1、病原生物學(xué)教研室病原生物學(xué)教研室Department of pathogenic Biology of Gannan Medical University醫(yī)學(xué)微生物學(xué)醫(yī)學(xué)微生物學(xué)Medical Microbiology張文平張文平Tel-Mail:第四章第四章細(xì)菌的遺傳變異細(xì)菌的遺傳變異概述概述n細(xì)菌的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理代謝、致病性和耐藥性細(xì)菌的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理代謝、致病性和耐藥性等性狀都是由基因決定的。細(xì)菌的基因決定了等性狀都是由基因決定的。細(xì)菌的基因決定了同一種間的相似性及個(gè)體間的差異性。同一種間的相似性及個(gè)體間的差異性。n遺傳：子代與親代間生物學(xué)性狀的相似性。遺傳：子

2、代與親代間生物學(xué)性狀的相似性。n變異：子代與親代間以及子代與子代間生物學(xué)變異：子代與親代間以及子代與子代間生物學(xué)性狀的差異。性狀的差異。n基因型：指生物的遺傳型，即控制性狀的基因基因型：指生物的遺傳型，即控制性狀的基因組合類型。是生物體從它的親本獲得全部基因組合類型。是生物體從它的親本獲得全部基因的總和。的總和。n表型：在一定條件下，特定基因?qū)嶋H表現(xiàn)出來表型：在一定條件下，特定基因?qū)嶋H表現(xiàn)出來的各種性狀。的各種性狀。概述概述 基因型變異 表型變異 原 因 基因改變 環(huán)境因素 可逆性 不可 可 遺傳性 可 不可 變異細(xì)菌 個(gè)別 全部 基因型和表型變異的比較基因型和表型變異的比較概述概述細(xì)菌變異的

3、現(xiàn)象 1.形態(tài)結(jié)構(gòu)變異：L型菌；鞭毛 、莢膜、芽 胞變異等 2.毒力變異：毒力減弱-疫苗制備； 毒力增強(qiáng)-細(xì)菌戰(zhàn) 3.耐藥性變異：臨床治療中嚴(yán)重問題 4.菌落變異：從光滑型（S） 粗糙型（R） 5.抗原性變異： 與細(xì)菌鑒定有關(guān)第一節(jié)第一節(jié) 細(xì)菌的遺傳物質(zhì)細(xì)菌的遺傳物質(zhì)1.細(xì)菌染色體細(xì)菌染色體n概念概念：一條環(huán)狀雙螺旋一條環(huán)狀雙螺旋DNA長長鏈，按一定構(gòu)型反復(fù)回旋成松散鏈，按一定構(gòu)型反復(fù)回旋成松散網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，附著在橫隔中介體或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，附著在橫隔中介體或細(xì)胞膜上。細(xì)胞膜上。n特征：特征：相對較小相對較小 ，只有一個(gè)復(fù)制肇始位點(diǎn)，只有一個(gè)復(fù)制肇始位點(diǎn)不含組蛋白不含組蛋白,無核膜包裹無核膜包裹功能上密

4、切相關(guān)的基因組成操縱子形式存在功能上密切相關(guān)的基因組成操縱子形式存在基因是連續(xù)的，結(jié)構(gòu)基因無內(nèi)含子基因是連續(xù)的，結(jié)構(gòu)基因無內(nèi)含子較少重疊基因較少重疊基因大部分大部分DNA用于編碼蛋白質(zhì)用于編碼蛋白質(zhì)大多情況下，結(jié)構(gòu)基因?yàn)閱伪扼w大多情況下，結(jié)構(gòu)基因?yàn)閱伪扼w1.細(xì)菌染色體細(xì)菌染色體n功能功能：細(xì)菌的主要遺傳物質(zhì)；細(xì)菌的主要遺傳物質(zhì)；決定細(xì)菌的基因型；決定細(xì)菌的基因型；為細(xì)菌生命活動(dòng)所必需。為細(xì)菌生命活動(dòng)所必需。2.質(zhì)粒質(zhì)粒n概念概念：細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì)，細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì)，環(huán)狀閉合雙股環(huán)狀閉合雙股DNA，位于細(xì)菌細(xì)胞，位于細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，能自我復(fù)制、控制著細(xì)菌的質(zhì)內(nèi)，能自我復(fù)制、控制著細(xì)菌的

