细菌的遗传与变异

1、细菌的遗传与变异生命体通过核酸的复制和生命体通过核酸的复制和分配分配使亲代的性使亲代的性状传递给子代，致使子代与亲代的生物学性状基本相状传递给子代，致使子代与亲代的生物学性状基本相同，且代代相传，遗传使细菌的性状保持相对稳定。同，且代代相传，遗传使细菌的性状保持相对稳定。 在一定条件下，A、遗传性变异遗传性变异（基因型变异） 基因结构的改变（基因或转移与重组）引起基因结构的改变（基因或转移与重组）引起 的性状变化，这为基因型变异，其可遗传给的性状变化，这为基因型变异，其可遗传给 子代（稳定？）。子代（稳定？）。B、非遗传性变异非遗传性变异（表型变异） 一定环境条件的影响下发生的性状变化，但一定

2、环境条件的影响下发生的性状变化，但 基因结构没有改变，此为表型基因结构没有改变，此为表型 变异（遗变异（遗 传？稳定？）传？稳定？）； 当环境中的影响因素去除后，当环境中的影响因素去除后，表型变异表型变异的性状又可复原，且的性状又可复原，且 这种变异不能遗传。这种变异不能遗传。形态、结构的变异抗原性变异毒力变异菌落变异耐药性变异1、形态、结构变异、形态、结构变异 细菌的细菌的大小和形态大小和形态在不同的生长时期可不同，在不同的生长时期可不同， 生长过程中受生长过程中受外界环境外界环境的影响也可发生变异。的影响也可发生变异。 如：如：鼠疫耶氏菌在陈旧培养物上细菌的多形态性、鼠疫耶氏菌在陈旧培养物

3、上细菌的多形态性、 细菌细菌L型。型。 细菌的细菌的特殊结构特殊结构也可发生变异（也可发生变异（外环境？外环境？） 如：如：荚膜（肺炎链球菌）、芽胞（炭疽芽孢杆荚膜（肺炎链球菌）、芽胞（炭疽芽孢杆 菌）、鞭毛（变形杆菌菌）、鞭毛（变形杆菌H-O变异变异）A 、 3-6%食盐食盐 鼠疫杆菌鼠疫杆菌多形态性多形态性(衰残型衰残型) 琼脂培基琼脂培基NaClB、 青霉素、溶菌酶青霉素、溶菌酶 正常形态细菌正常形态细菌 L型变异型变异 抗体或补体抗体或补体 (部分或完全失去胞壁部分或完全失去胞壁)X正常霍乱弧菌正常霍乱弧菌霍乱弧菌霍乱弧菌L型型 C、特殊结构的变异特殊结构的变异 4243 炭疽杆菌炭疽

4、杆菌 失去形成芽胞能失去形成芽胞能 1020天天 力力、 毒性降低毒性降低 1%石炭酸石炭酸 变形杆菌菌落变形杆菌菌落 单个菌落单个菌落 （ H型，迁徙生长）型，迁徙生长） （O型，失去鞭毛）型，失去鞭毛） 鞭毛变异鞭毛变异2、抗原性变异、抗原性变异 肠道杆菌 多糖重复单位-0抗原属特异性 鞭毛 H抗原，种的特异性-1相-2相3、菌落变异：、菌落变异： SR变异变异细菌菌落的光滑细菌菌落的光滑(smooth,S)型菌落表面光滑、湿型菌落表面光滑、湿 润、边缘整齐；经人工培养多次传代后菌落表面润、边缘整齐；经人工培养多次传代后菌落表面 边缘变为为粗糙、干燥、边缘不整齐的粗糙型边缘变为为粗糙、干燥

5、、边缘不整齐的粗糙型 (rough,R) 的的现象现象。 这种变异现象对于从临床标本中分离致病菌时，这种变异现象对于从临床标本中分离致病菌时， 该如何挑选菌落具有该如何挑选菌落具有实际指导实际指导意义（意义（？）。）。A、SR变异常见于肠道杆菌，是由于失去变异常见于肠道杆菌，是由于失去LPS的的 特异性寡糖重复单位（特异性寡糖重复单位（？）而引起的。）而引起的。B、变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其 它性状（它性状（理化、抗原性、代谢酶活性、毒力理化、抗原性、代谢酶活性、毒力） 也同时发生了变化。也同时发生了变化。C、一般情况下，一般情况下，S型菌

