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1、第三节 细菌的遗传与变异,基本概念,遗传：使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其菌种得以保存。变异：在一定条件下，子代与亲代之间以及子代与子代之间的生物学性状出现的差异。细菌的变异分为:1.遗传性变异：基因变 不可逆 可遗传 2.非遗传性变异：基因未变 可逆 不遗传,遗传性变异与非遗传性变异的比较,一.细菌的变异现象,（一）形态结构的变异（二）菌落变异（三）毒力变异（四）耐药性变异,细菌的大小和形态：在不同的生长时期可不同，生长过程中受外界环境的影响也可发生变异。如：鼠疫耶氏菌在陈旧培养物上细菌的多形态性、细菌L型。细菌的特殊结构：如荚膜（肺炎链球菌）、芽胞（炭疽芽孢杆菌）、鞭毛（变形杆菌
2、H-O变异）也可发生变异。,（一）形态结构的变异,（一）形态结构的变异,3-6%食盐鼠疫耶氏菌 多形态性 陈旧培基物,青霉素、溶菌酶正常形态细菌 L型变异 抗体或补体(部分或完全失去胞壁),细菌的菌落：有光滑(S)型和粗糙(R)型两种。S型表面光滑、湿润、边缘整齐。经人工培养多次传代后菌落表面边为粗糙、干燥、边缘不整齐，称SR变异。SR变异常见于肠道杆菌。变异时不仅菌落的发生改变，且其它性状也可变化。S型菌的致病性强，但有少数R型菌的致病性强，如结核分枝杆菌。,（二）菌落变异,（二）菌落变异,在陈旧培养基中长期培养光滑型菌落 粗糙型菌落 S R 原因：失去LPS的特异多糖,S型菌落,R型菌落,
3、毒力增强：无毒力的白喉棒状杆菌常寄居在咽喉部，不致病；当感染了-棒状噬菌体后变成溶原性细菌，则获得产生白喉毒素的能力，引起白喉。毒力减弱：有毒菌株长期在人工培养基上传代培养，可使细菌的毒力减弱或消失。卡介苗(BCG)是有毒的牛结核分枝杆菌在含有胆汁、甘油、马铃薯培养基上，经过13年，连续传230代，获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异株。,（三）毒力变异,（三）毒力变异,增强 棒状噬菌体白喉棒状杆菌 获得白喉毒素 减弱 胆汁、甘油、马铃薯培养基牛分枝杆菌 卡介苗 13年(230代),牛分支杆菌 Mycobacterium bovis,置于含胆汁的培养基，逐渐增加胆汁的浓度,13年,卡介苗
4、Bacillus Calmette-Guerin(BCG),在胆汁中适应性生长，充分减毒成为预防肺结核的疫苗。,耐药性变异：细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐药的变异。有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性。从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的不断增长是世界范围内的普遍趋势，给临床治疗带来很大的困难，并成为当今医学上的重要问题。,（四）耐药性变异,（四）耐药性变异,金黄色葡萄球菌有些细菌还同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。含链霉素培基痢疾杆菌 依链株 长期培养,二.细菌遗传变异的物质基础,（一）细菌的染色体（二）染色体外的遗传物质 1.细菌的质粒 2.噬菌体
5、3.转位因子,（一）细菌的染色体,是裸露的DNA，无组蛋白包绕。由一条双股环状DNA分子反复回旋盘绕而成，附着在横隔中介体或细菌膜上。基因与真核细菌不同，基因是连续的,无内含子，转录后形成的mRNA不必再剪切、拼接，可直接翻译成多肽。DNA的复制，在大肠杆菌已被证明是双向复制。自大肠杆菌提取的DNA是一条完整的DNA链，分子量仅为人体细胞DNA量的0.1%。大肠杆菌的DNA约为4106个碱基对，因此约有5000多个基因，可编码几千种多肽。,概念：是细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。质粒基因可编码多种重要的生物学性状。,1.质粒,（二）染色体外的遗传物质,具有自我复制的能力。DN
6、A所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征。可自行丢失与消除。转移性。可分为相容性与不相容性两种。,（1）质粒DNA的主要特征,（2）医学上重要的质粒,1)致育质粒（F质粒）：编码细菌的性菌毛2)耐药性质粒：编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药 性。分两类，一是接合性耐药质粒（R质粒），另一是非接合耐药性质粒；3)细菌素质粒：编码细菌产生细菌素；4)毒力质粒（Vi质粒）：编码与该菌致病性有关的毒力因子；5)代谢质粒：编码产生相关的代谢酶。,噬菌体：是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。噬菌体具有病毒的一些特性：个体微小、没有细胞结构、专性细胞内寄生。噬菌体分布：极广，凡是有细菌的场所，就
7、可能有相应的噬菌体的存在。,2.噬菌体,噬菌体很小，用电镜观察。在电镜下有三种形态：蝌蚪形、微球形和丝形。大多数噬菌体呈蝌蚪形，由头部和尾部两部分组成。,（1）噬菌体的形态与结构,蝌蚪形噬菌体结构模式图,噬菌体的其他生物学性状,化学组成：噬菌体主要由核酸和蛋白质组成。遗传物质：DNA或RNA，由此分成DNA噬菌体和RNA噬菌体。蛋白质：构成头部的衣壳及尾部，起着保护核酸的作用。抗原性：噬菌体具有抗原性，能刺激机体产生特异性抗体。抵抗力：对理化因素及多数化学消毒剂的抵抗力比一般细菌的繁殖体强，75 30min灭活。能耐受低温和冰冻，但对紫外线和X射线敏感。,（2）噬菌体与细菌的相互关系,噬菌体感
