructure

青霉素、溶菌酶

正常形態(tài)細(xì)菌L型變異

抗體或補(bǔ)體

(部分或完全失去胞壁)

特殊結(jié)構(gòu)的變異

42-43℃

炭疽芽孢桿菌失去形成芽胞實(shí)力,毒性降低

10-20天

變形桿菌0.1%石炭酸遷徙生長（H）點(diǎn)狀生長、單個(gè)菌落（O）鞭毛變異基本結(jié)構(gòu)的變異2、菌落變異

variationofcolony

光滑型（smooth,S）粗造型（rough,R）

S-R變異S型菌株致病性強(qiáng)，一般新分別的菌株為S型。菌落發(fā)生變異后，細(xì)菌的理化特性、抗原性、生化實(shí)力、毒力等也可發(fā)生變更。S型菌落R型菌落細(xì)菌菌落形態(tài)變異3、毒力變異virulentvariation毒力增加——無毒的白喉棒狀桿菌感染和順噬菌體后成為有毒株。β-棒狀噬菌體含毒素基因編碼毒素蛋白

毒力減弱——有毒菌株變異為弱毒或無毒菌株卡介苗BacillusofCalmette-Guerin,BCG:卡介二氏用有毒的牛結(jié)核分枝桿菌在含甘油、馬鈴薯的培育基上，經(jīng)13年連續(xù)230次傳代所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(yù)防結(jié)核病的活疫苗。4、耐藥性變異variationofvirulence細(xì)菌對某種抗生素或藥物由敏感變?yōu)椴幻舾屑礊榧?xì)菌的耐藥現(xiàn)象。多重耐藥株:同時(shí)耐受多種抗生素的菌株?？股匾揽烤辏喝缌〖仓举R菌的賴鏈霉素菌株?？股乜股啬退幟舾?/p>

細(xì)菌遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)

materialbasisofbacterialheredityandvariation染色體DNAchromosome質(zhì)粒plasmid轉(zhuǎn)位因子

transposableelement噬菌體phage

染色體DNA

chromosome無內(nèi)含子重復(fù)序列少功能相關(guān)基因組成操縱子病原菌中存在毒力島（pathogenecityIsland)定義：為染色體外的遺傳物質(zhì),是存在于細(xì)菌胞質(zhì)中的閉合環(huán)狀雙鏈DNA,質(zhì)粒帶有遺傳信息，限制細(xì)菌某些特定的遺傳性狀。醫(yī)學(xué)上重要的質(zhì)粒有F質(zhì)粒（fertilityplasmid）、R質(zhì)粒（resistanceplasmid）、Vi質(zhì)粒(virulentplasmid)等。質(zhì)粒plasmid①能自我復(fù)制②確定特殊性狀；③能自發(fā)消退或丟失④轉(zhuǎn)移性⑤質(zhì)粒的不相容性質(zhì)粒的重要特性：常見的細(xì)菌質(zhì)粒及其功能F質(zhì)粒fertilityplasmid------含性菌毛蛋白基因，編碼產(chǎn)生性菌毛。有質(zhì)粒的細(xì)菌稱雄性菌，能長出性菌毛；無質(zhì)粒的細(xì)菌稱雌性菌，無性菌毛產(chǎn)生。

R質(zhì)粒resistantplasmid接合性耐藥質(zhì)粒：

conjugativeplasmidofdrugresistance耐藥性質(zhì)粒

非接合性質(zhì)粒：不能通過接合方式傳遞,可通過轉(zhuǎn)導(dǎo)方式傳遞.毒力質(zhì)粒

virulenceplasmid，Viplasmid如致病性大腸埃希菌的ST質(zhì)粒、LT質(zhì)粒等。細(xì)菌素養(yǎng)粒、代謝質(zhì)粒等。轉(zhuǎn)位因子

transposableelement細(xì)胞基因組中能變更自身位置的一段DNA序列。能在DNA分子中移動(dòng)，在細(xì)菌基因組中不斷變更位置，并可從一個(gè)基因組轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基因組中。轉(zhuǎn)位因子主要有：插入序列insertionsequence,IS轉(zhuǎn)座子transposon,Tn前噬菌體prophage插入序列

insertionsequence,IS

IS(insertionsequence):750~1550bp兩端重復(fù)序列，與插入有關(guān)，中心序列有轉(zhuǎn)位酶基因轉(zhuǎn)座子transposon,TnTn(transposon):2000~25000

bp

兩端為IS，中心序列有與轉(zhuǎn)位無關(guān)基因如：毒素基因、耐藥基因等常見的插入序列和轉(zhuǎn)座子ISbpTn耐藥或毒素基因IS1768Tn1AP（氨芐青霉素）IS21327Tn6Kan（卡那霉素）IS31300Tn10Tet（四環(huán)素）IS41426Tn551Em（紅霉素）IS51195Tn681E.coliET（腸毒素）指整合于細(xì)菌染色體中的噬菌體基因組。前噬菌體prophage概念：噬菌體是感染細(xì)菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒。噬菌體的病毒特征：個(gè)體微小，能通過濾菌器無完整細(xì)胞結(jié)構(gòu),主要由衣殼（蛋白質(zhì)）和核酸組成專性細(xì)胞內(nèi)寄生噬菌體有嚴(yán)格宿主特異性，只感染易感宿主菌。