5、某些生物學(xué)性狀。某些生物學(xué)性狀。n特征：特征：可自我復(fù)制可自我復(fù)制;編碼細(xì)菌某些重要的生物學(xué)性狀編碼細(xì)菌某些重要的生物學(xué)性狀;非細(xì)菌生活所必需，可自行丟失與消除非細(xì)菌生活所必需，可自行丟失與消除;轉(zhuǎn)移性轉(zhuǎn)移性:接合接合/轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化/傳導(dǎo)方式轉(zhuǎn)移傳導(dǎo)方式轉(zhuǎn)移;相容性與不相容性。相容性與不相容性。2.質(zhì)粒質(zhì)粒n種類：種類：F質(zhì)粒（致育質(zhì)粒）：編碼性菌毛。質(zhì)粒（致育質(zhì)粒）：編碼性菌毛。 有：雄性菌（有：雄性菌（F+） 無：雌性菌（無：雌性菌（F-）R質(zhì)粒（耐藥性質(zhì)粒質(zhì)粒（耐藥性質(zhì)粒 ）：編碼耐藥性。）：編碼耐藥性。 接合性接合性R質(zhì)粒：質(zhì)粒： 通過性菌毛轉(zhuǎn)移通過性菌毛轉(zhuǎn)移 非接合性非接合性R質(zhì)粒：通過

6、噬菌體轉(zhuǎn)移質(zhì)粒：通過噬菌體轉(zhuǎn)移2.質(zhì)粒質(zhì)粒n種類：種類：Vi質(zhì)粒（毒力質(zhì)粒）：編碼毒力因子。質(zhì)粒（毒力質(zhì)粒）：編碼毒力因子。 如：如：K質(zhì)粒：編碼粘附結(jié)構(gòu)質(zhì)粒：編碼粘附結(jié)構(gòu) ST或或LT質(zhì)粒：編碼腸毒素質(zhì)粒：編碼腸毒素Col質(zhì)粒（細(xì)菌素質(zhì)粒）：編碼細(xì)菌素。質(zhì)粒（細(xì)菌素質(zhì)粒）：編碼細(xì)菌素。 如：大腸桿菌如：大腸桿菌Col質(zhì)粒質(zhì)粒 ：編碼大腸菌素：編碼大腸菌素代謝質(zhì)粒：編碼代謝酶。代謝質(zhì)粒：編碼代謝酶。3.轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座因子n概念概念：細(xì)菌細(xì)菌DNA內(nèi)一段核苷酸內(nèi)一段核苷酸序列序列，能在，能在質(zhì)粒之間、質(zhì)粒與染色體之間質(zhì)粒之間、質(zhì)粒與染色體之間自行轉(zhuǎn)移自行轉(zhuǎn)移位置，位置，是細(xì)菌菌體內(nèi)是細(xì)菌菌體內(nèi)可移

7、動(dòng)可移動(dòng)的遺傳物質(zhì)的遺傳物質(zhì)n意義：改變遺傳物質(zhì)的核苷酸序列改變遺傳物質(zhì)的核苷酸序列影響插入點(diǎn)附近基因的表達(dá)（失活）影響插入點(diǎn)附近基因的表達(dá)（失活）直接插入一段新序列，造成基因的轉(zhuǎn)移和重組直接插入一段新序列，造成基因的轉(zhuǎn)移和重組均能造成細(xì)菌性狀的變異 3.轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座因子n分類：分類：插入序列插入序列(IS)7501550 bp兩端重復(fù)序列，與插入有關(guān)兩端重復(fù)序列，與插入有關(guān)中心序列有轉(zhuǎn)位酶基因中心序列有轉(zhuǎn)位酶基因3.轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子(Tn)7501550 bp兩端為兩端為IS 中心序列有與轉(zhuǎn)位無關(guān)基因中心序列有與轉(zhuǎn)位無關(guān)基因 如：毒素基因、耐藥基因等如：毒素基因、耐藥基因等4.整

