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1、第十章第十章 细菌的遗传和变异细菌的遗传和变异Heredity and variation of bacteria第一节细菌的遗传与变异v遗传性变异遗传性变异/基因型变异基因型变异 genotypicvariationv非遗传性变异非遗传性变异/表型变异表型变异 phenotypicvariation遗传性变异 非遗传性变异 基因的改变 + - 遗传性 + - 外界环境 - + 可逆性 - +变异幅度 个别细菌群体v形态、结构变异v菌落变异v毒力变异v耐药性变异一、细菌的变异现象phenomenenofbacterialvariationv3-6%食盐鼠疫耶氏菌多形态性陈旧培基物1、形态结构变
2、异、形态结构变异 Variation of morphology and structure青霉素、溶菌酶正常形态细菌L型变异抗体或补体(部分或完全失去胞壁)特殊结构的变异42-43炭疽芽孢杆菌失去形成芽胞能力,毒性降低10-20天变形杆菌0.1%石炭酸迁徙生长（H）点状生长、单个菌落（O）鞭毛变异基本结构的变异2、菌落变异、菌落变异 variation of colony 光滑型（光滑型（smooth,S） 粗造型粗造型 （rough,R） S-R 变异变异 S型菌株致病性强，一般新分离的菌株为型菌株致病性强，一般新分离的菌株为S型。菌落发型。菌落发生变异后，细菌的理化特性、抗原性、生化能力
3、、毒力生变异后，细菌的理化特性、抗原性、生化能力、毒力等也可发生改变。等也可发生改变。 S S型菌落型菌落R R型菌落型菌落细菌菌落形态变异细菌菌落形态变异3、毒力变异、毒力变异virulent variationv毒力增强毒力增强 无毒的白喉棒状杆菌感染温和噬菌体后成为有毒株。无毒的白喉棒状杆菌感染温和噬菌体后成为有毒株。- 棒状噬菌体棒状噬菌体 含毒素基因含毒素基因 编码毒素蛋白编码毒素蛋白 v毒力减弱毒力减弱 有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株 卡介苗卡介苗 Bacillus of Calmette- Guerin,BCG : 卡介二氏用有毒的牛结卡介二氏用有毒的牛
4、结核分枝杆菌在含甘油、马铃薯的培养基上，经核分枝杆菌在含甘油、马铃薯的培养基上，经13年连续年连续230次传代所次传代所获得的一毒力减弱但保留有抗原性的变异株。是获得的一毒力减弱但保留有抗原性的变异株。是 用于人工免疫以预用于人工免疫以预防结核病的活疫苗。防结核病的活疫苗。4、耐药性变异、耐药性变异variation of virulencep细菌对某种抗生素或药物由敏感变为不敏感即为细菌的耐药现象。p多重耐药株:同时耐受多种抗生素的菌株。p抗生素依赖菌株：如痢疾志贺菌的赖链霉素菌株。 抗生素抗生素 抗生素抗生素 耐药耐药 敏感敏感 细菌遗传变异的物质基础细菌遗传变异的物质基础 materia
5、l basis of bacterial heredity and variationv染色体染色体DNA chromosomev质粒质粒 plasmidv转位因子转位因子 transposable elementv噬菌体噬菌体 phagev染色体染色体DNA chromosomev无内含子无内含子v重复序列少重复序列少v功能相关基因组功能相关基因组 成操纵子成操纵子v病原菌中存在病原菌中存在毒力島（毒力島（pathogenecity Island)v定义：为染色体外的遗传物质定义：为染色体外的遗传物质,是存在于细菌胞质是存在于细菌胞质中的闭合环状双链中的闭合环状双链DNA, 质粒带有遗传信息
6、，控质粒带有遗传信息，控制细菌某些特定的遗传性状。制细菌某些特定的遗传性状。v医学上重要的质粒有医学上重要的质粒有F质粒（质粒（fertility plasmid）、）、R质粒（质粒（resistance plasmid）、）、Vi质粒质粒(virulent plasmid)等。等。质粒plasmidv 能自我复制能自我复制v 决定特殊性状；决定特殊性状；v 能自发消除或丢失能自发消除或丢失v 转移性转移性v 质粒的不相容性质粒的不相容性质粒的重要特性：质粒的重要特性：常见的细菌质粒及其功能常见的细菌质粒及其功能vF质粒质粒 fertility plasmid -含性菌毛含性菌毛蛋白基因，编码
