W遗传与变异

遗传性变异/基因型变异GENOTYPICVARIATION非遗传性变异/表型变异PHENOTYPICVARIATION第十章遗传与变异微生物遗传的物质基础遗传变异有无物质基础以及何种物质可承担遗传变异功能的问题，是生物学中的一个重大理论问题。直到1944年后，利用微生物这一实验对象进行了三个著名的实验，才以确凿的事实证实了核酸尤其是DNA才是遗传变异的真正物质基础。三个经典试验转化试验噬菌体感染试验植物病毒重建试验第一节细菌的遗传与变异一、细菌的变异现象形态结构变异V细菌L型VHO变异细菌失去鞭毛毒力变异V毒力增强无毒的白喉棒状杆菌感染温和噬菌体后成为有毒株。V毒力减弱有毒菌株变异为弱毒或无毒菌株卡介苗BACILLUSOFCALMETTEGERIN,BCG卡介二氏用有毒的牛结核分枝杆菌在含胆汁、甘油、马铃薯的培养基上，经13年连续230次传代所获得的一株毒力减弱但保留免疫原性的变异株。是用于预防结核病的减毒活疫苗。耐药性变异细菌对某种抗生素或药物由敏感变为不敏感即为细菌的耐药现象。耐药菌多重耐药菌抗生素依赖菌落变异光滑型（SMOOTH,S）粗糙型（ROUGH,R）SR变异S型菌株致病性强，一般新分离的菌株为S型。菌落发生变异后，细菌的理化特性、抗原性、生化能力、毒力等也可发生改变。二、细菌遗传变异的物质基础细菌染色体质粒染色体外物质转位因子（一）细菌染色体（BACTERIALCHROMOSOME）是一个环状双螺旋DNA长链；基因结构连续，排列紧密，不含内含子。细菌DNA的改变导致遗传性状发生改变。致病菌染色体上编码与毒力相关基因的外源DNA片段，是分子量较大（20100KB）的基因群，称致病岛（PATHOGENICITYISLANDS）。致病岛的两侧往往含有重复序列或插入序列，其GC百分比和密码子使用与宿主染色体明显不同。二、质粒（PLASMID）位于细菌细胞质中的染色体外的遗传物质，是闭合环状双链DNA，能自主复制，所携带的遗传信息能赋予细菌某些非生命必需的生物学性状如性菌毛、耐药性和毒力等。1、定义（1）有自我复制能力，随细菌分裂转移到子代细胞中。分为紧密型质粒和松弛型质粒（2）质粒编码的基因产物赋予细菌某些性状，如耐药性、毒性、致育性等。（3）可自行丢失与消除质粒不是细菌生长所必不可少的，失去质粒的细菌仍能正常存活。2、特征（4）质粒可以通过接合、转化或转导等方式在细菌间转移。接合性质粒与非接合性质粒（5）质粒的相容性与不相容性3、几种常见质粒F质粒FERTILITYFACTOR性菌毛有关R质粒RESISTANCEPLASMID与耐药性有关COL质粒COLPLASMID编码大肠菌素VI质粒VIRULENCEPLASMID与细菌毒力有关代谢质粒METABOLICPLASMID与代谢相关的酶类三、转位因子是存在于细菌染色体、质粒是存在于细菌染色体、质粒DNA或噬菌体上的一或噬菌体上的一段特异性核苷酸序列，能在段特异性核苷酸序列，能在DNA分子间移动引起相应分子间移动引起相应遗传性状改变。其本身不能独立复制，随插入部位的基遗传性状改变。其本身不能独立复制，随插入部位的基因而复制。因而复制。插入序列转座子前噬菌体1、插入序列（INSERTIONSEQUENCE，IS）是最小的转位因子，长度不超过2KB，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域。2、转座子、转座子（TRANSPOSON，TN）长度一般超过长度一般超过2KB，携带与转位有关的基因及与耐，携带与转位有关的基因及与耐药性、毒素等有关的基因。药性、毒素等有关的基因。IS中心序列IS2KB28KB2KB3、前噬菌体、前噬菌体指整合于细菌染色体中的噬菌体基因组。指整合于细菌染色体中的噬菌体基因组。噬菌体（PHAGE）概念噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。特点只有一种核酸类型、能通过滤菌器、无完整细胞结构、专性细胞内寄生、严格宿主特异性。形态结构电子显微镜下三种基本形态蝌蚪形、微球形和细杆状。大多数噬菌体呈蝌蚪形，分成头部和尾部。1、噬菌体的生物学性状噬菌体电镜照片噬菌体示意图核酸遗传物质（核酸遗传物质（DNA/RNA）蛋白质能保护噬菌体核酸，蛋白质能保护噬菌体核酸，决定其外形和表面特征决定其外形和表面特征化学组成化学组成抗原性抗原性噬菌体的衣壳蛋白具有抗原性，可刺激机体产生特异性抗体。该抗体能抑制相应噬菌体感染敏感细菌，但对已吸附或已进入宿主菌的噬菌体不起作用，噬菌体仍能复制增殖。根据和宿主的关系可将噬根据和宿主的关系可将噬菌体分为两类菌体分为两类毒性噬菌体毒性噬菌体和和温和噬菌体温和噬菌体。