微生物学遗传与变异

1、第十章第十章 细菌的遗传和变异细菌的遗传和变异Heredity and variation of bacteria第一节 细菌的遗传与变异v遗传性变异遗传性变异/基因型变异基因型变异 genotypic variation v非遗传性变异非遗传性变异/表型变异表型变异 phenotypic variation 遗传性变异 非遗传性变异 基因的改变 + - 遗传性 + - 外界环境 - + 可逆性 - +变异幅度 个别细菌 群体v形态、结构变异v菌落变异v毒力变异v耐药性变异 一、细菌的变异现象 phenomenen of bacterial variationv 3-6%食盐鼠疫耶氏菌 多形态

2、性 陈旧培基物1、形态结构变异、形态结构变异 Variation of morphology and structure 青霉素、溶菌酶正常形态细菌 L型变异 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁) 特殊结构的变异 42-43炭疽芽孢杆菌 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天 变形杆菌 0.1%石炭酸 迁徙生长（H） 点状生长、单个菌落（O）鞭毛变异基本结构的变异2、菌落变异、菌落变异 variation of colony 光滑型（光滑型（smooth,S） 粗造型粗造型 （rough,R） S-R 变异变异 S型菌株致病性强，一般新分离的菌株为型菌株致病性强，一般新分离的菌株为S型。菌落

3、发型。菌落发生变异后，细菌的理化特性、抗原性、生化能力、毒生变异后，细菌的理化特性、抗原性、生化能力、毒力等也可发生改变。力等也可发生改变。 S S型菌落型菌落R R型菌落型菌落细菌菌落形态变异细菌菌落形态变异3、毒力变异、毒力变异virulent variationv 毒力增强毒力增强 无毒的白喉棒状杆菌感染温和噬菌体后成为有毒株。无毒的白喉棒状杆菌感染温和噬菌体后成为有毒株。- 棒状噬菌体棒状噬菌体 含毒素基因含毒素基因 编码毒素蛋白编码毒素蛋白 v 毒力减弱毒力减弱 有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株 卡介苗卡介苗 Bacillus of Calmette- Gue

4、rin,BCG : 卡介二氏用有毒的牛结卡介二氏用有毒的牛结核分枝杆菌在含甘油、马铃薯的培养基上，经核分枝杆菌在含甘油、马铃薯的培养基上，经13年连续年连续230次传代所次传代所获得的一毒力减弱但保留有抗原性的变异株。是获得的一毒力减弱但保留有抗原性的变异株。是 用于人工免疫以预用于人工免疫以预防结核病的活疫苗。防结核病的活疫苗。4、耐药性变异、耐药性变异variation of virulencep 细菌对某种抗生素或药物由敏感变为不敏感即为细菌的耐药现象。p 多重耐药株:同时耐受多种抗生素的菌株。p 抗生素依赖菌株：如痢疾志贺菌的赖链霉素菌株。 抗生素抗生素 抗生素抗生素 耐药耐药 敏感敏

5、感 细菌遗传变异的物质基础细菌遗传变异的物质基础 material basis of bacterial heredity and variationv染色体染色体DNA chromosomev质粒质粒 plasmidv转位因子转位因子 transposable elementv噬菌体噬菌体 phage v 染色体染色体DNA chromosomev 无内含子无内含子v 重复序列少重复序列少v 功能相关基因组功能相关基因组 成操纵子成操纵子v 病原菌中存在病原菌中存在毒力島（毒力島（pathogenecity Island)v定义：为染色体外的遗传物质定义：为染色体外的遗传物质,是存在于细菌胞

6、质是存在于细菌胞质中的闭合环状双链中的闭合环状双链DNA, 质粒带有遗传信息，控质粒带有遗传信息，控制细菌某些特定的遗传性状。制细菌某些特定的遗传性状。v医学上重要的质粒有医学上重要的质粒有F质粒（质粒（fertility plasmid）、）、R质粒（质粒（resistance plasmid）、）、Vi质粒质粒(virulent plasmid)等。等。质粒 plasmidv 能自我复制能自我复制v 决定特殊性状；决定特殊性状；v 能自发消除或丢失能自发消除或丢失v 转移性转移性v 质粒的不相容性质粒的不相容性质粒的重要特性：质粒的重要特性：常见的细菌质粒及其功能常见的细菌质粒及其功能vF

