第5章遺傳與變異

1、1,病原生物學教研室Department of pathogenic Biology of Gannan Medical University,醫(yī)學微生物學Medical Microbiology,,,2,,第五章 遺傳與變異,Heredity and Variation,3,遺傳與變異的概念,遺傳：子代與親代間生物學性狀的相似性。 變異：子代與親代間以及子代與子代

2、間生物學性狀的差異。 遺傳性變異 非遺傳性變異 原 因 基因改變 環(huán)境因素 可逆性 不可 可 遺傳性 可 不可 變異細菌 個別 全部,4,,第二節(jié)

3、 細菌的遺傳與變異,一、細菌的變異現(xiàn)象（一）形態(tài)結構的變異：形態(tài)的變異：如鼠疫耶氏菌：卵圓形桿狀→多形性結構的變異：①細胞壁變異：有→無 （L型變異）②莢膜變異：有→無 如肺炎球菌③芽胞變異：有→無 如炭疽桿菌④鞭毛變異：有→無（H-O變異）如變形桿菌,5,（二）毒力變異,6,耐藥性：細菌對某種抗菌藥物從敏感變得不敏感。 如：金葡、肺炎球菌、淋球菌、

4、 腸道桿菌、結核桿菌 多重耐藥性：某些細菌對多種抗菌藥物具有耐藥 性。,（三）耐藥性變異,7,細菌菌落由光滑型菌落變?yōu)榇植谛途?S菌落：表面光滑、濕潤、邊緣整齊 R菌落：表面粗糙、干燥、邊緣不整齊大多菌初次分離培養(yǎng)為S型，致病力強; 但結核、炭疽和鼠疫桿菌的毒力菌為R 型。,（四）菌

5、落變異 (S-R變異),8,,（五）抗原性變異,9,（一）染色體：一條環(huán)狀雙螺旋DNA長鏈，按一定構型反復回旋成松散網(wǎng)狀結構，附著在橫隔中介體或細胞膜上。特點：無組蛋白；無核膜包被；無內(nèi)含子功能：細菌的主要遺傳物質(zhì)；決定細菌的基因型；為細菌生命活動所必需。,二、細菌遺傳變異的物質(zhì)基礎,10,定義：細菌染色體外的遺傳物質(zhì)，環(huán)狀閉合雙股DNA，位于細菌細胞質(zhì)內(nèi)，能自我復制、控制著細菌的某些生物學性狀。特征：⑴可自我復制;⑵編

6、碼細菌某些重要的生物學性狀;⑶非細菌生活所必需：可自行丟失與消除;⑷轉(zhuǎn)移性:接合/轉(zhuǎn)化/傳導方式轉(zhuǎn)移;⑸相容性與不相容性。,（二）質(zhì)粒（plasmid）,11,⑴ F質(zhì)粒（致育質(zhì)粒）：編碼性菌毛。 有：雄性菌（F+） 無：雌性菌（F-）⑵ R質(zhì)粒（耐藥性質(zhì)粒 ）：編碼耐藥性。接合性R質(zhì)粒： 通過性菌毛轉(zhuǎn)移非接合性R質(zhì)粒：通過噬菌體轉(zhuǎn)移,2.種類,12,⑶Vi質(zhì)粒（毒力質(zhì)粒）：編碼毒力因子。 如：

7、K質(zhì)粒：編碼粘附結構 ST或LT質(zhì)粒：編碼腸毒素⑷Col質(zhì)粒（細菌素質(zhì)粒）：編碼細菌素。 如：大腸桿菌Col質(zhì)粒 ：編碼大腸菌素⑸代謝質(zhì)粒：編碼代謝酶。,13,是侵襲細菌、真菌、螺旋體、支原體、立克次 體及放線菌等微生物的病毒。,（三）噬菌體,14,1、生物學性狀,,（1）形態(tài)與結構 1）形態(tài),①蝌蚪形,,,,,②微球形,,③絲形,15,噬菌體結構模式圖,16,,（2）化學組成,DNA,1

8、）核酸：DNA或RNA,①DNA噬菌體,大多數(shù)為線狀雙鏈,少數(shù)為環(huán)狀單鏈,,②RNA噬菌體,多為線狀單鏈,少為線狀雙鏈,2）蛋白質(zhì)：,保護核酸，決定外形及表面特征,,,,17,,,1、毒性噬菌體,2、溫和噬菌體,,,,,/溶原性噬菌體,18,毒性噬菌體的增殖,1、增殖方式：復制2、增殖過程：吸附(adsorption) 穿入(penetration)生物合成(biosynthesis)裝配、成熟與釋放(mature and r

