病原8細菌的遺傳與變異

基本概念遺傳：使細菌的性狀保持相對穩(wěn)定，且代代相傳，使其菌種得以保存。變異：在一定條件下，子代與親代之間以及子代與子代之間的生物學(xué)性狀出現(xiàn)的差異。細菌的變異分為:

1.遺傳性變異：基因變不可逆可遺傳

2.非遺傳性變異：基因未變可逆不遺傳

第一頁，共六十七頁。遺傳性變異與非遺傳性變異的比較遺傳性變異非遺傳性變異基因改變+-遺傳+-可逆性-+外界環(huán)境-+變異幅度個別細胞群體第二頁，共六十七頁。一.細菌的變異現(xiàn)象（一）形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異（二）菌落變異（三）毒力變異（四）耐藥性變異第三頁，共六十七頁。細菌的大小和形態(tài)：在不同的生長時期可不同，生長過程中受外界環(huán)境的影響也可發(fā)生變異。如：鼠疫耶氏菌在陳舊培養(yǎng)物上細菌的多形態(tài)性、細菌L型。細菌的特殊結(jié)構(gòu)：如莢膜（肺炎鏈球菌）、芽胞（炭疽芽孢桿菌）、鞭毛（變形桿菌H-O變異）也可發(fā)生變異。（一）形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異第四頁，共六十七頁。（一）形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異

3-6%食鹽

鼠疫耶氏菌多形態(tài)性

陳舊培基物

第五頁，共六十七頁。

青霉素、溶菌酶

正常形態(tài)細菌L型變異

抗體或補體

(部分或完全失去胞壁)

第六頁，共六十七頁。細菌的菌落：有光滑(S)型和粗糙(R)型兩種。S型表面光滑、濕潤、邊緣整齊。經(jīng)人工培養(yǎng)多次傳代后菌落表面邊為粗糙、干燥、邊緣不整齊，稱S—R變異。S—R變異常見于腸道桿菌。變異時不僅菌落的發(fā)生改變，且其它性狀也可變化。S型菌的致病性強，但有少數(shù)R型菌的致病性強，如結(jié)核分枝桿菌。（二）菌落變異第七頁，共六十七頁。（二）菌落變異

在陳舊培養(yǎng)基中長期培養(yǎng)

光滑型菌落

粗糙型菌落

S

R

原因：失去LPS的特異多糖第八頁，共六十七頁。S型菌落R型菌落第九頁，共六十七頁。毒力增強：無毒力的白喉棒狀桿菌常寄居在咽喉部，不致病；當感染了β-棒狀噬菌體后變成溶原性細菌，則獲得產(chǎn)生白喉毒素的能力，引起白喉。毒力減弱：有毒菌株長期在人工培養(yǎng)基上傳代培養(yǎng)，可使細菌的毒力減弱或消失?？ń槊?BCG)是有毒的牛結(jié)核分枝桿菌在含有膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基上，經(jīng)過13年，連續(xù)傳230代，獲得的一株毒力減弱但仍保持免疫原性的變異株。（三）毒力變異第十頁，共六十七頁。（三）毒力變異增強

β棒狀噬菌體

白喉棒狀桿菌

獲得白喉毒素

減弱

膽汁、甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基

牛分枝桿菌

卡介苗

13年(230代)

第十一頁，共六十七頁。牛分支桿菌

Mycobacteriumbovis置于含膽汁的培養(yǎng)基，逐漸增加膽汁的濃度13年卡介苗BacillusCalmette-Guerin(BCG)在膽汁中適應(yīng)性生長，充分減毒成為預(yù)防肺結(jié)核的疫苗。第十二頁，共六十七頁。耐藥性變異：細菌對某種抗菌藥物由敏感變?yōu)槟退幍淖儺?。有些細菌還表現(xiàn)為同時耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性。從抗生素廣泛應(yīng)用以來，細菌對抗生素耐藥的不斷增長是世界范圍內(nèi)的普遍趨勢，給臨床治療帶來很大的困難，并成為當今醫(yī)學(xué)上的重要問題。（四）耐藥性變異第十三頁，共六十七頁。（四）耐藥性變異金黃色葡萄球菌有些細菌還同時耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產(chǎn)生藥物依賴性。

