1、第五章第五章 遗传与变异遗传与变异广州医学院广州医学院病原生物学教研室病原生物学教研室 陈陈 晓晓 湘湘遗传遗传(heredity)：使微生物的性状保持相对稳定，且代代相传，使微生物的性状保持相对稳定，且代代相传，使物种得以保存。使物种得以保存。变异变异(variation)：在一定条件下，子代与亲代之间以及子代与子在一定条件下，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，使物种得以发代之间的生物学性状出现的差异，使物种得以发展和进化。展和进化。遗传性变异遗传性变异基因型变异基因型变异非遗传性变异非遗传性变异 表型变异表型变异基因改变基因改变+-外界环境外界环境遗传遗传-+-可逆性
2、可逆性-+变异范围变异范围个别细胞个别细胞群体群体第一节第一节 遗传与变异原理遗传与变异原理DNA的结构与功能的结构与功能o结构结构两条互相平行而方向相反的多核苷酸链两条互相平行而方向相反的多核苷酸链o功能功能储存、复制和传递遗传信息储存、复制和传递遗传信息o复制复制半保留复制，但易发生错误半保留复制，但易发生错误o遗传信息传递遗传信息传递中心法则（中心法则（DNA-RNA-蛋白质）蛋白质）基因与基因的转录基因与基因的转录o基因结构：细菌与病毒基因结构的特点基因结构：细菌与病毒基因结构的特点o基因转录基因转录遗传信息的翻译遗传信息的翻译第二节第二节 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异一、细菌的变
3、异现象一、细菌的变异现象形态结构的变异形态结构的变异抗原性变异抗原性变异菌落变异菌落变异毒力变异毒力变异耐药性变异耐药性变异1.形态结构变异形态结构变异 3-6%食盐食盐鼠疫耶氏菌鼠疫耶氏菌 多形态性多形态性 陈旧培基物陈旧培基物 青霉素、溶菌酶青霉素、溶菌酶正常形态细菌正常形态细菌 L型变异型变异 抗体或补体抗体或补体 (部分或完全失去胞壁部分或完全失去胞壁)特殊结构的变异特殊结构的变异 体外多次传代体外多次传代 肺炎链球菌肺炎链球菌 荚膜荚膜逐渐消失逐渐消失 42-43炭疽杆菌炭疽杆菌 失去形成失去形成芽胞芽胞能力能力,毒性降低毒性降低 10-20天天 变形杆菌变形杆菌 0.1%石炭酸石炭
4、酸 细菌失去细菌失去鞭毛鞭毛 迁徙生长（迁徙生长（H）点状生长、单个菌落（点状生长、单个菌落（O）2.抗原性变异抗原性变异肠道杆菌肠道杆菌nO抗原（菌体抗原）变异抗原（菌体抗原）变异n细胞壁脂多糖最外层的寡糖重复单位细胞壁脂多糖最外层的寡糖重复单位nH抗原（鞭毛抗原）变异抗原（鞭毛抗原）变异n蛋白质抗原，蛋白质抗原，相相/相间变异相间变异3.菌落变异菌落变异 在陈旧培养基中长期培养在陈旧培养基中长期培养光滑型菌落光滑型菌落 粗糙型菌落粗糙型菌落 S R原因：失去原因：失去LPS的特异性寡糖重复单位的特异性寡糖重复单位4.毒力变异毒力变异n毒力毒力增强增强 棒状杆菌噬菌体棒状杆菌噬菌体白喉棒状杆
5、菌白喉棒状杆菌 获得白喉外毒素获得白喉外毒素 n毒力减弱毒力减弱 胆汁、甘油、马铃薯培养基胆汁、甘油、马铃薯培养基牛分枝杆菌牛分枝杆菌 卡介苗卡介苗 13年年(230代代)v耐药性变异：耐药性变异：细菌对某种抗菌药物由敏感变为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。抗菌药物，即多重耐药性。v从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的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疗带来很大的困难
6、，并成为当今医学上的重要问题。问题。5.耐药性变异耐药性变异二、与细菌遗传变异相关的物质二、与细菌遗传变异相关的物质染色体染色体染色体外的遗传物质（质粒、噬菌体）染色体外的遗传物质（质粒、噬菌体）转位因子转位因子1、染色体（染色体（chromosome）n环状双螺旋环状双螺旋DNA，按一定构型反复回旋形成松散，按一定构型反复回旋形成松散的网状结构；的网状结构；n缺乏组蛋白，无核膜包裹；缺乏组蛋白，无核膜包裹；n结构连续，结构连续，几乎几乎无内含子，无内含子，大多为单拷贝大多为单拷贝。n操纵子：操纵子：蛋白编码基因、操纵基因、启动子、调节基因蛋白编码基因、操纵基因、启动子、调节基因n双向复制，全