9、elease),19,20,21,溫和噬菌體/溶原性噬菌體,1、基本概念：前噬菌體（prophage）：整合在細菌染色體上的噬菌體基因。溶原性細菌(lysogenic bacterium)：帶有前噬菌體基因組的細菌。,22,23,溶原性周期與溶菌性周期,,,,吸附,,穿入,,,,,,,,,生物合成,釋放,整 合,,誘導,,,溶菌性周期,,,溶原性周期,24,⒈概念：細菌染色體/質(zhì)粒的DNA分子上存在著的一段特異的具有轉(zhuǎn)位特性的獨

10、立的DNA序列，可在細菌的染色體、質(zhì)?；蚴删w之間自行移動。,（四）轉(zhuǎn)座子（Transposon,Tn),25,⑴ 插入序列（insertion sequence，IS）： 為最簡單的或序列較短的Tn，只含與轉(zhuǎn) 位有關的基因。⑵ 轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn）/復合Tn ： 含轉(zhuǎn)位有關基因及耐藥性基因、 抗金 屬基因、毒素基因或結構基因等。 Tn可在細菌的染色體和質(zhì)粒之間、質(zhì)

11、粒 和質(zhì)粒之間轉(zhuǎn)移，導致耐藥性的播散。。,⒉種類,26,,（一）基因突變類型 小突變：點突變 大突變：染色體畸變基因突變的規(guī)律 稀有性：自發(fā)突變率低 隨機性：可發(fā)生于任何一個菌細胞及細胞任何一 個基因 有的突變可回復 可自發(fā)也可誘發(fā)：誘變率＞自發(fā)突變率,三、 細菌變異的機制,27,,含義 基因轉(zhuǎn)移（gene transfer）：外源性遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入

12、受體菌細胞內(nèi)的過程。 基因重組（recombination）：轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA發(fā)生整合。,（二）基因的轉(zhuǎn)移與重組,28,（二）基因轉(zhuǎn)移與基因重組的方式,1、轉(zhuǎn)化（transformation）2、接合（conjugation）3、轉(zhuǎn)導 (transduction)4、溶原性轉(zhuǎn)換(lysogenic conversion)5、原生質(zhì)體融合（proptopast fusion）,29,①概念：受體菌直接

13、攝取供體菌裂解后游離 的DNA片段而獲得新性狀。轉(zhuǎn)化因子：在轉(zhuǎn)化過程中轉(zhuǎn)化的DNA片段。分 子量＜1×107 , ≯10-20個基因。,②實驗依據(jù)：肺炎鏈球菌 莢膜 S型菌落 R型菌落 毒力Ⅲ S型菌 ＋ ＋ ＋ⅡR型菌 －

14、 ＋ －,1、轉(zhuǎn)化（transformation）,30,小鼠體內(nèi)肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗,31,,,機制：感受態(tài)受體菌攝取同源DNA后發(fā)生重組,32,2、接合（conjugation）,33,電鏡下的接合,34,F質(zhì)粒的接合,性菌毛末端-受體接合橋形成,F質(zhì)粒形成切口，一條DNA鏈進入受體菌內(nèi),F質(zhì)粒留在供體細胞的一條鏈進行復制并形成互補鏈,35,,,,,,36,高頻重組菌（high freq

15、uency recombinant，Hfr菌）：整合后的細菌能高效地轉(zhuǎn)移染色體上的基因。,37,F+ 菌,38,,R質(zhì)粒的接合,,,IS,,RTF,r決定子,RTF,r決定子,IS,Tn9,Tn4,Tn5,R質(zhì)粒結構圖,40,分子量較??；無編碼轉(zhuǎn)移體系所需要的基因，故不能單獨 結合傳遞；但如果在同一宿主細胞因存在接合性質(zhì)粒 （F或R質(zhì)粒），其可被誘動傳遞。,非接合性質(zhì)粒：,41,3、轉(zhuǎn)導（Transduction）,,

16、,42,細菌裂解期,細菌DNA（將供菌任意DNA裝配）,噬菌體DNA,,,,,,,普遍性轉(zhuǎn)導模式圖,整合,未整合,完全轉(zhuǎn)導,流產(chǎn)轉(zhuǎn)導,細菌被普遍性轉(zhuǎn)導噬菌體感染,44,噬菌體轉(zhuǎn)導供體菌染色體上特定部位的DNA片段,發(fā)生于溶原期。 噬菌體將自身一段DNA留在供菌染色體上， 卻將相鄰供菌的部分DNA帶給受菌并整合至其染色體上。,B.局限性轉(zhuǎn)導:,,,,,局限性轉(zhuǎn)導模式圖,正常脫離,斷裂和 再接,斷裂和 再接,偏差脫離,g

