微生物學遺傳與變異

1、第十章 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,遺傳性變異/基因型變異 genotypic variation 非遺傳性變異/表型變異 phenotypic variation,,,遺傳性變異 非遺傳性變異,基因的改變 + -

2、 遺傳性 + - 外界環(huán)境 - + 可逆性 - +變異幅度 個別細菌

3、 群體,形態(tài)、結構變異菌落變異毒力變異耐藥性變異,一、細菌的變異現象 phenomenen of bacterial variation,3-6%食鹽鼠疫耶氏菌 多形態(tài)性         陳舊培基物,,1、形態(tài)結構變異 Var

4、iation 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

5、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 variation of colony,光滑型（smo

6、oth,S） 粗造型 （rough,R） S-R 變異 S型菌株致病性強，一般新分離的菌株為S型。菌落發(fā)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。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,S型菌落,R型菌落,細菌菌落形態(tài)變異,,,,,,,,,3、毒力變異virulent variation

7、,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。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 Bacillus of Calmette- Guerin,BCG : 卡介二氏用有毒的牛結核分枝桿菌在含甘油、馬鈴薯

8、的培養(yǎng)基上，經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 用于人工免疫以預防結核病的活疫苗。,4、耐藥性變異variation of virulence,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。多重耐藥株:同時耐受多種抗生素的菌株?？股匾蕾嚲辏喝缌〖仓举R菌的賴鏈霉素菌株。

9、 抗生素 抗生素 耐藥 敏感,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,細菌遺傳變異的物質基礎 material basi

10、s of bacterial heredity and variation,染色體DNA chromosome質粒 plasmid轉位因子 transposable element噬菌體 phage,染色體DNA chromosome無內含子重復序列少功能相關基因組 成操縱子病原菌中存在毒力島（pathogenecity Island),定義：為染色體外的遺傳物質,是存在于細菌胞質中的閉合環(huán)狀

11、雙鏈DNA, 質粒帶有遺傳信息，控制細菌某些特定的遺傳性狀。醫(yī)學上重要的質粒有F質粒（fertility plasmid）、R質粒（resistance plasmid）、Vi質粒(virulent plasmid)等。,質粒 plasmid,① 能自我復制② 決定特殊性狀；③ 能自發(fā)消除或丟失④ 轉移性⑤ 質粒的不相容性,質粒的重要特性：,常見的細菌質粒及其功能,F質粒 fertility plasmid ------含性菌

12、毛蛋白基因，編碼產生性菌毛。有質粒的細菌稱雄性菌，能長出性菌毛；無質粒的細菌稱雌性菌，無性菌毛產生。,R質粒resistant plasmid,接合性耐藥質粒： conjugative plasmid of drug resistance耐藥性質粒

13、 非接合性質粒 ：不能通過 接合方式傳遞, 可通 過轉導方式傳遞.,,毒力質粒virulence plasmid ，Vi plasmid,如致病性大腸埃希菌的ST質粒、 LT質粒 等。細菌素質粒 、代謝質粒等。,轉位因子 transposable elemen

14、t,細胞基因組中能改變自身位置的一段DNA序列。能在DNA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。轉位因子主要有： 插入序列 insertion sequence,IS 轉座子 transposon,Tn 前噬菌體 prophage,插

15、入序列insertion sequence,IS,IS (insertion sequence): 750~1550 bp 兩端重復序列，與插入有關，中心序列有轉位酶基因,轉座子 transposon,Tn,Tn (transposon): 2000~25000 bp 兩端為IS ，中心序列有與轉位無關基因 如：毒素基因、耐藥基因等,常見的插入序列和轉座子,,,,,IS bp

16、 Tn 耐藥或毒素基因,IS1 768 Tn1 AP（氨芐青霉素）,IS2 1327 Tn6 Kan（卡那霉素）,IS3 1300 Tn10 Tet（四環(huán)素）,IS4 1426 Tn551 Em（紅霉素）,IS5 1195

17、 Tn681 E.coli ET（腸毒素）,指整合于細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：個體微小，能通過濾菌器無完整細胞結構, 主要由衣殼（蛋白質）和核酸組成專性細胞內寄生 噬菌體有嚴格宿主特異性，只感染易感宿主菌。,噬菌體的概念及特點,1．形態(tài)結構：EM下有三種基本形態(tài)： 蝌蚪型 微球形 絲形,噬菌體

18、的主要生物學特征,2．化學組成：,噬菌體由核酸和蛋白質組成。核酸是噬菌體的遺傳物質，根據其組成可為DNA噬菌體和RNA噬菌體。蛋白質是噬菌體頭部衣殼及尾部的主要組成成份，能保護噬菌體核酸，決定其外形和表面特征。,噬菌體與細菌的關系,1．毒性噬菌體(virulent phage) 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。,溶菌周期： 吸附

19、 穿入 生物合成 成熟與釋放,,,,噬斑：在固體培養(yǎng)基上，將適量噬菌體和宿主菌液混合接種培養(yǎng)后，培養(yǎng)基表面可出現透亮的溶菌空斑，每個空斑系由一個噬菌體復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。通過噬斑計數，可測知一定體積內的噬菌體數量。,毒性噬菌體,2．溫和噬菌體(tempe

20、rate phage),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。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；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。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(lysogenic conversion) .如白喉棒狀桿菌,3．溶原性周期和溶菌性周期,溫和噬菌

21、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。溫和噬菌體可轉變成毒性噬菌體的潛在性稱為溶原性。因此溫和噬菌體有溶原性周期和溶菌性周期，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,遺傳性變異是由基因結構發(fā)生改變所致，基因結構的改變主要通過基因突變

22、、基因損傷后的修復、基因的轉移與重組等實現的。,細菌變異的機制 Mechanism of bacterial variation,一、基因突變 gene mutation,突變：子代細胞中出現的可通過復制而遺傳的DNA結構改變。突變特點自發(fā)性和不對應性稀少性：自發(fā)突變率10-6—10-9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）,有抗生素 無抗生素 有抗生素

23、 基因 突變 理論 標記點

24、 無菌印模 培養(yǎng)液 培養(yǎng)液 (渾濁) ( 澄清)

25、 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 gene tranfer and recombination,1. 轉化 transformation 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。

26、 ⅡR ⅢS Ⅱ R ⅢS DNA,,,,,,,,,,,,,,,,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10~20個基因。感受態(tài)（competence）,,細菌轉化的條件,,2.

