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第一节 概 述
在自然界有4000余种病毒，人类只对其中的5%有所了解，尚有95%不为人类所知。如：SARS—Cov、西尼罗河病毒、人高致病性禽流感病毒、埃博拉病毒、马尔堡出血热、Lassa fever等。更可怕的是这些病毒一旦基因组的突变跨越了物种间相对局限寄生的模式，就可造成某种疾病在不同物种间的暴发流行。在自然界有100多万种细菌，人类只对其中的2000种做过定性。面对如此复杂的微生物世界，人类对它们的认识才刚刚开始。近700年来，随着世界范围内人口的剧增，人类活动边界的扩大和活动强度的加强，人类愈来愈多地深入到一些自然疫源性疾病的疫源地，环境污染，全球气温的变暖（温室效应等），抗生素、杀虫剂及激素类药物的滥用，家禽养殖业的不科学和不规范，沿江、河大坝的修建，新开农田，便捷的交通，世界的都市化，以及野生动物被当宠物或摆上餐桌都加速了全球疾病的暴发和流行。
细菌作为我们这个星球上最早出现的生命形式，在地球上已存活了30多亿年。在这一漫长的生命过程中，生物细胞形式从原核细胞向真核细胞进化。但作为原核细胞生命形式的典型代表——细菌，也在发生着变异。当然“嗜极生物”出现，意味着生命出现在地球上时，不是像达尔文和一些科学家理论中所说的那样来自温暖而受潮汐影响的水域，而是在含硫的炽热环境中。包括在沸腾的热水中、冰冷的极地里、含有放射性和有毒化学物质的环境下，一些微生物生活的很有滋味，很可能是它们引发了一场生物学的革命。
原核生物一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因（如rRNA基因）是以多拷贝形式存在，整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成，几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。
细菌基因组比真核生物基因组要小得多，仅为人类基因组（31.647亿碱基对）的1%~1‰，而且没有内含子结构，是实验基因测序及分析的理想模式。细菌基因组是单一闭合环状的DNA分子，排列特征：一些基因可在染色体上单独存在，首先转录为mRNA，再翻译成相应的蛋白质；而大多数情况下，在共同的一个操纵子上带有一小串基因组，自一个启动子开始，依次转录成相关的功能蛋白质。蛋白质平均分子量45kDa，所需的基因平均长度1.1kb。在细菌染色体中存在大量潜在的未知功能基因区，约占1/3。目前已完成90多种病原菌的全基因测序，相信不久，数以千计的病原微生物基因图谱将被绘制出来。
微生物进化过程中外源性基因的获取——适应模式的提出，为研究疾病和绘制细菌进化树提供了理论上的指导作用。细菌基因组在进化过程中发生的变化大致可分为四类：碱基突变、经LGT（Later gene transfer）获得外源性遗传物质、基因剔除、基因组重组。其中LGT可一次性带来新的基因序列，赋予一种细菌新的生物学功能，包括适应生态位的能力，如突变的细菌开始感染不同宿主，引起不同的疾病等。耶尔森氏菌属的细菌在各自适应其独特的生态位进化过程中，基因组发生了相应的变化；而其中的一些变化就决定了这些细菌各自的疾病谱和宿主范围上的不同。同时鼠疫菌致病基因的表达完全受两套温度（在蚤体内≤28℃条件下和在宿主体内37℃）调节系统控制，即一些基因只在媒介蚤体内表达，另一些基因只在宿主体内表达。鼠疫菌致病基因的表达完全受环境因素调节。
细菌和病毒一样同属原核生物，因而细菌基因组的结构特点在许多方面与病毒的基因组特点相似，而在另一些方面又有其独特的结构和功能。在细菌蛋白质的转录中，发现信使核糖核酸形成的脉冲以不规则的间隔时间打开和关闭，显示其能量利用及蛋白合成的最佳节约化。
细菌染色体基因组结构的一般特点：（1）细菌的染色体基因组通常仅由一条环状双链DNA分子组成，细菌的染色体相对聚集在一起，形成一个较为致密的区域，称为类核。类核无核膜与胞浆分开，类核的中央部分由RNA和支架蛋白组成，外围是双链闭环的DNA超螺旋。染色体DNA通常与细胞膜相连，连接点的数量随细菌生长状况和不同的生活周期而异。在DNA链上的与DNA复制、转录有关的信号区域与细胞膜优先结合，如大肠杆菌染色体DNA的复制起点（OriC）、复制终点（TerC）等。细胞膜在这里的作用可能是对染色体起固定作用，另外，在细胞分裂时将复制后的染色体均匀地分配到两个子代细菌中去。有关类核结构的详细情况目前尚不清楚。（2）具有操纵子结构的基因为多顺反子，即数个功能相关的结构基因串联在一起，受同一个调节区的调节。数个操纵子还可以由一个共同的调节基因即调节子所调控。（3）在大多数情况下，结构基因在细菌染色体基因组中都是单拷贝，但是编码rRNA的基因rrn往往是多拷贝的，这样可能有利于核糖体的快速组装，便于在急需蛋白质合成时，细胞可以在短时间内有大量核糖体生成。（4）和病毒的基因组相似，不编码的DNA部分所占比例比真核细胞基因组少得多。（5）具有编码同工酶的同基因，如在大肠杆菌基因组中有两个编码分支酸变位酶的基因，两个编码乙酰乳酸合成酶的基因。（6）和病毒基因组不同的是，在细菌基因组中编码顺序一般不会重叠，即不会出现基因重叠现象。（7）在DNA分子中具有各种功能的识别区域，如复制起始区OriC，复制终止区TerC，转录启动区和终止区等。这些区域往往具有特殊的顺序，并且含有反向重复顺序。（8）在基因或操纵子的终末往往具有特殊的终止顺序，它可使转录终止和RNA聚合酶从DNA链上脱落。如大肠杆菌色氨酸操纵子后尾含有40bp的GC丰富区，其后紧跟AT丰富区，这就是转录终止子的结构。终止子有强、弱之分，强终止子含有反向重复顺序，可形成茎环结构，其后面为polyT结构，这样的终止子无需终止蛋白参与即可以使转录终止。而弱终止子尽管也有反向重复序列，但无polyT结构，需要有终止蛋白参与才能使转录终止。（9）除了有些具有相关功能的基因在一个操纵子内由一个启动子转录外，大多数基因的相对位置可以说是随机分布的。如控制小分子合成和分解代谢的基因，大分子合成和组装的基因分布在细菌基因组的许多部位，而不是集中在一起。再如，有关糖酵解的酶类的基因分布在染色体基因组的各个部位。（10）有些基因在操纵子的起始部位带有阻遏蛋白，需经体内特异因子激化后，mRNA才能有效结合在操纵子起始序列位置，开始蛋白质的转录。