含鏈霉素培基

痢疾桿菌依鏈株

長期培養(yǎng)

第十四頁，共六十七頁。二.細菌遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（一）細菌的染色體（二）染色體外的遺傳物質(zhì)

1.細菌的質(zhì)粒2.噬菌體3.轉(zhuǎn)位因子第十五頁，共六十七頁。（一）細菌的染色體是裸露的DNA，無組蛋白包繞。由一條雙股環(huán)狀DNA分子反復(fù)回旋盤繞而成，附著在橫隔中介體或細菌膜上?；蚺c真核細菌不同，基因是連續(xù)的,無內(nèi)含子，轉(zhuǎn)錄后形成的mRNA不必再剪切、拼接，可直接翻譯成多肽。DNA的復(fù)制，在大腸桿菌已被證明是雙向復(fù)制。自大腸桿菌提取的DNA是一條完整的DNA鏈，分子量僅為人體細胞DNA量的0.1%。大腸桿菌的DNA約為4×106個堿基對，因此約有5000多個基因，可編碼幾千種多肽。第十六頁，共六十七頁。概念：是細菌染色體以外的遺傳物質(zhì)，是環(huán)狀閉合的雙鏈DNA。質(zhì)?；蚩删幋a多種重要的生物學(xué)性狀。1.質(zhì)粒（二）染色體外的遺傳物質(zhì)第十七頁，共六十七頁。具有自我復(fù)制的能力。DNA所編碼的基因產(chǎn)物賦予細菌某些性狀特征。可自行丟失與消除。轉(zhuǎn)移性?？煞譃橄嗳菪耘c不相容性兩種。（1）質(zhì)粒DNA的主要特征第十八頁，共六十七頁。（2）醫(yī)學(xué)上重要的質(zhì)粒1)致育質(zhì)粒（F質(zhì)粒）：編碼細菌的性菌毛2)耐藥性質(zhì)粒：編碼細菌對抗菌藥物或重金屬鹽類的耐藥性。分兩類，一是接合性耐藥質(zhì)粒（R質(zhì)粒），另一是非接合耐藥性質(zhì)粒；3)細菌素質(zhì)粒：編碼細菌產(chǎn)生細菌素；4)毒力質(zhì)粒（Vi質(zhì)粒）：編碼與該菌致病性有關(guān)的毒力因子；5)代謝質(zhì)粒：編碼產(chǎn)生相關(guān)的代謝酶。第十九頁，共六十七頁。噬菌體：是感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒。噬菌體具有病毒的一些特性：個體微小、沒有細胞結(jié)構(gòu)、專性細胞內(nèi)寄生。噬菌體分布：極廣，凡是有細菌的場所，就可能有相應(yīng)的噬菌體的存在。2.噬菌體第二十頁，共六十七頁。噬菌體很小，用電鏡觀察。在電鏡下有三種形態(tài)：蝌蚪形、微球形和絲形。大多數(shù)噬菌體呈蝌蚪形，由頭部和尾部兩部分組成。（1）噬菌體的形態(tài)與結(jié)構(gòu)第二十一頁，共六十七頁。蝌蚪形噬菌體結(jié)構(gòu)模式圖第二十二頁，共六十七頁。噬菌體的其他生物學(xué)性狀化學(xué)組成：噬菌體主要由核酸和蛋白質(zhì)組成。遺傳物質(zhì)：DNA或RNA，由此分成DNA噬菌體和RNA噬菌體。蛋白質(zhì)：構(gòu)成頭部的衣殼及尾部，起著保護核酸的作用?？乖裕菏删w具有抗原性，能刺激機體產(chǎn)生特異性抗體。抵抗力：對理化因素及多數(shù)化學(xué)消毒劑的抵抗力比一般細菌的繁殖體強，75℃30min滅活。能耐受低溫和冰凍，但對紫外線和X射線敏感。第二十三頁，共六十七頁。（2）噬菌體與細菌的相互關(guān)系噬菌體感染細菌有兩種結(jié)果：①噬菌體增殖，細菌被裂解，建立溶菌性周期，這類噬菌體稱為毒性噬菌體。②噬菌體核酸與細菌染色體整合，成為前噬菌體，細菌變?yōu)槿茉约毦⑷茉灾芷冢@類噬菌體稱為溫和噬菌體。第二十四頁，共六十七頁。噬菌體可分為兩類：毒性噬菌體：能在宿主細胞內(nèi)復(fù)制增殖，產(chǎn)生許多子代噬菌體，并最終裂解細菌。溫和噬菌體：噬菌體基因與宿主染色體整合，不產(chǎn)生子代噬菌體，但噬菌體DNA能隨細菌DNA復(fù)制，并隨細菌的分裂而傳代。（2）噬菌體與細菌的相互關(guān)系第二十五頁，共六十七頁。1)噬菌體的溶菌性周期噬菌體的復(fù)制周期或溶菌周期：從噬菌體吸附至細菌溶解釋放出子代噬菌體的過程。增殖方式：