7、质粒质粒 fertility plasmid -含性菌毛蛋含性菌毛蛋白基因，编码产生性菌毛。有质粒的细白基因，编码产生性菌毛。有质粒的细菌称雄性菌，能长出性菌毛；无质粒的菌称雄性菌，能长出性菌毛；无质粒的细菌称雌性菌，无性菌毛产生。细菌称雌性菌，无性菌毛产生。 R质粒resistant plasmid 接合性耐药质粒：接合性耐药质粒： conjugative plasmid of drug resistance耐药性质粒耐药性质粒 非接合性质粒非接合性质粒 ：不能通过：不能通过 接合方式传递接合方式传递, 可通可通 过转导方式传递过转导方式传递.毒力质粒virulence plasmid ，V

8、i plasmidv如致病性大肠埃希菌的如致病性大肠埃希菌的ST质粒、质粒、 LT质粒质粒 等。等。v细菌素质粒细菌素质粒 、代谢质粒等。、代谢质粒等。转位因子转位因子 transposable elementv细胞基因组中能改变自身位置的一段细胞基因组中能改变自身位置的一段DNA序列序列。能在能在DNA分子中移动，在细菌基因组中不断改变分子中移动，在细菌基因组中不断改变位置，并可从一个基因组转移到另一个基因组中。位置，并可从一个基因组转移到另一个基因组中。v转位因子主要有：转位因子主要有： 插入序列插入序列 insertion sequence,IS 转座子转座子 transposon,Tn

9、 前噬菌体前噬菌体 prophage 插入序列插入序列insertion sequence,IS 转座子转座子 transposon,Tnprophage概念概念：噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微：噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。生物的病毒。噬菌体的病毒特征：噬菌体的病毒特征：v个体微小，能通过滤菌器个体微小，能通过滤菌器v无完整细胞结构无完整细胞结构, 主要由衣壳（蛋白质）和核酸组成主要由衣壳（蛋白质）和核酸组成v专性细胞内寄生专性细胞内寄生v 噬菌体有严格宿主特异性，只感染易感宿主菌。噬菌体有严格宿主特异性，只感染易感宿主菌。 1形态结构：EM下有三种基本形

10、态： 蝌蚪型 微球形 丝形噬菌体与细菌的关系 1 概念：毒性噬菌体能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并且最终裂解宿主菌。： 吸附吸附 穿入穿入 生物合成生物合成 成熟与释放成熟与释放 2v 概念：概念：噬菌体DNA与宿主菌染色体DNA整合，随宿主菌DNA复制、分裂而传代,建立溶原性周期。v 前噬菌体前噬菌体(prophage):整合在细菌染色体上的噬菌体基因组称为前噬菌体；v 溶原性细菌溶原性细菌(lysogenic bacteria):带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌。v 前噬菌体可使溶原性细菌的表型发生改变,称溶原性转换溶原性转换(lysogenic conversion

11、) .如白喉棒状杆菌3v温和噬菌体感染宿主菌后所建立的溶原状态可中断，前噬菌体可自发或在一定理化因素诱导下从宿主菌染色体切离下来，重新复制新的子代噬菌体，最终裂解细菌。v温和噬菌体可转变成毒性噬菌体的潜在性称为溶溶原性。原性。因此温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性周温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性周期，期，噬菌体表达的基因产物决定两种状态的存在。 prophage: 整合在宿主菌基因组中的噬菌体基因组溶原性细菌溶原性细菌的溶原性周期和溶菌性周期溶原性细菌的溶原性周期和溶菌性周期细菌变异的机制细菌变异的机制 Mechanism of bacterial variation一、基因突变一、基因突变 ge

12、ne mutationv 突变：子代细胞中出现的可通过复制而遗传的突变：子代细胞中出现的可通过复制而遗传的DNADNA结构结构改变。改变。v 突变特点突变特点 自发性和不对应性 稀少性：自发突变率10-610-9 可诱发性：诱变剂 独立性 稳定性，可遗传 可逆性（回复突变）野生株野生株突变株突变株正向突变正向突变回复突变回复突变 有抗生素有抗生素 无抗生素无抗生素 有抗生素有抗生素 基因基因 突变突变 理论理论 标记点标记点 无菌印模无菌印模 培养液培养液 培养液培养液 (浑浊浑浊) ( 澄清澄清) 影印培养影印培养自发突变的证实（彷徨试验 、影印培养法）二、基因的转移与重组二、基因的转移与重

13、组 gene tranfer and recombination 1. 1. 转化转化 transformation 供体菌游离的供体菌游离的DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。 R S R S DNA v 转化因子（transforming principle ） 在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子 ，分子量小于107，最多不超过1020个基因。v 感受态（competence）细菌转化的条件细菌转化的条件2.接合conjugationv细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒质（

