微生物学张卓然遗传与变异

微生物学张卓然遗传与变异第一页，共六十三页，2022年，8月28日第一节遗传与变异原理DNA的结构与功能结构——两条互相平行而方向相反的多核苷酸链功能——储存、复制和传递遗传信息复制——半保留复制特点——复制中易发生错误—基因突变蛋白合成——分子生物学中心法则（DNA-RNA-蛋白质）基因与基因的转录结构基因——编码结构蛋白质基因结构非结构基因——编码功能蛋白质基因转录遗传信息的翻译第二页，共六十三页，2022年，8月28日第二节细菌的遗传与变异一、细菌的变异现象形态结构的变异毒力变异耐药性变异菌落变异抗原性变异第三页，共六十三页，2022年，8月28日细菌的大小和形态在不同的生长时期可不同，生长过程中受外界环境的影响也可发生变异。如：鼠疫耶氏菌在陈旧培养物上细菌的多形态性、细菌L型。细菌的特殊结构如：荚膜（肺炎链球菌）、芽胞（炭疽芽孢杆菌）、鞭毛（变形杆菌H-O变异）也可发生变异。形态结构的变异第四页，共六十三页，2022年，8月28日毒力增强：无毒力的白喉棒状杆菌常寄居在咽喉部，不致病；当感染了β-棒状噬菌体后变成溶原性细菌，则获得产生白喉毒素的能力，引起白喉。毒力减弱：有毒菌株长期在人工培养基上传代培养，可使细菌的毒力减弱或消失。卡介苗(BCG)是强毒的牛结核分枝杆菌在含有胆汁的甘油、马铃薯培养基上，经过13年，连续传230代，获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异株。毒力变异第五页，共六十三页，2022年，8月28日耐药性变异：细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐药的变异。有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性。从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的不断增长是世界范围内的普遍趋势，给临床治疗带来很大的困难，并成为当今医学上的重要问题。耐药性变异第六页，共六十三页，2022年，8月28日细菌的菌落主要有光滑(smooth,S)型和粗糙(rough,R)型两种。S型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐。经人工培养多次传代后菌落表面粗糙、干燥、边缘不整齐，称S—R变异。S—R变异常见于肠道杆菌，是由于失去LPS的特异性寡糖重复单位而引起的。变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其它性状也发生了变化。S型菌的致病性强，但有少数R型菌的致病性强，如结核分枝杆菌。菌落变异第七页，共六十三页，2022年，8月28日麦康凯培养基上的伤寒杆菌菌落第八页，共六十三页，2022年，8月28日

结核杆菌的干燥型菌落第九页，共六十三页，2022年，8月28日抗原性变异H抗原、O抗原变异第十页，共六十三页，2022年，8月28日二细菌遗传变异的物质基础染色体染色体外的遗传物质（质粒、噬菌体）转位因子第十一页，共六十三页，2022年，8月28日（一）染色体（chromosome）一条环状双螺旋DNA长链，按一定构型反复回旋形成松散的网状结构；缺乏组蛋白，无核膜包裹；约含有5000个基因；双向复制，全过程约20min。第十二页，共六十三页，2022年，8月28日质粒(plasmid)：是细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。

（二）质粒第十三页，共六十三页，2022年，8月28日质粒具有自我复制的能力。质粒DNA所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征。质粒可自行丢失与消除。质粒的转移性。质粒可分为相容性与不相容性两种。质粒DNA的特征第十四页，共六十三页，2022年，8月28日质粒的分类：根据质粒能否通过细菌的接合作用进行传递

1接合性质粒

2非接合性质粒根据质粒在细菌内拷贝数多少

1严紧型质粒

2松弛型质粒根据相容性1相容性——几种质粒同时共存于同一菌体内

2不相容性——不能同时共存可借此对质粒进行分组、分群根据所编码的生物学性状第十五页，共六十三页，2022年，8月28日质粒基因可编码多种重要的生物学性状：致育质粒（fertilityplasmid、F质粒）编码性菌毛，介导细菌之间的接合传递；耐药性质粒（resistanceplasmid、R质粒）编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。分两类，一是接合性耐药质粒（R质粒），另一是非接合耐药性质粒（r质粒)；毒力质粒（Vi质粒）编码与该菌致病性有关的毒力因子；细菌素质粒编码细菌产生细菌素；代谢质粒编码产生相关的代谢酶。

第十六页，共六十三页，2022年，8月28日噬菌体(bacteriophage,phage)：是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。噬菌体的特点：具有一定形态蝌蚪形等严格寄生性和特异性具有病毒的特性，个体微小、无细胞结构、具有高度的特异性及专性细胞内寄生性分布广泛凡是有细菌的场所，就可能有相应的噬菌体的存在。（三）噬菌体第十七页，共六十三页，2022年，8月28日形态与结构

