微生物学与免疫学：第10章 遗传和变易

第十章 遗传与变异第一节 细菌的遗传与变异第二节 病毒的遗传与变异第三节 微生物遗传变异在医学 上的应用第10章 微生物遗传变异遗传和变异是生物界存在的普遍现象。遗传和变异是生物界存在的普遍现象。 遗传遗传细菌的子代与亲代在生物学性状上的相似细菌的子代与亲代在生物学性状上的相似性。遗传是细菌维持种的基本特征性。遗传是细菌维持种的基本特征 变异变异细菌的子代与亲代在生物学性状上的差异细菌的子代与亲代在生物学性状上的差异性。变异是细菌产生变种或新种，促进细菌的进性。变异是细菌产生变种或新种，促进细菌的进化。化。变异分为两种类型：变异分为两种类型：l 基因型变异基因型变异：遗传物质发生改变，可遗传；：遗传物质发生改变，可遗传；l 表型变异表型变异：遗传物质未变，因环境因素表型发生：遗传物质未变，因环境因素表型发生变化，不可遗传。变化，不可遗传。 一、细菌变异的现象 二、细菌遗传变异的物质基础 三、细菌变异的机制第1节 细菌的遗传变异第1节 细菌遗传变异一、细菌变异的现象l 1 .形态结构变异 L型菌；鞭毛 、荚膜、芽 胞变异等l 2.毒力变异 毒力减弱-疫苗制备；毒力增 强-细菌战l 3.耐药性变异 临床治疗中严重问题l 4.菌落变异 从光滑型（S） 粗糙型（R）l 5.抗原性变异 与细菌鉴定有关2022-3-45 2022-3-46 )二、细菌遗传的物质基础 染色体 质粒 噬菌体 转座子细菌染色体为一环状双股DNA链，呈超螺旋形式缠绕成团，构成核质（染色体长度约为菌体总长1000倍）。内含细菌主要的遗传信息。 目前，已完成约80种细菌全基因序列测定，对深入研究细菌致病机制及进化有重要意义。（一）细菌染色体 （二）质粒 plasmid概念：细菌染色体外遗传物质，是能自主复制的环状双链DNA分子。质粒携带有遗传信息，控制某些特定的遗传性状，可独立复制，与细菌的遗传变异有关。 特征： 自我复制-可与染色体同步/不同步 决定细菌某些生物学性状 可自行丢失及消除，不影响细菌存活 可转移性-可以各种方式转移到其它菌 相容性与不相容性-l 几种质粒可存在于同一菌体内，称相容性质粒l 两种结构相似密切相关的质粒不能稳定地共存与同一宿主的现象称为质粒的不相容性l种类：l致育质粒-(fertility plasmid)F质粒，产生性 菌毛-F+l毒力质粒- (virulence plasmid) Vi质粒，产 生相应毒素l耐药质粒- (resistance plasmid) R质粒l细菌素质粒-Col质粒，产生细菌素l代谢质粒-编码产生相关酶，如脲酶、枸橼酸盐 利用酶等（三）噬菌体（bacteriophage, phage） 噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒，在葡萄球菌和志贺菌中首先发现。 病毒的特性： 个体微小，可以通过细菌滤器 没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成 专性细胞内寄生的微生物 分布极广 噬菌体 噬菌体 bacteriophage ; phagephage噬菌体概述Twort 1915(英国）dHerelle 1917（法国） 噬菌体l发现lTwort 1915(英国）首先发现葡萄球菌噬菌体ldHerelle 1917（法国）发现并提纯痢疾杆菌噬菌体1、噬菌体的生物学性状 形态 个体小，需用电子显微镜观察 蝌蚪形、微球形和丝形LG1 was isolated from chicken feces on an E. coli O157:H7 host, but it plaques on a wide range of E. coli, and a few Enterobacteriaceae. The black bars are size bars representing 100 nm. 噬菌体大肠埃希菌T2噬菌体蝌蚪形噬菌体结构模式图 噬菌体 头部：内含DNA/RNA尾部：包括中空尾管、尾鞘、尾丝、尾刺等。尾丝是吸附宿主细胞表面特殊受体部位。头部尾部尾鞘收缩尾丝与受体菌表面结合特异性特异性特异性！ 噬菌体2、噬菌体的种类及生活周期毒性噬菌体-溶菌周期温和性噬菌体-溶原周期 毒性噬菌体(virulent phage)能在宿主菌细胞内复制增殖,产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体。 