8、染细菌有两种结果：噬菌体增殖，细菌被裂解，建立溶菌性周期，这类噬菌体称为毒性噬菌体。噬菌体核酸与细菌染色体整合，成为前噬菌体，细菌变为溶原性细菌，建立溶原性周期，这类噬菌体称为温和噬菌体。,噬菌体可分为两类：毒性噬菌体：能在宿主细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌。温和噬菌体：噬菌体基因与宿主染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌的分裂而传代。,（2）噬菌体与细菌的相互关系,1)噬菌体的溶菌性周期,噬菌体的复制周期或溶菌周期：从噬菌体吸附至细菌溶解释放出子代噬菌体的过程。增殖方式：毒性噬菌体在敏感菌内以复制方式进行增殖。增殖过程包括：吸附穿入、生
9、物合成、成熟释放。,吸附,吸附是噬菌体与菌体表面受体发生特异性结合的过程，其特异性取决于噬菌体蛋白与宿主菌表面受体分子结构的互补性。,毒性噬菌体的复制周期溶菌性周期,2）溶原性周期,温和噬菌体有溶原性周期和溶菌性周期溶原性周期：温和噬菌体的基因组能与宿主菌基因组整合，并随细菌分裂传至子代细菌的基因组中，不引起细菌裂解。前噬菌体：整合在细菌基因组中的噬菌体基因组。溶原性细菌：带有前噬菌体基因组的细菌。,温和噬菌体的溶菌性周期,前噬菌体偶尔可自发地或在某些理化和生物因素的诱导下脱离宿主菌基因组而进入溶菌周期，产生成熟噬菌体，导致细菌裂解。,2）溶原性周期,温和噬菌体可有三种存在状态：A.游离的具有
10、感染性的噬菌体颗粒；B.宿主菌胞质内类似质粒形式的噬菌体核酸；C.前噬菌体。溶原性转换：某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状发生改变。,噬菌体（总结）,定义：是寄生于细菌的病毒，有宿主细胞的特异性。毒性噬菌体：在敏感菌中增殖并裂解细菌的噬菌体温和噬菌体：感染细菌后，有两种后果，或裂解细菌或形成溶原状态。裂解细菌的过程与毒性噬菌体相同，形成溶原状态则为噬菌体的基因组整合于细菌的染色体上，并随细菌的繁殖传至子代。在细菌染色体上的温和噬菌体的基因，可相当于遗传物质，也能决定细菌的某些特性。当细菌失去相应噬菌体基因后，则失去产生毒素或表达特异抗原特性。溶原性细菌：带有噬菌体基因组的细菌前噬菌体：整合于细
11、菌染色体上的噬菌体基因溶原性转换：由噬菌体基因决定细菌的某些生物学特性称为溶原性转换。,转位因子：是存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段特异性核苷酸序列片段，它能在DNA分子中移动，不断改变它们在基因组中的位置，能从一个基因组转移到另一基因组中。原核生物的转位因子有三类：插入序列(IS)、转座子(Tn)、Mu噬菌体或前噬菌体。,3.转位因子,(1)插入序列（IS）是最小的转位因子，2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域(2)转座子（Tn）2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因。可能与细菌的多重耐药性有关。,Tn,转座子的特征,(3)转
12、座噬菌体或前噬菌体,是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状。,三.细菌变异的机制,(一)基因突变和损伤后修复(二)基因转移和重组,1.突变：是细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变异。基因突变：也称点突变，是DNA中一对或少数几对硷基的置换、增加或缺失。染色体畸变：涉及大段DNA的易位、缺失、重复或倒位等变化，结果导致细菌死亡。,(一)基因的突变和损伤后修复,突变率：突变常自然发生，但突变率极低 突变与选择：突变是随机的，不定向的。回复突变：细菌由野生型变为突变型是正向突变，有时突变株经过又一次突变可恢复野生型的性状。,
13、2.基因突变的规律,基因转移：外源性的遗传物质由供体菌进入某受体 菌细胞内的过程。基因重组：转移的基因与受体菌DNA整合在一起，使受体菌获得供体菌某些特性。外源性遗传物质：供体菌染色体DNA，质粒DNA及噬菌体基因等。细菌的基因转移和重组方式：转化、接合、转导、溶原性转换、细胞融合。,(二)基因转移和重组,1.转化:供体菌裂解的游离DNA片段被受体菌直接摄取，使受体菌获得新的性状。,转化因子：在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子，分子量小于107，最多不超过10-20个基因。感受态,2.接合,接合：是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒DNA）从供体菌转移给受体菌。接合性质
