微生物第五章遺傳與變異課件

第五章遺傳與變異廣州醫(yī)學院病原生物學教研室陳曉湘遺傳(heredity)：使微生物的性狀保持相對穩(wěn)定，且代代相傳，使物種得以保存。變異(variation)：在一定條件下，子代與親代之間以及子代與子代之間的生物學性狀出現(xiàn)的差異，使物種得以發(fā)展和進化。

遺傳性變異基因型變異非遺傳性變異表型變異基因改變+-外界環(huán)境遺傳-++-可逆性-+變異范圍個別細胞群體第一節(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——儲存、復制和傳遞遺傳信息復制——半保留復制，但易發(fā)生錯誤遺傳信息傳遞——中心法則（DNA-RNA-蛋白質(zhì)）基因與基因的轉(zhuǎn)錄基因結(jié)構(gòu)：細菌與病毒基因結(jié)構(gòu)的特點基因轉(zhuǎn)錄遺傳信息的翻譯第二節(jié)細菌的遺傳與變異一、細菌的變異現(xiàn)象形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異抗原性變異菌落變異毒力變異耐藥性變異1.形態(tài)結(jié)構(gòu)變異

3-6%食鹽

鼠疫耶氏菌多形態(tài)性

陳舊培基物

青霉素、溶菌酶

正常形態(tài)細菌

L型變異

抗體或補體

(部分或完全失去胞壁)

特殊結(jié)構(gòu)的變異體外多次傳代肺炎鏈球菌莢膜逐漸消失

42-43℃

炭疽桿菌失去形成芽胞能力,毒性降低

10-20天

變形桿菌0.1%石炭酸細菌失去鞭毛

遷徙生長（H）點狀生長、單個菌落（O）2.抗原性變異腸道桿菌O抗原（菌體抗原）變異細胞壁脂多糖最外層的寡糖重復單位H抗原（鞭毛抗原）變異蛋白質(zhì)抗原，Ⅰ相/Ⅱ相間變異3.

菌落變異

在陳舊培養(yǎng)基中長期培養(yǎng)

光滑型菌落粗糙型菌落

S

R

原因：失去LPS的特異性寡糖重復單位4.毒力變異毒力增強

β棒狀桿菌噬菌體

白喉棒狀桿菌

獲得白喉外毒素

毒力減弱

膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基

牛分枝桿菌卡介苗

13年(230代)

耐藥性變異：細菌對某種抗菌藥物由敏感變?yōu)槟退幍淖儺?。有些細菌還表現(xiàn)為同時耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性。從抗生素廣泛應用以來，細菌對抗生素耐藥的不斷增長是世界范圍內(nèi)的普遍趨勢，給臨床治療帶來很大的困難，并成為當今醫(yī)學上的重要問題。5.耐藥性變異二、與細菌遺傳變異相關(guān)的物質(zhì)染色體染色體外的遺傳物質(zhì)（質(zhì)粒、噬菌體）轉(zhuǎn)位因子1、染色體（chromosome）環(huán)狀雙螺旋DNA，按一定構(gòu)型反復回旋形成松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；缺乏組蛋白，無核膜包裹；結(jié)構(gòu)連續(xù)，幾乎無內(nèi)含子，大多為單拷貝。操縱子：蛋白編碼基因、操縱基因、啟動子、調(diào)節(jié)基因雙向復制，全過程約20min。細菌種內(nèi)和種間存在廣泛的遺傳物質(zhì)的交換。細菌致病島質(zhì)粒是細菌染色體以外的遺傳物質(zhì)，是環(huán)狀閉合的雙鏈DNA，具有自主復制能力。2、質(zhì)粒(plasmid)質(zhì)?；蚩删幋a多種重要的生物學性狀：致育質(zhì)粒（fertilityplasmid、F質(zhì)粒）編碼性菌毛，有F質(zhì)粒的為雄性菌，無F質(zhì)粒的為雌性菌；介導細菌之間的接合傳遞；耐藥性質(zhì)粒（resistanceplasmid、R質(zhì)粒）

編碼細菌對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；細菌素質(zhì)粒編碼細菌產(chǎn)生細菌素；代謝質(zhì)粒編碼產(chǎn)生與代謝相關(guān)的許多酶類。

質(zhì)粒具有自我復制的能力。質(zhì)粒DNA所編碼的基因產(chǎn)物賦予細菌某些性狀特征。質(zhì)?？勺孕衼G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的特征質(zhì)粒的分類：根據(jù)質(zhì)粒能否通過細菌的接合作用進行傳遞