8、合子（整合子（integron，In）n定位于細(xì)菌染色體、質(zhì)粒或轉(zhuǎn)座子上定位于細(xì)菌染色體、質(zhì)粒或轉(zhuǎn)座子上n基本結(jié)構(gòu)：兩端為保守末端，中間為可變區(qū)，基本結(jié)構(gòu)：兩端為保守末端，中間為可變區(qū)，含一個(gè)或多個(gè)基因盒含一個(gè)或多個(gè)基因盒n整合子含有整合子含有3個(gè)功能元件：重組位點(diǎn)；整合個(gè)功能元件：重組位點(diǎn)；整合酶基因；啟動(dòng)子酶基因；啟動(dòng)子n通過轉(zhuǎn)座子或接合性質(zhì)粒，使多種耐藥基因通過轉(zhuǎn)座子或接合性質(zhì)粒，使多種耐藥基因在細(xì)菌中進(jìn)行水平傳播在細(xì)菌中進(jìn)行水平傳播5.轉(zhuǎn)座噬菌體或前噬菌體轉(zhuǎn)座噬菌體或前噬菌體n是一些具有轉(zhuǎn)座功能的溶原性噬菌體，當(dāng)整是一些具有轉(zhuǎn)座功能的溶原性噬菌體，當(dāng)整合到細(xì)菌染色體上，能改變?nèi)茉约?xì)菌

9、的某合到細(xì)菌染色體上，能改變?nèi)茉约?xì)菌的某些生物學(xué)性狀。些生物學(xué)性狀。第三節(jié)第三節(jié) 基因轉(zhuǎn)移和重組基因轉(zhuǎn)移和重組概述概述基基因轉(zhuǎn)移：因轉(zhuǎn)移：外源性遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入受體菌外源性遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入受體菌細(xì)胞內(nèi)的過程。細(xì)胞內(nèi)的過程。基因重組基因重組：轉(zhuǎn)移的基因與轉(zhuǎn)移的基因與受體菌受體菌DNA發(fā)生整合。發(fā)生整合。概念：概念：受體菌直接受體菌直接攝取攝取供體菌裂解后游離供體菌裂解后游離 的的DNADNA片段片段而獲得新性狀。而獲得新性狀。轉(zhuǎn)化因子：轉(zhuǎn)化因子：在轉(zhuǎn)化過程中轉(zhuǎn)化的在轉(zhuǎn)化過程中轉(zhuǎn)化的DNADNA片段。分片段。分 子量子量1 110107 7 , 10-20 , 10-20個(gè)基因。個(gè)基因。

10、實(shí)驗(yàn)依據(jù)：實(shí)驗(yàn)依據(jù)：肺炎鏈球菌肺炎鏈球菌 莢膜莢膜 S型菌落型菌落 R型菌落型菌落 毒力毒力 S型菌型菌 R型菌型菌 1 1、轉(zhuǎn)化（、轉(zhuǎn)化（transformationtransformation）小鼠體內(nèi)肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)小鼠體內(nèi)肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn) 機(jī)制：感受態(tài)受體菌攝取同源機(jī)制：感受態(tài)受體菌攝取同源DNADNA后發(fā)生重組后發(fā)生重組+吸附吸附攝入攝入重組重組突變株突變株DNA受體受體影響轉(zhuǎn)化的因素：影響轉(zhuǎn)化的因素：n供、受菌的基因型n轉(zhuǎn)化因子分子量小于1107，不超過1020個(gè)基因，才可能被受體菌攝取n受體菌必須處于感受態(tài) 時(shí)，才能攝取轉(zhuǎn)化因子n環(huán)境因素：Ca2+、Mg2+、cAMP等可維持DN

11、A的穩(wěn)定性，促進(jìn)轉(zhuǎn)化作用。概念：通過性菌毛概念：通過性菌毛連接連接溝通，將遺傳物質(zhì)（質(zhì)粒或溝通，將遺傳物質(zhì)（質(zhì)粒或 染色體染色體DNA)DNA)從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌的過程。從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌的過程。 接合性質(zhì)粒：接合性質(zhì)粒：F F質(zhì)粒、質(zhì)粒、R R質(zhì)粒、質(zhì)粒、ColCol質(zhì)粒、質(zhì)粒、ViVi質(zhì)粒質(zhì)粒 非接合性質(zhì)粒非接合性質(zhì)粒 常見方式常見方式2、接合（、接合（conjugation）電鏡下的接合電鏡下的接合F 菌菌F菌菌vF質(zhì)粒的接合質(zhì)粒的接合性菌毛末端性菌毛末端- -受體接合橋形成受體接合橋形成F F質(zhì)粒形成切口，一條質(zhì)粒形成切口，一條DNADNA鏈進(jìn)入受體菌內(nèi)鏈進(jìn)入受體菌內(nèi)F F質(zhì)粒留在

