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1、第五章 遗传与变异,遗传(heredity)：使微生物的性状保持相对稳定，子代与亲代生物学的性状基本相同,且代代相传。变异(variation)：在一定条件下，子代与亲代之间以及子代与子代之间的生物学性状出现的差异。,细菌的变异,遗传性变异：是基因结构发生了改变，故又称 基因型变异。常发生于个别的细菌，不受环境因素的影响，变异发生后是不可逆的，产生的新性状可稳定地遗传给后代。非遗传性变异：在一定的环境条件影响下产生的变异，其基因结构未改变，称为表型变异。易受到环境因素的影响，凡在此环境因素作用下的所有微生物都出现变异，而且当环境中的影响因素去除后，变异的性状又可复原，表型变异不能遗传(L型)。
2、,第一节 遗传与变异原理,DNA的结构与功能结构两条互相平行而方向相反的多核苷酸链功能储存、复制和传递遗传信息复制半保留复制特点复制中易发生错误基因突变蛋白合成分子生物学中心法则（DNA-RNA-蛋白质）基因与基因的转录 结构基因编码结构蛋白质基因结构 非结构基因编码功能蛋白质基因转录遗传信息的 翻译,第二节 细菌的遗传与变异,一、细菌的变异现象形态结构的变异抗原性变异菌落变异毒力变异耐药性变异,细菌的大小和形态在不同的生长时期可不同，生长过程中受外界环境的影响也可发生变异。如：鼠疫耶氏菌在陈旧培养物上细菌的多形态性、细菌L型。细菌的特殊结构如：荚膜（肺炎链球菌）、芽胞（炭疽芽孢杆菌）、鞭毛（
3、变形杆菌H-O变异）也可发生变异。,形态结构的变异,http:/fig.cox.miami.edu/cmallery/150/gene/mol_gen.htm,抗原性变异,Proteus 鞭毛变异,H-O变异写真提供：島田俊雄博士,细菌的菌落主要有光滑(smooth,S)型和粗糙(rough,R)型两种。S型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐。经人工培养多次传代后菌落表面粗糙、干燥、边缘不整齐，称SR变异。SR变异常见于肠道杆菌，是由于失去LPS的特异性寡糖重复单位而引起的。变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其它性状也发生了变化。S型菌的致病性强，但有少数R型菌的致病性强，如结核分枝杆菌。,菌落
4、变异,毒力增强：无毒力的白喉棒状杆菌常寄居在咽喉部，不致病；当感染了-棒状噬菌体后变成溶原性细菌，则获得产生白喉毒素的能力，引起白喉。毒力减弱：有毒菌株长期在人工培养基上传代培养，可使细菌的毒力减弱或消失。卡介苗(BCG)是强毒的牛结核分枝杆菌在含有胆汁的甘油、马铃薯培养基上，经过13年，连续传230代，获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异株。,毒力变异,耐药性变异：细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐药的变异。有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性。从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的不断增长是世界范围内的普遍趋势，给临床治疗带来很大的困难，并成为当今医学上的重要问题。,耐药性
5、变异,二 细菌遗传变异的物质基础,染色体染色体外的遗传物质（质粒、噬菌体）转位因子,（一）染色体（chromosome）,一条环状双螺旋DNA长链，按一定构型反复回旋形成松散的网状结构.缺乏组蛋白，无核膜包裹.约含有5000个基因.,http:/www.sciencecollege.co.uk/SC/cell_biology.html,质粒(plasmid)：是细菌染色体以外的遗传物质，是闭合环状的双链DNA。,（二）质粒,质粒具有自我复制的能力。质粒DNA所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征。质粒可自行丢失与消除。质粒的转移性。质粒可分为相容性与不相容性两种。,质粒DNA的特征,质粒的分类：
6、,根据质粒能否通过细菌的接合作用进行传递 1接合性质粒 2非接合性质粒根据质粒在细菌内拷贝数多少 1严紧型质粒 2松弛型质粒根据相容性 1相容性几种质粒同时共存于同一菌体内 2不相容性不能同时共存 可借此对质粒进行分组、分群根据所编码的生物学性状,质粒基因可编码多种重要的生物学性状：,致育质粒（fertility plasmid、F质粒）编码性菌毛，介导细菌之间的接合传递；耐药性质粒（resistance plasmid、R质粒）编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。分两类，一是接合性耐药质粒（R质粒），另一是非接合耐药性质粒（r质粒)；毒力质粒（Virulence plasmid,Vi质粒
7、）编码与该菌致病性有关的毒力因子,S.aureus的表皮剥脱素；细菌素质粒 编码细菌产生的细菌素；代谢质粒 编码产生相关的代谢酶。,噬菌体(bacteriophage or phage)：是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。噬菌体的特点：具有一定形态 蝌蚪形等 严格寄生性和特异性 分布广泛 凡是有细菌的场所，就可能有相应的噬菌体的存在。,（三）噬菌体,形态,噬菌体很小，在光镜下看不见，需用电镜观察。不同的噬菌体在电镜下有三种形态：蝌蚪形、微球形和丝形。大多数噬菌体呈蝌蚪形，由头部和尾部两部分组成。,结构及化学组成：抗原性：噬菌体具有抗原性，能刺激机体产生特异性 抗体。抵抗力：噬菌体
8、对理化因素及多数化学消毒剂的抵抗 力比一般细菌的繁殖体强，75 30min灭活。噬菌体能耐受低温和冰冻，但对紫外线和X射 线敏感。,噬菌体感染细菌有两种结果：毒性噬菌体(virulent phage)：能在宿主细胞内复制 增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，建立 溶菌周期。温和噬菌体(temperate phage)：噬菌体基因与宿主染色体整合，成为前 噬菌体，细菌变成溶原性菌，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，建立溶原状态。,噬菌体与细菌相互关系,吸附,吸附是噬菌体与菌体表面受体发生特异性结合的过程，其特异性取决于噬菌体蛋白与宿主菌表面受体分子结
9、构的互补性。,4.溶原性转换(lysogenic conversion),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称为溶原性转换。Toxin production by Corynebacterium diphtheriae(白喉杆菌)is mediated by a gene carried by corynephage beta,细菌的鉴定与分型 噬菌体与宿主菌的关系具有高度特异性，即一种噬菌体只能裂解一种和它相应的细菌，故可用于未知细菌的鉴定和分型。分子生物学研究的重要工具 噬菌体基因数量少，结构比细菌和高等细胞简单得多，且易获得大量的突变体。细菌感染的诊断与治疗 但由于噬菌
10、体过于专一，限制了噬菌体在临床上的广泛应用。,噬菌体的应用,转座子（transposon)：是一类在细菌染色体、质粒或噬菌体之间可自行移动的DNA序列.不同于质粒,转座子不能自我复制.,转座子有二类：插入序列(insertion sequence,IS)：最小，不超过2kb,只携带与转座功能有关的基因。转座子(transposon,Tn)：长度一般超过2kb，除携带与转位有关的基因外还携带其他基因（如耐药性、毒素基因等）.,遗传性变异：是由基因结构发生改变所致，主要通过基因突变、基因的转移与重组来实现。非遗传性变异：是细菌在一定环境因素等影响下出现的变化，这种变化不是因基因结构的变化而产生的。
11、,三 细菌变异的机制,突变(mutation)：是细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变异。发生 表现型,（一）突变,自发突变（spontaneous mutation)突变率低10-1010-6,诱发突变（induced mutation)提高10-610-4,野生型（wild type)没有发生突变的菌细胞,突变型（mutant type)突变后的菌细胞,突变的类型 点突变（point mutation）只有一个碱基对的变化（置换、插入、缺失）多点突变（multiple mutation）两个或以上碱基对的变化（较大范围的染色体重排、倒位、缺失等）诱变剂 是能显著提
12、高突变率的各种理化因素（UV、高温、辐射及化学诱变剂）,回复突变和抑制突变（reverse mutation,suppressor mutation）,回复突变并没有纠正正向突变的DNA序列，而只是抑制了正向突变的效应，故称抑制突变，以区别真正的原位回复突变到野生株。,Nonsense Suppression谷氨酰胺GlnFrom:www.mun.caUAG,UGA and UAA are stop codons.Therefore,proteins will be truncated as a result of this type of mutation.They are examples