噬菌体 毒性噬菌体的增殖与溶菌周期毒性噬菌体的增殖与溶菌周期 毒性噬菌体在敏感菌内以复制方式进行增殖，增殖过毒性噬菌体在敏感菌内以复制方式进行增殖，增殖过程包括程包括（1 1）吸附）吸附：是噬菌体与细菌表面受体是噬菌体与细菌表面受体特异性结合特异性结合的过的过程。程。（2 2）穿入）穿入：有尾噬菌体吸附宿主后，借助尾部末端含：有尾噬菌体吸附宿主后，借助尾部末端含有的一种类似溶菌酶的物质，在细菌细胞壁上溶一小有的一种类似溶菌酶的物质，在细菌细胞壁上溶一小孔，然后通过尾鞘的收缩，将头部孔，然后通过尾鞘的收缩，将头部DNADNA注入注入细菌体内，细菌体内，而蛋白衣壳留在菌细胞外。而蛋白衣壳留在菌细胞外。 （3 3）生物合成）生物合成: : 转录形成转录形成mRNAmRNA，转移成噬菌体所需的，转移成噬菌体所需的酶、调节蛋白和结构蛋白。酶、调节蛋白和结构蛋白。（4 4）成熟与释放）成熟与释放: :蛋白质和核酸合成后，在细胞质内蛋白质和核酸合成后，在细胞质内按一定程序装配成成熟的噬菌体。裂解宿主，释放噬按一定程序装配成成熟的噬菌体。裂解宿主，释放噬菌体颗粒。菌体颗粒。2022-3-420毒性噬菌体溶菌现象 液体培养基：使浑浊菌液变为澄清. 固体培养基：菌膜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的，称为噬菌斑（plaque） 若将噬菌体按一定倍数稀释，通过噬斑计数，可测知一定体积内的噬斑形成单位数目，即噬菌体的数量。 噬菌体噬菌斑 噬菌体温和噬菌体 温和噬菌体(temperate phage)噬菌体基因与宿主菌染色体整合，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，称为温和噬菌体或溶原性噬菌体(lysogenic phage)。 噬菌体温和噬菌体 前噬菌体整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体（prophage） 溶原性细菌带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌（lysogenic bacterium） 噬菌体温和噬菌体的溶原性周期 噬菌体phage前噬菌体溶原菌溶原性噬菌体 溶原状态十分稳定，能经历许多代在某些条件如紫外线、X线、致癌剂、突变剂等作用下，可中断溶原状态进入溶菌性状态 噬菌体 前噬菌体可在各种理化、生物因素诱导下或自发脱离宿主菌 溶菌 细菌裂解(称为前噬菌体的诱导与切离，发生率为10-2-10-5)，产生新的成熟噬菌体。故溶原性噬菌体具有溶菌性及溶原性二个周期。噬菌体温和噬菌体 噬菌体 1、细菌的鉴定与分型，流行病学调查，传染源追踪2、分子生物学研究工具 3、某些耐药菌临床感染的治疗 噬菌体噬菌体的应用 四、转座子（ transposon, Tn）第5章 微生物遗传变异l概念：l 是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间可自行移动的特异性的独立的DNA片段。 意义： 改变遗传物质的核苷酸序列 影响插入点附近基因的表达（失活） 直接插入一段新序列，造成基因的转移和重组l均能造成细菌性状的变异转座子种类：1.插入序列2.转座子第5章 微生物遗传变异 1.插入序列（ insertion sequence,IS） 结构较简单，长度小于2Kb。只带有自身插入所需要的酶基因，不带有任何与插入无关的基因。 插入后与插入点附近的序列共同起作用。如有些质粒和染色体上，有一些相同的IS，因此质粒就可以经同源性重组插入到染色体中，形成一种高频重组株（Hfr）。 2.转座子（ transposon, Tn） 结构较复杂，分子量大（2Kb以上）以上），除了含有与转位有关的基因外，还至少携带1个决定细菌遗传性状有关的基因（如耐药性基因、重金属抗性基因、毒素基因等）。l其中以带有耐药性基因的Tn研究的最多，当Tn插入时，一方面可引起插入基因的失活、另一方面带入了耐药基因使细菌获得了耐药性。第5章 微生物遗传变异复合转座子的结构IS未端反向重复中心序列IS-与转座子插入有关中心序列-携带有特殊基因（如耐药基因等）第5章 微生物遗传变异- 转 座 子 携带的耐药/毒素基因- Tn1 Tn2 Tn3 AP（氨苄青霉素） Tn4 AP、SM（链霉素）、Su（磺胺） Tn5 Tn6 Km （卡那霉素）Ble（博来霉素） Tn1681 大肠埃希菌（肠毒素基因） Tn971、551 Em（红霉素）-第5章 微生物遗传变异 常见转座子种类 总之 转座子广泛存在于细菌中，由于转座子的转位，可以造成细菌的耐药基因、毒力基因等在细菌中传播和重排。 