7、产生性菌毛。有质粒的蛋白基因，编码产生性菌毛。有质粒的细菌称雄性菌，能长出性菌毛；无质粒细菌称雄性菌，能长出性菌毛；无质粒的细菌称雌性菌，无性菌毛产生。的细菌称雌性菌，无性菌毛产生。 R质粒resistantplasmid 接合性耐药质粒：接合性耐药质粒： conjugative plasmid of drug resistance耐药性质粒耐药性质粒 非接合性质粒非接合性质粒 ：不能通过：不能通过 接合方式传递接合方式传递, 可通可通 过转导方式传递过转导方式传递.毒力质粒virulenceplasmid，Viplasmidv如致病性大肠埃希菌的如致病性大肠埃希菌的ST质粒、质粒、 LT质粒
8、质粒 等。等。v细菌素质粒细菌素质粒 、代谢质粒等。、代谢质粒等。转位因子转位因子 transposable elementv细胞基因组中能改变自身位置的一段细胞基因组中能改变自身位置的一段DNA序列序列。能在能在DNA分子中移动，在细菌基因组中不断改变分子中移动，在细菌基因组中不断改变位置，并可从一个基因组转移到另一个基因组中。位置，并可从一个基因组转移到另一个基因组中。v转位因子主要有：转位因子主要有： 插入序列插入序列 insertion sequence,IS 转座子转座子 transposon,Tn 前噬菌体前噬菌体 prophage 插入序列插入序列insertion sequen
9、ce,IS ISIS ( (insertion sequenceinsertion sequence): ): 75015507501550 bpbp 两两两两端端端端重重重重复复复复序序序序列列列列，与与与与插插插插入入入入有有有有关关关关，中中中中心心心心序序序序列列列列有有有有转转转转位位位位酶酶酶酶基因基因基因基因转座子转座子 transposon,TnTnTn ( (transposontransposon): ): 200025000200025000 bpbp 两端为两端为两端为两端为IS IS ，中心序列有与转位无关基因中心序列有与转位无关基因中心序列有与转位无关基因中心序列有
10、与转位无关基因 如：毒素基因、耐药基因等如：毒素基因、耐药基因等如：毒素基因、耐药基因等如：毒素基因、耐药基因等常见的插入序列和转座子常见的插入序列和转座子IS bp Tn IS bp Tn 耐药或毒素基因耐药或毒素基因耐药或毒素基因耐药或毒素基因 IS1 768 Tn1 IS1 768 Tn1 APAP（氨苄青霉素氨苄青霉素氨苄青霉素氨苄青霉素） IS2 1327 Tn6 IS2 1327 Tn6 KanKan（卡那霉素卡那霉素卡那霉素卡那霉素） IS3 1300 Tn10 IS3 1300 Tn10 TetTet（四环素四环素四环素四环素） IS4 1426 Tn551 IS4 1426
11、Tn551 EmEm（红霉素红霉素红霉素红霉素） IS5 1195 Tn681 IS5 1195 Tn681 E.coli ETE.coli ET（肠毒素肠毒素肠毒素肠毒素）指整合于细菌染色体中的噬菌体基因组。前噬菌体 prophage概概念念：噬噬菌菌体体是是感感染染细细菌菌、真真菌菌、放放线线菌菌或或螺螺旋旋体体等等微微生物的病毒。生物的病毒。噬菌体的病毒特征：噬菌体的病毒特征：v个体微小，能通过滤菌器个体微小，能通过滤菌器v无完整细胞结构无完整细胞结构, 主要主要由由衣壳衣壳（蛋白质蛋白质）和核酸组成和核酸组成v专性细胞内寄生专性细胞内寄生v 噬菌体有严格宿主特异性，只感染易感宿主菌。噬
12、菌体有严格宿主特异性，只感染易感宿主菌。 噬菌体的概念及特点噬菌体的概念及特点 1形态结构：EM下有三种基本形态： 蝌蚪型 微球形 丝形噬菌体的主要生物学特征2化学组成：v噬菌体由核酸和蛋白质组成。噬菌体由核酸和蛋白质组成。v核核酸酸是是噬噬菌菌体体的的遗遗传传物物质质，根根据据其其组组成成可可为为DNADNA噬噬菌体和菌体和RNARNA噬菌体。噬菌体。v蛋蛋白白质质是是噬噬菌菌体体头头部部衣衣壳壳及及尾尾部部的的主主要要组组成成成成份份，能保护噬菌体核酸，决定其外形和表面特征。能保护噬菌体核酸，决定其外形和表面特征。噬菌体与细菌的关系1毒性噬菌体毒性噬菌体(virulent phage) 概
13、念：毒性噬菌体能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并且最终裂解宿主菌。v溶菌周期溶菌周期： 吸附吸附 穿入穿入 生物合成生物合成 成熟与释放成熟与释放 vv噬噬噬噬斑斑斑斑：在在在在固固固固体体体体培培培培养养养养基基基基上上上上，将将将将适适适适量量量量噬噬噬噬菌菌菌菌体体体体和和和和宿宿宿宿主主主主菌菌菌菌液液液液混混混混合合合合接接接接种种种种培培培培养养养养后后后后，培培培培养养养养基基基基表表表表面面面面可可可可出出出出现现现现透透透透亮亮亮亮的的的的溶溶溶溶菌菌菌菌空空空空斑斑斑斑，每每每每个个个个空空空空斑斑斑斑系系系系由由由由一一一一个个个个噬噬噬噬菌菌菌菌体体体体复