噬菌體的概念及特點(diǎn)1．形態(tài)結(jié)構(gòu)：EM下有三種基本形態(tài)：蝌蚪型微球形絲形噬菌體的主要生物學(xué)特征2．化學(xué)組成：噬菌體由核酸和蛋白質(zhì)組成。核酸是噬菌體的遺傳物質(zhì)，依據(jù)其組成可為DNA噬菌體和RNA噬菌體。蛋白質(zhì)是噬菌體頭部衣殼及尾部的主要組成成份，能疼惜噬菌體核酸，確定其外形和表面特征。噬菌體與細(xì)菌的關(guān)系

1．毒性噬菌體(virulentphage)概念：毒性噬菌體能在宿主菌細(xì)胞內(nèi)復(fù)制增殖，產(chǎn)生很多子代噬菌體，并且最終裂解宿主菌。溶菌周期：吸附穿入生物合成成熟與釋放

噬斑：在固體培育基上，將適量噬菌體和宿主菌液混合接種培育后，培育基表面可出現(xiàn)透亮的溶菌空斑，每個(gè)空斑系由一個(gè)噬菌體復(fù)制增殖并裂解宿主菌后形成的。噬斑形成單位：不同噬菌體噬斑的形態(tài)與大小不盡相同。通過噬斑計(jì)數(shù)，可測知確定體積內(nèi)的噬菌體數(shù)量。毒性噬菌體

2．和順噬菌體(temperatephage)

概念：噬菌體DNA與宿主菌染色體DNA整合，隨宿主菌DNA復(fù)制、分裂而傳代,建立溶原性周期。前噬菌體(prophage):整合在細(xì)菌染色體上的噬菌體基因組稱為前噬菌體；溶原性細(xì)菌(lysogenicbacteria):帶有前噬菌體基因組的細(xì)菌稱為溶原性細(xì)菌。前噬菌體可使溶原性細(xì)菌的表型發(fā)生變更,稱溶原性轉(zhuǎn)換(lysogenicconversion).如白喉棒狀桿菌3．溶原性周期和溶菌性周期

和順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)或在確定理化因素誘導(dǎo)下從宿主菌染色體切離下來，重新復(fù)制新的子代噬菌體，最終裂解細(xì)菌。和順噬菌體可轉(zhuǎn)變成毒性噬菌體的潛在性稱為溶原性。因此和順噬菌體有溶原性周期和溶菌性周期，噬菌體表達(dá)的基因產(chǎn)物確定兩種狀態(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(xì)菌溶原性細(xì)菌的溶原性周期和溶菌性周期

遺傳性變異是由基因結(jié)構(gòu)發(fā)生變更所致，基因結(jié)構(gòu)的變更主要通過基因突變、基因損傷后的修復(fù)、基因的轉(zhuǎn)移與重組等實(shí)現(xiàn)的。細(xì)菌變異的機(jī)制

Mechanismofbacterialvariation一、基因突變genemutation突變：子代細(xì)胞中出現(xiàn)的可通過復(fù)制而遺傳的DNA結(jié)構(gòu)變更。突變特點(diǎn)自發(fā)性和不對應(yīng)性稀有性：自發(fā)突變率10-6—10-9可誘發(fā)性：誘變劑獨(dú)立性穩(wěn)定性，可遺傳可逆性（回復(fù)突變）野生株突變株正向突變回復(fù)突變

有抗生素?zé)o抗生素有抗生素

基因突變理論標(biāo)記點(diǎn)無菌印模培育液培育液(渾濁)(澄清)影印培育自發(fā)突變的證明（彷徨試驗(yàn)、影印培育法）二、基因的轉(zhuǎn)移與重組

genetranferandrecombination1.轉(zhuǎn)化transformation供體菌游離的DNA片段被受體菌干脆攝取，使受體菌獲得新的性狀。ⅡR

ⅢS

ⅡRⅢSDNA轉(zhuǎn)化因子（transformingprinciple）在轉(zhuǎn)化過程中，轉(zhuǎn)化的DNA片段稱為轉(zhuǎn)化因子，分子量小于107，最多不超過10~20個(gè)基因。感受態(tài)（competence）細(xì)菌轉(zhuǎn)化的條件2.接合conjugation細(xì)菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌。接合性質(zhì)粒：能通過接合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒稱為接合性質(zhì)粒，F(xiàn)質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒和毒力質(zhì)粒等。F質(zhì)粒的接合F質(zhì)粒（fertilityfactor,致育因子）接觸：細(xì)胞質(zhì)溝通轉(zhuǎn)移：F質(zhì)粒進(jìn)入F－菌，1分鐘完成復(fù)制：F－菌轉(zhuǎn)為F＋菌F質(zhì)粒的接合F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipientF+接合與Hfr

