遗传与变异PPT课件

病原生物与免疫,1,.,项目3病原生物概述,任务3认为病原生物的遗传和变异,2,.,能力目标能说出遗传和变异的概念。简述遗传和变异的现象及发生的机制。学习难点细菌变异的现象及发生的机制。,3,.,一、遗传和变异概述,遗传(heredity):即各种生物的性状保持相对稳定,子代与亲代的生物学性状基本相同,且代代相传。在某些情况下,子代与亲代以及子代与子代之间的生物学性状出现差异,则称为变异(variation)。,4,.,遗传和变异是所有生物的共同生命特征。病原生物的形态结构、生长代谢、致病性、耐药性、免疫特性等性状都与遗传、变异有密切关系。由于遗传特性,使病原生物的特性世代相传；变异则使病原生物产生新的变种,变种新获得的性状又靠遗传加以巩固。,5,.,病原生物的变异分为遗传性与非遗传性变异。前者是指因基因结构发生了改变所引起的变异,又称基因型变异(genotypicvariation),这种变异不受环境因素的影响,而且发生的变异是不可逆的,其性状可遗传给子代。,6,.,后者是指外界环境的影响作用于病原生物后引起的某些性状的改变,其基因结构并未改变,又称表型变异(phenotypicvariation),此变异不能遗传。当起作用的环境条件去除后,其变异又逆转恢复原性状。,7,.,病原生物的变异现象主要有两个方面。1.形态结构与生理性状的变异病原生物的大小、形态结构和培养物,受外界环境因素的影响都可发生变异。如细菌的细胞壁与荚膜、芽胞、鞭毛等特殊结构可以因变异而缺失,细菌的菌落外观可从光滑(S)变为粗糙(R),同时往往伴有某些生理性状(如毒力生化反应、免疫特性、酶活性等)的改变。寄生虫的形态结构可发生适应寄生生活的变异。,8,.,2.抗原变异、毒力变异和耐药性变异病原生物的抗原变异可逃避机体特异性免疫的攻击而继续引起疾病,如流行性感冒病毒、人类免疫缺陷病毒、丙型肝炎病毒和某些原虫常发生抗原变异。肠道杆菌中如沙门氏菌属、志贺氏菌属中常发生鞭毛抗原以及菌体抗原的变异。变异后,细菌的抗原性消失或发生改变,从而不能被特异的抗体所凝集。,9,.,病原生物的毒力变异可表现为毒力减弱或毒力增强。最典型的例子是广泛应用于预防结核病的卡介苗,它是卡氏、介氏两人将有毒的牛型结核分枝杆菌用长期人工培养的方法,经13年连续230次传代后获得的毒力减弱但仍保持免疫原性的变异菌株。,10,.,又如,不产生白喉外毒素的白喉棒状杆菌,当感染-棒状杆菌噬菌体后,可将该噬菌体的毒力基因整合到宿主菌中,再由毒力基因编码产生白喉外毒素,致使细菌的毒力增强。,11,.,细菌、真菌等对某种抗菌药物由敏感变为耐药,称为耐药性变异。自抗菌药物在临床广泛应用以来,受滥用抗生素等多种因素的影响耐药菌株不断增加。例如,耐青霉素的金黄色葡萄球菌已达80%以上,耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（MRSA）感染也逐年上升,目前已超过70%。特别是对多种抗菌药物同时耐药的多重耐药菌株的出现与蔓延扩散,给临床治疗工作带来很大困难。,12,.,知识拓展,细菌耐药性的产生已成为当代医学研究的重要内容,了解细菌耐药性产生的机制,有助于正确使用和开发新型抗菌药物。细菌的耐药机制有:1.固有耐药性由存在于染色体上的基因决定的。2.获得耐药性由于细菌的基因突变或细菌基因发生转移造成。3.钝化酶作用耐药菌株通过合成钝化酶作用,使抗菌药物失去抗菌活性。4.药物作用靶位的改变细菌通过产生诱导酶对抗生素的作用靶位进行化学修饰或改变。,细菌耐药性的产生机制,13,.,二、遗传性变异的发生机制,由于微生物个体微小、易于人工培养、繁殖速度快、遗传物质较为简单,变异容易识别,因而常以微生物(尤其是细菌)进行遗传变异的规律和应用方面的研究。,14,.,(一)遗传性变异的物质基础,细菌遗传变异的物质基础是DNA,包括细菌的染色体、染色体外的质粒、寄生在某些细菌体内的噬菌体和基因转座子等。,15,.,细菌染色体(bacterialchromosome)为一条环状双螺旋的DNA长链,按一定构型反复回旋形成松散的网状结构,附着在细胞膜上。