接合性質(zhì)粒非接合性質(zhì)粒根據(jù)質(zhì)粒在細菌內(nèi)拷貝數(shù)多少嚴緊型質(zhì)粒松弛型質(zhì)粒根據(jù)相容性相容性——幾種質(zhì)粒同時共存于同一菌體內(nèi)不相容性——不能同時共存

根據(jù)所編碼的生物學性狀噬菌體（bacteriophage，phage）

是感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒。噬菌體具有病毒的一般特點：個體微小，可通過濾菌器。結(jié)構(gòu)簡單，無完整細胞結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)衣殼與核酸核心專性細胞內(nèi)寄生，嚴格宿主特異性形態(tài)：蝌蚪形、微球形和細桿形3、噬菌體噬菌體感染細菌有兩種結(jié)果：

毒性噬菌體

能在宿主細胞內(nèi)復制增殖，產(chǎn)生許多(virulentphage)：子代噬菌體，并最終裂解細菌，建立溶菌性周期。

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，細菌變成溶原性菌，不產(chǎn)生子代噬菌體，但噬菌體DNA能隨細菌DNA復制而復制，并隨細菌的分裂而傳代，建立溶原性周期。

噬菌體與細菌相互關(guān)系毒性噬菌體溶菌性周期吸附穿入生物合成成熟與釋放噬菌現(xiàn)象液體培養(yǎng)基：混濁澄清固體培養(yǎng)基：出現(xiàn)噬斑（plaque）噬斑形成單位（pfu）前噬菌體（prophage）:

整合在細菌基因組中的噬菌體基因溶原性細菌溶原性噬菌體溶原性周期溶原狀態(tài)溫和噬菌體的溶原性周期溶原性周期溶菌性周期轉(zhuǎn)導溶原性轉(zhuǎn)換4、轉(zhuǎn)座子（transposon,Tn）是一類在細菌的染色體、質(zhì)粒或噬菌體之間自行移動的遺傳成分，是基因組中一段特異的具有轉(zhuǎn)位特性的獨立的DNA序列。插入序列（insertionsequence，IS）是最簡單的轉(zhuǎn)座子，＜2kb，僅攜帶自身轉(zhuǎn)座所需酶的基因，不攜帶任何與插入功能無關(guān)的基因區(qū)域。轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn）或復合轉(zhuǎn)座子＞2kb，除攜帶與轉(zhuǎn)位有關(guān)的基因外，還攜帶耐藥性基因、重金屬抗性基因、毒素基因及其他結(jié)構(gòu)基因。可能與細菌的多重耐藥性有關(guān)。IS

ISResistanceGene(s)Tn轉(zhuǎn)座子攜帶的耐藥基因或毒素基因轉(zhuǎn)座子攜帶耐藥或毒素基因Tn1Tn2Tn3AP（氨芐青霉素）Tn4AP、str（鏈霉素）、Su（磺胺）Tn5Kan（卡那霉素）、strTn6KanTn7TMP（甲氧芐氨嘧啶）、strTn9Cam（氯霉素）Tn10Tet（四環(huán)素）tn551Em（紅霉素）Tn971EmTn681大腸埃希菌腸毒素基因非遺傳性變異：是細菌在環(huán)境因素等影響下出現(xiàn)的表型變化，這種變化不是因基因結(jié)構(gòu)的變化而產(chǎn)生的。遺傳性變異：是由基因結(jié)構(gòu)發(fā)生改變所致，主要通過基因突變、基因的損傷后修復、基因的轉(zhuǎn)移與重組來實現(xiàn)。三、細菌變異的機制突變(mutation)：是細菌遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，是DNA序列的永久性變化，可能導致細菌性狀的遺傳性變異。

發(fā)生表現(xiàn)型（一）基因突變自發(fā)突變（spontaneousmutation)突變率低10-10——10-6誘發(fā)突變（inducedmutation)突變率提高10-6——10-4野生型（wildstrain)首次從自然界分離的存在于細菌中的形式突變型（mutantstrain)某一性狀的野生型基因突變形成突變的類型小突變/點突變