病毒基因组的结构和功能：病毒是最简单的原核生物，完整的病毒颗粒包括外壳蛋白和内部的基因组DNA或RNA，有些病毒的外壳蛋白外面有一层由宿主细胞构成的被膜，被膜内含有病毒基因编码的糖蛋白。病毒不能独立地复制，必须进入宿主细胞中借助细胞内的一些酶类和细胞器才能使病毒得以复制。外壳蛋白（或被膜）的功能是识别和侵袭特定的宿主细胞并保护病毒基因组不受核酸酶的破坏。（1）病毒基因组大小相差较大，与细菌或真核细胞相比，病毒的基因组很小，但是不同的病毒之间其基因组相差亦甚大。如乙肝病毒DNA只有3kb大小，所含信息量也较小，只能编码4种蛋白质，而痘病毒的基因组有300kb之大，可以编码几百种蛋白质，不但为病毒复制所涉及的酶类编码，甚至为核苷酸代谢的酶类编码，因此，痘病毒对宿主的依赖性较乙肝病毒小得多。（2）病毒基因组可以由DNA组成，也可以由RNA组成，每种病毒颗粒中只含有一种核酸，或为DNA或为RNA，两者一般不共存于同一病毒颗粒中。组成病毒基因组的DNA和RNA可以是单链的，也可以是双链的，可以是闭环分子，也可以是线性分子。如乳头瘤病毒是一种闭环的双链DNA病毒，而腺病毒的基因组则是线性的双链DNA，脊髓灰质炎病毒是一种单链的RNA病毒，而有些病毒的基因组是双链的RNA分子。一般说来，大多数DNA病毒的基因组是双链DNA分子，而大多数RNA病毒的基因组是单链RNA分子。（3）多数RNA病毒的基因组是由连续的核糖核酸链组成，但也有些病毒的基因组RNA由不连续的几条核酸链组成，如流感病毒的基因组RNA分子是节段性的，由8条RNA分子构成，每条RNA分子都含有编码蛋白质分子的信息；而肠道病毒的基因组由双链的节段性的RNA分子构成，共有10个双链RNA片段，同样每段RNA分子都编码一种蛋白质。目前，还没有发现有节段性的DNA分子构成的病毒基因组。（4）基因重叠即同一段DNA片段能够编码两种甚至3种蛋白质分子，这种现象在其他的生物细胞中仅见于线粒体和质粒DNA，所以也可以认为是病毒基因组的结构特点。这种结构使较小的基因组能够携带较多的遗传信息。重叠基因是1977年Sanger在研究ΦX174时发现的。ΦX174是一种单链DNA病毒，宿主为大肠杆菌，因此，又是噬菌体。它感染大肠杆菌后共合成11个蛋白质分子，总分子量为25万左右，相当于6078个核苷酸所容纳的信息量。而该病毒DNA本身只有5375个核苷酸，最多能编码总分子量为20万的蛋白质分子，Sanger在弄清ΦX174的11个基因中有些是重叠的之前，这样一个矛盾长时间无法解决。重叠基因有以下几种情况：（1）一个基因完全在另一个基因里面。如基因A和B是两个不同基因，而B包含在基因A内。同样，基因E在基因D内。（2）部分重叠。如基因K和基因A及C的一部分基因重叠。（3）两个基因只有一个碱基重叠。如基因D的终止密码子的最后一个碱基是J基因起始密码子的第一个碱基（如TAATG）。这些重叠基因尽管它们的DNA大部分相同，但是由于将mRNA翻译成蛋白质时的读框不一样，产生的蛋白质分子往往并不相同。有些重叠基因读框相同，只是起始部位不同，如SV40DNA基因组中，编码三个外壳蛋白VP1、VP2、VP3基因之间有122个碱基的重叠，但密码子的读框不一样。而小t抗原完全在大T抗原基因里面，它们有共同的起始密码子。（5）病毒基因组的大部分是用来编码蛋白质的，只有非常小的一部分不被翻译，这与真核细胞DNA的冗余现象不同。如在ΦX174中不翻译的部分只占217/5375，G4DNA中占282/5577，都不到5%。不翻译的DNA顺序通常是基因表达的控制序列。如ΦX174的H基因和A基因之间的序列（3906~3973），共67个碱基，包括RNA聚合酶结合位，转录的终止信号及核糖体结合位点等基因表达的控制区。乳头瘤病毒是一类感染人和动物的病毒，基因组约8.0kb，其中不翻译的部分约为1.0kb，该区同样也是其他基因表达的调控区。（6）病毒基因组DNA序列中功能上相关的蛋白质的基因或rRNA的基因往往丛集在基因组的一个或几个特定的部位，形成一个功能单位或转录单元。它们可被一起转录成为含有多个mRNA的分子，称为多顺反子mRNA，然后再加工成各种蛋白质的模板mRNA。如腺病毒晚期基因编码病毒的12种外壳蛋白，在晚期基因转录时是在一个启动子的作用下生成多顺反子mRNA，然后再加工成各种mRNA，编码病毒的各种外壳蛋白，它们在功能上都是相关的；ΦX174基因组中的D—E—J—F—G—H基因也转录在同一mRNA中，然后再翻译成各种蛋白质，其中J、F、G及H都是编码外壳蛋白的，D蛋白与病毒的装配有关，E蛋白负责细菌的裂解，它们在功能上也是相关的。（7）除了反转录病毒以外，一切病毒基因组都是单倍体，每个基因在病毒颗粒中只出现一次。反转录病毒基因组有两个拷贝。（8）噬菌体（细胞病毒）的基因是连续的；而真核细胞病毒的基因是不连续的，具有内含子，除了正链RNA病毒之外，真核细胞病毒的基因都是先转录成mRNA前体，再经加工才能切除内含子成为成熟的mRNA。更为有趣的是，有些真核病毒的内含子或其中的一部分，对某一个基因来说是内含子，而对另一个基因却是外显子。如SV40和多瘤病毒的早期基因就是这样。SV40的早期基因即大T和小t抗原的基因都是从5146开始反时针方向进行，大T抗原基因到2676位终止，而小t抗原到4624位即终止了，但是，从4900到4555之间一段346bp的片段是大T抗原基因的内含子，而该内含子中从4900~4624之间的DNA序列则是小t抗原的编码基因。同样，在多瘤病毒中，大T抗原基因中的内含子则是中T和t抗原的编码基因。
一、鼠疫菌基因结构
鼠疫菌首先是在500万年前从某一肠杆菌株（共同的祖先）进化而来，大约在300多万年前分化为大肠埃氏菌、沙门氏菌属和植物病原菌属；接着在100多万年前，又从植物病原菌系（胡萝卜软腐欧文氏腐生菌）逐渐进化为小肠结肠炎耶尔森氏菌、假结核菌（包括从沙门氏伤寒杆菌中获取的一些全身致病性基因等）。最后是在1500~20000年间进化为鼠疫菌。当然进化过程中也从别的病毒和细菌获取了大量基因。其中一些基因是让鼠疫菌能在哺乳动物体内（血液中）存活，另一些基因则能使其寄生在媒介蚤体内，而不被各种蛋白消化酶所杀死，包括进一步在蚤的前胃中形成菌栓以及在蚤体中胃内特定条件下所产生的鼠毒素对自身的保护作用等；特别是磷脂酶D（PLD）基因的获取，导致鼠疫菌疾病谱和宿主范围的不同，与别的耶尔森氏菌属的细菌相比，其生态位的改变，成为鼠疫的致命“杀手锏”。同时染色体中许多区域存在横向转移的岛状结构，与假结核、小肠结肠炎菌共有的pCD质粒中，已存在着多个决定全身致病性的基因簇。鼠疫菌独特质粒中，更多编码决定全身致病性的基因，如F1、鼠毒素和鼠疫菌素。其中最大的质粒pMT由3种不同来源的DNA片段连接构成；最长的一部分来自伤寒杆菌的质粒，第二部分是由肠杆菌染色体上一些常见的基因构成。而最短的一部分，才是鼠疫菌独有的基因，编码了鼠疫菌的F1抗原和鼠毒素。鼠疫菌具有嗜淋巴组织的特性，定居淋巴组织后进行细胞外繁殖。黏附、侵袭、对宿主免疫细胞间信息的干扰和毒性作用是微生物致病的四大要素。而鼠疫菌黏附、侵袭的位点基因都已突变和退化，但它可以借助蚤的叮咬或表皮及黏膜的破损直接进入皮下组织。鼠疫菌在经破损的表皮或蚤的叮咬直接侵入皮下组织时，常引起侵入部位的炎症反应（包括趋化因子和炎症细胞反应），大部分鼠疫菌会被前来参与炎症反应的细胞及其因子所杀死，少部分会被炎症反应中的吞噬细胞所吞噬而存活下来。一旦进入吞噬细胞，鼠疫菌就会进入“休眠状态”，停止繁殖和细胞间的有丝分裂，合成厚厚的荚膜。以吞噬细胞作为载体，从皮下组织直接进入淋巴管，再经淋巴管到达局部淋巴结；然后再随吞噬细胞转移到肝、脾等免疫脏器繁殖，主要在细胞外繁殖。也就是说吞噬细胞在吞噬鼠疫菌后，并没有损伤鼠疫菌，而成为鼠疫菌在体内播散转运的载体，这也正是鼠疫的可怕之处。
