微生物學(xué)與免疫學(xué)：第11章 微生物的遺傳與變異

1、第第1111章章 微生物的遺傳與變異微生物的遺傳與變異 遺傳遺傳（heredityheredity） 遺傳使細(xì)菌的性狀保持相對(duì)遺傳使細(xì)菌的性狀保持相對(duì)穩(wěn)定穩(wěn)定，且代，且代 代相傳，使其種屬得以保存。代相傳，使其種屬得以保存。 變異變異（variationvariation） 在一定條件下，子代和親代之間以及子在一定條件下，子代和親代之間以及子 代和子代之間的代和子代之間的差異差異稱為變異稱為變異。 細(xì)菌的遺傳：細(xì)菌的遺傳：指親代細(xì)菌與子代細(xì)菌的相似性，指親代細(xì)菌與子代細(xì)菌的相似性， 它使細(xì)菌的性狀保持相對(duì)穩(wěn)定，是各種細(xì)菌存在它使細(xì)菌的性狀保持相對(duì)穩(wěn)定，是各種細(xì)菌存在 的根據(jù)。的根據(jù)。 細(xì)菌的變

2、異：細(xì)菌的變異：指親代與子代以及子代細(xì)菌之間的指親代與子代以及子代細(xì)菌之間的 不相似性，細(xì)菌得以發(fā)展進(jìn)化。不相似性，細(xì)菌得以發(fā)展進(jìn)化。 第一節(jié)微生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)第一節(jié)微生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ) 一、微生物的遺傳物質(zhì)一、微生物的遺傳物質(zhì) （一）病毒的遺傳物質(zhì)（一）病毒的遺傳物質(zhì) （二）原核生物的遺傳物質(zhì)（二）原核生物的遺傳物質(zhì) （三）真核生物的遺傳物質(zhì)（三）真核生物的遺傳物質(zhì) 二、質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子二、質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座因子 1 1、質(zhì)粒、質(zhì)粒 醫(yī)學(xué)上重要的質(zhì)粒：醫(yī)學(xué)上重要的質(zhì)粒： F F質(zhì)粒（致育質(zhì)粒）質(zhì)粒（致育質(zhì)粒） 與性生殖功能有關(guān)帶有與性生殖功能有關(guān)帶有, ,能長(zhǎng)出性菌毛能長(zhǎng)出性菌毛; ;無(wú)無(wú)F F質(zhì)粒

3、的質(zhì)粒的 為雌性菌為雌性菌, ,無(wú)性菌毛無(wú)性菌毛 耐藥性質(zhì)粒耐藥性質(zhì)粒 編碼對(duì)抗生素和重金屬鹽類的耐藥性編碼對(duì)抗生素和重金屬鹽類的耐藥性, ,包括接合包括接合 性性(R)(R)耐藥性質(zhì)粒和非接合性耐藥性質(zhì)粒耐藥性質(zhì)粒和非接合性耐藥性質(zhì)粒 毒力質(zhì)?；蚨玖|(zhì)?；騐iVi質(zhì)粒質(zhì)粒 編碼與致病性有關(guān)的致病因子編碼與致病性有關(guān)的致病因子, ,如大腸埃希菌質(zhì)粒如大腸埃希菌質(zhì)粒 編碼的耐熱性腸毒素編碼的耐熱性腸毒素(ST)(ST)和不耐熱性腸毒素和不耐熱性腸毒素(LT) (LT) 細(xì)菌素質(zhì)粒細(xì)菌素質(zhì)粒 編碼各種細(xì)菌素編碼各種細(xì)菌素, ,如大腸埃希菌如大腸埃希菌ColCol質(zhì)粒編碼的大質(zhì)粒編碼的大 腸菌素腸菌