6、的致病性强（型菌的致病性强（？），但有少），但有少 数细菌是数细菌是R型菌的致病性强（型菌的致病性强（？），），如结核分枝如结核分枝 杆菌、炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶氏菌。杆菌、炭疽芽胞杆菌、鼠疫耶氏菌。4、毒力变异、毒力变异增强增强or 减弱减弱 胆汁、甘油、马铃薯培养基胆汁、甘油、马铃薯培养基 A、牛型结核杆菌牛型结核杆菌卡介苗卡介苗 13年年、230代代 棒状噬菌体棒状噬菌体B、白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌 白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌 （获得白喉毒素基因）（获得白喉毒素基因） 5、耐药性变异、耐药性变异当今医学的重要问题当今医学的重要问题细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异细菌对某种抗菌药物由敏感

7、变成耐药的变异有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即有些细菌还表现为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。多重耐药性，甚至产生药物依赖性。如：如： 淋球菌淋球菌 （用第四代环丝氨酸）（用第四代环丝氨酸） 结核结核 （耐异烟肼）（耐异烟肼） 痢疾菌痢疾菌 （多重耐药菌株，药物依赖性菌株（多重耐药菌株，药物依赖性菌株链霉素链霉素）金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从金黄色葡萄球菌耐青霉素的菌株已从1946 年的年的14%上升至目前的上升至目前的80%。 A、金葡菌金葡菌 青霉素青霉素 B、耐药金葡菌耐药金葡菌 甲氧西林甲氧西林 耐药金葡菌耐药金葡菌 万古霉素万古霉素耐万古耐万古霉

8、素肠霉素肠球菌以球菌以接合方接合方 式传递式传递常见致病菌的耐药常见致病菌的耐药原原因因细菌细菌药物药物耐药原因耐药原因 金葡菌金葡菌青霉素青霉素产生产生B-内酰胺酶内酰胺酶 甲氧西林甲氧西林合成合成PBP2（膜结合蛋白，膜结合蛋白， 降低药物对膜的亲和力）降低药物对膜的亲和力）四环素四环素药物泵出药物泵出肠球菌肠球菌青霉素青霉素酶酶四环素四环素核糖体改变核糖体改变绿脓杆菌绿脓杆菌青霉素青霉素酶或酶或PBP改变改变氨基糖苷类氨基糖苷类酶或核糖体改变酶或核糖体改变抗菌药物的作用靶位抗菌药物的作用靶位耐药性细菌在世界各地的分布耐药性细菌在世界各地的分布 细菌的遗传物质是细菌的遗传物质是DNA，大多

9、为单倍体基因组大多为单倍体基因组 细菌的基因组是指染色体和染色体以外遗传物质细菌的基因组是指染色体和染色体以外遗传物质所携带基因的总称。所携带基因的总称。 染色体染色体DNA染色体外的核酸成份染色体外的核酸成份 A、质粒质粒(多型多型) B、转座元件转座元件 C、整合子、整合子细菌细菌基因位置基因位置编码致病物质编码致病物质幽门幽门染色体染色体侵袭力侵袭力炭疽炭疽质粒质粒毒素毒素霍乱霍乱染色体染色体毒素毒素白喉、肉毒白喉、肉毒噬菌体噬菌体毒素毒素 原核类原核类细菌的染色体是几乎裸露的环细菌的染色体是几乎裸露的环 状、双螺旋状、双螺旋DNA，不含组蛋白不含组蛋白, 无核膜无核膜 包围，包围，有核

10、蛋白有核蛋白。细菌基因的结构是连续的细菌基因的结构是连续的, 无内含子无内含子细菌染色体细菌染色体DNA的复制在大肠埃希菌已的复制在大肠埃希菌已 证明是双向半保留复制证明是双向半保留复制1、细菌染色体、细菌染色体基因基因, 是具有一定生物学功能的核苷酸序是具有一定生物学功能的核苷酸序列，如编码结构蛋白、酶等列，如编码结构蛋白、酶等 功能功能。致病岛（毒力岛）：致病染色体上编码与致病岛（毒力岛）：致病染色体上编码与毒力或致病相关因子之（相关）基因的（外源）毒力或致病相关因子之（相关）基因的（外源）DNA片段，是分子量较大的基因群。片段，是分子量较大的基因群。其两末端有重复序列、插入序列或其两末端

11、有重复序列、插入序列或tRNA，可水平传递（自身细胞内、细胞间）可水平传递（自身细胞内、细胞间）2、质粒、质粒 质粒质粒(plasmid)：是细菌染色体以外的遗传物质，是：是细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的双链环状闭合的双链DNA。 据质粒基因编码的生物学性状分为：据质粒基因编码的生物学性状分为： 致育质粒（致育质粒（F质粒）：与质粒）：与“有性有性” 繁殖有关繁殖有关 耐药性质粒：编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐耐药性质粒：编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。药性。 是接合性耐药质粒（经由性菌毛，如是接合性耐药质粒（经由性菌毛，如R质粒），质粒），M大大 另一是非接合耐药性质粒（

