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1、第十章 细菌的遗传和变异,Heredity and variation of bacteria,第一节 细菌的遗传与变异,遗传性变异/基因型变异 genotypic variation 非遗传性变异/表型变异 phenotypic variation,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,形态、结构变异菌落变异毒力变异耐药性变异,一、细菌的变异现象 phenomenen of bacterial variation,3-6%食盐鼠疫耶氏菌 多形态性 陈旧培基物,1、形态结构变异 Variation of morp
2、hology 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 variation of colony,光滑型（smooth,S） 粗造型 （rough,R） S-R 变异 S型菌株致病性强，一般新分离的菌株为S型。菌落发生变异后，细菌的理化特性、抗原性、生化能力、毒力等也可发生改变。,S型菌落,R型菌落,细菌菌落形态变异,3、毒力变异virulent
3、variation,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。- 棒状噬菌体 含毒素基因 编码毒素蛋白 毒力减弱 有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株 卡介苗 Bacillus of Calmette- Guerin,BCG : 卡介二氏用有毒的牛结核分枝杆菌在含甘油、马铃薯的培养基上，经13年连续230次传代所获得的一毒力减弱但保留有抗原性的变异株。是 用于人工免疫以预防结核病的活疫苗。,4、耐药性变异variation of virulence,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。多重耐药株:同时耐受多种抗生素的菌株。抗生素依赖菌株：如痢疾志贺菌的赖链霉素菌株。
4、 抗生素 抗生素 耐药 敏感,细菌遗传变异的物质基础 material basis of bacterial heredity and variation,染色体DNA chromosome质粒 plasmid转位因子 transposable element噬菌体 phage,染色体DNA chromosome无内含子重复序列少功能相关基因组 成操纵子病原菌中存在毒力島（pathogenecity Island),定义：为染色体外的遗传物质,是存在于细菌胞质中的闭合环状双链DNA, 质粒带有遗传信息，控制细菌某些特定的遗传性状。医学上重要的质粒有F质粒（fertility plasmid）、
5、R质粒（resistance plasmid）、Vi质粒(virulent plasmid)等。,质粒 plasmid, 能自我复制 决定特殊性状； 能自发消除或丢失 转移性 质粒的不相容性,质粒的重要特性：,常见的细菌质粒及其功能,F质粒 fertility plasmid -含性菌毛蛋白基因，编码产生性菌毛。有质粒的细菌称雄性菌，能长出性菌毛；无质粒的细菌称雌性菌，无性菌毛产生。,R质粒resistant plasmid,接合性耐药质粒： conjugative plasmid of drug resistance耐药性质粒 非接合性质粒 ：不能通过 接合方式传递, 可通 过转导方式传递.
6、,毒力质粒virulence plasmid ，Vi plasmid,如致病性大肠埃希菌的ST质粒、 LT质粒 等。细菌素质粒 、代谢质粒等。,转位因子 transposable element,细胞基因组中能改变自身位置的一段DNA序列。能在DNA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。转位因子主要有： 插入序列 insertion sequence,IS 转座子 transposon,Tn 前噬菌体 prophage,插入序列insertion sequence,IS,IS (insertion sequence): 7501550 bp 两端重复序列
7、，与插入有关，中心序列有转位酶基因,转座子 transposon,Tn,Tn (transposon): 200025000 bp 两端为IS ，中心序列有与转位无关基因 如：毒素基因、耐药基因等,常见的插入序列和转座子,IS bp Tn 耐药或毒素基因,IS1 768 Tn1 AP（氨苄青霉素）,IS2 1327 Tn6 Kan（卡那霉素）,IS3 1300 Tn10 Tet（四环素）,IS4 1426 Tn551 Em（红霉素）,IS5 1195 Tn681 E.coli ET（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,概念：噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌
8、或螺旋体等微生物的病毒。噬菌体的病毒特征：个体微小，能通过滤菌器无完整细胞结构, 主要由衣壳（蛋白质）和核酸组成专性细胞内寄生 噬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,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：,噬菌体由核酸和蛋白质组成。核酸是噬菌体的遗传物质，根据其组成可为DNA噬菌体和RNA噬菌体。蛋白质是噬菌体头部衣壳及尾部的主要组成成份，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(virulent phage) 概念：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
9、终裂解宿主菌。,溶菌周期： 吸附 穿入 生物合成 成熟与释放,噬斑：在固体培养基上，将适量噬菌体和宿主菌液混合接种培养后，培养基表面可出现透亮的溶菌空斑，每个空斑系由一个噬菌体复制增殖并裂解宿主菌后形成的。噬斑形成单位：不同噬菌体噬斑的形态与大小不尽相同。通过噬斑计数，可测知一定体积内的噬菌体数量。,毒性噬菌体,2温和噬菌体(temperate phage),概念：噬菌体DNA与宿主菌染色体DNA整合，随宿主菌DNA复制、分裂而传代,建立溶原性周期。前噬菌体(prophage):整合在细菌染色体上的噬菌体基因组称为前噬菌体；溶原性细菌(lysogenic bacteria):带有前噬菌体基因组
10、的细菌称为溶原性细菌。前噬菌体可使溶原性细菌的表型发生改变,称溶原性转换(lysogenic conversion) .如白喉棒状杆菌,3溶原性周期和溶菌性周期,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。温和噬菌体可转变成毒性噬菌体的潜在性称为溶原性。因此温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性周期，噬菌体表达的基因产物决定两种状态的存在。,rophage: 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,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