毒性噬菌體在敏感菌內(nèi)以復(fù)制方式進行增殖。增殖過程包括：吸附穿入、生物合成、成熟釋放。第二十六頁，共六十七頁。吸附吸附是噬菌體與菌體表面受體發(fā)生特異性結(jié)合的過程，其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)的互補性。第二十七頁，共六十七頁。毒性噬菌體的復(fù)制周期—溶菌性周期第二十八頁，共六十七頁。第二十九頁，共六十七頁。2）溶原性周期溫和噬菌體有溶原性周期和溶菌性周期溶原性周期：溫和噬菌體的基因組能與宿主菌基因組整合，并隨細菌分裂傳至子代細菌的基因組中，不引起細菌裂解。前噬菌體：整合在細菌基因組中的噬菌體基因組。溶原性細菌：帶有前噬菌體基因組的細菌。第三十頁，共六十七頁。溫和噬菌體的溶菌性周期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)下脫離宿主菌基因組而進入溶菌周期，產(chǎn)生成熟噬菌體，導(dǎo)致細菌裂解。第三十一頁，共六十七頁。2）溶原性周期溫和噬菌體可有三種存在狀態(tài)：A.游離的具有感染性的噬菌體顆粒；B.宿主菌胞質(zhì)內(nèi)類似質(zhì)粒形式的噬菌體核酸；C.前噬菌體。溶原性轉(zhuǎn)換：某些前噬菌體可導(dǎo)致細菌基因型和性狀發(fā)生改變。第三十二頁，共六十七頁。第三十三頁，共六十七頁。噬菌體（總結(jié)）定義：是寄生于細菌的病毒，有宿主細胞的特異性。毒性噬菌體：在敏感菌中增殖并裂解細菌的噬菌體溫和噬菌體：感染細菌后，有兩種后果，或裂解細菌或形成溶原狀態(tài)。裂解細菌的過程與毒性噬菌體相同，形成溶原狀態(tài)則為噬菌體的基因組整合于細菌的染色體上，并隨細菌的繁殖傳至子代。在細菌染色體上的溫和噬菌體的基因，可相當于遺傳物質(zhì)，也能決定細菌的某些特性。當細菌失去相應(yīng)噬菌體基因后，則失去產(chǎn)生毒素或表達特異抗原特性。

溶原性細菌：帶有噬菌體基因組的細菌前噬菌體：整合于細菌染色體上的噬菌體基因溶原性轉(zhuǎn)換：由噬菌體基因決定細菌的某些生物學(xué)特性稱為溶原性轉(zhuǎn)換。

第三十四頁，共六十七頁。轉(zhuǎn)位因子：是存在于細菌染色體或質(zhì)粒DNA分子上的一段特異性核苷酸序列片段，它能在DNA分子中移動，不斷改變它們在基因組中的位置，能從一個基因組轉(zhuǎn)移到另一基因組中。原核生物的轉(zhuǎn)位因子有三類：插入序列(IS)、轉(zhuǎn)座子(Tn)、Mu噬菌體或前噬菌體。3.轉(zhuǎn)位因子第三十五頁，共六十七頁。(1)插入序列（IS）是最小的轉(zhuǎn)位因子，＜2kb，不攜帶任何已知與插入功能無關(guān)的基因區(qū)域(2)轉(zhuǎn)座子（Tn）＞2kb，除攜帶與轉(zhuǎn)位有關(guān)的基因外，還攜帶耐藥性基因、抗金屬基因、毒素基因及其他結(jié)構(gòu)基因?？赡芘c細菌的多重耐藥性有關(guān)。IS