2、噬菌体与宿主菌的关系毒性噬菌体（VIRULENTPHAGE）是感染宿主菌后，能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并且最终裂解宿主菌。温和噬菌体（TEMPERATEPHAGE）/溶原性噬菌体（LYSOGENICPHAGE）感染宿主菌后，不裂解细菌，不产生子感染宿主菌后，不裂解细菌，不产生子代噬菌体，但噬菌体基因与宿主菌染色体整代噬菌体，但噬菌体基因与宿主菌染色体整合，随宿主菌合，随宿主菌DNA复制而复制，并随宿主菌复制而复制，并随宿主菌分裂而传代。分裂而传代。（1）毒性噬菌体溶菌周期毒性噬菌体在敏感菌体内的复制增殖过程亦是一个溶菌过程，故可称为复制周期或溶菌周期；包括吸附、穿入、生物合成、装配成熟和释放几个阶段。溶菌现象液体培养基中混浊菌液澄清；固体培养基中表现为噬斑。整合在宿主菌染色体DNA上的噬菌体基因组称为前噬菌体；带有前噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌。噬菌体基因随溶原性细菌的分裂而传给子代的状态称溶原状态。（2）温）温和和噬噬菌菌体体温和噬菌体感染宿主菌后所建立的溶温和噬菌体感染宿主菌后所建立的溶原状态可中断，前噬菌体可自发或在一定理原状态可中断，前噬菌体可自发或在一定理化因素诱导下从宿主菌染色体切离下来，重化因素诱导下从宿主菌染色体切离下来，重新复制新的子代噬菌体，最终裂解细菌。新复制新的子代噬菌体，最终裂解细菌。因此温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性因此温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性周期。周期。溶原性周期和溶菌性周期溶原性周期和溶菌性周期PROPHAGE整合在宿主菌基因组中的噬菌体基因组溶原性细菌溶原性细菌的溶原性周期和溶菌性周期溶原性周期溶菌性周期某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变，称为溶原性转换（LYSOGENICCONVERSION）。如白喉棒状杆菌、A群溶血性链球菌、肉毒梭菌、金黄色葡萄球菌产生相应的毒素等。三、细菌变异的机制遗传性变异是由基因结构发生改遗传性变异是由基因结构发生改变所致，基因结构的改变主要通过变所致，基因结构的改变主要通过基因基因突变、基因损伤后的修复、基因的转移突变、基因损伤后的修复、基因的转移与重组与重组等实现的。等实现的。一个基因内部遗传结构或DNA序列的任何改变，而导致的遗传变化称为基因突变。若发生变化的范围很小，称点突变。染色体的畸变是指由染色体的大段损伤引起的，包括大段染色体的缺失、重复、倒位等。（一）基因突变GENEMUTATION基因突变的规律1、突变率自发突变率很低，细菌分裂106109次发生一次突变，人工诱变指加入诱变理化因素、X线、紫外线、烷化剂、亚硝酸基提高101000倍。2、突变与选择突变是随机的，不定向的，而环境只起选择作用。彷徨试验和影印试验证明耐药突变菌株原先存在，抗生素使用后将耐药菌选择出来3、回复突变正向突变野生型突变株回复突变回复只是回复只是表型相同表型相同或相似，或相似，基因型不一基因型不一定完全相同定完全相同；有基因内抑制和基因间抑制。；有基因内抑制和基因间抑制。（二）DNA的损伤修复当细菌DNA偶尔受到损伤时，细菌会采用有效的修复系统进行细致的修复，使损伤降到最低，但同时也会出现错误，造成细菌的变异。包括光修复、切除修复、重组修复和SOS修复等。（三）基因的转移与重组GENETRANFERANDRECOMBINATION1转化TRANSFORMATION供体菌游离的DNA片段被受体菌直接摄取直接摄取，使受体菌获得新的性状。小鼠体内肺炎链球菌的转化试验细菌转化的条件包括受体菌与外源DNA的条件。A感受态细菌细菌的感受态是指细菌能够从周围环境中吸收外源DNA分子进行转化的生理状态。可用人工的方法提高受体菌感受态的水平，通过以CACL2、MGSO4等处理或电转化。B外源DNA双链DNA分子亲缘关系越近，DNA的纯度越高，则转化率越高。细菌通过细菌通过性菌毛性菌毛相互连接沟通，将遗相互连接沟通，将遗传物质从供体菌转移给受体菌。传物质从供体菌转移给受体菌。转移的遗传物质主要是转移的遗传物质主要是质粒质粒，亦可以，亦可以是供体菌的部分染色体是供体菌的部分染色体DNA分子。分子。2、接合、接合CONJUGATIONF质粒的接合HFR（高频重组菌）F质粒整合于宿主菌染色体后，能高效地带动细菌染色体上的基因转移入F菌，因此称为高频重组菌。