微生物學(xué)張卓然遺傳與變異

微生物學(xué)張卓然遺傳與變異第一頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)遺傳與變異原理DNA的結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)——兩條互相平行而方向相反的多核苷酸鏈功能——儲(chǔ)存、復(fù)制和傳遞遺傳信息復(fù)制——半保留復(fù)制特點(diǎn)——復(fù)制中易發(fā)生錯(cuò)誤—基因突變蛋白合成——分子生物學(xué)中心法則（DNA-RNA-蛋白質(zhì)）基因與基因的轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因——編碼結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)基因結(jié)構(gòu)非結(jié)構(gòu)基因——編碼功能蛋白質(zhì)基因轉(zhuǎn)錄遺傳信息的翻譯第二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)細(xì)菌的遺傳與變異一、細(xì)菌的變異現(xiàn)象形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異毒力變異耐藥性變異菌落變異抗原性變異第三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日細(xì)菌的大小和形態(tài)在不同的生長(zhǎng)時(shí)期可不同，生長(zhǎng)過(guò)程中受外界環(huán)境的影響也可發(fā)生變異。如：鼠疫耶氏菌在陳舊培養(yǎng)物上細(xì)菌的多形態(tài)性、細(xì)菌L型。細(xì)菌的特殊結(jié)構(gòu)如：莢膜（肺炎鏈球菌）、芽胞（炭疽芽孢桿菌）、鞭毛（變形桿菌H-O變異）也可發(fā)生變異。形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異第四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日毒力增強(qiáng)：無(wú)毒力的白喉棒狀桿菌常寄居在咽喉部，不致??；當(dāng)感染了β-棒狀噬菌體后變成溶原性細(xì)菌，則獲得產(chǎn)生白喉毒素的能力，引起白喉。毒力減弱：有毒菌株長(zhǎng)期在人工培養(yǎng)基上傳代培養(yǎng)，可使細(xì)菌的毒力減弱或消失。卡介苗(BCG)是強(qiáng)毒的牛結(jié)核分枝桿菌在含有膽汁的甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基上，經(jīng)過(guò)13年，連續(xù)傳230代，獲得的一株毒力減弱但仍保持免疫原性的變異株。毒力變異第五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日耐藥性變異：細(xì)菌對(duì)某種抗菌藥物由敏感變?yōu)槟退幍淖儺悺Ｓ行┘?xì)菌還表現(xiàn)為同時(shí)耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性。從抗生素廣泛應(yīng)用以來(lái)，細(xì)菌對(duì)抗生素耐藥的不斷增長(zhǎng)是世界范圍內(nèi)的普遍趨勢(shì)，給臨床治療帶來(lái)很大的困難，并成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)上的重要問(wèn)題。耐藥性變異第六頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日細(xì)菌的菌落主要有光滑(smooth,S)型和粗糙(rough,R)型兩種。S型菌落表面光滑、濕潤(rùn)、邊緣整齊。經(jīng)人工培養(yǎng)多次傳代后菌落表面粗糙、干燥、邊緣不整齊，稱S—R變異。S—R變異常見(jiàn)于腸道桿菌，是由于失去LPS的特異性寡糖重復(fù)單位而引起的。變異時(shí)不僅菌落的特征發(fā)生改變，且細(xì)菌的其它性狀也發(fā)生了變化。S型菌的致病性強(qiáng)，但有少數(shù)R型菌的致病性強(qiáng)，如結(jié)核分枝桿菌。菌落變異第七頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日麥康凱培養(yǎng)基上的傷寒桿菌菌落第八頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日

結(jié)核桿菌的干燥型菌落第九頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日抗原性變異H抗原、O抗原變異第十頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日二細(xì)菌遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)染色體染色體外的遺傳物質(zhì)（質(zhì)粒、噬菌體）轉(zhuǎn)位因子第十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日（一）染色體（chromosome）一條環(huán)狀雙螺旋DNA長(zhǎng)鏈，按一定構(gòu)型反復(fù)回旋形成松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；缺乏組蛋白，無(wú)核膜包裹；約含有5000個(gè)基因；雙向復(fù)制，全過(guò)程約20min。第十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日質(zhì)粒(plasmid)：是細(xì)菌染色體以外的遺傳物質(zhì)，是環(huán)狀閉合的雙鏈DNA。

（二）質(zhì)粒第十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日質(zhì)粒具有自我復(fù)制的能力。質(zhì)粒DNA所編碼的基因產(chǎn)物賦予細(xì)菌某些性狀特征。質(zhì)粒可自行丟失與消除。質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移性。質(zhì)?？煞譃橄嗳菪耘c不相容性兩種。質(zhì)粒DNA的特征第十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日質(zhì)粒的分類：根據(jù)質(zhì)粒能否通過(guò)細(xì)菌的接合作用進(jìn)行傳遞