4、素 代謝質(zhì)粒代謝質(zhì)粒 編碼產(chǎn)生各種相關(guān)的代謝酶編碼產(chǎn)生各種相關(guān)的代謝酶, ,如沙門菌發(fā)酵乳糖的如沙門菌發(fā)酵乳糖的 能力是質(zhì)粒編碼能力是質(zhì)粒編碼 2 2、轉(zhuǎn)座因子、轉(zhuǎn)座因子 （一）原核生物的轉(zhuǎn)座因子（一）原核生物的轉(zhuǎn)座因子 1.1.插入序列插入序列 2.2.轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子 3.3.轉(zhuǎn)座噬菌體轉(zhuǎn)座噬菌體 （二）轉(zhuǎn)座機(jī)制及遺傳學(xué)效應(yīng)（二）轉(zhuǎn)座機(jī)制及遺傳學(xué)效應(yīng) 1.1.轉(zhuǎn)座機(jī)制轉(zhuǎn)座機(jī)制 （1 1）保守性轉(zhuǎn)座）保守性轉(zhuǎn)座 （2 2）復(fù)制性轉(zhuǎn)座）復(fù)制性轉(zhuǎn)座 2.2.遺傳學(xué)效應(yīng)遺傳學(xué)效應(yīng) （1 1）插入突變）插入突變 （2 2）插入位置出現(xiàn)新基因）插入位置出現(xiàn)新基因 （3 3）造成受體）造成受體DNADNA分

5、子插入位置上靶序列的重復(fù)分子插入位置上靶序列的重復(fù) （4 4）促使發(fā)生染色體畸變）促使發(fā)生染色體畸變 （5 5）回復(fù)突變）回復(fù)突變 第二節(jié)第二節(jié) 噬菌體噬菌體(phage)(phage) 噬菌體噬菌體：是感染細(xì)菌、真菌、放線菌或螺旋體等：是感染細(xì)菌、真菌、放線菌或螺旋體等 微生物的病毒微生物的病毒。 噬菌體具有噬菌體具有病毒的一些特性病毒的一些特性： 個(gè)體個(gè)體微小微小，可以通過(guò)濾菌器；，可以通過(guò)濾菌器； 沒有完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，主要由蛋白質(zhì)構(gòu)成的沒有完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，主要由蛋白質(zhì)構(gòu)成的衣衣 殼殼和包含于其中的和包含于其中的核酸核酸組成；組成； 只能在活的微生物細(xì)胞內(nèi)復(fù)制增值，是一種專只能在活的微生物

6、細(xì)胞內(nèi)復(fù)制增值，是一種專 性性細(xì)胞內(nèi)寄生細(xì)胞內(nèi)寄生的微生物。的微生物。 第一節(jié)第一節(jié) 噬菌體的生物學(xué)性狀噬菌體的生物學(xué)性狀 1.1.形態(tài)與結(jié)構(gòu)形態(tài)與結(jié)構(gòu) 噬菌體很小，在光鏡下看不見，需噬菌體很小，在光鏡下看不見，需用電鏡用電鏡觀察。觀察。 電鏡下有三種形態(tài)：電鏡下有三種形態(tài)：蝌蚪形蝌蚪形、微球形微球形和和絲形絲形。 蝌蚪形噬菌體結(jié)構(gòu)模式圖蝌蚪形噬菌體結(jié)構(gòu)模式圖 2. 2. 化學(xué)組成化學(xué)組成： 噬菌體主要由噬菌體主要由核酸和蛋白核酸和蛋白 質(zhì)質(zhì)組成。組成。 核酸為噬菌體的遺傳物質(zhì)核酸為噬菌體的遺傳物質(zhì)， 為為DNADNA或或RNARNA，并由此將噬菌體，并由此將噬菌體 分成分成DNADNA噬菌體