在HFR中，F质粒结合在染色体的末端，当HFR与F菌杂交时，F质粒起发动转移的作用。供菌染色体先进入受体菌，F质粒最后进入。被转移的DNA可以是任意长度的供体菌染色体的片段。F质粒HFR菌中的F质粒可以从细菌染色体上切离下来，终止其HFR状态，切离时可能带有染色体上临近的基因，这种质粒称为F质粒。F菌有F质粒的细菌F菌F菌F菌F菌HFR菌染色体整合有F质粒的细菌HFR菌F菌HFR菌F菌F菌有F质粒的细菌F菌F菌F菌F菌F质粒带有宿主菌染色体基因的F质粒R质粒的接合R质粒RESISTANCEPLASMID非接合性质粒通过转化/噬菌体转导转移给受体菌接合性质粒耐药传递因子RTF发挥与F质粒相似的功能耐药决定子R编码耐药性以以噬菌体噬菌体为载体，将供体菌的一为载体，将供体菌的一段段DNA转移给受体菌，使其获得新的转移给受体菌，使其获得新的性状。性状。3、转导、转导TRANSDUCTION根据转导基因片段的范围，可分为两种普遍性转导L可转移供体菌DNA的任何片段。局限性转导L只转移前噬菌体插入部位邻近的供体菌DNA片段普遍转导噬菌体的溶菌周期发生装配错误，误将供体菌DNA装入噬菌体内成为一个转导噬菌体，再以正常方式感染另一宿主菌。由于这种过程是随机的，被包装的DNA可以是供体菌染色体的任意片段（包括质粒），故称为普遍性转导。外源性DNA片段与受体菌染色体整合，并随染色体复制而传代，称完全转导。外源性DNA片段游离在胞质中，既不能与受体菌染色体整合，也不能自身复制，称为流产转导。普遍性转导模式图温和噬菌体在溶原周期将温和噬菌体在溶原周期将DNA整合整合于供体菌染色体的特定部位，当其从染色于供体菌染色体的特定部位，当其从染色体上切离时发生偏差分离，带走相邻的细体上切离时发生偏差分离，带走相邻的细菌染色体基因，并将菌染色体基因，并将DNA转导给受体菌。转导给受体菌。其转导的是整合邻近部位供体菌的个别特其转导的是整合邻近部位供体菌的个别特定基因，故称为局限转导。定基因，故称为局限转导。局限转导局限转导温和噬菌体感染细菌时，宿主菌染温和噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的色体中获得了噬菌体的DNA片段，成为片段，成为溶原状态，从而使细菌获取新的生物学性溶原状态，从而使细菌获取新的生物学性状。状。4、溶原性转换、溶原性转换5原生质体融合PROTOPLASTFUSION将两种不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体以后进行相互融合的过程。类型基因来源转移方式转化供体菌游离DNA直接摄入接合供体菌性菌毛连接转导供体菌噬菌体介导溶原性转换噬菌体感染并整合基因转移和重组的方式比较基因转移和重组的方式比较第三节病毒的遗传与变异一、病毒的变异现象毒力变异抗原变异空斑变异对理化因素抵抗力或依赖性的变异二、病毒的基因组特点（1）仅含有一种核酸类型，DNA或RNA；（2）基因组小（3）具有多样性（4）基因重叠（5）有内含子三、病毒变异的机制（一）基因突变突变株指的是因基因改变而发生某些生物特性改变的毒株。一般采用的是从自然界分离，或是用紫外线，亚硝酸等理化因子诱发而获得。1、条件致死性突变株指在某种条件下增殖，而在另一种条件下不能增殖的病毒株。温度敏感突变株（TS）2835可增殖，3740不能增殖。具有减低毒力而保持免疫原性的特点，用于制备疫苗（POLIOV减毒活疫苗）2、缺陷干扰突变株（DIM）病毒基因组中碱基缺失突变引起，此类病毒不能单独复制，却能干扰感染性病毒颗粒的增殖。3、宿主范围突变株指病毒基因组突变而影响了对宿主细胞的感染范围，能感染野生型病毒所不能感染的细胞。4、耐药突变株（DRUGRESISTANTMUTANT）因编码病毒酶基因的改变而降低了靶酶对药物的亲和力或作用，从而产生相应的耐药作用而继续增殖。基因重组两种病毒感染同一种宿主细胞时，基因交换产生具有两种亲代病毒特征的子代病毒的过程称为基因重组，其子代病毒称为重组体。亲代V核酸子代V重组体（二）基因重组与重配亲代V1亲代V2子代V1子代V2基因重配对于基因分节段的RNA病毒（IFV，轮状病毒）等，通过交换RNA节段而进行的重组被称为重配。（三）基因整合病毒感染宿主细胞的过程中，有时病毒基因组中DNA片段可插入到宿主染色体DNA中，这种重组过程称为基因整合（GENEINTEGRATION）。例如HIV、HBV四、病毒基因产物的相互作用1、互补作用两种病毒同时感染同一细胞时，其中一种病毒的基因产物（结构蛋白或酶类）促进另一种病毒增殖。并非病毒基因的重组，而是能够互相提供所需的基因产物。互补作用可发生于互补作用可发生于L感染性感染性V缺损缺损VHBVHDVL感染性感染性V灭