12、供體細(xì)胞的一質(zhì)粒留在供體細(xì)胞的一條鏈進(jìn)行復(fù)制并形成互條鏈進(jìn)行復(fù)制并形成互補(bǔ)鏈補(bǔ)鏈F- 菌菌F+ 菌菌F- 菌菌F+ 菌菌F- 菌菌F+ 菌菌F+ 菌菌F+ 菌菌FFFF-F+F_性菌毛性菌毛F+F+F_高頻重組菌（高頻重組菌（high frequency recombinanthigh frequency recombinant，HfrHfr菌）：菌）：整合后的細(xì)菌能高效地轉(zhuǎn)移染色體上的基因。整合后的細(xì)菌能高效地轉(zhuǎn)移染色體上的基因。 HfrF-HfrF-HfrF-HfrF-F+ 菌菌HfrF 質(zhì)粒質(zhì)粒F 菌菌F質(zhì)粒質(zhì)粒雄性菌：雄性菌：（性菌毛）（性菌毛）F菌菌Hfr菌菌F+ 菌菌vR質(zhì)粒的接合

13、質(zhì)粒的接合單獨(dú)存在不能發(fā)生質(zhì)粒單獨(dú)存在不能發(fā)生質(zhì)粒接合性傳遞接合性傳遞a）組成組成耐藥性傳遞因子耐藥性傳遞因子（resistance transfer factor，RTF）耐藥決定子（耐藥決定子（r 決定子）決定子）存在方式：存在方式：RTFrRTF+r RTF:RTF:編碼性菌毛和轉(zhuǎn)移質(zhì)粒編碼性菌毛和轉(zhuǎn)移質(zhì)粒 r r決定子：編碼耐藥性決定子：編碼耐藥性b）功能功能ISRTFr決定子決定子RTFr決定子決定子ISTn9Tn4Tn5R質(zhì)粒結(jié)構(gòu)圖質(zhì)粒結(jié)構(gòu)圖分子量較小；分子量較小；無編碼轉(zhuǎn)移體系所需要的基因，故不能單獨(dú)無編碼轉(zhuǎn)移體系所需要的基因，故不能單獨(dú) 結(jié)合傳遞；結(jié)合傳遞；但如果在同一宿主細(xì)胞

14、因存在接合性質(zhì)粒但如果在同一宿主細(xì)胞因存在接合性質(zhì)粒 （F F或或R R質(zhì)粒），其可被誘動(dòng)傳遞。質(zhì)粒），其可被誘動(dòng)傳遞。非接合性質(zhì)粒：非接合性質(zhì)粒：3、轉(zhuǎn)導(dǎo)（、轉(zhuǎn)導(dǎo)（Transduction）1 1）概念：以溫和噬菌體為載體，將供菌體的一段）概念：以溫和噬菌體為載體，將供菌體的一段 DNADNA轉(zhuǎn)移到受體菌體內(nèi)，使受體菌獲得新轉(zhuǎn)移到受體菌體內(nèi)，使受體菌獲得新 的性狀。的性狀。2）類型）類型局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)/ /特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)普通性轉(zhuǎn)導(dǎo)普通性轉(zhuǎn)導(dǎo)A.普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo): 噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌染色體上噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌染色體上 任何部位任何部位DNA片片段，發(fā)生于裂解期。段，發(fā)生于裂解期。

15、完全轉(zhuǎn)導(dǎo)：供體菌完全轉(zhuǎn)導(dǎo)：供體菌DNA片段與受體菌染色片段與受體菌染色 體整合并隨之傳代。體整合并隨之傳代。 流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)：供體菌流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)：供體菌DNA片段不與受體菌染片段不與受體菌染 色體整合也不可自我復(fù)制。色體整合也不可自我復(fù)制。 （大多為此）（大多為此）細(xì)菌裂解期細(xì)菌裂解期細(xì)菌細(xì)菌DNA（將供菌任意（將供菌任意DNA裝配）裝配）噬菌體噬菌體DNA普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖整合整合未整合未整合完全轉(zhuǎn)導(dǎo)完全轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)菌被普遍性細(xì)菌被普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體感轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體感染染Lysogenic Phage脫離脫離供體菌錯(cuò)誤裝配 recipient 噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌染色體上特定部位的噬菌體