Hfr（高頻重組菌）：F質(zhì)粒整合于宿主菌染色體后，能高效地帶動(dòng)細(xì)菌染色體上的基因轉(zhuǎn)移入F－菌，因此稱為高頻重組菌。

日本首先分別到抗多種藥物的宋內(nèi)志賀菌多重耐藥株，多重耐藥性很難用基因突變說明。健康人中大腸埃希菌30%~50%有R質(zhì)粒，而致病性大腸埃希菌90%有R質(zhì)粒。與多重耐藥性有關(guān)。耐藥質(zhì)粒從一個(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)菌中。R質(zhì)粒的接合R質(zhì)粒耐藥傳遞因子（resistancetransferfactor,RTF）與F質(zhì)粒相像，編碼性菌毛的產(chǎn)生和通過接合轉(zhuǎn)移耐藥（r）確定子3.轉(zhuǎn)導(dǎo)transduction定義：以和順噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲得新的性狀。完全轉(zhuǎn)導(dǎo)類型：普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌受體菌轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體細(xì)菌DNA噬菌體DNA普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和順噬菌體溶菌周期包裝錯(cuò)誤：任何部位細(xì)菌DNA片段轉(zhuǎn)導(dǎo)性噬菌體：宿主菌DNA，無噬菌體DNA受菌接受轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體(供菌)DNA受菌獲得供菌性狀普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)：完全轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)未整合整合普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)果：普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)：和順性噬菌體，溶原周期脫落錯(cuò)誤：前噬菌體及兩邊的細(xì)菌DNA轉(zhuǎn)導(dǎo)性噬菌體：噬菌體DNA及細(xì)菌DNA普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)與局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)的區(qū)分區(qū)別要點(diǎn)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)基因轉(zhuǎn)導(dǎo)發(fā)生的時(shí)期裂解期溶原期轉(zhuǎn)導(dǎo)的遺傳物質(zhì)供體菌染色體DNA任何部位或質(zhì)粒噬菌體DNA及供體菌DNA的特定部位轉(zhuǎn)導(dǎo)的后果完全轉(zhuǎn)導(dǎo)或流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)受體菌獲得供體菌DNA特定部位的遺傳特性轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率受體菌的10-7轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率較普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)增加1000倍(10-4)4.溶原性轉(zhuǎn)換

lysogenicconversion定義：溶原性細(xì)菌因染色體上整合有前噬菌體而獲得新的遺傳性狀。

白喉棒狀桿菌鏈球菌產(chǎn)氣莢膜梭菌肉毒梭菌

白喉毒素致熱外毒素α毒素肉毒毒素

常見的細(xì)菌及其所產(chǎn)生的毒素有：名稱基因來源轉(zhuǎn)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lysogenicconversion噬菌體整合基因轉(zhuǎn)移與重組方式的比較5.原生質(zhì)體融合

protoplastfusion將兩種不同的細(xì)菌經(jīng)溶菌酶或青霉素等處理，失去細(xì)胞壁成為原生質(zhì)體以后進(jìn)行相互融合的過程。

其次節(jié)病毒的遺傳與變異

一、病毒的變異現(xiàn)象毒力變異抗原變異空斑變異對理化因素抗拒力或依靠性的變異二、病毒的基因組特點(diǎn)：（1）僅含有一種核酸類型，DNA或RNA；（2）基因組?。?）具有多樣性（4）基因重疊（5）有內(nèi)含子

三、病毒變異的機(jī)制（一）基因突變突變株：指的是因基因變更而發(fā)生某些生物特性變更的毒株。一般接受的是從自然界分別，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（ts）：28～35℃可增殖，37～40℃不能增殖。具有減低毒力而保持免疫原性的特點(diǎn)，用于制備疫苗（PolioV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(dú)復(fù)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(xì)胞的感染范圍，能感染野生型病毒所不能感染的細(xì)胞。

4、耐藥突變株

（drug-resistantmutant）因編碼病毒酶基因的變更而降低了靶酶對藥物的親和力或作用，從而產(chǎn)生相應(yīng)的耐藥作用而接著增殖。基因重組：兩種病毒感染同一種宿主細(xì)胞時(shí)，基因交換產(chǎn)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V核酸子代V重組體（二）基因重組與重配親代V1.親代V2.子代V1.子代V2.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(jìn)行的重組被稱為重配。（三）基因整合病毒感染宿主細(xì)