14、复复复制制制制增增增增殖殖殖殖并裂解宿主菌后形成的并裂解宿主菌后形成的并裂解宿主菌后形成的并裂解宿主菌后形成的。vv噬噬噬噬斑斑斑斑形形形形成成成成单单单单位位位位：不不不不同同同同噬噬噬噬菌菌菌菌体体体体噬噬噬噬斑斑斑斑的的的的形形形形态态态态与与与与大大大大小小小小不不不不尽尽尽尽相相相相同同同同。通通通通过过过过噬噬噬噬斑斑斑斑计计计计数数数数，可可可可测测测测知知知知一一一一定定定定体体体体积积积积内内内内的的的的噬噬噬噬菌菌菌菌体体体体数数数数量量量量。 毒性毒性噬菌体噬菌体 2温和噬菌体温和噬菌体(temperate phage)v概概念念：噬菌体DNA与宿主菌染色体DNA整合，随
15、宿主菌DNA复制、分裂而传代,建立溶原性周期。v前前噬噬菌菌体体(prophage):整合在细菌染色体上的噬菌体基因组称为前噬菌体；v溶溶原原性性细细菌菌(lysogenic bacteria):带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌。v前噬菌体可使溶原性细菌的表型发生改变,称溶溶原原性性转转换换(lysogenic conversion) .如白喉棒状杆菌3溶原性周期和溶菌性周期溶原性周期和溶菌性周期v温和噬菌体感染宿主菌后所建立的溶原状态可中断，前噬菌体可自发或在一定理化因素诱导下从宿主菌染色体切离下来，重新复制新的子代噬菌体，最终裂解细菌。v温和噬菌体可转变成毒性噬菌体的潜在性称为溶溶原
16、原性性。因此温温和和噬噬菌菌体体有有溶溶原原性性周周期期和和溶溶菌菌性性周周期，期，噬菌体表达的基因产物决定两种状态的存在。 prophage:整合在宿主菌基因组中的噬菌体基因组溶原性细菌溶原性细菌的溶原性周期和溶菌性周期溶原性细菌的溶原性周期和溶菌性周期遗传性变异是由基因结构发生改变所致，基因结构的改变主要通过基因突变、基因突变、基因损伤后的修复、基因的转移与重组基因损伤后的修复、基因的转移与重组等实现的。细菌变异的机制细菌变异的机制 Mechanism of bacterial variation一、基因突变一、基因突变 gene mutationv突变：子代细胞中出现的可通过复制而遗传的
17、突变：子代细胞中出现的可通过复制而遗传的DNADNA结构结构改变。改变。v突变特点突变特点自发性和不对应性稀少性：自发突变率10-610-9可诱发性：诱变剂独立性稳定性，可遗传可逆性（回复突变）野生株野生株突变株突变株正向突变正向突变回复突变回复突变 有抗生素有抗生素 无抗生素无抗生素 有抗生素有抗生素 基因基因 突变突变 理论理论 标记点标记点 无菌印模无菌印模 培养液培养液 培养液培养液 (浑浊浑浊) ( 澄清澄清) 影印培养影印培养自发突变的证实（彷徨试验 、影印培养法）二、基因的转移与重组二、基因的转移与重组 gene tranfer and recombination 1. 1. 转
18、化转化 transformation 供体菌游离的供体菌游离的DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。 R S R S DNA v转化因子（transformingprinciple）在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子，分子量小于107，最多不超过1020个基因。v感受态（competence）细菌转化的条件细菌转化的条件2.接合conjugationv细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质质（主要是质粒粒DNA）从供体菌转移给受从供体菌转移给受体菌。体菌。v接合性质粒：能通过接合方式转