鼠疫杆菌是由一种生活在动物肠道、危害性相对较小的微生物——假结核耶尔森氏菌进化来的，产生的历史只有几千年。假结核菌是与鼠疫菌近源关系最为接近的肠道致病微生物，研究表明，鼠疫菌40%的岛状结构在假结核耶尔森氏菌并不存在。病菌迅速进化的关键是自然界中啮齿动物数量的剧增。菌株名称为CO92，是从一位1992年死于肺炎型鼠疫的人身上收集的。研究发现，这一菌株的染色体约包含465万个碱基对，编码了4198个开放式读码结构，G+C Mol%为47.6。
在鼠疫菌基因组中存在大量的重复序列，在一株CO92的鼠疫菌染色体上，至少存在4种插入序列（其中IS100存在44处、IS1661存在9处、IS1541存在66处、IS285存在21处），插入序列的总数超过大多数其他细菌，其中约3.7%的序列是重复序列。这些重复序列是造成鼠疫菌染色体重组变异与进化的关键。与肠杆菌的基因组相比较，可以发现许多同源部位的“看家基因”完全相同，具有高度相符的基因排列顺序，这些序列被称为“脊骨基因”。其中53.7%的基因序列可确定为鼠疫菌脊骨基因，而73%的脊骨基因位于可以和大肠杆菌并列的阶段内。鼠疫杆菌在进化过程中曾经频繁地从其他微生物上“偷取了大量基因”。本身的染色体片断也经常发生重组。鼠疫菌基因组具有高度可变性的流动特征，特别是在培养过程中。同时通过水平转移获得了多数可在全身致病性的特征基因。具有完善的8种铁离子和2种血红素转运系统机制。鼠疫菌没有运动性，其鞭毛和趋化基因簇中存在6处位点突变，与假结核菌相比，很难复位。
鼠疫菌还具有3个质粒，分别为pFra质粒（96200bases、每个鼠疫菌细胞含1~2拷贝，主要编码了Ymt和Fra）、pYV质粒（70300bases、每个鼠疫菌细胞含4~8拷贝，主要编码了LcrS一系列调节基因、III型分泌机制等）、pPst质粒（9600bases、每个鼠疫菌细胞含100~200拷贝，主要编码了Pst、Pim和Pla基因）。3个质粒，虽没有发生接合机制，但肯定发生过水平转移，染色体中许多区域存在横向转移的岛状结构特征。鼠疫菌由最初的肠道致病菌进化为靠跳蚤传播的疾病，在其染色体DNA上149个基因发生自然变异而失效，其中51个是由转位因子的直接插入造成的。这149个基因很可能是作为肠道致病菌所必需的基因。鼠疫菌缺乏大肠杆菌基因组中特征性的重复序列，即使存在，也与大肠杆菌缺乏相似性。
鼠疫菌的复制起始部位类似于oriC，但缺失dnaC。这可能是由于鼠疫菌分裂周期为1.25h，不需要多复制叉同时开始的缘故。鼠疫菌基因组含有肠杆菌科细菌典型的能量代谢基因，可通过呼吸和酵解来获取能量，但缺乏大肠杆菌中3种不同的多亚单位氢化酶（镍酶）和含镍辅基的ancillary酶，也缺乏高亲和力的镍转运系统。在甲硫氨酸代谢过程中一处突变，可解释大多数鼠疫菌株的营养需求和代谢特点。鼠疫菌虽不产生尿素酶，但其基因基本完好，只要一次自发的单碱基删除就可恢复其基因的本能。
在鼠疫耶尔森菌基因组中初步鉴定出22个差异区段（DFR），基于DFR图谱，可初步将鼠疫耶尔森菌中国分离株分成14个基因组型。鼠疫耶尔森菌共有21个基因组岛，其中18个已存在于假结核杆菌中，余下3个为鼠疫耶尔森菌独有。各基因组岛在鼠疫耶尔森菌和假结核耶尔森菌间的差异分布，证明了鼠疫耶尔森菌的起源进化；鼠疫耶尔森菌基因组分型与各基因组型别间的系统发育关系，初步揭示了鼠疫耶尔森菌基因组的进化规律及其与鼠疫耶尔森菌生态位适应和鼠疫疫源地扩展之间的关系，基本探明了鼠疫耶尔森菌在中国的演化规律。
耶尔森氏菌强毒株都带有一毒力岛，其中鼠疫菌强毒株带有35kb的强毒力岛（HPI），G+C Mol%为59。外缘与asn—tRNA相连，末端具有DR17，一端有IS100，与色素沉着区紧密连锁，共同构成了不稳定的102kb的Pgm位区。内含杆菌素的合成基因、摄取基因及调节基因，构成了杆菌素介导铁摄取系统。HPI不能发生精确切除，通常是由Pgm位点两侧的IS100之间的同源重组而自发丢失的，发生的频率为10—5。基因结构上分色素沉着区（含有一个IS100和4个与聚集血红素有关的基因）、功能核心区（12个基因）、可变区（含有一个IS100和3个可变性基因）。HPI可随意整合在3个asn—tRNA基因的任意一处，但其中的整合酶int基因不受影响，未被终止密码子所干扰。在HPI的一端，带有噬菌体P4和P2蛋白编码的序列，这为H子受体蛋白基P1通过噬菌体水平转移提供了证据。同时毒力岛的发现和研究也为深入了解细菌的致病性、毒力因子及进化提供了有效途径。
人体内一种叫做CCR5趋化因子的突变，赋予了人类对HIV和另一种病原体鼠疫杆菌（Y.pestis）的抵抗力，14世纪鼠疫曾使40%的欧洲人灭绝。这个突变因保护携带者抵抗随后再次暴发的鼠疫而一直幸存至今。科学家发现，某些基因发生突变之后，有可能使人对一些传染性疾病产生抵抗能力。这种变异被称为“Delta32突变”（注：通常写为“Δ32突变”，指“受体基因发生缺失性变异，去了32个碱基”），通过实验了解它能否对抗鼠疫。初步的鉴定结果，Delta32突变的确存在，证据相当确凿。在欧洲一些乡村，有14%以上的村民带有这种变异基因。Delta32突变原本是基因犯的一个错误，应该逐渐消失。除非，它的存在能给个体带来明显的生存优势。这种变异基因在欧洲出现的比率极高，说明它的优势非常突出。确定Delta32突变在欧洲迅速涌现的年代，以证明黑死病就是变异基因依然存在的直接原因。经过几个月的钻研，科学家们对全球基因数据库中的样本进行了分析。通过观察基因之间的细微差异，终于推算出了变异最初的出现时间。分析结果显示：这种变异基因大约于700年前大量出现在欧洲人群中，与黑死病入侵欧洲的时间完全吻合。HIV进入体内只袭击特定的免疫细胞，不同的免疫细胞表面有着不同的蛋白质，这些称为“受体”的蛋白质是细胞身份的标志，好像士兵不同颜色和式样的盔甲。HIV进入免疫细胞、摧毁人体免疫系统的主要通道，是被称为CD4和CCR5的两个受体。CCR5—32变异，就是编码CCR5受体的基因发生的一个微小变异——丢失了32个碱基对。其结果是形成一种较小的蛋白质，它并不位于免疫细胞表面。这样，大多数HIV毒株就失去门路，无法感染细胞。
二、重要抗原结构
1.F1荚膜抗原。由110kb大质粒所编码。主要由caf1、caf1A、caf1M、caf1R 4个基因组成。鼠疫菌在37℃条件下，不论在体外或体内生长，菌体表面都能产生 F1荚膜抗原，粗提纯化的F1抗原分子量为20kDa~50kDa，至少由F1A、F1B、F1C等13种成分构成。在这个质粒上有产生鼠疫杆菌素的Pst基因和血浆凝固酶及胞浆素原活化因子Pla基因，后者被认为与人类致病有关。纯化后的F1抗原分子量为15kDa~17kDa。具有抗吞噬细胞和多形核白细胞（PMNs）的吞噬作用。在37℃条件下合成最多。鼠疫菌在28℃以下时F1抗原几乎不表达。
2.V/W抗原。由70kb质粒所编码。V抗原是一种分子量为90kDa的蛋白质，存在于细胞质中。W抗原为脂蛋白，分子量为145 kDa，是一种菌体表面抗原成分。