16、轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌染色體上特定部位的DNADNA片段片段, ,發(fā)生于溶原期。發(fā)生于溶原期。 噬菌體將自身一段噬菌體將自身一段DNADNA留在供菌染色體上，留在供菌染色體上， 卻卻將相鄰供菌的部分將相鄰供菌的部分DNADNA帶給受菌并整合至其染色體帶給受菌并整合至其染色體上。上。B.局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo):局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖正常脫離正常脫離斷裂和斷裂和 再接再接斷裂和斷裂和 再接再接偏差脫離偏差脫離galgalgalgalbiobiobiobio宿主菌獲得感染它的宿主菌獲得感染它的噬菌體的噬菌體的DNADNA片段片段而獲得而獲得新的遺傳性狀。新的遺傳性狀。 棒狀桿菌噬菌體棒狀桿菌噬菌體 如：

17、 白喉?xiàng)U菌白喉?xiàng)U菌 白喉?xiàng)U菌白喉?xiàng)U菌不產(chǎn)白喉毒素不產(chǎn)白喉毒素產(chǎn)白喉毒素產(chǎn)白喉毒素帶有帶有toxtox基因基因4.溶原性轉(zhuǎn)換溶原性轉(zhuǎn)換(lysogenic conversion)棒狀桿菌噬菌體棒狀桿菌噬菌體無毒白喉?xiàng)U菌無毒白喉?xiàng)U菌產(chǎn)毒白喉?xiàng)U菌產(chǎn)毒白喉?xiàng)U菌白喉?xiàng)U菌溶原性轉(zhuǎn)換示意圖白喉?xiàng)U菌溶原性轉(zhuǎn)換示意圖 概念：概念：人工將兩種不同的細(xì)菌經(jīng)溶菌酶人工將兩種不同的細(xì)菌經(jīng)溶菌酶 或青霉素等處理，失去細(xì)胞壁成為原生或青霉素等處理，失去細(xì)胞壁成為原生 質(zhì)體后進(jìn)行相互融合的過程質(zhì)體后進(jìn)行相互融合的過程 融合劑：融合劑：PEGPEG（聚乙二醇）（聚乙二醇） 應(yīng)用：應(yīng)用：基因轉(zhuǎn)輸、實(shí)驗(yàn)工具基因轉(zhuǎn)輸、實(shí)驗(yàn)工具5、原

18、生質(zhì)體融合（、原生質(zhì)體融合（proptopast fusion）原生質(zhì)體融合原生質(zhì)體融合第四節(jié)第四節(jié) 基因突變基因突變概述概述 n概念：概念：DNA堿基對的置換、插入或缺失所致的基堿基對的置換、插入或缺失所致的基因結(jié)構(gòu)的變化，分為點(diǎn)突變和染色體畸變因結(jié)構(gòu)的變化，分為點(diǎn)突變和染色體畸變n堿基置換包括轉(zhuǎn)換和顛換堿基置換包括轉(zhuǎn)換和顛換n基因突變分為：沉默突變、錯(cuò)義突變、無義突變基因突變分為：沉默突變、錯(cuò)義突變、無義突變n突變是基因型的遺傳性改變，可以是自發(fā)的，也突變是基因型的遺傳性改變，可以是自發(fā)的，也可是通過理化因子誘導(dǎo)突變。可是通過理化因子誘導(dǎo)突變。 一、基因突變規(guī)律一、基因突變規(guī)律 n自發(fā)突變與誘發(fā)突變自發(fā)突變與誘發(fā)突變n突變率：突變率：10-610-9n突變與選擇突變與選擇n回復(fù)突變與抑制突變回復(fù)突變與抑制突變彷徨試驗(yàn)：隨機(jī)的、非定向的突變是在接觸噬彷徨試驗(yàn)：隨機(jī)的、非定向的突變是在接觸噬 菌體之前就已發(fā)生，噬菌體對突變菌體之前就已發(fā)生，噬菌體對突變 僅起篩選而不是誘導(dǎo)作用。僅起篩選而不是誘導(dǎo)作用。一、基因突變規(guī)律一、基因突變規(guī)律 n自發(fā)突變與誘發(fā)突變自發(fā)突變與誘發(fā)突變n突變率：突變率：10-610-9n突變與選擇突變與選擇n回復(fù)突變與抑制突變回復(fù)突變與抑制突變二、突變型細(xì)菌及其分離：二、突變型細(xì)菌