7、过程约双向复制，全过程约20min。n细菌种内和种间存在广泛的遗传物质的交换。细菌种内和种间存在广泛的遗传物质的交换。n细菌细菌致病岛致病岛v质粒质粒是细菌染色体以外的是细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的遗传物质，是环状闭合的双链双链DNA，具有自主复制，具有自主复制能力。能力。2、质粒质粒(plasmid)质粒基因可编码多种重要的生物学性状：质粒基因可编码多种重要的生物学性状：n致育质粒（致育质粒（fertility plasmid、F质粒）质粒）n编码性菌毛，有编码性菌毛，有F质粒的为雄性菌，无质粒的为雄性菌，无F质粒的质粒的为雌性菌；为雌性菌；n介导细菌之间的接合传递；介导细菌之间的
8、接合传递；n耐药性质粒（耐药性质粒（resistance plasmid、R质粒）质粒）n编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。n分两类，一是接合性耐药质粒（分两类，一是接合性耐药质粒（R质粒），另一质粒），另一是非接合耐药性质粒（是非接合耐药性质粒（r质粒质粒)；n毒力质粒（毒力质粒（Vi质粒）质粒）n编码与该菌致病性有关的毒力因子；编码与该菌致病性有关的毒力因子；n细菌素质粒细菌素质粒 编码细菌产生细菌素；编码细菌产生细菌素；n代谢质粒代谢质粒 编码产生与代谢相关的许多酶类编码产生与代谢相关的许多酶类。质粒具有自我复制的能力。质粒具有自我复制的能力
9、。质粒质粒DNA所编码的基因产物赋予细菌某所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征。些性状特征。质粒可自行丢失与消除。质粒可自行丢失与消除。质粒的转移性。质粒的转移性。质粒可分为相容性与不相容性两种。质粒可分为相容性与不相容性两种。质粒质粒DNA的特征的特征质粒的分类：质粒的分类：n根据质粒能否通过细菌的接合作用进行传递根据质粒能否通过细菌的接合作用进行传递n 接合性质粒接合性质粒n 非接合性质粒非接合性质粒n根据质粒在细菌内拷贝数多少根据质粒在细菌内拷贝数多少n 严紧型质粒严紧型质粒n 松弛型质粒松弛型质粒n根据相容性根据相容性n相容性相容性几种质粒同时共存于同一菌体内几种质粒同时共存于同一菌体
10、内n不相容性不相容性不能同时共存不能同时共存 n根据所编码的生物学性状根据所编码的生物学性状噬菌体（噬菌体（bacteriophage，phage）是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒病毒。噬菌体具有病毒的一般特点：噬菌体具有病毒的一般特点：个体微小，可通过滤菌器。个体微小，可通过滤菌器。结构简单，无完整细胞结构。结构简单，无完整细胞结构。蛋白质衣壳与核酸核心蛋白质衣壳与核酸核心专性细胞内寄生，严格宿主特异性专性细胞内寄生，严格宿主特异性形态：形态：蝌蚪形、微球形和细杆形蝌蚪形、微球形和细杆形3、噬菌体噬菌体噬菌体感染细菌有两种结果：噬菌体感
11、染细菌有两种结果：毒性噬菌体毒性噬菌体 能在宿主细胞内复制增殖，产生许多能在宿主细胞内复制增殖，产生许多 (virulent phage)：子代噬菌体，并最终裂解细菌，建立子代噬菌体，并最终裂解细菌，建立 溶菌性周期。溶菌性周期。温和噬菌体温和噬菌体 噬菌体基因与宿主染色体整合，成为前噬菌体基因与宿主染色体整合，成为前 (temperate phage)：噬菌体，细菌变成溶原性菌，不产生子噬菌体，细菌变成溶原性菌，不产生子 代噬菌体，但噬菌体代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌能随细菌DNA 复制而复制，并随细菌的分裂而传代，复制而复制，并随细菌的分裂而传代，建立溶原性周期。建立溶原性周期。噬菌体
12、与细菌相互关系噬菌体与细菌相互关系毒性噬菌体溶菌性周期毒性噬菌体溶菌性周期n吸附吸附n穿入穿入n生物合成生物合成n成熟与释放成熟与释放噬菌现象噬菌现象n液体培养基：混浊液体培养基：混浊 澄清澄清n固体培养基：出现噬斑（固体培养基：出现噬斑（plaque）n噬斑形成单位（噬斑形成单位（pfu）前噬菌体（前噬菌体（prophage）:整合在细菌基因组中的噬整合在细菌基因组中的噬菌体基因菌体基因溶原性细菌溶原性细菌溶原性噬菌体溶原性噬菌体溶原性周期溶原性周期溶原状态溶原状态温和噬菌体的溶原性周期温和噬菌体的溶原性周期溶原性周期溶原性周期 溶菌性周期溶菌性周期转导转导溶原性转换溶原性转换4、转座子（、