7、和噬菌體和RNARNA噬菌體噬菌體。 蛋白質(zhì)構(gòu)成噬菌體頭部蛋白質(zhì)構(gòu)成噬菌體頭部 的衣殼及尾部，起著的衣殼及尾部，起著保護(hù)核保護(hù)核 酸酸的作用，并決定噬菌體外的作用，并決定噬菌體外 形和形和表面特征表面特征。 3. 3. 抗原性抗原性 噬菌體噬菌體具有抗原性具有抗原性，能刺激機(jī)體產(chǎn)生特異性，能刺激機(jī)體產(chǎn)生特異性 抗體?？贵w。 4. 4. 抵抗力抵抗力： 噬菌體對(duì)理化因素及多數(shù)化學(xué)消毒劑的抵抗噬菌體對(duì)理化因素及多數(shù)化學(xué)消毒劑的抵抗 力力比一般細(xì)菌的繁殖體強(qiáng)比一般細(xì)菌的繁殖體強(qiáng)，7530min7530min滅活。噬菌滅活。噬菌 體體能耐受低溫和冰凍能耐受低溫和冰凍，但，但對(duì)紫外線和對(duì)紫外線和X X射

8、線敏感射線敏感。 二、二、 噬菌體與宿主菌細(xì)胞的關(guān)系噬菌體與宿主菌細(xì)胞的關(guān)系 n毒性噬菌體毒性噬菌體(virulent phage)(virulent phage)：能在宿主細(xì)胞內(nèi)：能在宿主細(xì)胞內(nèi) 復(fù)制增殖，產(chǎn)生許多子代噬菌體，并最終復(fù)制增殖，產(chǎn)生許多子代噬菌體，并最終裂解裂解細(xì)細(xì) 菌。菌。 n溫和噬菌體溫和噬菌體(temperate phage)(temperate phage)：噬菌體基因與：噬菌體基因與 宿主染色體宿主染色體整合整合，不產(chǎn)生子代噬菌體，但噬菌體，不產(chǎn)生子代噬菌體，但噬菌體 DNADNA能隨細(xì)菌能隨細(xì)菌DNADNA復(fù)制，并隨細(xì)菌的分裂而傳代。復(fù)制，并隨細(xì)菌的分裂而傳代。 又

9、稱又稱溶原性噬菌體溶原性噬菌體 1.1.毒性噬菌體的增殖與溶菌毒性噬菌體的增殖與溶菌 毒性噬菌體毒性噬菌體在敏感菌內(nèi)以在敏感菌內(nèi)以復(fù)制方式復(fù)制方式進(jìn)行進(jìn)行增增 殖殖，增殖過(guò)程包括：吸附、穿入、生物合，增殖過(guò)程包括：吸附、穿入、生物合 成、成熟和釋放。成、成熟和釋放。 （1 1）吸附吸附：是噬菌體與細(xì)菌表面受體：是噬菌體與細(xì)菌表面受體特特 異性結(jié)合異性結(jié)合的過(guò)程，特異性取決于噬菌體蛋的過(guò)程，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。白與宿主菌表面受體分子結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性。 吸附吸附 吸附是噬菌體與菌體表面吸附是噬菌體與菌體表面 受體發(fā)生受體發(fā)生特異性結(jié)合特異性結(jié)合的過(guò)的過(guò) 程，其特異

10、性取決于噬菌程，其特異性取決于噬菌 體蛋白與宿主菌表面受體體蛋白與宿主菌表面受體 分子結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性。分子結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性。 （2 2）穿入穿入： 有尾噬菌體有尾噬菌體吸附宿主后，借助尾部末端含有的一種類吸附宿主后，借助尾部末端含有的一種類 似似溶菌酶溶菌酶的物質(zhì)，在細(xì)菌細(xì)胞壁上溶一小孔，然后通過(guò)的物質(zhì)，在細(xì)菌細(xì)胞壁上溶一小孔，然后通過(guò) 尾鞘的收縮，將頭部尾鞘的收縮，將頭部DNADNA注入注入細(xì)菌體內(nèi)，而蛋白衣殼留細(xì)菌體內(nèi)，而蛋白衣殼留 在菌細(xì)胞外。在菌細(xì)胞外。 n無(wú)尾噬菌體無(wú)尾噬菌體 與與絲形噬菌體絲形噬菌體 可以可以脫殼脫殼的方的方 式進(jìn)入細(xì)菌細(xì)式進(jìn)入細(xì)菌細(xì) 胞內(nèi)。胞內(nèi)。 （3 3）生物合成生物