噬菌体很小，在光镜下看不见，需用电镜观察。不同的噬菌体在电镜下有三种形态：蝌蚪形、微球形和丝形。大多数噬菌体呈蝌蚪形，由头部和尾部两部分组成。第十八页，共六十三页，2022年，8月28日蝌蚪形噬菌体结构模式图第十九页，共六十三页，2022年，8月28日结构及化学组成：抗原性：噬菌体具有抗原性，能刺激机体产生特异性 抗体。抵抗力：噬菌体对理化因素及多数化学消毒剂的抵抗 力比一般细菌的繁殖体强，75℃30min灭活。 噬菌体能耐受低温和冰冻，但对紫外线和X射 线敏感。噬菌体头部尾部：蛋白质与细菌（受体）接触的部位核心：核酸（DNA或RNA）蛋白衣壳：蛋白质呈20面体第二十页，共六十三页，2022年，8月28日噬菌体感染细菌有两种结果：

毒性噬菌体

能在宿主细胞内复制增殖，产生许多(virulentphage)：子代噬菌体，并最终裂解细菌，建立溶菌周期。

温和噬菌体

噬菌体基因与宿主染色体整合，成为前

(temperatephage)：噬菌体，细菌变成溶原性菌，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌的分裂而传代，建立溶原状态。

噬菌体与细菌相互关系第二十一页，共六十三页，2022年，8月28日毒性噬菌体在敏感菌内以复制方式进行增殖，增殖过程包括：吸附、穿入、生物合成、成熟和释放。噬菌体的复制周期或溶菌周期：从噬菌体吸附至细菌溶解释放出子代噬菌体的过程。毒性噬菌体第二十二页，共六十三页，2022年，8月28日吸附吸附是噬菌体与菌体表面受体发生特异性结合的过程，其特异性取决于噬菌体蛋白与宿主菌表面受体分子结构的互补性。第二十三页，共六十三页，2022年，8月28日毒性噬菌体的复制周期—溶菌性周期第二十四页，共六十三页，2022年，8月28日第二十五页，共六十三页，2022年，8月28日液体培养基噬菌现象可使浑浊菌液变得澄清。固体培养基若用适量的噬菌体和宿主菌液混合后接种培养，培养基表面可有透亮的溶菌空斑出现。一个空斑系由一个噬菌体复制增殖并裂解细菌后形成，称为噬斑(plaque),不同噬菌体噬斑的形态与大小不尽相同。噬菌现象第二十六页，共六十三页，2022年，8月28日噬斑荧光假单胞菌第二十七页，共六十三页，2022年，8月28日

若将噬菌体按一定倍数稀释，通过噬斑计数，可测定一定体积内的噬斑形成单位(plaqueformingunits,pfu)数目，即噬菌体的数目。第二十八页，共六十三页，2022年，8月28日温和噬菌体的基因组能与宿主菌基因组整合，并随细菌分裂传至子代细菌的基因组中，不引起细菌裂解。整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体(prophage)

带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌特征：1.正常分裂，并将前噬菌体传给子代细菌（溶原状态）2.前噬菌体能抑制细菌内的相应毒性噬菌体的生物合成，使细菌免遭裂解3.某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变，称为溶原性转换(lysogenicconversion)。4.溶原状态终止前噬菌体丢失或脱离宿主菌基因组而进入溶菌周期

温和噬菌体第二十九页，共六十三页，2022年，8月28日第三十页，共六十三页，2022年，8月28日细菌的鉴定与分型噬菌体与宿主菌的关系具有高度特异性，即一种噬菌体只能裂解一种和它相应的细菌，故可用于未知细菌的鉴定和分型。分子生物学研究的重要工具噬菌体基因数量少，结构比细菌和高等细胞简单得多，且易获得大量的突变体。细菌感染的诊断与治疗但由于噬菌体过于专一，限制了噬菌体在临床上的广泛应用。

噬菌体的应用第三十一页，共六十三页，2022年，8月28日转位因子（transposableelement)：是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间可自行移动的一段特异的具有转位特性的核苷酸序列片段，又称移动基因。造成结果：改变原有核苷酸序列影响插入点附近基因的表达本身所携带的一定的基因序列表达，以上三种结果并不是一定引起细菌变异。（四）转位因子第三十二页，共六十三页，2022年，8月28日转位因子有三类：

插入序列(insertionsequence,IS)：最小，不超过2kb,是只携带与转座功能有关的基因，而不带任何有使细菌表现性状的基因的转位因子。

转座子(transposon,Tn)：长度一般超过2kb，是一类除携带与转位有关的基因外还携带其他基因（如耐药性、毒素基因等）的转位因子。

转座噬菌体或前噬菌体：前噬菌体有时也具有转位功能，成为溶原菌的一种基因，编码某些产物，改变细菌某些性状，如白喉毒素、肉毒毒素的产生。第三十三页，共六十三页，2022年，8月28日第三十四页，共六十三页，2022年，8月28日遗传性变异：是由基因结构发生改变所致，主要通过基因突变、基因的转移与重组来实现。非遗传性变异：是细菌在环境因素等影响下出现的变化，这种变化不是因基因结构的变化而产生的。三细菌变异的机制第三十五页，共六十三页，2022年，8月28日突变(mutation)：是细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变异。