17、al,gal,gal,gal,bio,bio,bio,bio,46,宿主菌獲得感染它的噬菌體的DNA片段而獲得新的遺傳性狀。,,4.溶原性轉(zhuǎn)換(lysogenic conversion),48,① 概念：人工將兩種不同的細菌經(jīng)溶菌酶 或青霉素等處理，失去細胞壁成為原生 質(zhì)體后進行相互融合的過程② 融合劑：PEG（聚乙二醇）③ 應用：基因轉(zhuǎn)輸、實驗工具,5、原生質(zhì)體融合（proptopast fusion）,49

18、,原生質(zhì)體融合,50,第三節(jié) 病毒的遺傳與變異,一、病毒基因組的特點： 1、基因組結構簡單：多數(shù)病毒基因數(shù)在3～10個之間； 2、大部分V核酸是單倍體（逆轉(zhuǎn)錄V為二倍體） 3、基因組形式多樣； 4、基因組非編碼區(qū)較少； 5、基因組中可插入外源基因； 6、基因組易發(fā)生突變。,51,（一）遺傳性變異 1.基因突變 ●自發(fā)突變：突變率10-6--10－8 ●誘發(fā)突變:應用物理和化

19、學方法處理病毒而發(fā)生的突變。突變株（mutant):由基因突變產(chǎn)生的V表型性狀改變的毒株。 包括：條件致死性突變株、缺陷型干擾突變株、宿主范圍突變株、耐藥突變株,二、病毒變異的機制,52,條件致死性突變：在某些條件下不能復制，而在另一些條件下可以復制，并產(chǎn)生子代突變株。如：溫度敏感突變株（temperature sensitive mutants,ts）：28-35℃可以增殖，37-40℃不能增殖。 機制：病毒基因上單個核苷

20、酸發(fā)生突變，從而導致病毒蛋白發(fā)生改變，以致對較高的溫度敏感。是生產(chǎn)減毒活疫苗的理想株,但易出現(xiàn)回復突變。 變異株（variant）：當突變株能較穩(wěn)定地存在，并可在相應的宿主或細胞中傳代與存活。（如：脊髓灰質(zhì)炎減毒活疫苗）,53,病毒基因組中堿基缺失突變，其所含核酸較正常病毒明顯減少，并發(fā)生各種各樣的結構重排。 特點：由于基因缺陷而不能單獨復制，必須在輔助病毒（通常是野生株）存在時才能復制，并能干擾野生株的增殖。與某

21、些慢性疾病的發(fā)病機制有關。,,缺陷型干擾突變株（DIM）：,54,兔腦連續(xù)傳代培養(yǎng),初次接種于宿主時不能形成明顯的生長現(xiàn)象或病理變化，但經(jīng)過連續(xù)傳代后可逐漸適應在宿主中增殖并引起宿主的一些變化。如：狂犬病毒街毒株 固定毒株 30代,,（制備疫苗）,宿主范圍突變株：,55,應用針對病毒酶的藥物后，病毒被暫時抑制后又重新復制，產(chǎn)生感染性子代病毒，其子代病毒

22、具有抵抗藥物的作用。原因：病毒酶的基因編碼區(qū)可發(fā)生核苷酸序列的改變而導致耐藥。,耐藥性突變株:,56,,重組：指兩種或兩種以上病毒感染同一細胞時發(fā)生核酸片段的互換,從而導致病毒的變異。常發(fā)生于有近緣關系的病毒或宿主敏感性相似的病毒間。 重配：基因分節(jié)段的RNA病毒通過交換RNA節(jié)段而進行的重組。,2.基因重組與重配,57,活性病毒間的基因重組滅活病毒間的基因重組：可產(chǎn)生有感染性的子 代病毒，稱為多重復活。活性病毒與滅活病

23、毒之間的基因重組：可使滅 活病毒復活，稱為交叉復活。用于疫苗株的篩 選。,,58,病毒基因組中DNA片段可插入到宿主染色體DNA中,導致病毒基因變異及宿主細胞染色體基因的改變。 如：多種DNA病毒、反轉(zhuǎn)錄病毒。,3.基因整合:,59,(二）非遺傳性變異：又稱基因產(chǎn)物的相互作用，這種變異可導致子代的表型變異，但不能遺傳給子代。 表型混合與核殼轉(zhuǎn)移：兩株病毒混合感染時，裝配過程發(fā)生錯誤形成。主要表現(xiàn)為耐藥性、

24、抗原性、細胞嗜性等改變。 互補作用和加強作用：兩種病毒感染同一細胞時，其中一種病毒的基因產(chǎn)物（如:結構蛋白、代謝酶）促使另一病毒增殖?？砂l(fā)生于感染性病毒與缺陷病毒或滅活病毒之間，或兩種缺陷病毒之間。,60,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,PHENOTYPIC MIXING,,,,,PSEUDOTYPE,,,,,61,第四節(jié) 微生物遺傳變異在醫(yī)學上的應用,一、在疾病診斷和防治中的應用 診斷：