11、合成: : 轉(zhuǎn)錄形成轉(zhuǎn)錄形成mRNAmRNA，轉(zhuǎn)移成噬菌體所，轉(zhuǎn)移成噬菌體所 需的酶、調(diào)節(jié)蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白。需的酶、調(diào)節(jié)蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白。 n以噬菌體核酸為模板以噬菌體核酸為模板，通過(guò)核酸多聚酶催化作用，通過(guò)核酸多聚酶催化作用， 大量大量復(fù)制子代噬菌體的基因核酸復(fù)制子代噬菌體的基因核酸。 （4 4）成熟與釋放成熟與釋放: :蛋白質(zhì)和核酸合成后，在細(xì)胞質(zhì)蛋白質(zhì)和核酸合成后，在細(xì)胞質(zhì) 內(nèi)按一定程序裝配成成熟的噬菌體。內(nèi)按一定程序裝配成成熟的噬菌體。 當(dāng)子代達(dá)一定數(shù)目后，菌細(xì)胞突然當(dāng)子代達(dá)一定數(shù)目后，菌細(xì)胞突然裂解裂解，釋放出的，釋放出的 噬菌體又能感染新的敏感細(xì)菌。但有些噬菌體又能感染新的敏感細(xì)菌。但

12、有些絲形噬菌體絲形噬菌體 以以出芽方式出芽方式逐個(gè)釋放。逐個(gè)釋放。 2.2.溫和噬菌體的溶原周期溫和噬菌體的溶原周期 溫和噬菌體的基因組能與宿主菌基因組整合，并隨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。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。 整合整合在細(xì)菌基因組中的噬菌體基因組稱為在細(xì)菌基因組中的噬菌體基因組稱為前噬菌體前噬菌體 (prophage)(prophage)，帶有前噬菌體基因組的細(xì)菌稱為，帶有前噬菌體基因組的細(xì)菌稱為溶原性溶原性 細(xì)菌細(xì)菌(lysogenic bacterium).(lysogenic bacteriu

13、m). 前噬菌體偶爾可自發(fā)地或在某些理化和生物因素前噬菌體偶爾可自發(fā)地或在某些理化和生物因素 的誘導(dǎo)下的誘導(dǎo)下脫離脫離宿主菌基因組而進(jìn)入宿主菌基因組而進(jìn)入溶菌周期溶菌周期，產(chǎn)生，產(chǎn)生 成熟噬菌體，導(dǎo)致細(xì)菌裂解。溫和噬菌體既具成熟噬菌體，導(dǎo)致細(xì)菌裂解。溫和噬菌體既具溶原溶原 周期周期，也有溶菌周期，也有溶菌周期 溫和噬菌體可有三種存在狀態(tài)：溫和噬菌體可有三種存在狀態(tài)： A.A.游離的游離的具有感染性的噬菌體顆具有感染性的噬菌體顆 B.B.宿主菌胞質(zhì)內(nèi)宿主菌胞質(zhì)內(nèi)類似質(zhì)粒形式的噬菌類似質(zhì)粒形式的噬菌 體核酸體核酸； C.C.前噬菌體前噬菌體。 溶原性細(xì)菌具有抵抗同種或近緣噬菌體重溶原性細(xì)菌具有抵抗

