醫(yī)學(xué)微生物學(xué)-授課講稿:第五章 遺傳與變異

第五章  遺傳與變異

遺傳：子代與親代性狀的相似性。

變異：子代與親代性狀的差異性。

基因型變異：基因結(jié)構(gòu)的改變�？蛇z傳的。

表型變異：基因結(jié)構(gòu)未改變。不可遺傳。

第一節(jié) 細(xì)菌的遺傳與變異

一、細(xì)菌的變異現(xiàn)象

 1.形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異：L型細(xì)菌，莢膜變異，鞭毛變異。

 2.毒力變異：卡介苗

 3.耐藥性變異

 4.菌落變異

 5.抗原性變異

二、與細(xì)菌遺傳變異相關(guān)的物質(zhì)

（一)細(xì)菌的染色體： 環(huán)狀、雙股、超螺旋DNA長鏈。

（二)質(zhì)粒(plasmid)：細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì)，環(huán)狀閉合的雙股DNA�？删�

碼許多重要的生物學(xué)性狀。

質(zhì)粒DNA的特性:

1．具有自我復(fù)制能力。緊密型質(zhì)粒；松弛型質(zhì)粒。

2．編碼的基因產(chǎn)物賦予細(xì)菌某些性狀特征；

3．可自行丟失與消除；

4．可在細(xì)菌間轉(zhuǎn)移；

5．分相容性與不相容性兩種。

（三)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。分布廣，有細(xì)菌的場所就有相應(yīng)的噬菌體存在。有嚴(yán)格的宿主特異性，只能在活的微生物細(xì)胞內(nèi)復(fù)制。

  1．生物學(xué)性狀

（1)形態(tài)與結(jié)構(gòu)

（2)化學(xué)組成： 核酸（DNA或RNA)；蛋白質(zhì)

2．分類

（1)毒性噬菌體（virulent  phage):能在宿主細(xì)胞內(nèi)增殖，產(chǎn)生許多子代噬菌體，并最終裂解細(xì)菌。

噬菌體溶菌過程:

  ①吸附: 噬菌體與細(xì)菌表面受體發(fā)生特異性結(jié)合的過程。

  ②穿入：噬菌體核酸進(jìn)入宿主細(xì)jfsoft.net.cn/wszg/胞的過程。

  ③生物合成：噬菌體利用宿主細(xì)胞的原料，合成自身的核酸和蛋白質(zhì)。

  ④成熟與釋放：將合成好的核酸和蛋白質(zhì)按一定程序裝配成完整的成熟噬菌體，最終細(xì)胞破裂，噬菌體釋放出來。

（2)溶原性噬菌體（lysogenicphage)：感染細(xì)菌后，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)菌分裂。

前噬菌體：整合在宿主菌基因組中的噬菌體的基因組。

溶原性細(xì)菌：帶有前噬菌體基因組的細(xì)菌。

（四)轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn)

1．概念：存在于細(xì)菌染色體或質(zhì)粒DNA分子上的一段特異性核苷酸序列片段，能在DNA分子中移動(dòng)。不斷改變它們?cè)诨�因組中的位置,能從一個(gè)基因組轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基因組中。  

2．分類：

（1)插入序列（insertion sequence，IS)：為最簡單的或序列較短的Tn，只含與轉(zhuǎn)位有關(guān)的基因。

（2)轉(zhuǎn)座子（Tn)：含轉(zhuǎn)位有關(guān)基因及耐藥性基因、 抗金屬基因、毒素基因或結(jié)構(gòu)基因等。Tn可在細(xì)菌的染色體和質(zhì)粒jfsoft.net.cn/rencai/之間、質(zhì)粒和質(zhì)粒之間轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致耐藥性的播散。

三、 細(xì)菌變異的機(jī)制

（一)、基因突變

1．突變: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。

2.基因突變的規(guī)律:

（1)突變率：自發(fā)突變→低；誘發(fā)突變→高。

（2)突變與選擇：隨機(jī)性 ；選擇性。

（3)回復(fù)突變：野生型→突變型→野生型 

  野生型：細(xì)菌在自然環(huán)境下具有的表現(xiàn)型 。

  突變型：發(fā)生突變后的菌株。

3.DNA的損傷修復(fù)

（1)光修復(fù)：經(jīng)紫外線照射后，細(xì)胞DNA上形成T-T二聚體，導(dǎo)致突變。如在紫

外線照射后立即將細(xì)菌暴露于可見光下，則受損的DNA可修復(fù)，細(xì)菌的存活率大大提高。 

（2)暗修復(fù)：切除修復(fù)---由核酸內(nèi)切酶將損傷的片段切除，再DNA聚合酶、連接酶等的作用下，將缺少的部分補(bǔ)齊。

（二)、基因的轉(zhuǎn)移與重組

  基因轉(zhuǎn)移(gene transfer)：外源性遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入某受體菌內(nèi)的過程。