ISResistanceGene(s)Tn第三十六頁，共六十七頁。轉(zhuǎn)座子的特征轉(zhuǎn)座子攜帶耐藥或毒素基因Tn1Tn2Tn3AP（氨芐青霉素）Tn4AP、SM（鏈霉素）、Su（磺胺）Tn5Km（卡那霉素）Tn6KmTn7TMP（甲氧芐氨嘧啶）、SMTn9Cm（氯霉素）Tn10Tc（四環(huán)素）tn551Em（紅霉素）Tn971EmTn1681大腸埃希菌（腸毒素基因）第三十七頁，共六十七頁。(3)轉(zhuǎn)座噬菌體或前噬菌體是一些具有轉(zhuǎn)座功能的溶原性噬菌體，當整合到細菌染色體上，能改變?nèi)茉约毦哪承┥飳W(xué)性狀。第三十八頁，共六十七頁。三.細菌變異的機制(一)基因突變和損傷后修復(fù)(二)基因轉(zhuǎn)移和重組第三十九頁，共六十七頁。1.突變：是細菌遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，導(dǎo)致細菌性狀的遺傳性變異?；蛲蛔儯阂卜Q點突變，是DNA中一對或少數(shù)幾對鹼基的置換、增加或缺失。染色體畸變：涉及大段DNA的易位、缺失、重復(fù)或倒位等變化，結(jié)果導(dǎo)致細菌死亡。(一)基因的突變和損傷后修復(fù)第四十頁，共六十七頁。突變率：突變常自然發(fā)生，但突變率極低

突變與選擇：突變是隨機的，不定向的?；貜?fù)突變：細菌由野生型變?yōu)橥蛔冃褪钦蛲蛔儯袝r突變株經(jīng)過又一次突變可恢復(fù)野生型的性狀。2.基因突變的規(guī)律第四十一頁，共六十七頁?；蜣D(zhuǎn)移：外源性的遺傳物質(zhì)由供體菌進入某受體菌細胞內(nèi)的過程。基因重組：轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA整合在一起，使受體菌獲得供體菌某些特性。外源性遺傳物質(zhì)：供體菌染色體DNA，質(zhì)粒DNA及噬菌體基因等。細菌的基因轉(zhuǎn)移和重組方式：轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)、溶原性轉(zhuǎn)換、細胞融合。(二)基因轉(zhuǎn)移和重組第四十二頁，共六十七頁。1.轉(zhuǎn)化:供體菌裂解的游離DNA片段被受體菌直接攝取，使受體菌獲得新的性狀。第四十三頁，共六十七頁。第四十四頁，共六十七頁。轉(zhuǎn)化因子：在轉(zhuǎn)化過程中，轉(zhuǎn)化的DNA片段稱為轉(zhuǎn)化因子，分子量小于107，最多不超過10-20個基因。感受態(tài)第四十五頁，共六十七頁。2.接合接合：是細菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA）從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌。接合性質(zhì)粒：能通過結(jié)合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒，如F質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒和毒力質(zhì)粒等。非接合性質(zhì)粒：不能通過性菌毛在細菌間轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒為第四十六頁，共六十七頁。（1）F質(zhì)粒的接合第四十七頁，共六十七頁。第四十八頁，共六十七頁。第四十九頁，共六十七頁。（2）R質(zhì)粒的接合日本首先分離到抗多種藥物的宋內(nèi)志賀菌多重耐藥株，多重耐藥性很難用基因突變解釋。健康人中大腸埃希菌30%~50%有R質(zhì)粒，而致病性大腸埃希菌90%有R質(zhì)粒。與多重耐藥性有關(guān)。耐藥質(zhì)粒從一個細菌轉(zhuǎn)移到另一個細菌中。第五十頁，共六十七頁。R質(zhì)粒的組成由耐藥傳遞因子(RTF)和耐藥決定因子(r)兩部分組成。耐藥傳遞因子（RTF）：與F質(zhì)粒相似，編碼性菌毛的產(chǎn)生和通過接合轉(zhuǎn)移。耐藥（r）決定子：能編碼對抗菌藥物的耐藥性。第五十一頁，共六十七頁。R質(zhì)粒決定耐藥的機制①使細菌產(chǎn)生滅活抗生素的酶類：如β－內(nèi)酰胺酶能水解青霉素、頭孢霉素等的β－內(nèi)酰胺環(huán)而使其失去作用。又如通過耐藥菌株產(chǎn)生磷酸轉(zhuǎn)移酶以ATP為輔基，使鏈霉素、卡那霉素及新霉素等氨基糖苷類抗生素失活。②R質(zhì)?？刂萍毦淖兯幬镒饔玫陌胁课唬喝珂溍顾睾图t霉素的結(jié)合靶位分別是細菌核糖體上30S或50S亞基，R質(zhì)?？删幋a產(chǎn)生甲基化酶，使藥物作用靶位上的氮原子甲基化，因而藥物不能與核糖體結(jié)合，也就不能抑制菌體蛋白的合成。③R質(zhì)?？煽刂萍毦毎麑λ幬锏耐ㄍ感?如R質(zhì)粒能編碼產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)，阻塞了細胞壁上的通水孔，使抗生素（四環(huán)素、異煙肼等）不能進入菌體內(nèi)。