14、同種或近緣噬菌體重 復(fù)感染的能力，稱復(fù)感染的能力，稱噬菌體免疫狀態(tài)噬菌體免疫狀態(tài)。 某些前噬菌體可導(dǎo)致細(xì)菌基因型和性狀發(fā)某些前噬菌體可導(dǎo)致細(xì)菌基因型和性狀發(fā) 生改變，這稱為生改變，這稱為溶原性轉(zhuǎn)換溶原性轉(zhuǎn)換 三、噬菌體的分離與測(cè)定三、噬菌體的分離與測(cè)定 1.1.噬菌體的分離噬菌體的分離 在液體培養(yǎng)基中，噬菌現(xiàn)象可使在液體培養(yǎng)基中，噬菌現(xiàn)象可使渾濁菌液變得澄渾濁菌液變得澄 清清。 在固體培養(yǎng)基上，噬菌體和宿主菌液混合后接種在固體培養(yǎng)基上，噬菌體和宿主菌液混合后接種 培養(yǎng)，培養(yǎng)基表面可有透亮的培養(yǎng)，培養(yǎng)基表面可有透亮的溶菌空斑溶菌空斑出現(xiàn)。出現(xiàn)。 一個(gè)空斑系由一個(gè)噬菌體一個(gè)空斑系由一個(gè)噬菌體 復(fù)制

15、增殖并裂解細(xì)菌后形復(fù)制增殖并裂解細(xì)菌后形 成，稱為成，稱為噬斑噬斑(plaque),(plaque),不不 同噬菌體噬斑的形態(tài)與大同噬菌體噬斑的形態(tài)與大 小不盡相同。小不盡相同。 噬斑噬斑 噬斑噬斑 熒光假單胞菌熒光假單胞菌 2.2.噬菌體的滴定噬菌體的滴定 效價(jià)效價(jià)( (滴度滴度Title)-Title)-是微生物或其產(chǎn)物、抗原是微生物或其產(chǎn)物、抗原 與抗體等活性與抗體等活性 高低的標(biāo)志。高低的標(biāo)志。 噬菌體效價(jià)噬菌體效價(jià)-指噬菌體的濃度，即每毫升樣指噬菌體的濃度，即每毫升樣 品含噬菌體的個(gè)數(shù)。通常是在含敏感菌的品含噬菌體的個(gè)數(shù)。通常是在含敏感菌的平板平板上形上形 成噬菌斑進(jìn)行噬菌體的計(jì)數(shù)，

16、以每毫升中含有的成噬菌斑進(jìn)行噬菌體的計(jì)數(shù)，以每毫升中含有的噬噬 菌斑形成單位菌斑形成單位（plaque forming unit/mlplaque forming unit/ml或或pfupfu/ml)/ml) 表示其效價(jià)。表示其效價(jià)。 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)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)的定一定體積內(nèi)的噬斑形成單位噬斑形成單位( (pfupfu) )數(shù)目，即噬菌體數(shù)目，即噬菌體 的數(shù)目。的數(shù)目。 四、四、 噬菌體的應(yīng)用噬菌體的應(yīng)用 細(xì)菌的鑒定與分型細(xì)菌的鑒定與分型 噬菌體與宿主菌的關(guān)系具有高度噬菌體與宿主菌的關(guān)系具有高度 特異性，即一種噬菌體

17、只能裂解一種和它相應(yīng)的細(xì)菌，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。故可用于未知細(xì)菌的鑒定和分型。 耐藥細(xì)菌感染的治療耐藥細(xì)菌感染的治療 分子生物學(xué)研究的重要工具分子生物學(xué)研究的重要工具 噬菌體基因數(shù)量少，結(jié)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。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。 分子生物學(xué)研究的重要工具分子生物學(xué)研究的重要工具. . 遺傳工程遺傳工程 噬菌體展示技術(shù)噬菌體展示技術(shù) 其他其他工業(yè)的發(fā)酵中嚴(yán)防噬菌體污染，選育抗噬菌體菌工業(yè)的發(fā)酵中嚴(yán)防噬菌體污染，選育抗噬菌體菌 株株 Example of a successful phage therapy treatment. Lytic phages specifically kill pathogenic bact