基因重組(gene recombination)：轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA整合在一起的過程。

  供體菌(donor)；受體菌(recipient) 

１．轉(zhuǎn)化（transformation)： 供體菌游離的DNA片段被受體菌直接攝取，是受

體菌獲得新的性狀(圖5-1)。

     轉(zhuǎn)化因子：游離的DNA片段。分子量小于1×107。

 感 受 態(tài)：受體菌能攝取外源DNA片段的生理狀態(tài)。感受態(tài)一般出現(xiàn)在細(xì)菌對(duì)數(shù)生長期的后期，持續(xù)時(shí)間約3～4小時(shí)。

圖5-1   轉(zhuǎn)化模式圖

2.接合(conjugation)：細(xì)菌通過性菌毛，將遺傳物質(zhì)從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌的過程(圖5-2)。 

F質(zhì)粒、高頻重組菌（Hfr)、 R質(zhì)粒 的概念

3.轉(zhuǎn)導(dǎo)（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(dǎo)(generalizedtransduction)：噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌染色體上 任何部位DNA片段，發(fā)生于裂解期(圖5-3)。

①完全轉(zhuǎn)導(dǎo)：供體菌DNA片段與受體菌染色體整合并隨之傳代。

②流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)：供體菌DNA片段不與受體菌染色體整合也不可自我復(fù)制。（大多為此)

局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)(restrictedtransduction) ：噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌染色體上特

定部位的DNA片段，發(fā)生于溶原期。噬菌體將自身一段DNA留在供菌染色體上，卻將相鄰供菌的部分DNA帶給受菌并整合至其染色體上（圖5-4)。

4.溶原性轉(zhuǎn)換（lysogenic conversion)：當(dāng)噬菌體感染細(xì)菌時(shí)，宿主菌染色 體中獲得了噬菌體的DNA片段，使其成為溶原狀態(tài)時(shí)而使細(xì)菌獲得新的性狀（圖5-5)。

5.原生質(zhì)體融合(protoplastfusion)：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)胞壁成為原生質(zhì)體后進(jìn)行相互融合的過程。

第二節(jié) 病毒的遺傳與變異

一、病毒的基因組

  1. 遺傳物質(zhì)：DNA 或RNA

  2. 特點(diǎn)：只有一種核酸，且存在形式多樣；基因數(shù)目少，結(jié)構(gòu)較簡單；復(fù)制方式具有多樣性；有較大的遺傳不穩(wěn)定性。

二、基因突變

  1．突變：病毒基因組堿基序列發(fā)生改變。

  2．基因組突變的方式：點(diǎn)突變；缺失突變；插入突變。

3．突變類型：

（1)基因突變---突變發(fā)生在基因結(jié)構(gòu)內(nèi)，產(chǎn)生的變異株可導(dǎo)致特定表型的改變。

突變株（mutant):由基因突變產(chǎn)生的病毒表型性狀改變的毒株。

包括：條件致死性突變株、缺陷型干擾突變株、宿主范圍突變株、耐藥突變株

  （2)靜默突變---未引起表型改變的突變。  

三、基因重組與重配

1．重組：兩個(gè)病毒基因組間核酸序列互換、組合的過程。

2．重配：在分節(jié)段的病毒基因組之間，兩個(gè)病毒株可通過基因片斷的交換使子代基因組發(fā)生突變過程。

  3．重組與重配可導(dǎo)致基因復(fù)活：

  （1)交叉復(fù)活---活病毒與滅活病毒間。

（2)多重復(fù)活---兩個(gè)或多個(gè)滅活病毒間。 

四、基因整合：病毒基因組中DNA片段可插入到宿主染色體DNA中,導(dǎo)致病毒基因變異及宿主細(xì)胞染色體基因的改變。如：多種DNA病毒、反轉(zhuǎn)錄病毒。

五、病毒基因產(chǎn)物的相互作用

1．互補(bǔ)作用和加強(qiáng)作用

2．表型混合和核殼轉(zhuǎn)移 

第三節(jié)  微生物遺傳變異在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

一、在疾病診斷和防治中的應(yīng)用

診斷：與形態(tài)結(jié)構(gòu)、染色性、生化、抗原性等變異有關(guān)

    治療：與耐藥性變異有關(guān)

    預(yù)防：與毒力變異有關(guān)

二、微生物基因組研究

三、在檢測致癌物質(zhì)方面的應(yīng)用：Ames試驗(yàn)

傷寒菌his-(不生長)可疑致癌物 his+ (生長)

四、流行病學(xué)方面的應(yīng)用：

質(zhì)粒指紋圖（PFP)

五、基因工程方面的應(yīng)用

載體：質(zhì)粒/噬菌體

    工程菌：大腸桿菌