细菌染色体携带细菌生命活动所必需的绝大部分的遗传信息,控制着细菌的代谢、繁殖、遗传和变异。,1.染色体,16,.,细菌的DNA除大部分集中于核质(染色体)内,尚有少部分(1%-2%)存在于染色体外,称为质粒(plasmid)。,2.质粒,17,.,质粒与染色体的相似处为:质粒亦为双链环形DNA,不过其分子量远比染色体为小,仅为细菌染色体DNA的0.5%-3%。质粒亦可携带遗传信息,可决定细菌的一些生物学特性。,18,.,质粒具有以下基本特征:质粒具有自我复制的能力并可随细菌分裂传人子代细菌；质粒基因编码产物赋予细菌某些特殊性状,如耐药性致病性等；质粒可自行丢失或消除,而细菌仍存活；质粒可通过接合、转导等方式在细菌间转移。,19,.,噬菌体(bacteriophage)是感染细菌、真菌、螺旋体等微生物的病毒,只能在活的宿主细胞内复制增殖。噬菌体的遗传物质不仅随着它的感染在宿主菌之间及宿主菌与噬菌体之间传递,而且还能赋予宿主菌某些生物学性状。,3.噬菌体,20,.,转座子(transposon)是一类在细菌的染色体、质粒或噬菌体之间自行移动的遗传成分,是基因组中一段特异的具有转位特性的独立的DNA序列。转座子的转位作用表现为转座子引起的插入突变或基因的转移与重组。转座子携带耐药性基因、毒素基因等多种基因,与细菌的多重耐药现象有关。,4.转座子,21,.,(二)细菌变异的机制,细菌的遗传性变异是由于基因结构发生改变所致。细菌基因结构改变的主要机制有基因突变以及基因转移与重组。,22,.,基因突变(mutation)是细菌基因结构发生突然而稳定的改变。基因突变导致细菌遗传性状改变并可传给子代。根据突变片段大小的不同可分为小突变和大突变。,1.基因突变,23,.,小突变又称点突变,是基因中一个或几个碱基的改变(包括置换、插入或丢失等),只影响一个或几个基因。一般只引起少数细菌发生性状改变。大突变又称染色体畸变,是大段DNA改变引发的细菌性状的明显改变,常导致细菌变异或死亡。,24,.,细菌遗传变异除因基因突变所致外,还可由两个性状不同的细菌个体的遗传物质发生转移和重组引起。基因转移中提供DNA的细菌称供体菌,接受DNA的细菌为受体菌。在基因转移与重组时,两个细菌细胞间可通过性菌毛出现暂时性沟通(接合)；也可以不发生接触(转化)；也可以通过噬菌体为媒介(转导)。有的则是以噬菌体自身DNA与细菌染色体整合重组(溶原性转换),2.基因转移与重组,25,.,短时间多次注射变应原可使体内致敏靶细胞分期分批脱敏,以致最后全部解除致敏状态,再给予治疗剂量的抗毒素注射。这样既防止超敏反应的发生、又能达到治疗目的。此种脱敏是暂时的,经一定时间后机体又可重新致敏,所以脱敏疗法应在24小时内完成。,26,.,三、病原生物的遗传变异在医学中的应用,充分了解病原生物的变异现象和规律,有助于对感染性疾病做出正确的病原诊断,提高病原生物的检出率,避免漏诊、误诊。随着分子生物学技术的发展,有许多快速诊断方法用于病原生物的鉴定。利用聚合酶链反应(PCR)技术从标本中直接扩增某病原生物的一段特异DNA序列,可快速准确地对该病原生物进行鉴定,还可避免病原生物因表型变异而造成的鉴定困难。,27,.,病原生物遗传变异的研究对传染病的预防具有重要意义。由于病毒性感染目前尚无有效的治疗药物,所以,特异性的预防就显得格外重要。以人工诱变的方法使病毒的毒力减弱,制备出保留免疫原性的减毒活疫苗,已成功用于某些病毒性疾病的预防。,28,.,如人类用牛痘苗和脊髓灰质炎减毒活疫苗已先后消灭了天花(全球范围)和脊髓灰质炎(部分国家和地区)。为预防艾滋病和新近出现的传染性非典型肺炎(SARS)、禽流感等,各国正积极研制和筛选有效的疫苗。,29,.,由于近年来临床上耐药菌株不断增多,一方面,在选用抗菌药物治疗时,应先作感染细菌的药物敏感试验,以选取有效药物；另一方面要正确合理用药。此外,间隔一段时期要检查病人、医务人员及周围环境中是否带有耐药菌株；要建立严格的消毒与隔离制度,以防耐药菌株的传播扩散。,30,.,目前通过基因工程已能大量生产重组疫苗、干扰素、白细胞介素等,并已探索用基因工程技术治疗基因缺陷性疾病。