微生物學(xué)遺傳與變異

1、第十章 細(xì)菌的遺傳和變異,Heredity and variation of bacteria,第一節(jié) 細(xì)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(gè)別細(xì)菌

3、 群體,形態(tài)、結(jié)構(gòu)變異菌落變異毒力變異耐藥性變異,一、細(xì)菌的變異現(xiàn)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(jié)構(gòu)變異 Var

4、iation of morphology and structure,,青霉素、溶菌酶正常形態(tài)細(xì)菌 L型變異 抗體或補(bǔ)體 (部分或完全失去胞壁),,特殊結(jié)構(gòu)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(zhǎng)（H） 點(diǎn)狀生長(zhǎng)、單個(gè)菌落（O）,,,鞭毛變異,基本結(jié)構(gòu)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(qiáng)，一般新分離的菌株為S型。菌落發(fā)生變異后，細(xì)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(xì)菌菌落形態(tài)變異,,,,,,,,,3、毒力變異virulent variation

7、,毒力增強(qiáng)—— 無(wú)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(wú)毒菌株 卡介苗 Bacillus of Calmette- Guerin,BCG : 卡介二氏用有毒的牛結(jié)核分枝桿菌在含甘油、馬鈴薯

8、的培養(yǎng)基上，經(jīng)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(yù)防結(jié)核病的活疫苗。,4、耐藥性變異variation of virulence,細(xì)菌對(duì)某種抗生素或藥物由敏感變?yōu)椴幻舾屑礊榧?xì)菌的耐藥現(xiàn)象。多重耐藥株:同時(shí)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(xì)菌遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ) material basi

10、s of bacterial heredity and variation,染色體DNA chromosome質(zhì)粒 plasmid轉(zhuǎn)位因子 transposable element噬菌體 phage,染色體DNA chromosome無(wú)內(nèi)含子重復(fù)序列少功能相關(guān)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(zhì),是存在于細(xì)菌胞質(zhì)中的閉合環(huán)狀

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

12、毛蛋白基因，編碼產(chǎn)生性菌毛。有質(zhì)粒的細(xì)菌稱雄性菌，能長(zhǎng)出性菌毛；無(wú)質(zhì)粒的細(xì)菌稱雌性菌，無(wú)性菌毛產(chǎn)生。,R質(zhì)粒resistant plasmid,接合性耐藥質(zhì)粒： conjugative plasmid of drug resistance耐藥性質(zhì)粒

13、 非接合性質(zhì)粒 ：不能通過(guò) 接合方式傳遞, 可通 過(guò)轉(zhuǎn)導(dǎo)方式傳遞.,,毒力質(zhì)粒virulence plasmid ，Vi plasmid,如致病性大腸埃希菌的ST質(zhì)粒、 LT質(zhì)粒 等。細(xì)菌素質(zhì)粒 、代謝質(zhì)粒等。,轉(zhuǎn)位因子 transposable elemen