13、转座子（transposon,Tn）n是一类在细菌的是一类在细菌的之之间自行移动的遗传成分，是基因组中一段间自行移动的遗传成分，是基因组中一段特异的具有转位特性的特异的具有转位特性的的的DNA序列序列。n插入序列（插入序列（insertion sequence，IS）n是最简单的转座子，是最简单的转座子，2kb，仅携带自身转座所需酶的基，仅携带自身转座所需酶的基因，不携带任何与插入功能无关的基因区域。因，不携带任何与插入功能无关的基因区域。n转座子（转座子（transposon，Tn）或复合转座子）或复合转座子n2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、，除携带与转位有关的基因外，还
14、携带耐药性基因、重金属抗性基因、毒素基因及其他结构基因。重金属抗性基因、毒素基因及其他结构基因。n可能与细菌的多重耐药性有关。可能与细菌的多重耐药性有关。IS ISResistance Gene(s)Tn转座子携带的耐药基因或毒素基因转座子携带的耐药基因或毒素基因转座子转座子携带耐药或毒素基因携带耐药或毒素基因Tn1 Tn2 Tn3AP（氨苄青霉素）（氨苄青霉素）Tn4AP、str（链霉素）、（链霉素）、Su（磺胺）（磺胺）Tn5Kan（卡那霉素）卡那霉素）、strTn6KanTn7TMP（甲氧苄氨嘧啶）（甲氧苄氨嘧啶）、strTn9Cam（氯霉素）（氯霉素）Tn10Tet（四环素）（四环素）
15、tn551Em（红霉素）（红霉素）Tn971EmTn681大肠埃希菌肠毒素基因大肠埃希菌肠毒素基因非遗传性变异：非遗传性变异：是细菌在环境因素等影响下出是细菌在环境因素等影响下出现的表型变化，这种变化不是因基因结构的变化现的表型变化，这种变化不是因基因结构的变化而产生的。而产生的。遗传性变异：遗传性变异：是由基因结构发生改变所致，主是由基因结构发生改变所致，主要通过要通过基因突变、基因的损伤后修复、基因的转基因突变、基因的损伤后修复、基因的转移与重组移与重组来实现。来实现。三、细菌变异的机制三、细菌变异的机制突变突变(mutation)：是细菌遗传物质的结构发生突是细菌遗传物质的结构发生突然而
16、稳定的改变，是然而稳定的改变，是DNA序列的永久性变化，可序列的永久性变化，可能导致细菌性状的遗传性变异。能导致细菌性状的遗传性变异。发生发生 表现型表现型（一）基因突变（一）基因突变自发突变自发突变（spontaneous mutation)突变率低突变率低10-1010-6诱发突变诱发突变（induced mutation)突变率提高突变率提高10-610-4野生型野生型（wild strain)首次从自然界分离的存在于细菌中首次从自然界分离的存在于细菌中的形式的形式突变型突变型（mutant strain)某一性状的野生型基因突变形成某一性状的野生型基因突变形成突变的类型突变的类型n小突
17、变小突变/点突变点突变 细菌细菌DNA中一个或几个碱基的置换、插入或丢失。中一个或几个碱基的置换、插入或丢失。n单点突变单点突变n多点突变多点突变n大突变大突变 大段大段DNA的突变。的突变。基因突变规律基因突变规律1、突变率、突变率2、突变与选择（以耐药突变株为例）、突变与选择（以耐药突变株为例）n实验：影印试验实验：影印试验n说明：耐药突变株在接触药物之前出现，药物说明：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，淘汰敏感株的作用是选择耐药株，淘汰敏感株n结论：细菌基因突变产生耐药性，与抗生素的结论：细菌基因突变产生耐药性，与抗生素的使用无关使用无关影印试验影印试验(replic
18、a plating)3、回复突变、回复突变回复突变并没有纠正正向突变的回复突变并没有纠正正向突变的DNADNA序列，而只是抑制序列，而只是抑制了正向突变的所致的性状改变，故称了正向突变的所致的性状改变，故称抑制突变抑制突变，以区别，以区别真正的原位回复突变到野生株。真正的原位回复突变到野生株。第一次突变第一次突变正向突变正向突变突变株突变株第二次突变第二次突变回复突变回复突变表现野生株性表现野生株性状的突变株状的突变株野生株野生株(二二)基因的转移和重组基因的转移和重组n基因转移（基因转移（gene transfer）n外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的外源性的遗传物质由供体菌转入某受