病原生物的遗传变异的具体应用可归纳以下六方面,31,.,(一)在细菌分类中的应用,过去依靠细菌的形态、生化反应、抗原特异性以及噬菌体分型等进行了细菌的分类。这些方法至今仍有实用价值。此外,还开展了细菌DNA分子中的G+C分类:即不同种的细菌基因型的差别程度可用细菌DNA分子中所含的鸟嘌呤和胞嘧啶在四种碱基总量中所占的成分比所反映。,32,.,亲缘关系密切,细菌DNA中G+C的含量(mol%)相同或很接近；关系远者则G+C量相差较大除作G+C量测定外,还可以采用DNA分子杂交技术来比较两种细菌的DNA链核苷酸序列间有无同源性。如果为同一种细菌则同源性杂交率可为100%。因此,根据细菌基因组的相对稳定性,可鉴定出细菌间的相互关系。,33,.,(二)在诊断中的应用,在实验诊断工作中,常遇到一些变异菌株、其形态、毒力生化反应或抗原性都不典型,给细菌鉴定带来困难。如在有些使用抗生素的患者体内可分离到L型细菌。从而必须了解L型细菌培养的特点以及如何使其返祖而恢复其典型形态与菌落,做出正确的诊断。,34,.,(三)在预防中的应用,减毒活疫苗有较好的预防效果。减毒活菌苗可以从自然界分离获得,也可用人工方法选择改变毒力的变异株。目前应用的减毒活菌苗如卡介苗是十分成功的例子,此外还获得了预防鼠疫和布氏菌的活菌苗。,35,.,(四)在治疗中的应用,抗生素的生产中常用紫外线照射以促突变,从而获得产生抗生素量高的菌种。耐药性菌株的出现是临床上存在的大问题。通过了解产生耐药性的原理,可采取有针对性的措施。临床上强调对细菌做抗生素敏感试验,从而选用敏感药物有效地治疗,可避免在使用抗生素中提供选择耐药性突变株的条件。,36,.,(五)检查致癌物质的应用,正常细胞发生遗传信息的改变可致肿瘤。因此导致突变的条件因素均被认为是可疑的致癌因素。目前已被采用的Ames试验是以细菌作为诱变对象,以待测的化学因子作为诱变剂,将待测的化学物质作用于鼠伤寒沙门氏杆菌的组氨酸营养缺陷型细菌后,将此菌接种于无组氨酸的培养基中。,37,.,如果该化学物质有促变作用,则有少数细菌可恢复突变而获得在无组氨酸培养基上生长的能力。这种以该菌株的恢复突变作为检测致癌因子指标的方法比较简便,可供参考。,38,.,(六)在遗传工程方面的应用,遗传工程的目的是人工对所需的目的基因进行分离剪裁,然后将目的基因与载体结合后,导入宿主细胞或细菌进行扩增获得大量的目的基因,或通过宿主表达获得所需的基因产物。,39,.,质粒与噬菌体都是较理想的基因载体。通过将重组的基因（指目的基因通过限制性内切酶切割成互相能连接的末端与载体基因连接成重组基因）转化细菌(宿主),可以转入受体菌,通过筛选而获得克隆。,40,.,质粒因具有耐药性标准,作为载体进行筛选大为方便。噬菌体则可利用其溶解细菌后在固体平板培养基中形成的噬菌斑予以克隆化。通过这些载体的利用,重组基因中的目的基因可被转入宿主细菌进行基因产物的表达,从而获得用一般方法难以获得的产品,如胰岛素、生长激素、干扰素等。遗传工程技术还可应用于生产具有抗原性的无毒性的疫苗,这是预防传染病的一种新的途径。,41,.,知识拓展,20世纪初,科学家们为了征服可恶的结核病,伤透了脑筋,法国的细菌学家卡尔美和介林就是其中两位。他们为研制征服结核病的疫苗,经历了一次又一次失败。一天,卡尔美和介林路过一个农场,看到地里玉米穗小叶黄了,便问农场主:“是玉米缺肥吗?”“不,先生们,这种玉米引种到这里已经十几代,有些退化了。哎,一代不如一代了。”场主苦笑着回答。卡尔美和介林立即从玉米种子的退化联想到,如果把毒性很强的结核病菌一代接一代定向培育下去,它们的毒性是不是也会退化?若将毒性退化了的结核病菌制成疫苗,接种到人体不就可以预防结核病了吗?想到这里,俩人十分兴奋,匆匆回到自己的实验室,开始了结核病菌的定向培育试验,这试验一做就是漫长的13年。经过230次的传代,终于获得了减毒的结核病菌并制成疫苗。肆虐人类的结核病终于被驯服了。为了纪念这两位科学家,人们把预防结核病的疫苗叫“卡介苗”。,由玉米退化得到的启示,42,.,小结,遗传,即各种生物的性状保持相对稳定,子代与亲代的生物学性状基本相同,且代代相传。在某些情况下