14、t,細(xì)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(dòng)，在細(xì)菌基因組中不斷改變位置，并可從一個(gè)基因組轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基因組中。轉(zhuǎn)位因子主要有： 插入序列 insertion sequence,IS 轉(zhuǎn)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(fù)序列，與插入有關(guān)，中心序列有轉(zhuǎn)位酶基因,轉(zhuǎn)座子 transposon,Tn,Tn (transposon): 2000~25000 bp 兩端為IS ，中心序列有與轉(zhuǎn)位無(wú)關(guān)基因 如：毒素基因、耐藥基因等,常見的插入序列和轉(zhuǎn)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(xì)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(xì)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(gè)體微小，能通過(guò)濾菌器無(wú)完整細(xì)胞結(jié)構(gòu), 主要由衣殼（蛋白質(zhì)）和核酸組成專性細(xì)胞內(nèi)寄生 噬菌體有嚴(yán)格宿主特異性，只感染易感宿主菌。,噬菌體的概念及特點(diǎn),1．形態(tài)結(jié)構(gòu)：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(xué)特征,2．化學(xué)組成：,噬菌體由核酸和蛋白質(zhì)組成。核酸是噬菌體的遺傳物質(zhì)，根據(jù)其組成可為DNA噬菌體和RNA噬菌體。蛋白質(zhì)是噬菌體頭部衣殼及尾部的主要組成成份，能保護(hù)噬菌體核酸，決定其外形和表面特征。,噬菌體與細(xì)菌的關(guān)系,1．毒性噬菌體(virulent phage) 概念：毒性噬菌體能在宿主菌細(xì)胞內(nèi)復(fù)制增殖，產(chǎn)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(xiàn)透亮的溶菌空斑，每個(gè)空斑系由一個(gè)噬菌體復(fù)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(guò)噬斑計(jì)數(shù)，可測(cè)知一定體積內(nèi)的噬菌體數(shù)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(fù)制、分裂而傳代,建立溶原性周期。前噬菌體(prophage):整合在細(xì)菌染色體上的噬菌體基因組稱為前噬菌體；溶原性細(xì)菌(lysogenic bacteria):帶有前噬菌體基因組的細(xì)菌稱為溶原性細(xì)菌。前噬菌體可使溶原性細(xì)菌的表型發(fā)生改變,稱溶原性轉(zhuǎn)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(dǎo)下從宿主菌染色體切離下來(lái)，重新復(fù)制新的子代噬菌體，最終裂解細(xì)菌。溫和噬菌體可轉(zhuǎn)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(dá)的基因產(chǎn)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(xì)菌,溶原性細(xì)菌的溶原性周期和溶菌性周期,遺傳性變異是由基因結(jié)構(gòu)發(fā)生改變所致，基因結(jié)構(gòu)的改變主要通過(guò)基因突變

22、、基因損傷后的修復(fù)、基因的轉(zhuǎn)移與重組等實(shí)現(xiàn)的。,細(xì)菌變異的機(jī)制 Mechanism of bacterial variation,一、基因突變 gene mutation,突變：子代細(xì)胞中出現(xiàn)的可通過(guò)復(fù)制而遺傳的DNA結(jié)構(gòu)改變。突變特點(diǎn)自發(fā)性和不對(duì)應(yīng)性稀少性：自發(fā)突變率10-6—10-9可誘發(fā)性：誘變劑獨(dú)立性穩(wěn)定性，可遺傳可逆性（回復(fù)突變）,有抗生素 無(wú)抗生素 有抗生素

23、 基因 突變 理論 標(biāo)記點(diǎn)

24、 無(wú)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(shí)（彷徨試驗(yàn) 、影印培養(yǎng)法）,,,二、基因的轉(zhuǎn)移與重組 gene tranfer and recombination,1. 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化因子（transforming principle ） 在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，轉(zhuǎn)化的DNA片段稱為轉(zhuǎn)化因子 ，分子量小于107，最多不超過(guò)10~20個(gè)基因。感受態(tài)（competence）,,細(xì)菌轉(zhuǎn)化的條件,,2.

27、接合conjugation,細(xì)菌通過(guò)性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌。接合性質(zhì)粒：能通過(guò)接合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒稱為接合性質(zhì)粒，F(xiàn)質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒和毒力質(zhì)粒等。,F質(zhì)粒的接合,F質(zhì)粒（fertility factor, 致育因子）,接觸：細(xì)胞質(zhì)溝通轉(zhuǎn)移：F質(zhì)粒進(jìn)入F－菌，1分鐘完成復(fù)制：F－菌轉(zhuǎn)為F＋菌,F質(zhì)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(zhì)粒整合于宿主菌染色體后，能高效地帶動(dòng)細(xì)菌染色體上的基因轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhì)粒，而致病性大腸埃希菌90%有R質(zhì)粒。與多

29、重耐藥性有關(guān)。耐藥質(zhì)粒從一個(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)菌中。,R質(zhì)粒的接合,R質(zhì)粒耐藥傳遞因子（resistance transfer factor,RTF）與F質(zhì)粒相似，編碼性菌毛的產(chǎn)生和通過(guò)接合轉(zhuǎn)移耐藥（r）決定子,3.轉(zhuǎn)導(dǎo) transduction,定義：以溫和噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲得新的性狀。 完全轉(zhuǎn)導(dǎo)類型：普遍性轉(zhuǎn)

30、導(dǎo) 流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo) 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo),,,供體菌,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo),溫和噬菌體溶菌周期包裝錯(cuò)誤： 任何部位細(xì)菌DNA片段轉(zhuǎn)導(dǎo)性噬菌體： 宿主菌DNA， 無(wú)噬菌體DNA受菌接受轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體(供菌)DNA受菌獲得供菌性狀,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)：,,完全轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo),普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)果：,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖,局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)：溫和性噬菌體，溶原周