转座子也是目前基因工程和遗传学研究的重要工具。第5章 微生物遗传变异三、 细菌变异的机制 基因突变 基因的转移与重组 （一）基因突变概念 突变 mutation 指细菌遗传物质的结构突然发生的稳定性的改变，可遗传子代。根据涉及基因的多少分为点突变及染色体畸变二种基因突变 （二） 基因突变的规律： 1、突变率 细菌自发突变率低 约为106109 ，在一些突变剂诱导下突变率可大大提高。 2、突变与选择 细菌突变随机产生，不定向的，不受环境因素的影响，但在一定条件下被选择出来。基因突变突变与选择证明实验影印培养 replica plating (Lederberg 1952)证明：耐药突变是自发的、随机的，药物只起选择作用无抗生素平板含抗生素平板标记点2耐药菌株影印用无菌丝绒布影印后丝绒布上对应菌落1含抗生素培养管（细菌生长 混浊）3 含抗生素培养管（细菌不生长 澄清）3 3、回复突变 野生型（自然环境下的表型株） 突变型（发生了基因突变的菌株）突变回复突变野生型突变型基因突变的特征基因突变的特征：自发性和稀少性、不对应性、独立 性、可诱发性、可遗传性和可逆性 基因的转移与重组 二个细菌间部分遗传基因，可以发生转移（gene transfer)和重组 (recombination)，使受体菌获得新的遗传性状。 细菌基因转移和重组的方式： 转化 （transformation) 接合 (conjugation) 转导 (transduction) 溶原性转换 (lysogenic conversion) 原生质体融合（protoplast fusion)（一）转化 transformation 概念 供体菌游离的DNA片段直接被受体菌摄取，使受体菌获得供体菌部分遗传性状的过程。小鼠体内肺炎球菌转化经典试验有荚膜肺炎链球菌（活菌）IIIS无荚膜肺炎链球菌（活菌）IIR有荚膜肺炎链球菌（死菌）IIISIIR活菌+IIIS死菌或IIR活菌+提取的IIIS DNA分离出IIIS型有荚膜的活菌小鼠体内肺炎链球菌转化试验Griffith(1928)分离出IIIS 转化的DNA片段称 转化因子，双链、未变性 转化因子分子量小于1107，不超过1020个基因，才可能被受体菌摄取 受体菌必须处于感受态 competence时，才能摄取转化因子 摄入的供体菌DNA片段与受体菌相应DNA重组 重组菌；重组菌繁殖时，就可形成重组突变株，获得供体菌的某些性状。（二）接合 conjugation 概念 供体菌通过性菌毛将遗传物质（质粒）传递给受体菌（通过接合传递的质粒有F质粒、R质粒、Col质粒、毒力质粒）细菌接合示意图 扫描电镜15000接合 F因子的传递 F因子经接合传递后在受体菌中可有三种存在方式： F质粒在受体菌中单独存在，使F- 菌转变为F+ 菌，长出性菌毛。F质粒经接合传递后,与染色体重组,形成高频重组株 high frequency recombinant,Hfr。 Hfr的细菌，其染色体上带有F质粒，因此，也可产生性菌毛形成高频重组株：F质粒与细菌染色体整合，并使细菌长出性菌毛高频重组株HfrHfr 中的F质粒有时也可从Hfr 中脱离下来。又形成了质粒脱离下来的F质粒上可以带有染色体上邻近的一些基因，这种质粒称为F质粒F因子转移与复制形成高频重组株HfrHfrHfr形成F质粒F从Hfr上脱离的F因此，带有F质粒、 Hfr、F质粒的细菌均是 F+阳性菌，有性菌毛，可与F- 菌接合 R质粒的传递 目前，临床上多重耐药菌株的出现与R质粒通过接合传递密切有关。R质粒组成： 耐药传递因子（resistance transfer resistance transfer factor,RTF)factor,RTF) RTF类似F因子，可编码产生性菌毛并以接合方式转移。耐药决定因子（r r决定因子）决定因子） r决定因子两端的IS可与RTF相连；且可有多个Tn连接排列是造成多重耐药的原因。RTFISR决定因子Tn9Tn4Tn5Tn9 耐氯霉素Tn4 耐氨苄青霉素、链霉素等Tn5 耐卡那霉素R质粒组成示意图（三）转导 transduction 概念 以温和噬菌体为载体，将供体菌的遗传物质转移到受体菌中，使受体菌获得新的遗传性状。 噬菌体种类 毒性噬菌体温和噬菌体(复习) 溶原噬菌体的溶原期与裂解期交替进行，此时温和噬菌体起转导载体作用 转导方式（普遍性转导、局限性转导） 普遍性转导-通过完全缺陷噬菌体完全缺陷噬菌体对供体菌任何DNA的误包，而实现其遗传性状传递至受体菌的转导现象。 