1接合性質(zhì)粒

2非接合性質(zhì)粒根據(jù)質(zhì)粒在細(xì)菌內(nèi)拷貝數(shù)多少

1嚴(yán)緊型質(zhì)粒

2松弛型質(zhì)粒根據(jù)相容性1相容性——幾種質(zhì)粒同時(shí)共存于同一菌體內(nèi)

2不相容性——不能同時(shí)共存可借此對(duì)質(zhì)粒進(jìn)行分組、分群根據(jù)所編碼的生物學(xué)性狀第十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日質(zhì)?；蚩删幋a多種重要的生物學(xué)性狀：致育質(zhì)粒（fertilityplasmid、F質(zhì)粒）編碼性菌毛，介導(dǎo)細(xì)菌之間的接合傳遞；耐藥性質(zhì)粒（resistanceplasmid、R質(zhì)粒）編碼細(xì)菌對(duì)抗菌藥物或重金屬鹽類的耐藥性。分兩類，一是接合性耐藥質(zhì)粒（R質(zhì)粒），另一是非接合耐藥性質(zhì)粒（r質(zhì)粒)；毒力質(zhì)粒（Vi質(zhì)粒）編碼與該菌致病性有關(guān)的毒力因子；細(xì)菌素質(zhì)粒編碼細(xì)菌產(chǎn)生細(xì)菌素；代謝質(zhì)粒編碼產(chǎn)生相關(guān)的代謝酶。

第十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日噬菌體(bacteriophage,phage)：是感染細(xì)菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒。噬菌體的特點(diǎn)：具有一定形態(tài)蝌蚪形等嚴(yán)格寄生性和特異性具有病毒的特性，個(gè)體微小、無(wú)細(xì)胞結(jié)構(gòu)、具有高度的特異性及專性細(xì)胞內(nèi)寄生性分布廣泛凡是有細(xì)菌的場(chǎng)所，就可能有相應(yīng)的噬菌體的存在。（三）噬菌體第十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日形態(tài)與結(jié)構(gòu)

噬菌體很小，在光鏡下看不見(jiàn)，需用電鏡觀察。不同的噬菌體在電鏡下有三種形態(tài)：蝌蚪形、微球形和絲形。大多數(shù)噬菌體呈蝌蚪形，由頭部和尾部?jī)刹糠纸M成。第十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日蝌蚪形噬菌體結(jié)構(gòu)模式圖第十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成：抗原性：噬菌體具有抗原性，能刺激機(jī)體產(chǎn)生特異性 抗體。抵抗力：噬菌體對(duì)理化因素及多數(shù)化學(xué)消毒劑的抵抗 力比一般細(xì)菌的繁殖體強(qiáng)，75℃30min滅活。 噬菌體能耐受低溫和冰凍，但對(duì)紫外線和X射 線敏感。噬菌體頭部尾部：蛋白質(zhì)與細(xì)菌（受體）接觸的部位核心：核酸（DNA或RNA）蛋白衣殼：蛋白質(zhì)呈20面體第二十頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日噬菌體感染細(xì)菌有兩種結(jié)果：

毒性噬菌體

能在宿主細(xì)胞內(nèi)復(fù)制增殖，產(chǎn)生許多(virulentphage)：子代噬菌體，并最終裂解細(xì)菌，建立溶菌周期。

溫和噬菌體

噬菌體基因與宿主染色體整合，成為前

(temperatephage)：噬菌體，細(xì)菌變成溶原性菌，不產(chǎn)生子代噬菌體，但噬菌體DNA能隨細(xì)菌DNA復(fù)制，并隨細(xì)菌的分裂而傳代，建立溶原狀態(tài)。

噬菌體與細(xì)菌相互關(guān)系第二十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日毒性噬菌體在敏感菌內(nèi)以復(fù)制方式進(jìn)行增殖，增殖過(guò)程包括：吸附、穿入、生物合成、成熟和釋放。噬菌體的復(fù)制周期或溶菌周期：從噬菌體吸附至細(xì)菌溶解釋放出子代噬菌體的過(guò)程。毒性噬菌體第二十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日吸附吸附是噬菌體與菌體表面受體發(fā)生特異性結(jié)合的過(guò)程，其特異性取決于噬菌體蛋白與宿主菌表面受體分子結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性。第二十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日毒性噬菌體的復(fù)制周期—溶菌性周期第二十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第二十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日液體培養(yǎng)基噬菌現(xiàn)象可使渾濁菌液變得澄清。固體培養(yǎng)基若用適量的噬菌體和宿主菌液混合后接種培養(yǎng)，培養(yǎng)基表面可有透亮的溶菌空斑出現(xiàn)。一個(gè)空斑系由一個(gè)噬菌體復(fù)制增殖并裂解細(xì)菌后形成，稱為噬斑(plaque),不同噬菌體噬斑的形態(tài)與大小不盡相同。噬菌現(xiàn)象第二十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日噬斑熒光假單胞菌第二十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日