3.Yops蛋白，由20多种蛋白组成，其中外膜蛋白11种。也是由70kb质粒所编码。受温度及低钙反应控制调节，Yops是在细菌处于不利环境条件下合成和分泌的一系列毒力因子和调节蛋白，是通过III型分泌系统直接将多种菌体效应蛋白转移到宿主细胞胞浆内，不需细菌侵入宿主细胞，能在宿主细胞外诱导调节。一类具有抗吞噬功能，另一类具有调节和定位攻击靶细胞的作用。其中YopJ可诱导多种细胞如巨噬细胞、上皮细胞凋亡，通过灭活NF—kb系统，导致抑制α肿瘤坏死因子和r干扰素的产生，从而诱导细胞凋亡。而YopE能干扰宿主细胞的信号传递通路，造成细胞肌动蛋白骨架的改变，抑制吞噬细胞的吞噬功能。
4.鼠毒素，具有外毒素的性质。对啮齿动物具有高度选择毒性作用，只有在细菌自溶时才渗出其细胞膜，主要作用于血管系统。引起炎症、坏死、出血以及全身中毒和休克症状。由两种毒素成分构成，其中毒素A为细胞壁组分，毒素B为细胞质组分。
5.脂多糖（LPS）为内毒素，由特异性多糖、核心多糖和脂质A组成。只有细菌死亡裂解后，LPS才游离起毒素作用，属膜表面作用毒素。但鼠疫菌脂多糖基因编码区域存在5个假基因，只能合成粗糙的脂多糖。同时O—特异性多糖链也不能延伸，无法形成细菌的O抗原决定簇。
6.pH6抗原为一种纤毛蛋白，分子量15kDa，能在菌表面形成菌毛结构，与鼠疫菌在巨噬细胞内的存活和繁殖相关。许多种细菌都能产生所谓的纤毛纤维，包括引起尿道感染的大肠杆菌和引起黑死病的耶尔森氏等。纤毛纤维是细胞连锁的“积木”筑成的城堡，它们堆叠在一起，使每一“积木”的尾巴都可以恰好镶嵌到下面积木的凹槽中。华盛顿大学的微生物学家Scott Hultgren和分子生物物理学家Gabriel Waksman以及他们的同事给这些毛纤维拍了一系列X射线照片，逐步研究毛纤维的组成过程。研究小组发现一旦个体“积木”，也就是毛纤维的亚单位在细菌内部产生，一个陪伴分子就会宽松地填充进这个亚单位的空凹槽。陪伴分子阻止毛纤维的亚单位与其他蛋白发生相互作用，而是由引导蛋白把它们运送到细菌外膜上。在细胞外膜上，陪伴分子从亚单位上脱离，而亚单位就嵌入到另一个亚单位的尾部。这些亚单位就这样一一连接起来，穿过细胞膜形成坚韧稳固的纤维。由于现在已经清楚纤毛是如何形成的，研究人员就能够集中力量阻断亚单位的组装、或使纤毛分开，这项研究可能还会为了解陪伴分子如何辅助其他复杂分子结构的发育提供线索。
7.转铁蛋白 宿主体内铁离子的获取，是微生物在机体内能否繁殖及致病性的关键。在正常情况下，机体内没有游离铁离子存在，都以螯合形式存在。发生感染时，机体还会产生更多种类的铁螯合蛋白（乳铁蛋白和辅清蛋白等），以防止铁离子被侵入机体的微生物争夺去。鼠疫菌在其染色体上编码了8种铁离子的螯合及转运蛋白，一类在细胞表面吸附血红素，另一类是膜转运蛋白，可以使鼠疫菌轻易地从宿主体内获取自身繁殖所必需的铁离子，达到迅速繁殖。这也是鼠疫菌致病性强的主要原因。
耶尔森氏菌属中有3种致病性的细菌：鼠疫菌、假结核菌和小肠结肠炎菌。这些致病菌引起感染的过程中，一种普遍而重要的因素是病原菌具有侵袭能力，并能在宿主组织内增殖，细菌需产生为病原性所必需的各种毒力决定体。众所周知，在环境发生变化时，细菌能迅速改变它们的新陈代谢并以各种不同的生理状态而生存。目前，可能最理想的研究环境对细菌生长的影响是集中在细菌对铁的利用。机体细胞内绝大部分铁是以结合状态，即以铁蛋白、血铁黄素或血红素的形式存在。在体液中以细胞外伴随有高效结合铁的糖蛋白、转铁蛋白或乳铁蛋白而存在。而这些结合铁的蛋白通常仅部分饱和，结合系数约1036，与蛋白质相平衡，游离的铁约为10—18M。虽然在正常情况下体液中存在丰富的铁，游离的铁能满足细菌生长需要是微不足道的。因此，耶尔森氏菌属中致病性的细菌必须具有高效能的摄取铁系统才能在宿主体内存活，增殖导致机体感染。为建立感染，病原菌必须与宿主竞争铁才能维持生长，大多数病原菌经过分泌高效结合铁因子，被称之为铁载体，细菌通过该物质从宿主体内获得铁。
（1）依赖铁载体摄取和转运铁：小肠结肠炎菌生长在缺铁的环境中，能产生一种物质，该物质能从宿主铁转运系统夺取铁，通过细菌胞膜上受体，将铁转运到菌细胞内，该物质被称之为耶尔森铁载体。非致病性的小肠结肠炎菌以及环境耶尔森氏菌均不能产生耶尔森氏铁载体。能产生耶尔森铁载体的细菌能主动地利用蓄积Fe—ferrioxamine。耶尔森铁载体的产生和利用在临床感染中起重要的作用，因为全部从人体分离的属于血清型0∶8菌株均产生耶尔森铁载体，而从人体分离的菌株不能产生水溶性铁载体。耶尔森铁载体能调节铁并能在低铁条件下刺激细菌生长。研究表明至少有3种类型的铁调节的蛋白质。从人体分离的小肠结肠炎菌中发现有两种共同的类型：第一种类型与产生耶尔森铁载体的菌株和蓄积ferrioxamine的菌株相关，这些菌株表达了240、190、80、71和67kDa铁调节的蛋白质。第二种类型不能蓄积ferrioxamine的与从临床病人分离的菌株有关，它能表达80和71kDa铁调节的蛋白质。71kDa蛋白质在全部被试的来自临床样品的菌株都能产生，这种蛋白质可能是ferrioxamine的受体。产生水溶性铁载体的菌株表达铁调节的蛋白质较复杂，但通常表达3种铁调节蛋白质，其分子量在65~80kDa之间，这些菌株表达蛋白质的不同可能与不同的水溶性铁载体有关。血清型0∶3不能主动摄取ferrioxamine或耶尔森铁载体。从人体分离的血清型0∶3必须有不依赖铁载体的另外一种获铁机制，或它们利用其他种细菌产生的铁载体，能产生耶尔森铁载体的血清型小肠结肠炎菌对小鼠有较强的毒力，几乎可以表明通过几种机制从人体内摄取铁，包括耶尔森铁载体和ferrioxamine。
（2）依赖铁调节的蛋白质摄取和转运铁：众所周知，pgm+鼠疫菌具有一种不依赖铁载体转运铁机制（在缺铁培养基中生长时所必需的）。pgm+鼠疫菌的染色体DNA中的102kb片数是pgm区，其中5.9kb片段编码72kDa前体生成的68kDa蛋白质，19.2kb克隆可恢复合成190kDa蛋白质，这种蛋白质的结构基因也在染色体的pgm区。在pgm区中两个结构基因hmsA和hmsB是表达hms+表型所必须的。鼠疫菌产生色素沉着特有的肽F和5种铁制约的肽命名的IrpA~IrpE，而典型的变异到pgm菌株丧失产生肽F和IrpA~IrpE。包括两种高分子量的蛋白质（190kDa和240kDa）的一些铁调节的膜蛋白参与铁的摄取和转运。不能合成高分子量蛋白质是由于低毒力或无毒力的耶尔森氏菌缺失Irp2基因。这些高分子量的膜蛋白可能是摄取铁的膜受体，通过受体的作用摄取和转运铁，使致病菌在体内生长、繁殖和引起感染发挥作用。最近研究发现pgm+鼠疫菌可产生30多种铁—制约的蛋白质。
日本学者研究表明在鼠疫菌细胞膜上由类脂A组成的内毒素具有摄取铁的系统以保证细菌从外环境摄取铁，细胞色素C1铁离子构成的要素由能量产生电子传递，在低温条件下产生这种系统是细菌增殖不可缺少的，由染色体遗传基因控制。并证明鼠疫菌表面摄取的不仅仅是铁离子还有血红素分子。外膜受体和鼠疫菌素受体构成高亲和力的夺铁系统。pgm+的细菌生长于26℃条件下，细菌的外膜是外源性氯化血红素的主要储存场所。另外，研究表明不管表型如何，所有耶尔森氏菌都能利用血红素、血结合素、肌红蛋白、血红蛋白和铁蛋白，但不能利用转铁蛋白、乳铁蛋白作为铁的唯一来源。