发生表现型（一）.突变自发突变（spontaneousmutation)突变率低10-10——10-6诱发突变（inducedmutation)提高10-6——10-4野生株（wildstrain)没有发生突变的菌细胞突变株（mutantstrain)突变后的菌细胞第三十六页，共六十三页，2022年，8月28日突变的类型

点突变（pointmutation）只有一个碱基对的变化（置换、插入、缺失）

多点突变（multiplemutation）两个以上碱基对的变化（较大范围的染色体重排、倒位、重复、缺失等）诱变剂是能显著提高突变率的各种理化因素（UV、高温、辐射及化学诱变剂）第三十七页，共六十三页，2022年，8月28日回复突变和抑制突变（reversemutation,suppressormutation）回复突变并没有纠正正向突变的DNA序列，而只是抑制了正向突变的效应，故称抑制突变，以区别真正的原位回复突变到野生株。第一次突变正向突变突变株第二次突变回复突变表现野生株性状的突变株野生株第三十八页，共六十三页，2022年，8月28日基因突变规律随机发生，不定向；突变与选择（以耐药突变体为例）结论：细菌基因突变产生耐药性，与抗生素的使用无关实验：影印试验说明：耐药突变株在接触药物之前出现，药物的作用是选择耐药株，淘汰敏感株具有相对稳定性；可发生回复突变第三十九页，共六十三页，2022年，8月28日影印试验(replicaplating)第四十页，共六十三页，2022年，8月28日突变体的分离耐药性突变体营养缺陷型突变体条件型突变体第四十一页，共六十三页，2022年，8月28日基因转移(genetransfer)：外源性的遗传物质由供体菌进入某受体菌细胞内的过程。基因重组(recombination)：转移的基因与受体菌DNA整合在一起，使受体菌获得供体菌某些特性。外源性遗传物质：供体菌染色体DNA，质粒DNA及噬菌体基因等。细菌的基因转移和重组方式：转化、接合、转导、溶原性转换、原生质体融合。（二）.基因的转移与重组第四十二页，共六十三页，2022年，8月28日1.转化(transformation):受体菌直接摄取供体菌游离的DNA片段获得新的遗传性状的过程称为转化。第四十三页，共六十三页，2022年，8月28日第四十四页，共六十三页，2022年，8月28日2.接合(conjugation)接合：是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。能通过结合方式转移的质粒称为接合性质粒，不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒为非接合性质粒。第四十五页，共六十三页，2022年，8月28日F质粒的接合F+

——即F质粒，编码性菌毛，称雄性菌Hfr——F质粒整合到细菌染色体上，使细菌能高效地转移染色体上的基因，故称高频重组菌F’——Hfr菌中的F质粒可从染色体上脱离下来，并带染色体上几个邻近的基因，故称F’

三者均有性菌毛，均可发生接合。第四十六页，共六十三页，2022年，8月28日第四十七页，共六十三页，2022年，8月28日第四十八页，共六十三页，2022年，8月28日第四十九页，共六十三页，2022年，8月28日细菌的耐药性与耐药性的基因突变及R质粒的接合转移等有关。R质粒有耐药传递因子(RTF)和耐药决定子(r)两部分组成。RTF的功能与F质粒相似，可编码性菌毛的产生和通过接合转移；R决定子能编码对抗菌药物的耐药性。R质粒的接合第五十页，共六十三页，2022年，8月28日第五十一页，共六十三页，2022年，8月28日转导：是以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。根据转导基因片段的范围，可将转导分为两类：普遍性转导（转导的DNA可是供菌染色体上的任何部分）、局限性转导（转导的DNA只限供菌染色体上的特定基因）。3.转导(transduction)第五十二页，共六十三页，2022年，8月28日普遍性转导(generalizedtransduction)第五十三页，共六十三页，2022年，8月28日第五十四页，共六十三页，2022年，8月28日局限性转导(restrictedtransduction)第五十五页，共六十三页，2022年，8月28日4.溶原性转换(lysogenicconversion)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称为溶原性转换。第五十六页，共六十三页，2022年，8月28日5.原生质体融合(protoplastfusion)G+菌形成原生质体后，在聚乙二醇（PEG）作用下，可使两种不同的细菌细胞发生融合的过程。融合后形成双倍体细胞，可短期生存，染色体重组，获得多种不同表型的重组融合体。人为实验基因转移与重组。第五十七页，共六十三页，2022年，8月28日第五十八页，共六十三页，2022年，8月28日第三节病毒的遗传和变异一、病毒的基因组病毒核酸仅含一种类型，DNA或RNA形态多样性（单一线形、双股环状）完整性不同（完整的、分节段的）还有携带反转录酶的RNA病毒可突变，并决定其表