若將噬菌體按一定倍數(shù)稀釋，通過(guò)噬斑計(jì)數(shù)，可測(cè)定一定體積內(nèi)的噬斑形成單位(plaqueformingunits,pfu)數(shù)目，即噬菌體的數(shù)目。第二十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日溫和噬菌體的基因組能與宿主菌基因組整合，并隨細(xì)菌分裂傳至子代細(xì)菌的基因組中，不引起細(xì)菌裂解。整合在細(xì)菌基因組中的噬菌體基因組稱為前噬菌體(prophage)

帶有前噬菌體基因組的細(xì)菌稱為溶原性細(xì)菌特征：1.正常分裂，并將前噬菌體傳給子代細(xì)菌（溶原狀態(tài)）2.前噬菌體能抑制細(xì)菌內(nèi)的相應(yīng)毒性噬菌體的生物合成，使細(xì)菌免遭裂解3.某些前噬菌體可導(dǎo)致細(xì)菌基因型和性狀發(fā)生改變，稱為溶原性轉(zhuǎn)換(lysogenicconversion)。4.溶原狀態(tài)終止前噬菌體丟失或脫離宿主菌基因組而進(jìn)入溶菌周期

溫和噬菌體第二十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第三十頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日細(xì)菌的鑒定與分型噬菌體與宿主菌的關(guān)系具有高度特異性，即一種噬菌體只能裂解一種和它相應(yīng)的細(xì)菌，故可用于未知細(xì)菌的鑒定和分型。分子生物學(xué)研究的重要工具噬菌體基因數(shù)量少，結(jié)構(gòu)比細(xì)菌和高等細(xì)胞簡(jiǎn)單得多，且易獲得大量的突變體。細(xì)菌感染的診斷與治療但由于噬菌體過(guò)于專一，限制了噬菌體在臨床上的廣泛應(yīng)用。

噬菌體的應(yīng)用第三十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日轉(zhuǎn)位因子（transposableelement)：是一類在細(xì)菌染色體、質(zhì)?；蚴删w之間可自行移動(dòng)的一段特異的具有轉(zhuǎn)位特性的核苷酸序列片段，又稱移動(dòng)基因。造成結(jié)果：改變?cè)泻塑账嵝蛄杏绊懖迦朦c(diǎn)附近基因的表達(dá)本身所攜帶的一定的基因序列表達(dá)，以上三種結(jié)果并不是一定引起細(xì)菌變異。（四）轉(zhuǎn)位因子第三十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日轉(zhuǎn)位因子有三類：

插入序列(insertionsequence,IS)：最小，不超過(guò)2kb,是只攜帶與轉(zhuǎn)座功能有關(guān)的基因，而不帶任何有使細(xì)菌表現(xiàn)性狀的基因的轉(zhuǎn)位因子。

轉(zhuǎn)座子(transposon,Tn)：長(zhǎng)度一般超過(guò)2kb，是一類除攜帶與轉(zhuǎn)位有關(guān)的基因外還攜帶其他基因（如耐藥性、毒素基因等）的轉(zhuǎn)位因子。

轉(zhuǎn)座噬菌體或前噬菌體：前噬菌體有時(shí)也具有轉(zhuǎn)位功能，成為溶原菌的一種基因，編碼某些產(chǎn)物，改變細(xì)菌某些性狀，如白喉毒素、肉毒毒素的產(chǎn)生。第三十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第三十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日遺傳性變異：是由基因結(jié)構(gòu)發(fā)生改變所致，主要通過(guò)基因突變、基因的轉(zhuǎn)移與重組來(lái)實(shí)現(xiàn)。非遺傳性變異：是細(xì)菌在環(huán)境因素等影響下出現(xiàn)的變化，這種變化不是因基因結(jié)構(gòu)的變化而產(chǎn)生的。三細(xì)菌變異的機(jī)制第三十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日突變(mutation)：是細(xì)菌遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，導(dǎo)致細(xì)菌性狀的遺傳性變異。

發(fā)生表現(xiàn)型（一）.突變自發(fā)突變（spontaneousmutation)突變率低10-10——10-6誘發(fā)突變（inducedmutation)提高10-6——10-4野生株（wildstrain)沒(méi)有發(fā)生突變的菌細(xì)胞突變株（mutantstrain)突變后的菌細(xì)胞第三十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日突變的類型