19、体菌细胞的过程称为基因转移。过程称为基因转移。n重组（重组（recombination）n转移的基因自行复制表达或与受体菌转移的基因自行复制表达或与受体菌DNA整合在整合在一起，使受体菌获得供体菌的某些性状。一起，使受体菌获得供体菌的某些性状。n基因的转移和重组可通过基因的转移和重组可通过转化转化、接合接合、转导转导、溶原溶原性转换性转换和和原生质体融合原生质体融合等方式进行。等方式进行。转化（转化（transformation）n供体菌裂解后游离的供体菌裂解后游离的DNA片段被受体菌直片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。接摄取，使受体菌获得新的性状。转化试验转化试验n在转化过程中，能
20、转化的在转化过程中，能转化的DNA片段称为转化因子片段称为转化因子，分子量，分子量小于小于107，最多不超过，最多不超过1020个基因。个基因。n同时受体菌须进入感受态同时受体菌须进入感受态（competence）。）。接合（接合（conjugation）n细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。）从供体菌转移给受体菌。n接合性质粒：接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒，如能通过接合方式转移的质粒，如F质粒、质粒、R质粒、质粒、Col质粒和毒力质粒等。质粒和毒力质粒等。n非接合性质粒：非接合性质粒：不能通
21、过性菌毛在细菌间转移不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒。的质粒。F质粒的接合质粒的接合F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipientF+F-nR质粒与细菌耐药性有关，尤其与细菌多重质粒与细菌耐药性有关，尤其与细菌多重耐药性有关。耐药性有关。R质粒的接合质粒的接合nR质粒的结构质粒的结构n耐药传递因子（耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF）n与与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移n耐药（耐药（r）决定子）决定子n编码细菌的耐药性编码细菌的耐药性转导（转导（transduction）n以以温和噬菌体温
22、和噬菌体为载体，将供体菌的一段为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。的性状。n普遍性转导（普遍性转导（generalized transduction）n局限性转导（局限性转导（restricted transduction）普遍性转导（普遍性转导（generalized transduction）n前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖，复前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖，复制产生的大量噬菌体制产生的大量噬菌体DNA，在装配时可能发生错，在装配时可能发生错误，将细菌的误，将细菌的DNA片段装入噬菌体的头部。当该片段装入噬菌体的头
23、部。当该噬菌体感染另一宿主菌时，将其头部的染色体注噬菌体感染另一宿主菌时，将其头部的染色体注入受体菌内。入受体菌内。n被包装和转导的被包装和转导的DNA可以是供体菌染色体或质粒可以是供体菌染色体或质粒上的任何部分。上的任何部分。供体菌供体菌受体菌受体菌转导噬菌体转导噬菌体细菌细菌DNA噬菌体噬菌体DNA结果结果n完全转导完全转导n流产转导流产转导未整合未整合整合整合局限性转导局限性转导（restricted transduction）n当前噬菌体从细菌染色体上脱离时发生偏差，将当前噬菌体从细菌染色体上脱离时发生偏差，将自身的一段自身的一段DNA留在细菌染色体上，而带走了前留在细菌染色体上，而带
24、走了前噬菌体两侧的细菌染色体噬菌体两侧的细菌染色体DNA。当其转导并整合。当其转导并整合到受体菌中，使受体菌获得供体菌的某些遗传性到受体菌中，使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。状。n又称特异性转导，所转导的只限于供体菌染色体又称特异性转导，所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。上特定的基因。普遍性转导与局限性转导的区别普遍性转导与局限性转导的区别区别要点区别要点普遍性转导普遍性转导局限性转导局限性转导基因转导发生的时期基因转导发生的时期裂解期裂解期溶原期溶原期转导的遗传物质转导的遗传物质供体菌染色体供体菌染色体DNA任何部位或质粒任何部位或质粒噬菌体噬菌体DNA及供体及供体菌菌DNA的特定部