第五十二頁，共六十七頁。概念：是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。根據(jù)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因片段的范圍，可將轉(zhuǎn)導(dǎo)分為兩類：（1）普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)：轉(zhuǎn)導(dǎo)的DNA可是供體菌染色體上的任何部分。（2）局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)：轉(zhuǎn)導(dǎo)的DNA只限供體菌染色體上的特定基因。3.轉(zhuǎn)導(dǎo)第五十三頁，共六十七頁。（1）普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)

前噬菌體從溶原菌染色體上脫離，進行增殖，在裂解期的后期，噬菌體的DNA已大量復(fù)制，裝配時可能會發(fā)生裝配錯誤，誤將細菌的DNA片段裝入噬菌體的頭部，成為一個轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體。轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體能以正常方式感染另一宿主菌，并將其頭部的染色體注入受體菌內(nèi)。被包裝的DNA可以是供體菌染色體上的任何部分。第五十四頁，共六十七頁。供體菌受體菌轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體細菌DNA噬菌體DNA第五十五頁，共六十七頁。結(jié)果完全轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)未整合整合第五十六頁，共六十七頁。普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)第五十七頁，共六十七頁。第五十八頁，共六十七頁。（2）局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)或稱特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)，所轉(zhuǎn)導(dǎo)的只限于供體菌染色體上特定的基因。溶原期時，噬菌體DNA整合在細菌染色體特定部位，噬菌體DNA發(fā)生偏差分離，將自身的一段DNA留在細菌染色體上，而帶走了細菌DNA上兩側(cè)的基因。當其轉(zhuǎn)導(dǎo)并整合到受體菌中，使受體菌獲得供體菌的某些遺傳性狀。所轉(zhuǎn)導(dǎo)的只限于供體菌上個別的基因。第五十九頁，共六十七頁。普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)與局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)的區(qū)別區(qū)別要點普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)基因轉(zhuǎn)導(dǎo)發(fā)生的時期裂解期溶原期轉(zhuǎn)導(dǎo)的遺傳物質(zhì)供體菌染色體DNA任何部位或質(zhì)粒噬菌體DNA及供體菌DNA的特定部位轉(zhuǎn)導(dǎo)的后果完全轉(zhuǎn)導(dǎo)或流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)受體菌獲得供體菌DNA特定部位的遺傳特性轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率受體菌的10-7轉(zhuǎn)導(dǎo)頻率較普遍轉(zhuǎn)導(dǎo)增加1000倍(10-4)第六十頁，共六十七頁