11、突变、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 Mechanism of bacterial variation,一、基因突变 gene mutation,突变：子代细胞中出现的可通过复制而遗传的DNA结构改变。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）,有抗生素 无抗生素 有抗生素 基因 突变 理论 标记点 无菌印模 培养液 培养液 (浑浊) ( 澄清) 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 gene tranfer and recombination,1. 转化 t
12、ransformation 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。 R S R S DNA,转化因子（transforming principle ） 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。感受态（competence）,细菌转化的条件,2.接合conjugation,细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒等。,F质粒的接合,F质粒（fertility factor, 致育因子）,接触：细胞
13、质沟通转移：F质粒进入F菌，1分钟完成复制：F菌转为F菌,F质粒的接合,F+,F-,F+,F-,F+,F+,F+,F+,Donor,Recipient,F+,接合与Hfr,Hfr（高频重组菌）：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。,日本首先分离到抗多种药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。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。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质粒耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF）与F质粒
14、相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移耐药（r）决定子,3.转导 transduction,定义：以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。 完全转导类型：普遍性转导 流产转导 局限性转导,供体菌,普遍性转导,温和噬菌体溶菌周期包装错误： 任何部位细菌DNA片段转导性噬菌体： 宿主菌DNA， 无噬菌体DNA受菌接受转导噬菌体(供菌)DNA受菌获得供菌性状,普遍性转导：,完全转导流产转导,普遍性转导结果：,普遍性转导模式图,局限性转导：温和性噬菌体，溶原周期,脱落错误：前噬菌体及两边的细菌DNA转导性噬菌体：噬菌体DNA及细菌DNA,普遍性转导与局限性转导的区别
15、,4. 溶原性转换 lysogenic conversion,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。,白喉棒状杆菌 链球菌 产气荚膜梭菌 肉毒梭菌 白喉毒素 致热外毒素 毒素 肉毒毒素,常见的细菌及其所产生的毒素有：,基因转移与重组方式的比较,5.原生质体融合 protoplast fusion,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。,第二节 病毒的遗传与变异,一、病毒的变异现象,毒力变异抗原变异空斑变异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 （
16、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。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（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（Polio V减毒活疫苗）,2、缺陷干扰突变株（ DIM） 病毒基因组中碱基缺失突变引起，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
17、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-resistant mutant ）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。,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V核酸,子代V重组体,（二）基因重组与重配,亲代V1.,亲代V2.,子代V1.,子代V2.,基因重配 对于基因分节段的RNA病毒（IFV，轮状病毒）等，通过交换RNA节段而进行的重组被称为重配 。,（三）基因整合,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
18、到宿主染色体DNA中，这种重组过程称为基因整合（gene integration）。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:感染性V.+ 缺损V.- HBV+HDV感染性V.+ 灭活V.(衣壳受损,基因未伤) 缺损V.+ 缺损V.(两者缺损基因不同),2、加强作用一种病毒增加另一种病毒的产量副流感病毒蛋白质抑制IFNVZV,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编码的蛋白衣壳包裹，也会发
19、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,在疾病的诊断、治疗与预防中的应用在测定致癌物质中的应用在流行病学中的应用在基因工程中的应用,在疾病的诊断、治疗与预防中的应用,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,凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。 Ames实验伤寒沙门菌（his-） （his+）,诱变剂,在流行病学中的应用,分子生物学分析方法已被用于流行病学调查质粒指纹图（PFP）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,载体：质粒，噬菌体工程菌和酶：限制性内切酶，连接酶选择目的基因，细菌中表达，如胰岛素、白介素、干扰素等基因工程疫苗,基本概念:毒性噬菌体、温和噬菌体、前噬菌体、卡介苗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:,