19、移的质粒接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，称为接合性质粒，F质粒质粒、R质粒质粒、Col质粒质粒和毒力质粒等。和毒力质粒等。F质粒的接合F质粒（质粒（fertility factor, 致育因子）致育因子）接触：细胞质沟通接触：细胞质沟通转移：转移：F F质粒进入质粒进入F F菌，菌，1 1分钟完成分钟完成复制：复制：F F菌转为菌转为F F菌菌F质粒的接合F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipientF+接合与HfrHfr（高高频频重重组组菌菌）：F质粒整合于宿主菌染色体后，能高效地带动细菌染色体上的基因转移入F菌，因此称为高频重组菌。v日本首先分离到抗多种药
20、物的宋内志贺菌多重耐药株，多重耐药性很难用基因突变解释。v健康人中大肠埃希菌30%50%有R质粒，而致病性大肠埃希菌90%有R质粒。v与多重耐药性有关。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。R质粒的接合R质粒v耐药传递因子（resistancetransferfactor,RTF）v与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移v耐药（r）决定子3.转导transductionv定义：以温和噬菌体为载体，将供体菌的定义：以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。新的性状。 完全转导完全转导v类型：普遍性转导类型：普遍性转导 流产
21、转导流产转导 局限性转导局限性转导供体菌受体菌转导噬菌体细菌DNA噬菌体DNA普遍性转导普遍性转导温和噬菌体温和噬菌体温和噬菌体温和噬菌体溶菌周期溶菌周期溶菌周期溶菌周期包装错误：包装错误：包装错误：包装错误： 任何部位细菌任何部位细菌任何部位细菌任何部位细菌DNADNADNADNA片段片段片段片段转导性噬菌体：转导性噬菌体：转导性噬菌体：转导性噬菌体： 宿主菌宿主菌宿主菌宿主菌DNADNADNADNA， 无噬菌体无噬菌体无噬菌体无噬菌体DNADNADNADNA受菌接受转导噬菌体受菌接受转导噬菌体受菌接受转导噬菌体受菌接受转导噬菌体( ( ( (供菌供菌供菌供菌)DNA)DNA)DNA)DNA
22、受菌获得供菌性状受菌获得供菌性状受菌获得供菌性状受菌获得供菌性状 普遍性转导：普遍性转导：v完全转导v流产转导未整合未整合整合整合 普遍性转导普遍性转导结果结果： 普遍性转导模式图 局限性转导：温和性噬菌体局限性转导：温和性噬菌体，溶原周期，溶原周期 脱落错误：前噬菌体及两边的细菌脱落错误：前噬菌体及两边的细菌脱落错误：前噬菌体及两边的细菌脱落错误：前噬菌体及两边的细菌DNADNA转导性噬菌体：噬菌体转导性噬菌体：噬菌体转导性噬菌体：噬菌体转导性噬菌体：噬菌体DNADNA及细菌及细菌及细菌及细菌DNA DNA 普遍性转导与局限性转导的区别区别要点普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导基因转导
23、发生的时期基因转导发生的时期裂解期溶原期转导的遗传物质转导的遗传物质供体菌染色体DNA任何部位或质粒噬菌体DNA及供体菌DNA的特定部位转导的后果转导的后果完全转导或流产转导受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗传特性转导频率转导频率受体菌的10-7转导频率较普遍转导增加1000倍(10-4)4. 溶原性转换溶原性转换lysogenic conversion 定义：溶原性细菌因染色体上整合有前噬定义：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。菌体而获得新的遗传性状。 白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌 链球菌链球菌 产气荚膜梭菌产气荚膜梭菌 肉毒梭菌肉毒梭菌 白喉毒素白喉毒素 致热外毒素致热外毒
24、素 毒素毒素 肉毒毒素肉毒毒素 常见的细菌及其所产生的毒素有：常见的细菌及其所产生的毒素有：名称基因来源转移方式transformation供体菌直接摄取conjugation供体菌性菌毛transduction供体菌噬菌体为载体lysogenicconversion噬菌体整合基因转移与重组方式的比较基因转移与重组方式的比较5.原生质体融合protoplastfusionv将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体以后进行相互融合的过程。去细胞壁成为原生质体以后进行相互融合的过程。第二节 病毒的遗传与变异一、病毒的变异现象v毒力变异