14、主要是质粒DNA）从供体菌转移给受）从供体菌转移给受体菌。体菌。v接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，称为接合性质粒，F质粒质粒、R质粒质粒、Col质质粒和毒力质粒等。粒和毒力质粒等。F质粒的接合F质粒的接合F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipientF+接合与Hfr Hfr（高频重组菌）（高频重组菌）：F质粒整合于宿主菌染色体后，能高效地带动细菌染色体上的基因转移入F菌，因此称为高频重组菌。 v日本首先分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重耐药株，多重耐药性很难用基因突变解释。v健康人中大肠埃希菌30%50%有R质粒，而致病性大肠

15、埃希菌90%有R质粒。v与多重耐药性有关。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。R质粒的接合R质粒v耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF）v与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移v耐药（r）决定子3.转导 transductionv定义：以温和噬菌体为载体，将供体菌的定义：以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。新的性状。 完全转导完全转导v类型：普遍性转导类型：普遍性转导 流产转导流产转导 局限性转导局限性转导供体菌受体菌转导噬菌体细菌DNA噬菌体DNA普遍性转导普遍性转导v完全

16、转导v流产转导未整合未整合整合整合 普遍性转导模式图普遍性转导与局限性转导的区别区别要点普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导基因转导发生的时期基因转导发生的时期裂解期溶原期转导的遗传物质转导的遗传物质供体菌染色体DNA任何部位或质粒噬菌体DNA及供体菌DNA的特定部位转导的后果转导的后果完全转导或流产转导受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗传特性转导频率转导频率受体菌的10-7转导频率较普遍转导增加1000倍(10-4)4. 溶原性转换溶原性转换 lysogenic conversion 定义：溶原性细菌因染色体上整合有前噬定义：溶原性细菌因染色体上整合有前噬菌体而获得新的遗传性状。菌体而获

17、得新的遗传性状。 白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌 链球菌链球菌 产气荚膜梭菌产气荚膜梭菌 肉毒梭菌肉毒梭菌 白喉毒素白喉毒素 致热外毒素致热外毒素 毒素毒素 肉毒毒素肉毒毒素 常见的细菌及其所产生的毒素有：常见的细菌及其所产生的毒素有：名称基因来源转移方式transformation供体菌直接摄取conjugation供体菌性菌毛transduction供体菌噬菌体为载体lysogenic conversion噬菌体整合基因转移与重组方式的比较基因转移与重组方式的比较5.原生质体融合 protoplast fusionv将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理

18、，失去细胞壁成为原生质体以后进行相互融合的过程。去细胞壁成为原生质体以后进行相互融合的过程。 第二节 病毒的遗传与变异 一、病毒的变异现象v毒力变异v抗原变异v空斑变异v对理化因素抵抗力或依赖性的变异二、病毒的基因组特 点： （1）仅含有一种核酸类型，DNA或RNA； （2）基因组小 （3）具有多样性 （4）基因重叠 （5）有内含子 三、病毒变异的机制（一）基 因 突 变v突变株：指的是因基因改变而发生某些生物特性改变的毒株。v一般采用的是从自然界分离，或是用紫外线，亚硝酸等理化因子诱发而获得。1、条件致死性突变株指在某种条件下增殖，而在另一种条件下不能增殖的病毒株。温度敏感突变株（温度敏感突

19、变株（ts）： 2835可增殖，3740 不能增殖。具有减低毒力而保持免疫原性的特点，用于制备疫苗（Polio V减毒活疫苗） 2、缺陷干扰突变株（ DIM） 病毒基因组中碱基缺失突变引起，此类病毒不能单独复制，却能干扰感染性病毒颗粒的增殖。 3、宿主范围突变株指病毒基因组突变而影响了对宿主细胞的感染范围，能感染野生型病毒所不能感染的细胞。4、耐药突变株（drug-resistant mutant ）v因编码病毒酶基因的改变而降低了靶酶对药物的亲和力或作用，从而产生相应的耐药作用而继续增殖。 v基因重组： 两种病毒感染同一种宿主细胞时，基因交换产生具有两种亲代病毒特征的子代病毒的过程称为基因重组，其子代病毒称为重组体。亲代亲代V核酸核酸子代子代V重组体重组体（二）基因重组与重配亲代V1.亲代V2.子代V1.子代V2.v基因重配 对于基因分节段的RNA病毒（IFV，轮状病毒）等，通过交换RNA节段而进行的重组被称为重配 。（三）基因整合v病毒感染宿主细胞的过程中，有时病毒基因组中DNA片