（3）铁调节蛋白质的基因表达和调控：hms基因位于19.5kb的染色体DNA Sall片段中，这些基因约占据10kb长度，hms推断编码蛋白质分子量为93.4 kDa/89.5 kDa（没处理/处理后），这些基因使耶尔森氏菌属中的细菌具有聚积氯化高铁血红素的能力，在这一克隆片段中有4个读码结构，其中3个与聚积氯化高铁血红素能力相关，它们是hmsH基因，编码约90kDa蛋白质前体，成体为86kDa外膜蛋白，成体的hmsH 788氨基酸多肽，P1 4.99。hmsF编码外膜蛋白前体为72kDa，P1 5.16，成体为70kDa，另一种是hms也编码一种对表达pgm表型所必需的蛋白质，在病原性耶尔森氏菌中发现了铁调节蛋白质基因（Irp），编码两种高分子量的蛋白质Irp1和Irp2，在pgm基因簇中包括编码多肽F的基因和编码Irp的基因，将4种小分子量的Irp基因命名为IrpB，IrpC，IrpD，IrpE。摄取铁系统的转运成分和它们的生物合成尚待进一步研究。
fur基因控制铁调节蛋白质基因的表达。在很多细菌中一些铁调节的基因的相应调节作用受Fur系统控制。鼠疫菌也是有一种功能性的Fur系统，鼠疫菌的fur基因与E.coli的fur有75%的核苷酸同源性，85%氨基酸同源性。在小肠结肠炎菌中已鉴定了一些铁和fur—调节的蛋白质及其作用。而一些铁调节的蛋白最近在鼠疫菌中也被鉴定，其中一些蛋白质与小肠结肠炎菌中的是同类的。鼠疫菌至少有25种铁制约的蛋白质、少量的17种铁制约的蛋白、6种铁诱导的多肽中的4种是受fur调节，fur调节的蛋白质包括与鼠疫菌素敏感性和（在37℃条件下生长）螯合铁有关的IrpB到IrpD，鼠疫菌产生的与小肠结肠炎菌产生的属于同类的是HMWP1和HMWP2。另外，在鼠疫菌中至少有9种铁制约的和2种铁诱导的蛋白质可能不依赖Fur系统调控。在耶尔森氏菌属中，有足够的证据表明IrpB到IrpD，HMWP2可能还有HMWP1执行铁转运功能。其中的整合酶int基因不受影响，未被终止密码子所干扰。在HPI的一端，带有噬菌体P4和P2蛋白编码的序列，这为H子受体蛋白基P1通过噬菌体水平转移提供了证据。同时毒力岛的发现和研究也为深入了解细菌的致病性、毒力因子及进化提供了有效途径。
鼠疫菌素受体基因（Psn）编码鼠疫菌素受体，也是一种Irp蛋白质，这种物质不仅是鼠疫菌素受体也是小肠结肠炎菌铁载体和耶尔森氏菌素的受体，这种受体是pgm—结合无机铁转运系统的一部分。鼠疫菌素受体基因已被克隆和序列分析，Psn编码IrpB~IrpD。鼠疫菌素受体基因有骨架缺失的鼠疫菌表现对鼠疫菌素有抗性，并不再表达一组铁调节的蛋白质IrpB~IrpD。HMWP2可能间接调节鼠疫菌素受体的最大表达，并可能参与合成耶尔森铁载体，这种铁载体可以诱导表达鼠疫菌素受体和铁载体受体。当血红素进入细菌的胞浆周围间隙并结合在一种非pgm决定的70kDa的多肽上，在Pst受体参与下通过Irp蛋白质把铁转运到菌细胞内。铁还可结合在一种19kDa的细菌铁色素样的多肽上作为储备。
第二节 认识鼠疫
中国鼠疫可谓历史悠久。据伍连德考证，公元前5世纪至公元前3世纪，即春秋战国时期就有鼠疫的流行。我国鼠疫有确切记载的最早年代是1644年，山西省潞安（长治）曾有鼠疫发生，迄今历时360年。鼠疫在世界疾病流行史上，曾发生三次大流行。其中第一次大流行开始于公元6世纪（541—767），又称如斯丁鼠疫；首先起源于埃及西奈半岛，后经巴基斯坦波及到全欧洲，造成东罗马帝国的衰亡；全世界在这次瘟疫中共伤亡1亿人。第二次大流行开始于14世纪（1346—1800），起源于克里米亚半岛，传至希腊和意大利，最后遍及欧洲，这次流行共造成2500万人死亡，人们把这次瘟疫流行称为“黑死病”。第三次鼠疫大流行于1855年开始，首先起源于我国云南省，后经广西扩散到广东沿海各城市，又经香港传播到当时的60多个国家和地区。我国存在着世界上面积最大，最为复杂多样的鼠疫自然疫源地。这些疫源地处于高度活跃状态，我国面临着鼠疫的严重威胁。20世纪60年代开展的全民性的“灭鼠拔源”运动，曾一段时间使我国大部分疫源地处于隐伏状态。
我国南方家鼠鼠疫疫源地自1980年重新开始活动以来，鼠疫已经从怒江以西的一小片边境地区，蔓延到了云南省整个南部地区，侵入了广西和贵州，而且有继续向东扩展的趋势。按照啮齿动物和蚤类分布的特征，广东、福建和浙江都不能认为是安全的。由于这里的鼠疫就存在于人类的居住环境之内，很容易造成人类的感染，因此，南方现在不仅是鼠疫疫源地最为活跃的地区，而且自1982年以来，全国的鼠疫病人90%以上在这一地区。幸运的是，我国南方的鼠疫现在还不是非常严重的疾病。1982年以来，尽管已经发现了超过600例病人，但还没有出现真正的肺鼠疫病人，没有发生过人与人之间的传播，也只有两例老年病人死于鼠疫。其中主要的原因，是因为这一地区流行的鼠疫菌毒力较弱，大约较旱獭地区的鼠疫菌弱100倍，而且不容易在人体内播散。然而，历史上云南的鼠疫可不是这个样子，曾经造成过极为严重的灾难。“三人行，未十步，忽死二人横截路”，“鼠死不几日，人死如圻堵”并不是文学的夸张，而是在20世纪的30~40年代仍旧可以证实的。那么，那时的鼠疫菌与现在流行的菌株有什么区别，现在的鼠疫菌还会不会变回到原来的样子，全都不得而知。也就是说，我国南方的鼠疫还是禁锢在瓶子里的妖魔，我们不知道这妖魔什么时候会从瓶子里出来，再度兴风作浪。
通过这些分析，我们也可以了解，形势并不乐观，我们仍然面对着鼠疫的严重威胁。然而，这种威胁并不仅是鼠疫疫源地的活跃状态，还有诸多人为的因素和对生物安全的片面理解。我国还是一个经济不很发达的发展中国家，在广大的西部地区普遍建立高等级的实验室，这是在未来30年内无法完成的任务，而现在的鼠疫监测和诊断技术的发展水平，还无法摆脱对分离培养鼠疫菌的依赖。目前的标本处理技术，也不允许远距离运送标本，在相当长的时间内，我们还必须以现场分离鼠疫菌为主，否则就会大大降低发现鼠疫的机会。
据调查，广东的人间鼠疫病例主要以腺鼠疫为主，解放后，广东省的动物间和人间鼠疫只局限分布于湛江市的雷州半岛，广东鼠疫疫源地是我国西南山地闽广沿海农田居民地黄胸鼠鼠疫疫源地的一部分。近年来，该疫源地所在的云南、贵州和广西相继暴发大面积的动物间鼠疫和人间鼠疫，带给我们了如同SARS一样的警示作用。分析近10年来我国家鼠鼠疫疫区人间鼠疫病例的流行曲线图，遵循卜瓦松分布的规律。说明我国家鼠鼠疫流行正处于散发阶段，现阶段加强南方鼠疫的预防和控制显得尤为重要。
鼠疫生态学家认为，鼠疫自然疫源地的形成，是宿主、媒介、病原体经过长期的生物竞争，相互适应，通过自然选择而形成的一个牢固的统一体，并和当地的自然植被、气候、土壤和地理环境，构成了统一的相互依存的关系。也就是说，这个相当牢固的统一体是“天”、“地”、“物”的紧密结合。近700年来，随着世界范围内人口的剧增，人类活动边界的扩大和活动强度的加强，人类愈来愈多地深入鼠疫自然疫源地，与疫鼠的接触也愈来愈多，人间鼠疫的流行也愈来愈频繁。特别是在火药、枪支及金属器械的大量使用后，导致大批食肉动物数量减少（鼠类天敌也随着下降），食物链遭到破坏。也就是在这一过程中，鼠疫自然疫源地原有的生态环境被破坏，“天、地、物”的统一体为“天、地、人”新统一体所取代。在有些地区，这一取代过程是平静的，草场开垦成良田，农业取代了牧业。在另一些地方，这一取代过程酿成了灾难性的后果，土壤的沙化不仅阻碍了牧业，也阻碍了农业；不仅消灭了鼠类天敌，也将毁灭了人类。直到今天，即使不用开垦的方式，生态学家对于在某些地区彻底消灭鼠疫自然疫源地的设想仍持相当谨慎的态度。因为，在人们消灭鼠疫菌的同时，有可能消灭自然界存在的鼠的种群繁殖的抑制力量。当一个区域的老鼠种群无节制地繁衍时，所带来的后果是不堪设想的。这也就是说，按照现代生态学的观点，“天、地、物”统一体的存在可能是“天、地、人”统一体存在的前提之一。