前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进入溶菌周期。装配时可能发生装配错误，将细菌的DNA片段装入噬菌体衣壳内，形成一个转导噬菌体。转导噬菌再感染其它细菌，并进入溶原周期，就可导致细菌间基因的转移和重组 转导可转移较大片段的DNA，而且由于噬菌体衣壳的保护，不易被降解，故转化效率较高。 普遍性转导与温和噬菌体裂解期有关 普遍性转导的结果有二种-完全转导、流产转导 普遍性转导示意图整合成功完全转导整合失败流产转导噬菌体DNA细菌DNA细菌被裂解感染新的细菌供体菌DNA与受体菌DNA整合 局限性转导 是前噬菌体从宿主菌染色体上脱离时发生偏差，将前噬菌体两侧的宿主基因（如大肠杆菌染色体转导的半乳糖酶基因或生物素基因）转移到受体菌，使受体菌发生遗传性状的改变的过程。 由部分缺陷的温和噬菌体介导。由部分缺陷的温和噬菌体介导。 只限于供体菌的个别基因只限于供体菌的个别基因 galbio噬菌体DNA正常偏离galbio噬菌体DNAgalbio噬菌体DNAgalbio噬菌体DNAgalbio噬菌体DNAgalbio噬菌体DNA局限性转导示意图（四）溶原性转换 lysogenic conversion概念 温和噬菌体以前噬菌体形式存在于细菌染色体中，并导致细菌基因型发生改变，使溶原性细菌获得了新的性状。 如白喉棒状杆菌、如白喉棒状杆菌、A A群链球菌、产气荚膜梭菌群链球菌、产气荚膜梭菌或肉毒梭菌等均可温和噬菌体的溶原性转换而产或肉毒梭菌等均可温和噬菌体的溶原性转换而产生相应的致热外毒素。金黄色葡萄球菌溶血素的生相应的致热外毒素。金黄色葡萄球菌溶血素的产生，以及沙门菌、志贺菌等的抗原结构和血清产生，以及沙门菌、志贺菌等的抗原结构和血清型别都与溶原性转换有关型别都与溶原性转换有关 举例 不产毒素白喉棒状杆菌（无致病性） 携带 棒状杆菌噬菌体 产毒素性白喉棒状杆菌 致病（五）原生质体融合protoplast fusion 概念： 将两个不同的细菌在溶菌酶或青霉素作用下，失去细胞壁成为原生质体后进行融合的过程 在聚乙二醇存在下，使两个细胞原生质融合，融合后的细胞形成二倍体细胞，具有两套染色体，表现两者的特征。 常用作生物工程的研究 第三节 病毒的遗传变异病毒基因的突变1、条件致死突变株 如 温度敏感突变株(ts突变株)(temperature sensitive mutant,)： 仅能在容纳性温度28-31下增殖，在非容纳性温度/限制性温度下不能增殖。 Ts株一般毒力明显降低，常用来制备疫苗v 野生型动物病毒则可在较大温度范围内(20-39.5)增殖，毒力较强。2、缺陷型干扰突变株 因病毒基因组中碱基缺失突变引起的，核酸含量明显减少，需辅助病毒的帮助下才能正常复制增殖。3、宿主范围突变株 基因突变而扩大了感染宿主细胞范围，及时发现有利于监控疾病。如禽流感病毒 人4、耐药突变株 分析病毒酶编码区基因，有利于发现新抗病毒药物v病毒的基因重组与重配 多重复活作用（ multiple reactivation):灭活病毒间能经基因重组而出现感染性病毒后代，叫。v表型混合二株病毒共同感染同一细胞时，在成熟装配阶段，发生了错误装配而导致的子代病毒表型改变。无包膜的病毒中发生的表型混合叫核壳转移:同一细胞A病毒B病毒A病毒B病毒表型混合变异株第四节 微生物遗传变异的实际意义 一、细菌变异在临床诊断中的意义 二、在检测致癌物质方面的应用。 三、耐药性变异与抗生素的应用 四、毒力变异与疾病的预防 五、生物工程与基因工程 名词解释突变 质粒 转化 接合 转导 溶原性转换 转座子 毒性噬菌体 温和噬菌体 前噬菌体 溶原性细菌思考题1.了解细菌遗传变异的物质基础及其现象 2.何谓普遍性转导、局限性转导3.质粒的特性，R质粒有何临床意义？ 4.了解细菌遗传变异在医学中的意义本章要点 Plasmid 质粒 prophage 前噬菌体 lysogenic bacterium 溶原性细菌本章专业英语第5章 细菌的遗传变异 virulent phage 毒性噬菌体 temperate phage 温和噬菌体 mutation 突变 transformation 转化 conjugation 接合 trnsduction 转导 lysogenic conversion 溶原性转换 protoplast fusion 原生质体融合本章专业英语词汇 噬菌体