25、v抗原变异v空斑变异v对理化因素抵抗力或依赖性的变异二、病毒的基因组特点：（1）仅含有一种核酸类型，DNA或RNA；（2）基因组小（3）具有多样性（4）基因重叠（5）有内含子三、病毒变异的机制（一）基因突变v突变株：指的是因基因改变而发生某些生物特性改变的毒株。v一般采用的是从自然界分离，或是用紫外线，亚硝酸等理化因子诱发而获得。1、条件致死性突变株指在某种条件下增殖，而在另一种条件下不能增殖的病毒株。温度敏感突变株（温度敏感突变株（ts）：2835可增殖，3740不能增殖。具有减低毒力而保持免疫原性的特点，用于制备疫苗（PolioV减毒活疫苗） 2、缺陷干扰突变株（DIM）病毒基因组中碱基缺
26、失突变引起，此类病毒不能单独复制，却能干扰感染性病毒颗粒的增殖。3、宿主范围突变株指病毒基因组突变而影响了对宿主细胞的感染范围，能感染野生型病毒所不能感染的细胞。4、耐药突变株（drug-resistantmutant）v因编码病毒酶基因的改变而降低了靶酶对药物的亲和力或作用，从而产生相应的耐药作用而继续增殖。v基因重组：两种病毒感染同一种宿主细胞时，基因交换产生具有两种亲代病毒特征的子代病毒的过程称为基因重组，其子代病毒称为重组体。亲代亲代V核酸核酸子代子代V重组体重组体（二）基因重组与重配亲代V1.亲代V2.子代V1.子代V2.v基因重配对于基因分节段的RNA病毒（IFV，轮状病毒）等，通
27、过交换RNA节段而进行的重组被称为重配。（三）基因整合v病毒感染宿主细胞的过程中，有时病毒基因组中DNA片段可插入到宿主染色体DNA中，这种重组过程称为基因整合（geneintegration）。例如：HIV、HBV四、病毒基因产物的相互作用1、互补作用两种病毒同时感染同一细胞时，其中一种病毒的基因产物（结构蛋白或酶类）促进另一种病毒增殖。并非病毒基因的重组，而是能够互相提供所需的基因产物。互补作用可发生于互补作用可发生于互补作用可发生于互补作用可发生于: : : :vv感染性感染性感染性感染性V.+ V.+ V.+ V.+ 缺损缺损缺损缺损V.- HBV+HDVV.- HBV+HDVV.-
28、HBV+HDVV.- HBV+HDVvv感染性感染性感染性感染性V.+ V.+ V.+ V.+ 灭活灭活灭活灭活V.(V.(V.(V.(衣壳受损衣壳受损衣壳受损衣壳受损, , , ,基因未伤基因未伤基因未伤基因未伤) ) ) ) vv缺损缺损缺损缺损V.+ V.+ V.+ V.+ 缺损缺损缺损缺损V.(V.(V.(V.(两者缺损基因不同两者缺损基因不同两者缺损基因不同两者缺损基因不同) ) ) )2、加强作用v一种病毒增加另一种病毒的产量一种病毒增加另一种病毒的产量v副流感病毒副流感病毒蛋白质蛋白质抑制抑制IFNVZVIFNVZV 3、表型混合两种病毒共同感染时，一种病毒核酸被另一种病毒核酸所
29、编码的蛋白衣壳包裹，也会发生一些生物学特征的改变(如耐药性、嗜细胞性)，这种改变不是遗传型的改变而是表型的混合。经再次传代后，表型混合出现的性状可丢失。无包膜病毒发生的表型混合称核壳转移。第三节微生物遗传变异的应用v在疾病的诊断、治疗与预防中的应用v在测定致癌物质中的应用v在流行病学中的应用v在基因工程中的应用在疾病的诊断、治疗与预防中的应用v形态、结构、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的变异，使得诊断复杂化v耐药菌株日益增多，预防耐药性 药敏实验 早期足量 要有一定疗程,联合用药 不要滥用v减毒菌株和无毒株可制备成疫苗在测定致癌物质中的应用v凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。
30、vAmes实验v伤寒沙门菌（his-）（his+）诱变剂在流行病学中的应用v分子生物学分析方法已被用于流行病学调查v质粒指纹图（PFP）v对噬菌体的敏感性，对细菌素的敏感性在基因工程中的应用u载体：质粒，噬菌体载体：质粒，噬菌体载体：质粒，噬菌体载体：质粒，噬菌体u工工工工程程程程菌菌菌菌和和和和酶酶酶酶：限限限限制制制制性性性性内切酶，连接酶内切酶，连接酶内切酶，连接酶内切酶，连接酶u选选选选择择择择目目目目的的的的基基基基因因因因，细细细细菌菌菌菌中中中中表表表表达达达达，如如如如胰胰胰胰岛岛岛岛素素素素、白介素、干扰素等白介素、干扰素等白介素、干扰素等白介素、干扰素等u基因工程疫苗基因工程疫苗基因工程疫苗基因工程疫苗v基本概念:毒性噬菌体、温和噬菌体、前噬菌体、卡介苗v基因转移与重组的四种方式：转化、接合、转导、溶原性转换 本章重点内容:
