微生物學與免疫學：第11章 微生物的遺傳與變異

1、第第1111章章 微生物的遺傳與變異微生物的遺傳與變異 遺傳遺傳（heredityheredity） 遺傳使細菌的性狀保持相對遺傳使細菌的性狀保持相對穩(wěn)定穩(wěn)定，且代，且代 代相傳，使其種屬得以保存。代相傳，使其種屬得以保存。 變異變異（variationvariation） 在一定條件下，子代和親代之間以及子在一定條件下，子代和親代之間以及子 代和子代之間的代和子代之間的差異差異稱為變異稱為變異。 細菌的遺傳：細菌的遺傳：指親代細菌與子代細菌的相似性，指親代細菌與子代細菌的相似性， 它使細菌的性狀保持相對穩(wěn)定，是各種細菌存在它使細菌的性狀保持相對穩(wěn)定，是各種細菌存在 的根據。的根據。 細菌的變

2、異：細菌的變異：指親代與子代以及子代細菌之間的指親代與子代以及子代細菌之間的 不相似性，細菌得以發(fā)展進化。不相似性，細菌得以發(fā)展進化。 第一節(jié)微生物遺傳的物質基礎第一節(jié)微生物遺傳的物質基礎 一、微生物的遺傳物質一、微生物的遺傳物質 （一）病毒的遺傳物質（一）病毒的遺傳物質 （二）原核生物的遺傳物質（二）原核生物的遺傳物質 （三）真核生物的遺傳物質（三）真核生物的遺傳物質 二、質粒和轉座因子二、質粒和轉座因子 1 1、質粒、質粒 醫(yī)學上重要的質粒：醫(yī)學上重要的質粒： F F質粒（致育質粒）質粒（致育質粒） 與性生殖功能有關帶有與性生殖功能有關帶有, ,能長出性菌毛能長出性菌毛; ;無無F F質粒

3、的質粒的 為雌性菌為雌性菌, ,無性菌毛無性菌毛 耐藥性質粒耐藥性質粒 編碼對抗生素和重金屬鹽類的耐藥性編碼對抗生素和重金屬鹽類的耐藥性, ,包括接合包括接合 性性(R)(R)耐藥性質粒和非接合性耐藥性質粒耐藥性質粒和非接合性耐藥性質粒 毒力質?；蚨玖|?；騐iVi質粒質粒 編碼與致病性有關的致病因子編碼與致病性有關的致病因子, ,如大腸埃希菌質粒如大腸埃希菌質粒 編碼的耐熱性腸毒素編碼的耐熱性腸毒素(ST)(ST)和不耐熱性腸毒素和不耐熱性腸毒素(LT) (LT) 細菌素質粒細菌素質粒 編碼各種細菌素編碼各種細菌素, ,如大腸埃希菌如大腸埃希菌ColCol質粒編碼的大質粒編碼的大 腸菌素腸菌

4、素 代謝質粒代謝質粒 編碼產生各種相關的代謝酶編碼產生各種相關的代謝酶, ,如沙門菌發(fā)酵乳糖的如沙門菌發(fā)酵乳糖的 能力是質粒編碼能力是質粒編碼 2 2、轉座因子、轉座因子 （一）原核生物的轉座因子（一）原核生物的轉座因子 1.1.插入序列插入序列 2.2.轉座子轉座子 3.3.轉座噬菌體轉座噬菌體 （二）轉座機制及遺傳學效應（二）轉座機制及遺傳學效應 1.1.轉座機制轉座機制 （1 1）保守性轉座）保守性轉座 （2 2）復制性轉座）復制性轉座 2.2.遺傳學效應遺傳學效應 （1 1）插入突變）插入突變 （2 2）插入位置出現(xiàn)新基因）插入位置出現(xiàn)新基因 （3 3）造成受體）造成受體DNADNA分

5、子插入位置上靶序列的重復分子插入位置上靶序列的重復 （4 4）促使發(fā)生染色體畸變）促使發(fā)生染色體畸變 （5 5）回復突變）回復突變 第二節(jié)第二節(jié) 噬菌體噬菌體(phage)(phage) 噬菌體噬菌體：是感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等：是感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等 微生物的病毒微生物的病毒。 噬菌體具有噬菌體具有病毒的一些特性病毒的一些特性： 個體個體微小微小，可以通過濾菌器；，可以通過濾菌器； 沒有完整的細胞結構，主要由蛋白質構成的沒有完整的細胞結構，主要由蛋白質構成的衣衣 殼殼和包含于其中的和包含于其中的核酸核酸組成；組成； 只能在活的微生物細胞內復制增值，是一種專只能在活的微生物

6、細胞內復制增值，是一種專 性性細胞內寄生細胞內寄生的微生物。的微生物。 第一節(jié)第一節(jié) 噬菌體的生物學性狀噬菌體的生物學性狀 1.1.形態(tài)與結構形態(tài)與結構 噬菌體很小，在光鏡下看不見，需噬菌體很小，在光鏡下看不見，需用電鏡用電鏡觀察。觀察。 電鏡下有三種形態(tài)：電鏡下有三種形態(tài)：蝌蚪形蝌蚪形、微球形微球形和和絲形絲形。 蝌蚪形噬菌體結構模式圖蝌蚪形噬菌體結構模式圖 2. 2. 化學組成化學組成： 噬菌體主要由噬菌體主要由核酸和蛋白核酸和蛋白 質質組成。組成。 核酸為噬菌體的遺傳物質核酸為噬菌體的遺傳物質， 為為DNADNA或或RNARNA，并由此將噬菌體，并由此將噬菌體 分成分成DNADNA噬菌體

7、和噬菌體和RNARNA噬菌體噬菌體。 蛋白質構成噬菌體頭部蛋白質構成噬菌體頭部 的衣殼及尾部，起著的衣殼及尾部，起著保護核保護核 酸酸的作用，并決定噬菌體外的作用，并決定噬菌體外 形和形和表面特征表面特征。 3. 3. 抗原性抗原性 噬菌體噬菌體具有抗原性具有抗原性，能刺激機體產生特異性，能刺激機體產生特異性 抗體。抗體。 4. 4. 抵抗力抵抗力： 噬菌體對理化因素及多數(shù)化學消毒劑的抵抗噬菌體對理化因素及多數(shù)化學消毒劑的抵抗 力力比一般細菌的繁殖體強比一般細菌的繁殖體強，7530min7530min滅活。噬菌滅活。噬菌 體體能耐受低溫和冰凍能耐受低溫和冰凍，但，但對紫外線和對紫外線和X X射

8、線敏感射線敏感。 二、二、 噬菌體與宿主菌細胞的關系噬菌體與宿主菌細胞的關系 n毒性噬菌體毒性噬菌體(virulent phage)(virulent phage)：能在宿主細胞內：能在宿主細胞內 復制增殖，產生許多子代噬菌體，并最終復制增殖，產生許多子代噬菌體，并最終裂解裂解細細 菌。菌。 n溫和噬菌體溫和噬菌體(temperate phage)(temperate phage)：噬菌體基因與：噬菌體基因與 宿主染色體宿主染色體整合整合，不產生子代噬菌體，但噬菌體，不產生子代噬菌體，但噬菌體 DNADNA能隨細菌能隨細菌DNADNA復制，并隨細菌的分裂而傳代。復制，并隨細菌的分裂而傳代。 又

9、稱又稱溶原性噬菌體溶原性噬菌體 1.1.毒性噬菌體的增殖與溶菌毒性噬菌體的增殖與溶菌 毒性噬菌體毒性噬菌體在敏感菌內以在敏感菌內以復制方式復制方式進行進行增增 殖殖，增殖過程包括：吸附、穿入、生物合，增殖過程包括：吸附、穿入、生物合 成、成熟和釋放。成、成熟和釋放。 （1 1）吸附吸附：是噬菌體與細菌表面受體：是噬菌體與細菌表面受體特特 異性結合異性結合的過程，特異性取決于噬菌體蛋的過程，特異性取決于噬菌體蛋 白與宿主菌表面受體分子結構的互補性。白與宿主菌表面受體分子結構的互補性。 吸附吸附 吸附是噬菌體與菌體表面吸附是噬菌體與菌體表面 受體發(fā)生受體發(fā)生特異性結合特異性結合的過的過 程，其特異

10、性取決于噬菌程，其特異性取決于噬菌 體蛋白與宿主菌表面受體體蛋白與宿主菌表面受體 分子結構的互補性。分子結構的互補性。 （2 2）穿入穿入： 有尾噬菌體有尾噬菌體吸附宿主后，借助尾部末端含有的一種類吸附宿主后，借助尾部末端含有的一種類 似似溶菌酶溶菌酶的物質，在細菌細胞壁上溶一小孔，然后通過的物質，在細菌細胞壁上溶一小孔，然后通過 尾鞘的收縮，將頭部尾鞘的收縮，將頭部DNADNA注入注入細菌體內，而蛋白衣殼留細菌體內，而蛋白衣殼留 在菌細胞外。在菌細胞外。 n無尾噬菌體無尾噬菌體 與與絲形噬菌體絲形噬菌體 可以可以脫殼脫殼的方的方 式進入細菌細式進入細菌細 胞內。胞內。 （3 3）生物合成生物

11、合成: : 轉錄形成轉錄形成mRNAmRNA，轉移成噬菌體所，轉移成噬菌體所 需的酶、調節(jié)蛋白和結構蛋白。需的酶、調節(jié)蛋白和結構蛋白。 n以噬菌體核酸為模板以噬菌體核酸為模板，通過核酸多聚酶催化作用，通過核酸多聚酶催化作用， 大量大量復制子代噬菌體的基因核酸復制子代噬菌體的基因核酸。 （4 4）成熟與釋放成熟與釋放: :蛋白質和核酸合成后，在細胞質蛋白質和核酸合成后，在細胞質 內按一定程序裝配成成熟的噬菌體。內按一定程序裝配成成熟的噬菌體。 當子代達一定數(shù)目后，菌細胞突然當子代達一定數(shù)目后，菌細胞突然裂解裂解，釋放出的，釋放出的 噬菌體又能感染新的敏感細菌。但有些噬菌體又能感染新的敏感細菌。但

12、有些絲形噬菌體絲形噬菌體 以以出芽方式出芽方式逐個釋放。逐個釋放。 2.2.溫和噬菌體的溶原周期溫和噬菌體的溶原周期 溫和噬菌體的基因組能與宿主菌基因組整合，并隨溫和噬菌體的基因組能與宿主菌基因組整合，并隨 細菌分裂傳至子代細菌的基因組中，不引起細菌裂解。細菌分裂傳至子代細菌的基因組中，不引起細菌裂解。 整合整合在細菌基因組中的噬菌體基因組稱為在細菌基因組中的噬菌體基因組稱為前噬菌體前噬菌體 (prophage)(prophage)，帶有前噬菌體基因組的細菌稱為，帶有前噬菌體基因組的細菌稱為溶原性溶原性 細菌細菌(lysogenic bacterium).(lysogenic bacteriu

13、m). 前噬菌體偶爾可自發(fā)地或在某些理化和生物因素前噬菌體偶爾可自發(fā)地或在某些理化和生物因素 的誘導下的誘導下脫離脫離宿主菌基因組而進入宿主菌基因組而進入溶菌周期溶菌周期，產生，產生 成熟噬菌體，導致細菌裂解。溫和噬菌體既具成熟噬菌體，導致細菌裂解。溫和噬菌體既具溶原溶原 周期周期，也有溶菌周期，也有溶菌周期 溫和噬菌體可有三種存在狀態(tài)：溫和噬菌體可有三種存在狀態(tài)： A.A.游離的游離的具有感染性的噬菌體顆具有感染性的噬菌體顆 B.B.宿主菌胞質內宿主菌胞質內類似質粒形式的噬菌類似質粒形式的噬菌 體核酸體核酸； C.C.前噬菌體前噬菌體。 溶原性細菌具有抵抗同種或近緣噬菌體重溶原性細菌具有抵抗