點(diǎn)突變（pointmutation）只有一個(gè)堿基對(duì)的變化（置換、插入、缺失）

多點(diǎn)突變（multiplemutation）兩個(gè)以上堿基對(duì)的變化（較大范圍的染色體重排、倒位、重復(fù)、缺失等）誘變劑是能顯著提高突變率的各種理化因素（UV、高溫、輻射及化學(xué)誘變劑）第三十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日回復(fù)突變和抑制突變（reversemutation,suppressormutation）回復(fù)突變并沒(méi)有糾正正向突變的DNA序列，而只是抑制了正向突變的效應(yīng)，故稱抑制突變，以區(qū)別真正的原位回復(fù)突變到野生株。第一次突變正向突變突變株第二次突變回復(fù)突變表現(xiàn)野生株性狀的突變株野生株第三十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日基因突變規(guī)律隨機(jī)發(fā)生，不定向；突變與選擇（以耐藥突變體為例）結(jié)論：細(xì)菌基因突變產(chǎn)生耐藥性，與抗生素的使用無(wú)關(guān)實(shí)驗(yàn)：影印試驗(yàn)說(shuō)明：耐藥突變株在接觸藥物之前出現(xiàn)，藥物的作用是選擇耐藥株，淘汰敏感株具有相對(duì)穩(wěn)定性；可發(fā)生回復(fù)突變第三十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日影印試驗(yàn)(replicaplating)第四十頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日突變體的分離耐藥性突變體營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變體條件型突變體第四十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日基因轉(zhuǎn)移(genetransfer)：外源性的遺傳物質(zhì)由供體菌進(jìn)入某受體菌細(xì)胞內(nèi)的過(guò)程?；蛑亟M(recombination)：轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA整合在一起，使受體菌獲得供體菌某些特性。外源性遺傳物質(zhì)：供體菌染色體DNA，質(zhì)粒DNA及噬菌體基因等。細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移和重組方式：轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)、溶原性轉(zhuǎn)換、原生質(zhì)體融合。（二）.基因的轉(zhuǎn)移與重組第四十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日1.轉(zhuǎn)化(transformation):受體菌直接攝取供體菌游離的DNA片段獲得新的遺傳性狀的過(guò)程稱為轉(zhuǎn)化。第四十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第四十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日2.接合(conjugation)接合：是細(xì)菌通過(guò)性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌。能通過(guò)結(jié)合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒稱為接合性質(zhì)粒，不能通過(guò)性菌毛在細(xì)菌間轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒為非接合性質(zhì)粒。第四十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日F質(zhì)粒的接合F+

——即F質(zhì)粒，編碼性菌毛，稱雄性菌Hfr——F質(zhì)粒整合到細(xì)菌染色體上，使細(xì)菌能高效地轉(zhuǎn)移染色體上的基因，故稱高頻重組菌F’——Hfr菌中的F質(zhì)?？蓮娜旧w上脫離下來(lái)，并帶染色體上幾個(gè)鄰近的基因，故稱F’

三者均有性菌毛，均可發(fā)生接合。第四十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第四十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第四十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第四十九頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日細(xì)菌的耐藥性與耐藥性的基因突變及R質(zhì)粒的接合轉(zhuǎn)移等有關(guān)。R質(zhì)粒有耐藥傳遞因子(RTF)和耐藥決定子(r)兩部分組成。RTF的功能與F質(zhì)粒相似，可編碼性菌毛的產(chǎn)生和通過(guò)接合轉(zhuǎn)移；R決定子能編碼對(duì)抗菌藥物的耐藥性。R質(zhì)粒的接合第五十頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第五十一頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日轉(zhuǎn)導(dǎo)：是以溫和噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲得新的性狀。根據(jù)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因片段的范圍，可將轉(zhuǎn)導(dǎo)分為兩類：普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（轉(zhuǎn)導(dǎo)的DNA可是供菌染色體上的任何部分）、局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（轉(zhuǎn)導(dǎo)的DNA只限供菌染色體上的特定基因）。3.轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction)第五十二頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)(generalizedtransduction)第五十三頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第五十四頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)(restrictedtransduction)第五十五頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日4.溶原性轉(zhuǎn)換(lysogenicconversion)溶原性細(xì)菌因染色體上整合有前噬菌體而獲得新的遺傳性狀稱為溶原性轉(zhuǎn)換。第五十六頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日5.原生質(zhì)體融合(protoplastfusion)G+菌形成原生質(zhì)體后，在聚乙二醇（PEG）作用下，可使兩種不同的細(xì)菌細(xì)胞發(fā)生融合的過(guò)程。融合后形成雙倍體細(xì)胞，可短期生存，染色體重組，獲得多種不同表型的重組融合體。人為實(shí)驗(yàn)基因轉(zhuǎn)移與重組。第五十七頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第五十八頁(yè)，共六十三頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)病毒的遺傳和變異一、病毒的基因組病毒核酸僅含一種類型，DNA或RNA形態(tài)多樣性（單一線形、雙股環(huán)狀）完整性不同（完整的、分節(jié)段的）還有攜帶反轉(zhuǎn)錄酶的RNA病毒可突變，并決定其表