25、位的特定部位转导的后果转导的后果完全转导或流产转完全转导或流产转导导受体菌获得供体菌受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗特定部位的遗传特性传特性转导频率转导频率受体菌的受体菌的10-7转导频率较普遍转转导频率较普遍转导增加导增加1000倍倍(10-4)溶原性转换（溶原性转换（lysogenic conversion）n当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中整合了噬当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中整合了噬菌体的菌体的DNA片段，使其成为溶原状态时而致细菌片段，使其成为溶原状态时而致细菌获得新的性状。获得新的性状。n白喉棒状杆菌、白喉棒状杆菌、A群链球菌、肉毒梭菌、产气荚膜梭菌、群链球菌、肉毒梭菌、产
26、气荚膜梭菌、霍乱弧菌霍乱弧菌原生质体融合（原生质体融合（protoplast fusion）两种细菌经溶菌酶或青霉素处理失去细胞壁两种细菌经溶菌酶或青霉素处理失去细胞壁形成原生质体后，进行彼此融合的过程。形成原生质体后，进行彼此融合的过程。融合后的双倍体细胞可短期生存，染色体之融合后的双倍体细胞可短期生存，染色体之间可发生基因的交换和重组，获得多种不同表间可发生基因的交换和重组，获得多种不同表型的重组融合体。型的重组融合体。类型类型基因来源基因来源转移方式转移方式转化转化供菌供菌摄入摄入接合接合供菌（质粒供菌（质粒DNA）通过性菌毛通过性菌毛转导转导供菌供菌噬菌体为载体噬菌体为载体溶原性转换溶
27、原性转换噬菌体噬菌体整合整合原生质体融合原生质体融合两菌原生质体的两菌原生质体的DNA融合融合基因的转移与重组基因的转移与重组第三节第三节 病毒的遗传和变异病毒的遗传和变异一、病毒的基因组一、病毒的基因组n病毒仅含一种类型核酸，病毒仅含一种类型核酸，DNA或或RNAn形式多样性形式多样性nDNA/RNA、线型、线型/环型、单链环型、单链/双链、双链、正链正链/负链、分节段负链、分节段/不分节段不分节段n还有携带反转录酶的还有携带反转录酶的RNA病毒病毒n重叠基因重叠基因二、基因突变二、基因突变突变株突变株因基因突变，导致表型性状改变的病毒毒株。因基因突变，导致表型性状改变的病毒毒株。条件致死性
28、突变株条件致死性突变株 温度敏感突变株温度敏感突变株缺陷型干扰突变株缺陷型干扰突变株宿主范围突变株宿主范围突变株耐药突变株耐药突变株三、基因重组与重配三、基因重组与重配n两种病毒感染同一宿主细胞时，发生基因交两种病毒感染同一宿主细胞时，发生基因交换而产生具有两个亲代特征的子代病毒。换而产生具有两个亲代特征的子代病毒。基因重组基因重组不基因组分节段病毒不基因组分节段病毒 基因重配基因重配基因组分节段的病毒基因组分节段的病毒类型：类型：活病毒与灭活病毒之间（交叉复活）活病毒与灭活病毒之间（交叉复活）灭活病毒之间（多重复活）灭活病毒之间（多重复活）四、基因整合（四、基因整合（gene integra
29、tion）n病毒基因组（病毒基因组（DNA病毒与逆转录病毒）与病毒与逆转录病毒）与宿主细胞基因组的重组过程。宿主细胞基因组的重组过程。n整合可引起宿主细胞基因改变整合可引起宿主细胞基因改变细胞遗传性改变细胞遗传性改变细胞转化细胞转化个别可发生细胞恶性转化个别可发生细胞恶性转化肿瘤肿瘤 互补和加强互补和加强：两种病毒感染同一细胞时，其中一种病毒的基两种病毒感染同一细胞时，其中一种病毒的基因产物（如结构蛋白和代谢酶等）促使另一种病毒增殖。因产物（如结构蛋白和代谢酶等）促使另一种病毒增殖。辅助病毒与缺陷病毒之间辅助病毒与缺陷病毒之间 活病毒与灭活病毒之间活病毒与灭活病毒之间 两个不同的缺陷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五、病毒基因产物的相互作用表型混合与核壳转移：表型混合与核壳转移：两株病毒共同感染同一细胞时，一两株病毒共同感染同一细胞时，一种病毒复制的核酸被另一种病毒所编码的衣壳或包膜包裹。种病毒复制的核酸被另一种病毒所编码的衣壳或包膜包裹。v在疾病的诊断、治疗与预防中的作用在疾病的诊断、治疗与预防中的作用v微生物基因组研究微生物基因组研究v在测定致癌物质中的应用在测定致癌物质中的应用v在流行病学中的应用在流行病学中的应用v在基因工程中的应用在基因工程中的应用第四节第四节 微生物遗传变异在医学上的应用微生物遗传变异在医学上的应用