14、同種或近緣噬菌體重 復感染的能力，稱復感染的能力，稱噬菌體免疫狀態(tài)噬菌體免疫狀態(tài)。 某些前噬菌體可導致細菌基因型和性狀發(fā)某些前噬菌體可導致細菌基因型和性狀發(fā) 生改變，這稱為生改變，這稱為溶原性轉換溶原性轉換 三、噬菌體的分離與測定三、噬菌體的分離與測定 1.1.噬菌體的分離噬菌體的分離 在液體培養(yǎng)基中，噬菌現(xiàn)象可使在液體培養(yǎng)基中，噬菌現(xiàn)象可使渾濁菌液變得澄渾濁菌液變得澄 清清。 在固體培養(yǎng)基上，噬菌體和宿主菌液混合后接種在固體培養(yǎng)基上，噬菌體和宿主菌液混合后接種 培養(yǎng)，培養(yǎng)基表面可有透亮的培養(yǎng)，培養(yǎng)基表面可有透亮的溶菌空斑溶菌空斑出現(xiàn)。出現(xiàn)。 一個空斑系由一個噬菌體一個空斑系由一個噬菌體 復制

15、增殖并裂解細菌后形復制增殖并裂解細菌后形 成，稱為成，稱為噬斑噬斑(plaque),(plaque),不不 同噬菌體噬斑的形態(tài)與大同噬菌體噬斑的形態(tài)與大 小不盡相同。小不盡相同。 噬斑噬斑 噬斑噬斑 熒光假單胞菌熒光假單胞菌 2.2.噬菌體的滴定噬菌體的滴定 效價效價( (滴度滴度Title)-Title)-是微生物或其產物、抗原是微生物或其產物、抗原 與抗體等活性與抗體等活性 高低的標志。高低的標志。 噬菌體效價噬菌體效價-指噬菌體的濃度，即每毫升樣指噬菌體的濃度，即每毫升樣 品含噬菌體的個數(shù)。通常是在含敏感菌的品含噬菌體的個數(shù)。通常是在含敏感菌的平板平板上形上形 成噬菌斑進行噬菌體的計數(shù)，

16、以每毫升中含有的成噬菌斑進行噬菌體的計數(shù)，以每毫升中含有的噬噬 菌斑形成單位菌斑形成單位（plaque forming unit/mlplaque forming unit/ml或或pfupfu/ml)/ml) 表示其效價。表示其效價。 若將噬菌體按一定倍數(shù)稀釋，通過噬斑計數(shù)，可測若將噬菌體按一定倍數(shù)稀釋，通過噬斑計數(shù)，可測 定一定體積內的定一定體積內的噬斑形成單位噬斑形成單位( (pfupfu) )數(shù)目，即噬菌體數(shù)目，即噬菌體 的數(shù)目。的數(shù)目。 四、四、 噬菌體的應用噬菌體的應用 細菌的鑒定與分型細菌的鑒定與分型 噬菌體與宿主菌的關系具有高度噬菌體與宿主菌的關系具有高度 特異性，即一種噬菌體

17、只能裂解一種和它相應的細菌，特異性，即一種噬菌體只能裂解一種和它相應的細菌， 故可用于未知細菌的鑒定和分型。故可用于未知細菌的鑒定和分型。 耐藥細菌感染的治療耐藥細菌感染的治療 分子生物學研究的重要工具分子生物學研究的重要工具 噬菌體基因數(shù)量少，結噬菌體基因數(shù)量少，結 構比細菌和高等細胞簡單得多，且易獲得大量的突變體。構比細菌和高等細胞簡單得多，且易獲得大量的突變體。 分子生物學研究的重要工具分子生物學研究的重要工具. . 遺傳工程遺傳工程 噬菌體展示技術噬菌體展示技術 其他其他工業(yè)的發(fā)酵中嚴防噬菌體污染，選育抗噬菌體菌工業(yè)的發(fā)酵中嚴防噬菌體污染，選育抗噬菌體菌 株株 Example of a successful phage therapy treatment. Lytic phages specifically kill pathogenic bact