鼠疫是由鼠疫杆菌借鼠蚤传播为主的烈性传染病，系广泛流行于野生啮齿动物间的一种自然疫源性疾病。鼠疫传染性强，传播速度快，病死率高，属甲类传染病。开始时腹股沟和腋窝出现肿块，有的像苹果大小，有的则状若鸡蛋……这正是死亡的前兆。而更为糟糕的是，“一旦健康人接触到这种疾病，就像是干柴遇上烈火，它很快就会在人群中传播开。”鼠疫菌不仅因为它会周期性地引起疾病流行，更重要的是该细菌还在以不可预测的方式进化着。如我国家鼠鼠疫疫源地分离的菌株大部分都含有6kb的独特质粒。临床上表现为发热、严重毒血症症状、淋巴结肿大、肺炎、出血倾向等。鼠疫在世界历史上曾有多次大流行，死者以千万计，我国在解放前也曾发生多次流行，病死率极高。中国证实的鼠疫疫源地分布在19个省（自治区）、287县，鼠疫疫源地面积达115万km2，动物鼠疫连年不断。人间鼠疫由1985年两个省区（青海、西藏）现已扩大至云南、内蒙古、新疆、甘肃、云南、贵州、广西、四川等10个省区。1994年毗邻的印度暴发肺鼠疫病例867人。2000年全国发病245例；2001年发病82例；2002发病71例；2003年发病13例；2004年发病21例。目前，在世界范围内鼠疫疫源地鼠疫进入活跃期，我国动物鼠疫疫情也出现了回升趋势的情况下，卫生部要求各地高度重视鼠疫防治工作，进一步加强鼠疫防治的投入力度，建设一支精干的鼠疫防治专业队伍，并要求各地防控鼠疫要做到“三报和三不”制度。目前我国鼠疫防治工作形势非常严峻。鼠疫是国际检疫的传染病和我国法定的甲类传染病。
第三节 鼠疫菌在自然界的保存机制
首先让我们从生态学的角度，客观地认识自然疫源性疾病的发生。进化生物学虽然是自然的历史科学，但微观进化实验和宏观进化历史分析的结合更能充分了解生物多样性的起源。对人体生物多样性的研究表明：人体就像一个混合物，由细菌和体内细胞组成。据估计大约有90%的体内细胞实际上是细菌。人体几乎完全依靠这些微生物细菌生活。细菌数目的增减经常导致受益微生物细菌的多寡，也能引发人类疾病。科学家早就知道至少50%（或者更多）的体内废物是由肠内的细菌产生的。细菌的繁殖能力很强，成人体内大约有100万亿微生物细菌。这些细菌并不是不发生作用，它们帮助人体消化，也可以合成人体所需的维他命。所谓人体内的克隆微生物群系——从肠内微生物细菌遗传的物质的全部数量——包括6万多个基因，是在人体染色体组内发现的两倍多。他们也发现人体内原始细菌的惊奇数量，这些原始细菌一般只是在极端环境的单细胞体生物体内繁殖。毫无疑问，一些细菌会破坏人体对药物的吸收，研究微生物细菌不同种类的作用将为病人采取不同的药物治疗提供重要线索。仅在人体口腔内的细菌至少有800种。微生态学与免疫学、病毒学一样，都是微生物学的分支学科。
1.微生态学 是研究正常微生物群结构、功能，以及与其宿主相互关系的学科。正常微生物群落指微生物与其宿主在共同的历史进化过程中形成的生态系。正常微生物群落包括生物宿主（人、动物、植物、土壤及其微生物）体表与体内的一切微生物。自然界生态学的转化有3种格局：首先是进化及变异中形成新的生态平衡，成为新的宿主的正常菌群；第二是生态失调，使宿主患病；第三是生态崩溃，微生物或宿主死亡。
2.微生物生态学 是研究微生物与其周围生物和非生物之间相互关系的一门科学。其研究的对象是微生物与外环境（生命的和非生命的）的关系，侧重于微生物。现代微生态理论认为，地球上没有绝对的致病微生物，现有的致病微生物都是正常微生物群落在宿主转换过程中的一种微生态学现象。由于食物链的关系，微生物群宿主转换的方向一般由外环境转移到植物，植物转移到草食性动物，草食性动物到肉食性动物，或者通过节肢动物，在植物与动物之间，在不同种属动物之间转移。即彼此通过能量、物质和遗传信息的交换进行运转。
3.微生物与生命环境关系 在自然界中，微生物极少单独存在，总是较多种群聚集在一起，当微生物的不同种类或微生物与其他生物出现在一个限定的空间内，它们之间互为环境，相互影响，既相互依赖又相互排斥，表现出相互间复杂的关系。但从总的方面来看，大体上可分为以下4种关系。
（1）互生：是指两种可以单独生活的生物，当它们生活在一起时，通过各自的代谢活动而有利于对方，或偏利于一方的一种生活方式。因此，这是一种“可分可合，合比分好”的相互关系。
（2）共生：是指两种生物共居在一起，相互分工协作，甚至达到难分难解、合二为一的一种相互关系。一旦彼此分离两者就不能很好地生活。
（3）拮抗：指一种微生物在其生命活动过程中，产生某种代谢产物或改变环境条件，从而抑制其他微生物的生长繁殖，甚至杀死其他微生物的现象。根据拮抗作用的选择性，可将微生物间的拮抗关系分为非特异性拮抗关系和特异性的拮抗关系两类。如荧光假单泡菌以特有的生物膜形式覆盖于植物根部，可以防止植物病原真菌的侵袭和生长。
（4）寄生：一般指一种小型生物生活在另一种较大型生物的体内或体表，从中取得营养和进行生长繁殖，同时使后者蒙受损害甚至被杀死的现象。前者称为寄生物，后者称为寄主。有些寄生物一旦离开寄主就不能生长繁殖，这类寄生物称为专性寄生物。有些寄生物在脱离寄主以后营腐生生活，这些寄生物称为兼性寄生物。
4.微生物与非生命环境关系
（1）土壤中的微生物：自然界中，土壤是微生物生活最适宜的环境，它具有微生物所需要的一切营养物质和微生物进行生长、繁殖及生命活动的各种条件。这里的微生物数落最大，种群最多，是自然界生物多样性的体现。
（2）水系中的微生物：水是一种良好的溶剂，水中溶解有或悬浮着多种无机和有机物质，能供给微生物营养而使其生长繁殖，水系的存在是自然界微生物赖以生存的最基本条件。
（3）空气中的微生物：空气中没有微生物生存所必需的营养物质和充足的水分，日光中的紫外线直接照射具有杀伤作用，因此空气不是微生物良好的生存场所，但空气中却存在着许多微生物。
（4）极端环境中的微生物：在自然界中，存在着一些可在绝大多数微生物所不能生长的高温、低温、高酸、高碱、高盐、高压或高辐射强度等极端环境下生活的微生物，如嗜热菌、嗜冷菌、嗜酸菌、嗜碱菌、嗜盐菌、嗜压菌或耐辐射菌等，它们被称为极端环境微生物或简称极端微生物。
5.自然疫源性疾病 是在自然条件下不依赖于人类，病原体、媒介和储存宿主三者在其种族延续过程中长期存在的现象。自然疫源性理论的发展可分为三个阶段。第一阶段：以虫媒传染病为基础，认为自然疫源性疾病主要是虫媒传染病，保持自然疫源性存在的必需因子是病原体、传播媒介和宿主。而其他外环境因子对这一系统一般无影响。病原体在自然疫源地中从一个有机体到另一个有机体，按动物宿主—媒介—动物宿主方式循环存在。并认为这种不间断循环是保持自然疫源性的唯一途径。第二阶段：认为自然疫源性疾病不仅是虫媒传染病，而且也包括某些非虫媒传染病。传播媒介并不是所有自然疫源性疾病所必需的因子。但病原体仍在地上生态系统中动物宿主中保存。在该阶段鼠疫领域提出了“隐性感染”或“宿主动物健康带菌者”的观点。第三阶段：认为温血动物并不是病原体在自然疫源地中存在必不可少的因素，土壤及其原生物、水等生态系同样可提供病原菌存在的基本条件。任何自然疫源地存在的唯一共性因素实际只有一个，这就是病原体种群。随着这一理论的发展，开始从非培养状态探索鼠疫菌保存机制。现代自然疫源性疾病理论认为：保持自然疫源性存在的必需因子是病原体，不同自然疫源性疾病的病原体存在于不同的生态系统中（地表生态系、土壤生态系、水生态系等），疾病流行是病原体群落与当地某些动物群落数量、外环境之间相互作用的结果。