14、粒：能通过结合方式转移的质粒，如F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒等。非接合性质粒：不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒为,（1）F质粒的接合,（2）R质粒的接合,日本首先分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重耐药株，多重耐药性很难用基因突变解释。健康人中大肠埃希菌30%50%有R质粒，而致病性大肠埃希菌90%有R质粒。与多重耐药性有关。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。,R质粒的组成,由耐药传递因子(RTF)和耐药决定因子(r)两部分组成。耐药传递因子（RTF）：与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移。耐药（r）决定子：能编码对抗菌药物的耐药性。,R质粒决定耐药的机制,使细菌产生灭活抗生素
15、的酶类：如内酰胺酶能水解青霉素、头孢霉素等的内酰胺环而使其失去作用。又如通过耐药菌株产生磷酸转移酶以ATP为辅基，使链霉素、卡那霉素及新霉素等氨基糖苷类抗生素失活。R质粒控制细菌改变药物作用的靶部位：如链霉素和红霉素的结合靶位分别是细菌核糖体上30S或50S亚基，R质粒可编码产生甲基化酶，使药物作用靶位上的氮原子甲基化，因而药物不能与核糖体结合，也就不能抑制菌体蛋白的合成。R质粒可控制细菌细胞对药物的通透性:如R质粒能编码产生新的蛋白质，阻塞了细胞壁上的通水孔，使抗生素（四环素、异烟肼等）不能进入菌体内。,概念：是以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。根
16、据转导基因片段的范围，可将转导分为两类：（1）普遍性转导：转导的DNA可是供体菌染色体上的任何部分。（2）局限性转导：转导的DNA只限供体菌染色体上的特定基因。,3.转导,（1）普遍性转导,前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖，在裂解期的后期，噬菌体的DNA已大量复制，装配时可能会发生装配错误，误将细菌的DNA片段装入噬菌体的头部，成为一个转导噬菌体。转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌，并将其头部的染色体注入受体菌内。被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分。,供体菌,结果完全转导流产转导,普遍性转导,（2）局限性转导,或称特异性转导，所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。溶原期时，
17、噬菌体DNA整合在细菌染色体特定部位，噬菌体DNA发生偏差分离，将自身的一段DNA留在细菌染色体上，而带走了细菌DNA上两侧的基因。当其转导并整合到受体菌中，使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。所转导的只限于供体菌上个别的基因。,普遍性转导与局限性转导的区别,4.溶原性转换,概念：当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的DNA片段，使其成为溶原状态时，而使细菌获得新的性状。常见细菌：白喉棒状杆菌、A群链球菌、肉毒梭菌、产气荚膜梭菌、霍乱弧菌,细菌的基因转移和重组方式的比较,5.原生质体融合,（一）在疾病的诊断、治疗与预防中的作用（二）在测定致癌物质中的应用（三）在流行病中的应用（四）在基
18、因工程中的应用,四.细菌遗传变异的实际意义,（一）在疾病的诊断、治疗与预防中的作用,形态、结构、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的变异，使得诊断复杂化耐药菌株日益增多，预防耐药性 药敏实验 早期足量 要有一定疗程,联合用药 不要滥用减毒菌株和无毒株可制备成疫苗,（二）在测定致癌物质中的应用,凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。Ames实验伤寒沙门菌（his-）（his+）,检查致癌物质的作用,正常细胞发生遗传信息的改变可致肿瘤。因此导致突变的条件因素均被认为是可疑的致癌因素。Ames试验：是以细菌作为诱变对象，以待测的化学因子作为诱变剂，将待测的化学物质作用于鼠伤寒沙门氏杆菌的组
19、氨酸营养缺陷型细菌后，将此菌接种于无组氨酸的培养基中。如果该化学物质有促变作用，则有少数细菌可回复突变而获得在无组氨酸培养基上生长的能力。这种以该菌株的回复突变作为检测致癌因子指标的方法比较简便，可供参考。,（三）在流行病中的应用,分子生物学分析方法已被用于流行病学调查质粒指纹图（PFP）对噬菌体的敏感性，对细菌素的敏感性,（四）在基因工程中的应用,基因工程是根据遗传变异中细菌可因基因转移和重组而获得新性状的原理设计的 切取目的基因连接到载体上转移到工程菌内，大量表达目的基因产物目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、rIL-2等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品,在基因工程中的应用,基因工程：是人工对所需的目的基因进行分离剪裁，后将目的基因与载体结合，导入宿主细胞或细菌进行扩增获得大量的目的基因，或通过宿主表达获得所需的基因产物。质粒与噬菌体都是较理想的基因载体。通过载体的利用，重组基因中的目的基因可被转入宿主细菌进行基因产物的表达，获得用一般方法难以获得的产品，如胰鸟素、生长激素、干扰素等。,