27、接合conjugation,細菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質（主要是質粒DNA）從供體菌轉移給受體菌。接合性質粒：能通過接合方式轉移的質粒稱為接合性質粒，F質粒、R質粒、Col質粒和毒力質粒等。,F質粒的接合,F質粒（fertility factor, 致育因子）,接觸：細胞質溝通轉移：F質粒進入F－菌，1分鐘完成復制：F－菌轉為F＋菌,F質粒的接合,,,,F+,,,F-,,,,,,,,F+,,,F-,,,,,,,,,,,F

28、+,,,F+,,,,,,,,,,,F+,,,F+,,,,,,,,,,,,,,,Donor,,,,,,Recipient,,,,,F+,,,,,,,接合與Hfr,,Hfr（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。,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。健康人中大腸埃希菌30%~50%有R質粒，而致病性大腸埃希菌90%有R質粒。與多

29、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質粒耐藥傳遞因子（resistance transfer factor,RTF）與F質粒相似，編碼性菌毛的產生和通過接合轉移耐藥（r）決定子,3.轉導 transduction,定義：以溫和噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA轉移到受體菌內，使受體菌獲得新的性狀。 完全轉導類型：普遍性轉

30、導 流產轉導 局限性轉導,,,供體菌,普遍性轉導,溫和噬菌體溶菌周期包裝錯誤： 任何部位細菌DNA片段轉導性噬菌體： 宿主菌DNA， 無噬菌體DNA受菌接受轉導噬菌體(供菌)DNA受菌獲得供菌性狀,普遍性轉導：,,完全轉導流產轉導,普遍性轉導結果：,普遍性轉導模式圖,局限性轉導：溫和性噬菌體，溶原周

31、期,脫落錯誤：前噬菌體及兩邊的細菌DNA轉導性噬菌體：噬菌體DNA及細菌DNA,普遍性轉導與局限性轉導的區(qū)別,,,,4. 溶原性轉換 lysogenic conversion,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。,白喉棒狀桿菌 鏈球菌 產氣莢膜梭菌 肉毒梭菌 白喉毒素 致熱外毒素 α毒素 肉毒毒素,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

32、,,,,,,,常見的細菌及其所產生的毒素有：,基因轉移與重組方式的比較,5.原生質體融合 protoplast fusion,將兩種不同的細菌經溶菌酶或青霉素等處理，失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,毒力變異抗原變異空斑變異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

33、 （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。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（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，

34、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 ）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。,基因重組：

35、 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)

36、段而進行的重組被稱為重配 。,（三）基因整合,病毒感染宿主細胞的過程中，有時病毒基因組中DNA片段可插入到宿主染色體DNA中，這種重組過程稱為基因整合（gene integration）。例如：HIV、HBV,四、病毒基因產物的相互作用,1、互補作用 兩種病毒同時感染同一細胞時，其中一種病毒的基因產物（結構蛋白或酶類）促進另一種病毒增殖。 并非病毒基因的重組，而是能夠互相提供所需的基因產物。互補作用

37、可發(fā)生于:感染性V.+ 缺損V.--- HBV+HDV感染性V.+ 滅活V.(衣殼受損,基因未傷) 缺損V.+ 缺損V.(兩者缺損基因不同),,2、加強作用一種病毒增加另一種病毒的產量副流感病毒→蛋白質→抑制IFN→VZV?,3、表型混合,兩種病毒共同感染時，一種病毒核酸被另一種病毒核酸所編碼的蛋白衣殼包裹，也會發(fā)生一些生物學特征的改變(如耐藥性、嗜細胞性)，這種改變不是遺傳型的改變而是表型的混合。 經再次傳

38、代后，表型混合出現的性狀可丟失。 無包膜病毒發(fā)生的表型混合稱核殼轉移 。,第三節(jié) 微生物遺傳變異的應用,在疾病的診斷、治療與預防中的應用在測定致癌物質中的應用在流行病學中的應用在基因工程中的應用,在疾病的診斷、治療與預防中的應用,形態(tài)、結構、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的變異，使得診斷復雜化耐藥菌株日益增多，預防耐藥性 藥敏實驗 早期足量 要有一定療程,聯(lián)合用藥 不要濫用減毒菌株和無毒株可制備成疫

39、苗,在測定致癌物質中的應用,凡能誘導細菌發(fā)生突變的物質都有可能是致癌物質。 Ames實驗傷寒沙門菌（his-） （his+）,,誘變劑,在流行病學中的應用,分子生物學分析方法已被用于流行病學調查質粒指紋圖（PFP）對噬菌體的敏感性，對細菌素的敏感性,在基因工程中的應用,載體：質粒，噬菌體工程菌和酶：限制性內切酶，連接酶選擇目的基因，細菌中表達，如胰島素、白介素、干擾素等基因工程疫苗,基本概念:毒性噬菌體、溫和噬菌體