6.鼠疫菌自然保存机制的探讨 在长期的自然进化中，鼠疫菌是在特定地理环境条件下，与其相适应的植被土壤小气候、宿主、媒介及其噬菌体之间构成了一个特有的、小的生物群落圈。以土壤、湿度或水作为生态系，形成了对其外界环境有一定适应性，以最低的营养需求和湿度维持其生命的延续。在鼠疫自然疫源地中，以洞穴中的无机盐（特别是三价铁离子、二价钙离子）、有机物和湿度为基本生存条件或以土壤中的原生物为载体，自然进化成为控制鼠类生态平衡的杠杆作用。要想真正了解一个物种，首先必须研究该物种与其周围物种间的相互作用，包括三维空间分布（地形、植被、土壤及其原生物、气候、湿度等），才能真正搞清楚这一物种自身的生命史。微生物何曾不是这样，在漫长的进化过程中，它们曾经“试探”了各种各样的宿主，如果对方的“抗性”太强，它们便无法依从，便会被“斩尽杀绝”，导致宿主物种的消失。就是在这种漫长而又不断的“磨合”过程中，物种之间形成了稳定的协同进化关系，生态系统也平衡下来。一旦一个新的、原本没有任何抵抗力的物种接触到病毒或细菌，因为没有抵抗力而无法控制微生物在体内的繁殖，某种病毒或细菌种群便会大暴发，灾难也就出现了。当然，除了这种方式，病毒和细菌自身也发生变异，从而导致宿主动物原有抵抗力的减弱或消失。
研究表明鼠疫杆菌并不是为毁灭人类而生的。它主要寄生在老鼠身上，通过跳蚤在老鼠之间传播。不幸的是跳蚤有时还要叮咬人，人染上病之后，又有新的跳蚤来帮助传播，肺炎型鼠疫更可以通过人呼出的飞沫传播给其他人，人并不处在鼠疫杆菌的主要生活路途上，只是它偶尔绕到界外时的牺牲品罢了。
广东目前已确定的鼠疫自然疫源地只局限在雷州半岛9100多km2，但不包括南部的徐闻县。解放前广东省鼠疫流行范围很广，波及到当时全省的69个市县。当然除雷州半岛外的50多个县市，应属于鼠疫历史疫区。
进化形态学和动物生态学研究所的专家认为，啮齿类动物中出现鼠疫的原因与某些土壤金属离子的含量剧烈变化有关。鼠疫是由鼠疫杆菌引起的烈性传染病，通常先在啮齿类动物中暴发，尔后通过鼠蚤的叮咬传染给人类。据俄《消息报》报道，为了探寻鼠疫在动物中暴发的原因，该研究所的科研人员对俄罗斯里海沿岸、图瓦、阿尔泰边疆区和滨海边疆区的黄鼠、沙鼠及当地的生态环境进行了长年考察。他们发现，当上述地区土壤中的钛、铁、钴3种金属离子的含量，在原因不明的情况下迅速增至正常水平的3倍时，黄鼠和沙鼠中便会暴发鼠疫。此外，该研究所专家罗特希尔德介绍说，当上述地区土壤中的铜、镍、钒3种金属离子的含量，由于不明原因而急剧降至正常水平的1/12，而其他金属离子含量仍保持正常时，鼠群中同样会暴发鼠疫。为验证所获得的发现，科研人员将上述地区的部分啮齿类动物放入了实验室的模拟野生环境中，并长期喂食铜离子含量很高的食物。然后，再将这些啮齿类动物移到鼠疫杆菌极为活跃的环境里。实验结果显示，上述啮齿类动物均没有患鼠疫。
俄专家指出，他们所获得的新发现说明，土壤中某些金属离子含量的剧烈变化，有可能会增强鼠疫杆菌的活性，从而导致在啮齿类动物中暴发鼠疫。据悉，在下一阶段的研究中，俄专家将探究土壤金属离子异常变化的原因，并尝试用调节土壤金属离子含量的办法来预防鼠疫。
除鼠—蚤—鼠传播模式外，在自然界存在鼠疫菌另一种生活史。如感染原虫后，使原虫进入“休眠状态”的保存机制。在啮齿动物感染鼠疫死亡后，尸体组织中的绝大部分鼠疫菌会自然死亡和分化，但可能有1%~1‰的鼠疫菌会侵袭周围环境土壤中的原虫，通过感染寄生原虫体内，形成包囊结构，进入“休眠状态”的保存机制，特别对那些感染了鼠疫而死亡在洞穴中的鼠类。同时处于自然“休眠状态”的原虫，在适当的机会，再通过粪口途径感染鼠类，使（处于休眠状态）原虫体内的鼠疫菌在肠黏膜上复活。经肠黏膜上的M细胞屏障进入Peyer结，最终侵入肠系膜淋巴结，形成局限性的脓肿病灶。造成鼠体内长期产生高滴度的F1抗体。这一学说可解释在鼠疫自然疫源地出现的（人或鼠类血清）血凝检测高滴度阳性，而分离不到鼠疫菌的现象。说明鼠疫自然疫源地的进化过程是一个复杂的过程，并不像我们想象的那样简单。
鼠疫菌与其特定区域的土壤动物、其他微生物和植物群落所具有的不同时空活动特点和生物学特性，以及共同组成的复杂营养食物链网络和在各自能流和物流中的角色等，都将是鼠疫自然疫源地空间结构研究的所属范畴。同时该地土壤动物群落结构和多样性所反映的生境多样性等，也值得进一步探讨。
鼠疫耶尔森氏菌于1894年在香港首次分离，属肠杆菌科，耶尔森氏菌属，是革兰氏染色阴性菌。典型形态为短粗且两端钝圆、两极浓染的卵圆形小杆菌，呈散在、小堆或偶呈链状排列，长1~1.5μm，宽0.5~0.7μm，有荚膜，无鞭毛，无芽孢，亦无动力，需氧或兼性需氧菌，最适生长温度为28℃，加入血或血制品可促进其生长，在肉汤培养基中可形成絮状沉淀和菌膜，中层透明，稍加摇晃后菌膜呈钟乳石状下沉，此特征有一定的鉴别意义。菌落中心隆起，有粗糙颗粒，边缘不整齐。生长的最适pH为6.9~7.4，温度25℃~30℃，对高温和化学消毒剂敏感。一般鼠疫菌都具有6MD（9.5kb）、45MD（70kb）、65MD（110kb）3个质粒。
鼠疫菌一般都含有3个质粒，虽没有发生接合机制，但肯定发生过水平移。6MD质粒为鼠疫菌所独有，在这个质粒上有产生鼠疫杆菌素的Pst基因和血浆凝固酶及胞浆素原活化因子Pla基因，后者被认为与人类致病有关。45MD质粒为耶尔森氏菌属中3种致病菌共有，它参与温度与低Ca2+反应调节作用，主要分泌一些外膜蛋白（Yops）和产生具有抗吞噬作用的V抗原，这个质粒丢失后，鼠疫耶尔森氏菌将失去对低Ca2+反应的能力和相应的毒力。
65MD质粒为鼠疫菌特有，在这个质粒上存在着编码鼠疫菌最为重要的特异性和保护性抗原的F1抗原基因。鼠疫F1抗原的单克隆抗体是近年来开展鼠疫快速诊断研究的重要课题。在鼠疫菌的染色体上还存在着一个能够聚集氯化血红素的hms基因和另一个与细胞铁转运机制有关的Irp基因，与它们相对应的pgm阳性表型和铁调节蛋白都与鼠疫菌在特定条件下的毒力有关。同时，在37℃，pH6时，鼠疫耶尔森氏菌还可以产生一种抗原，它对巨噬细胞有细胞毒性作用。
质粒是一种染色体外能自主地进行复制的环状DNA，它控制菌细胞的一定遗传性状。在质粒中，对其遗传结构、分子性状研究得最早且详细的是控制致育性的F因子，其次是控制大肠杆菌素产生的Col因子。到20世纪50年代末和60年代初，细菌抗药性因子（R质粒）发现之后才逐渐确定了与病毒不同的，与寄主细胞进行同步复制的细胞寄生因子——质粒这一研究领域。对R质粒的研究，使得一直从遗传理论上进行研究的质粒成为与人们日常生活防治疾病有关的实际课题了。到70年代中期，遗传工程学的出现使分子遗传学研究进入了一个新的阶段。这时又了解到质粒作为遗传工程的载体有极广泛的用途。因此，质粒的研究不仅由于它作为研究基因复制和基因表达的实验材料，以及在遗传工程（体外DNA重组）研究中用做重要的分子转运载体而引起研究者们的极大兴趣，也由于细菌抗药性转移因子R质粒的广泛传布，直接影响临床治疗效果而受到人们的重视。