31、期,脫落錯(cuò)誤：前噬菌體及兩邊的細(xì)菌DNA轉(zhuǎn)導(dǎo)性噬菌體：噬菌體DNA及細(xì)菌DNA,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)與局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)的區(qū)別,,,,4. 溶原性轉(zhuǎn)換 lysogenic conversion,定義：溶原性細(xì)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(chǎn)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(xì)菌及其所產(chǎn)生的毒素有：,基因轉(zhuǎn)移與重組方式的比較,5.原生質(zhì)體融合 protoplast fusion,將兩種不同的細(xì)菌經(jīng)溶菌酶或青霉素等處理，失去細(xì)胞壁成為原生質(zhì)體以后進(jìn)行相互融合的過(guò)程。,第二節(jié) 病毒的遺傳與變異,,一、病毒的變異現(xiàn)象,毒力變異抗原變異空斑變異對(duì)理化因素抵抗力或依賴性的變異,二、病毒的基因組,特 點(diǎn)： （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(nèi)含子,三、病毒變異的機(jī)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(diǎn)，

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(dú)復(fù)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(duì)宿主細(xì)胞的感染范圍，能感染野生型病毒所不能感染的細(xì)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(duì)藥物的親和力或作用，從而產(chǎn)生相應(yīng)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(xì)胞時(shí)，基因交換產(chǎn)生具有兩種親代病毒特征的子代病毒的過(guò)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(duì)于基因分節(jié)段的RNA病毒（IFV，輪狀病毒）等，通過(guò)交換RNA節(jié)

36、段而進(jìn)行的重組被稱為重配 。,（三）基因整合,病毒感染宿主細(xì)胞的過(guò)程中，有時(shí)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(guò)程稱為基因整合（gene integration）。例如：HIV、HBV,四、病毒基因產(chǎn)物的相互作用,1、互補(bǔ)作用 兩種病毒同時(shí)感染同一細(xì)胞時(shí)，其中一種病毒的基因產(chǎn)物（結(jié)構(gòu)蛋白或酶類）促進(jìn)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(chǎn)物?；パa(bǔ)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(qiáng)作用一種病毒增加另一種病毒的產(chǎn)量副流感病毒→蛋白質(zhì)→抑制IFN→VZV?,3、表型混合,兩種病毒共同感染時(shí)，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(huì)發(fā)生一些生物學(xué)特征的改變(如耐藥性、嗜細(xì)胞性)，這種改變不是遺傳型的改變而是表型的混合。 經(jīng)再次傳

38、代后，表型混合出現(xiàn)的性狀可丟失。 無(wú)包膜病毒發(fā)生的表型混合稱核殼轉(zhuǎn)移 。,第三節(jié) 微生物遺傳變異的應(yīng)用,在疾病的診斷、治療與預(yù)防中的應(yīng)用在測(cè)定致癌物質(zhì)中的應(yīng)用在流行病學(xué)中的應(yīng)用在基因工程中的應(yīng)用,在疾病的診斷、治療與預(yù)防中的應(yīng)用,形態(tài)、結(jié)構(gòu)、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的變異，使得診斷復(fù)雜化耐藥菌株日益增多，預(yù)防耐藥性 藥敏實(shí)驗(yàn) 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(wú)毒株可制備成疫

39、苗,在測(cè)定致癌物質(zhì)中的應(yīng)用,凡能誘導(dǎo)細(xì)菌發(fā)生突變的物質(zhì)都有可能是致癌物質(zhì)。 Ames實(shí)驗(yàn)傷寒沙門菌（his-） （his+）,,誘變劑,在流行病學(xué)中的應(yīng)用,分子生物學(xué)分析方法已被用于流行病學(xué)調(diào)查質(zhì)粒指紋圖（PFP）對(duì)噬菌體的敏感性，對(duì)細(xì)菌素的敏感性,在基因工程中的應(yīng)用,載體：質(zhì)粒，噬菌體工程菌和酶：限制性內(nèi)切酶，連接酶選擇目的基因，細(xì)菌中表達(dá)，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