細菌DNA中一個或幾個堿基的置換、插入或丟失。單點突變多點突變大突變

大段DNA的突變。基因突變規(guī)律1、突變率2、突變與選擇（以耐藥突變株為例）實驗：影印試驗說明：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，淘汰敏感株結(jié)論：細菌基因突變產(chǎn)生耐藥性，與抗生素的使用無關(guān)影印試驗(replicaplating)3、回復突變回復突變并沒有糾正正向突變的DNA序列，而只是抑制了正向突變的所致的性狀改變，故稱抑制突變，以區(qū)別真正的原位回復突變到野生株。第一次突變正向突變突變株第二次突變回復突變表現(xiàn)野生株性狀的突變株野生株(二)基因的轉(zhuǎn)移和重組基因轉(zhuǎn)移（genetransfer）外源性的遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入某受體菌細胞的過程稱為基因轉(zhuǎn)移。重組（recombination）轉(zhuǎn)移的基因自行復制表達或與受體菌DNA整合在一起，使受體菌獲得供體菌的某些性狀?；虻霓D(zhuǎn)移和重組可通過轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導、溶原性轉(zhuǎn)換和原生質(zhì)體融合等方式進行。轉(zhuǎn)化（transformation）供體菌裂解后游離的DNA片段被受體菌直接攝取，使受體菌獲得新的性狀。轉(zhuǎn)化試驗在轉(zhuǎn)化過程中，能轉(zhuǎn)化的DNA片段稱為轉(zhuǎn)化因子，分子量小于107，最多不超過10~20個基因。同時受體菌須進入感受態(tài)（competence）。接合（conjugation）細菌通過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。

接合性質(zhì)粒：能通過接合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒，如F質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒和毒力質(zhì)粒等。非接合性質(zhì)粒：不能通過性菌毛在細菌間轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒。F質(zhì)粒的接合F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipientF+F-R質(zhì)粒與細菌耐藥性有關(guān)，尤其與細菌多重耐藥性有關(guān)。R質(zhì)粒的接合R質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)耐藥傳遞因子（resistancetransferfactor,RTF）與F質(zhì)粒相似，編碼性菌毛的產(chǎn)生和通過接合轉(zhuǎn)移耐藥（r）決定子編碼細菌的耐藥性轉(zhuǎn)導（transduction）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。普遍性轉(zhuǎn)導（generalizedtransduction）局限性轉(zhuǎn)導（restrictedtransduction）普遍性轉(zhuǎn)導（generalizedtransduction）前噬菌體從溶原菌染色體上脫離，進行增殖，復制產(chǎn)生的大量噬菌體DNA，在裝配時可能發(fā)生錯誤，將細菌的DNA片段裝入噬菌體的頭部。當該噬菌體感染另一宿主菌時，將其頭部的染色體注入受體菌內(nèi)。被包裝和轉(zhuǎn)導的DNA可以是供體菌染色體或質(zhì)粒上的任何部分。供體菌受體菌轉(zhuǎn)導噬菌體細菌DNA噬菌體DNA結(jié)果完全轉(zhuǎn)導流產(chǎn)轉(zhuǎn)導未整合整合局限性轉(zhuǎn)導（restrictedtransduction）當前噬菌體從細菌染色體上脫離時發(fā)生偏差，將自身的一段DNA留在細菌染色體上，而帶走了前噬菌體兩側(cè)的細菌染色體DNA。當其轉(zhuǎn)導并整合到受體菌中，使受體菌獲得供體菌的某些遺傳性狀。又稱特異性轉(zhuǎn)導，所轉(zhuǎn)導的只限于供體菌染色體上特定的基因。普遍性轉(zhuǎn)導與局限性轉(zhuǎn)導的區(qū)別區(qū)別要點普遍性轉(zhuǎn)導局限性轉(zhuǎn)導基因轉(zhuǎn)導發(fā)生的時期裂解期溶原期轉(zhuǎn)導的遺傳物質(zhì)供體菌染色體DNA任何部位或質(zhì)粒噬菌體DNA及供體菌DNA的特定部位轉(zhuǎn)導的后果完全轉(zhuǎn)導或流產(chǎn)轉(zhuǎn)導受體菌獲得供體菌DNA特定部位的遺傳特性轉(zhuǎn)導頻率受體菌的10-7轉(zhuǎn)導頻率較普遍轉(zhuǎn)導增加1000倍(10-4)溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenicconversion）當噬菌體感染細菌時，宿主菌染色體中整合了噬菌體的DNA片段，使其成為溶原狀態(tài)時而致細菌獲得新的性狀。白喉棒狀桿菌、A群鏈球菌、肉毒梭菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌、霍亂弧菌原生質(zhì)體融合（protoplastfusion）

兩種細菌經(jīng)溶菌酶或青霉素處理失去細胞壁形成原生質(zhì)體后，進行彼此融合的過程。融合后的雙倍體細胞可短期生存，染色體之間可發(fā)生基因的交換和重組，獲得多種不同表型的重組融合體。類型基因來源轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)化供菌攝入接合供菌（質(zhì)粒DNA）通過性菌毛轉(zhuǎn)導供菌噬菌體為載體溶原性轉(zhuǎn)換噬菌體整合原生質(zhì)體融合兩菌原生質(zhì)體的DNA融合基因的轉(zhuǎn)移與重組第三節(jié)病毒的遺傳和變異一、病毒的基因組病毒僅含一種類型核酸，DNA或RNA形式多樣性DNA/