根据鼠疫菌脱氮、甘油、阿拉伯胶糖三项生化反应的结果，可将鼠疫菌分为四个生物型或四个亚种：古老型、中世纪型、东方型和田鼠型或亚种。其中东方型CO92株（来源于1992年美国肺鼠疫病人）和KIM10株（属第二次世界鼠疫大流行代表株）的基因测序已完成。中国一株田鼠型鼠疫菌株的测序也将完成。染色体约包含460万个碱基对，编码了4198个开放式读码结构，编码了4012个蛋白，G+CMol%为47.6。其起始、终止和大多数编码复制蛋白的基因与大肠埃氏菌K12类似；其中KIM株接近54%的开放式读码结构与K—12株的蛋白质在实质上相同，包括肠杆菌科的看家基因。
鼠疫菌的免疫机制目前还不十分清楚。其中F1、pH6两种抗原成分共同构成了其菌毛。血浆凝固酶及胞浆素原活化因子Pla基因产物为外膜蛋白成分。该系统由Yop蛋白和一个称作Ysc专一的III分泌装置组成。Ysc分泌装置大约由25种蛋白组成，其中包括分泌素。也是由70kb质粒所编码。Yops是在细菌处于不利环境条件下合成的一系列毒力因子和调节蛋白，是通过III型分泌系统直接将多种菌体效应蛋白转移到宿主细胞胞浆内，不需细菌侵入宿主细胞，能在宿主细胞外诱导调节。
研究发现鼠疫菌主要有如下特点：（1）在自然状态下感染了鼠疫菌的蚤类，其胃内鼠疫菌可携带大量的噬菌体。（2）在蚤类叮咬人或动物之前，蚤体内存活的鼠疫菌不能形成荚膜。（3）进入宿主体内的鼠疫菌大部分会被PMN细胞直接损伤和破坏，只有少部分进入组织细胞内的鼠疫菌可存活。属兼性细胞内繁殖细菌，能直接诱导吞噬细胞凋亡。（4）侵入宿主体内的鼠疫菌会再次形成荚膜。（5）在体内已繁殖的子代鼠疫菌具有完全抵御PMN细胞吞噬及杀灭的本能。（6）属兼性厌氧菌，形态多变，最适繁殖温度为28℃。（7）大量繁殖主要集中在脾和肝脏靶器官，以细胞外繁殖为主。
7.动物微生态学 动物微生态学是研究正常微生物群与其动物内环境（包括陆上动物、水生动物、特种动物和实验动物）相互关系的生命学科分支，是细胞水平和分子水平的生态学，具有独特的理论体系和方法学，也是新兴的边缘学科之一。动物微生态学重点研究正常微生物所寄居的动物，及微生物对动物的生理效应（微生态平衡）、病理效应（微生态失调）和改善微观环境。鼠疫菌与自然界啮齿动物间微生态学相互关系的研究刚刚开始，这将对重新认识鼠疫自然疫源地的形成、发展及其进化具有历史性的重要意义。特别对鼠疫的发生、流行规律及其防治水平的提高具有指导作用。
（1）动物微生态学与其他学科的关系
（1）与宏观生态学的关系 宏观生态学是研究生物圈与地球本身相互关系的生物学科。具体说，是研究生物与环境（有生命与无生命）相互关系的学科，由于生态层次不同，研究对象也不同，其理论与方法也必然有所差异。从宏观生态学分化出微观生态学或超微观微生态学（也叫分子微生态学）是必然的发展规律。
（2）与微生物生态学的关系 微生物生态学是按生物类型分出的生态学分支，研究的对象是微生物与外环境（生命和非生命的）的关系，特别注意非生命环境如大气、水和土壤的关系。而微生态学研究的对象则主要是有生命的动物与正常微生物的关系。
（3）与悉生生物学的关系 悉生生物学系通过无菌隔离技术饲养的悉生动物（包括无菌动物、单菌动物、双菌动物和多菌动物）研究独立生活的生物，或与微生物共同生活而无他种生物参加生活的一门学科，将该学科作为方法学引入微生态学。
（4）与兽医和医学微生物学的关系 目前医学、兽医微生物学主要研究病原微生物的分离、培养、鉴定和对动物体的致病性以及免疫、抗菌疗法等。动物微生态学侧重于生态学，主要研究正常微生物群对动物的生理作用（包括免疫、营养、生物拮抗、生物刺激等）以及生态平衡、生态失调、生态调整等。
（2）动物微生态学基本理论
（1）空间结构理论 是指动物微生态系统是由动物、微生物和环境彼此相互作用、相互依赖的统一整体，这个整体是由不同层次、不同环节相互结成的立体交叉网络，这个网络就是微生态系统的多维空间结构，这个理论是动物微生态学基本理论。
（2）三流运转学说 所谓三流运转是指微生态系统中的能源流动、物质交换和基因传递。动物、人类及植物的组织细胞与正常的微生物之间以及正常微生物与正常微生物之间都存在着能源的交换，如近年来通过电镜发现，肠上皮细胞表面的微绒毛与菌体细胞壁上的菌毛极为贴近，并见有物质交换的迹象。正常微生物群与宿主通过分解与合成进行物质交换，动物体裂解的细胞与细胞外酶可为微生物利用，而微生物产生的酶、维生素、刺激素以及微生物的细胞成分也将为动物体细胞利用。微生态学中的基因传递是指在正常微生物群之间有着广泛的基因交换。研究的主要对象是质粒、温和性噬菌体和潜伏病毒等。
（3）微生态失调理论 是指动物体内正常微生物群之间，正常微生物群与其动物体之间的微生态平衡，在宏观外界环境的影响下，由生理性组合转变为病理性组合的状态。影响微生态平衡失调的因素很多，如抗生素疗法、激素疗法、免疫抑制疗法、细胞毒类药物及同位素照射等，这些因素都可降低动物体免疫功能，使微生态平衡转化为微生态失调。对微生物的影响，抗生素的干扰作用是巨大的，对微生态平衡的影响最为突出。抗生素既可促进耐药性菌株的增加，使内源性感染转变为外源性感染，又可直接引起动物免疫功能下降，甚至畸形，引起死亡。
（4）微生态营养理论 是指动物体内正常微生物对其动物体的营养作用与动物体外有益微生物人工地进入体内，一则参与微生物拮抗以之防病，另则参与物质代谢，提供营养和生长刺激因子。
（5）微生态防治理论 是研究如何防治环境、动物体与微生物群之间的生态失调的理论与方法。微生态防治理论提倡顺应微生态系统客观规律，因势利导，改善微生态环境，建立生物量更高的微生态平衡。
第四节 鼠疫菌的发现及分类学的位置
一、鼠疫菌的发现和分类
鼠疫菌是在1894年香港鼠疫暴发流行时，由日本学者北里柴三郎和法国学者耶尔森（Yersin）二氏各自独立发现的。他们是于6月先后至香港进行调查研究；北里在解剖病人尸体时，于肿大的鼠蹊淋巴结和脏器涂片中发现大量的类似鸡霍乱菌样的短杆菌。经接种动物，出现典型的鼠疫特有的病理改变。6月14日北里氏在香港报告了他在病死尸体及病人材料中的发现；7月7日北里氏又报告了他所分离出来的微生物是鼠疫的特异病原体。同一时间耶尔森检查病人尸体和死鼠材料时亦发现了鼠疫菌，并分离到纯培养物；从肿大淋巴结取材涂片、培养及接种动物中获得卵圆形，两端浓染的革兰氏阴性无动力小杆菌。其后，将所获结果刊登于7月30日出版的巴斯德研究所年报纪要中。同年9月又将此菌命名为鼠疫杆菌。
1901年北里氏将他发现的细菌命名为鼠疫巴斯德氏菌。1903年，当将北里和耶尔森二人所分离的菌株进行比较研究时，发现二位学者所分离的是同一种细菌，即鼠疫菌。
关于鼠疫菌究竟是谁发现的，1937年我国著名鼠疫学者伍连德曾对此问题作如下确切结论：“鼠疫菌的首先记述归于北里，而最初较详细而又准确地说明的则是耶尔森”。