13、 of NONSENSE mutations,基因突变规律,随机发生，不定向；突变与选择（以耐药突变体为例）结论：细菌基因突变产生耐药性，与抗生素的使用无关 实验：影印试验 说明：耐药突变株在接触药物之前出现，药物的作用是选择耐药株，淘汰敏感株具有相对稳定性；可发生回复突变,影印试验(replica plating),基因转移(gene transfer)：外源性的遗传物质由供体菌进入某受体菌细胞内的过程。基因重组(recombination)：转移的基因与受体菌DNA整合在一起，使受体菌获得供体菌某些特性。外源性遗传物质：供体菌染色体DNA，质粒DNA及噬菌体基因等。细菌的基因转移和重组方式
14、：转化、接合、转导、溶原性转换、原生质体融合。,（二）.基因的转移与重组,1.转化(transformation):受体菌直接摄取供体菌游离的DNA片段获得新的性状的过程。,2.接合(conjugation),接合：是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。能通过结合方式转移的质粒称为接合性质粒(F质粒,R质粒)，不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒为非接合性质粒。,F+即F质粒，编码性菌毛，称雄性菌.,Hfr(high frequency recombination)F质粒整合到细菌染色体上，该菌称高频重组菌.,From:University of Sou
15、th Carolina,F+,Hfr,该细菌(Hfr)能使受体细菌高频地重组外源基因到染色体上,从而提高染色体基因的转移.,Hfr,F-,Hfr,F-,Hfr,F-,Hfr,F-,FHfr菌中的F质粒可从染色体上脱离下来，并带染色体上几个邻近的基因，故称F质粒.三者均有性菌毛，均可发生接合。,From:University of South Carolina,F,F,F,F,Cross of F X F-.The F-becomes F,the F remains F,细菌的耐药性与染色体基因突变及R质粒的接合转移等有关。R质粒有耐药传递因子(resistance transfer facto
16、r,RTF)和耐药决定子(resistance determinant,r)两部分组成。RTF的功能与F质粒相似，可编码性菌毛和通过接合转移；r决定子能编码抗生素的耐药基因。,R质粒的接合,转导：是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。根据转导基因片段的范围，可将转导分为两类：普遍性转导（转导的DNA可是供菌染色体上的任何部分）、局限性转导（转导的DNA只限供菌染色体上的特定基因）。,3.转导(transduction),普遍性转导(generalized transduction)转导的DNA可是供体菌染色体上的任何部分,局限性转导(restricte
17、d transduction)转导的DNA只限供体菌染色体上的特定基因,5.原生质体融合(protoplast fusion),G+菌形成原生质体后，在聚乙二醇（PEG）作用下，可使两种不同的细菌细胞发生融合的过程。融合后形成双倍体细胞，可短期生存，染色体重组，获得多种不同表型的重组融合体。,突变株是指病毒基因碱基序列改变，导致表型性状改变的毒株。条件致死性突变株（conditional-lethal mutant）:只能在某种条件下增殖,而在另一种条件下不能增殖的病毒株.温度敏感突变株（temperature sensitive mutant,ts株）为条件致死性突变株中应用最广泛的宿主范围
18、突变株（host range mutant,hr突变株）耐药突变株（drug-resistant mutant）,第三节 病毒的遗传和变异,两种不同病毒感染同一细胞时，可发生基因交换而形成新性状的重组体。基因重组（recombination）不分节段基因组病毒,dsDNA1dsDNA2,基因重配（reassortment）分节段基因组的病毒,基因交换类型：活病毒之间N0H0+N1H1N0H1活病毒与灭活病毒之间（交叉复活）灭活病毒 之间（多重复活）,四、基因整合（gene integration）,病毒基因组与宿主细胞基因组的重组过程。整合可引起宿主细胞基因改变细胞遗传性改变细胞转化个别可发生
19、细胞恶化肿瘤,互补：一种病毒为另一种病毒提供本身不能合成，但又是所必需的基因产物，而使其在混合感染的细胞内得以繁殖。辅助病毒与缺陷病毒之间 活病毒与死病毒之间 两个不同的缺陷病毒之间,五、病毒基因产物的相互作用,+,表型混合(phenotypic mixing):两种相近病毒共同感染同一细胞时,一种病毒的核酸完全被另一种病毒的蛋白衣壳包裹(核壳转移),或被两种病毒的蛋白衣壳混和包裹，或包膜互换。病毒遗传物质不改变，感染的宿主范围可能改变，抗原性可能改变，传代后恢复亲代表型。,在疾病的诊断、治疗与预防中的作用。微生物基因组研究在测定致癌物质中的应用。在流行病中的应用。在基因工程中的应用。,第四节 微生物遗传变异在医学上的应用,