12、？，如噬菌体），另一是非接合耐药性质粒（？，如噬菌体）， M小小 一定条件下，接合性可以活化、转导一定条件下，接合性可以活化、转导-传递非接合性的传递非接合性的或宿主染色体或宿主染色体3)毒力质粒或毒力质粒或Vi质粒：质粒： 编码与该菌致病性有关的毒力因子编码与该菌致病性有关的毒力因子 如：金黄色葡萄球菌如：金黄色葡萄球菌毒力质粒毒力质粒表皮剥脱素表皮剥脱素 大肠杆菌大肠杆菌pST耐热性肠毒素耐热性肠毒素 pLT不耐热性肠毒素不耐热性肠毒素 4)细菌素质粒：编码产生细菌素细菌素质粒：编码产生细菌素 含含Col质粒的质粒的Eco. li.，编码产生大肠菌素编码产生大肠菌素5)代谢质粒：编码产生相

13、关的降解酶代谢质粒：编码产生相关的降解酶 如：沙门菌如：沙门菌-发酵乳糖能力发酵乳糖能力 质粒质粒DNA的特征的特征质粒是一个质粒是一个完整完整的复制子，具有自我复制的能力的复制子，具有自我复制的能力 据其复制的性质分：据其复制的性质分： A、紧密型紧密型：拷贝数少拷贝数少，仅与染色体同步复制，仅与染色体同步复制 B、松弛型松弛型：拷贝数多拷贝数多，与染色体复制无关，可随时复制，与染色体复制无关，可随时复制质粒质粒DNA所编码的基因产物所编码的基因产物赋予赋予细菌某些性状特征细菌某些性状特征 致育性、耐药性、致病性及生化性状致育性、耐药性、致病性及生化性状质粒可质粒可自行自行丢失与消除丢失与消

14、除 但其丢失后，细菌仍存活。但其丢失后，细菌仍存活。质粒的质粒的转移转移性性 经结合、转导、转化等方式在细菌与细菌、细菌与经结合、转导、转化等方式在细菌与细菌、细菌与 宿主细胞之间进行转移宿主细胞之间进行转移质粒可分为质粒可分为相容性与不相容性相容性与不相容性 两种两种结构结构（复制调控元件复制调控元件）相似）相似密切相关的质粒不能密切相关的质粒不能稳定共存于一个宿主菌的现象称为质粒不相容性。稳定共存于一个宿主菌的现象称为质粒不相容性。 3、转座元件（、转座元件（转座子转座子）转座子转座子，是，是存在于细菌染色体或质粒存在于细菌染色体或质粒DNA分子上分子上的一段的一段特异性核苷酸序列片段特异

15、性核苷酸序列片段，它能在，它能在DNA分子中分子中移动（移动（转位转位），不断改变它们在基因组的位置，能），不断改变它们在基因组的位置，能从一个从一个复制子单元复制子单元转移到另一个转移到另一个复制子单元复制子单元中。中。A、一段特异性核苷酸，在一段特异性核苷酸，在自身转座酶自身转座酶的作用下可移的作用下可移动（分子内动（分子内/间）而变换位置；间）而变换位置；插入位点无需同源核酸插入位点无需同源核酸片段片段，分，分保留性转位保留性转位、复制性转位复制性转位；B、其影响视转位因子本身特征、被整合染色体或其影响视转位因子本身特征、被整合染色体或质粒的整合后状态；质粒的整合后状态；转座因子有三类转

16、座因子有三类A、插入序列插入序列（insertion sequence, IS） 三者中最小，三者中最小，2kb，除携带与转位有关的基因外，还携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、毒素基因及其他带耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他 结构基因等；可结构基因等；可随机转位，不能独立复制。随机转位，不能独立复制。可能有顺可能有顺/反向重复序列，当反向重复序列，当Tn插入某一基因插入某一基因 时，时，一方面一方面可引起插入基因失活产生基因突变；可引起插入基因失活产生基因突变； 另一方面另一方面可因带入耐药性基因而使细菌获得可因带入耐药性基因而使细菌获得 耐药性。耐药性。 Tn

17、分为复合型、分为复合型、Tn3系、接合性转座子系、接合性转座子 复合型：复合型：ISORFIS; Tn3系：系：RORFR 接合性：接合性：-ORF-，经性菌毛的转位经性菌毛的转位 转座子可能与细菌的多重耐药性有关。转座子可能与细菌的多重耐药性有关。 自身游离时也无独立自主复制能力。自身游离时也无独立自主复制能力。转座子转座子携带耐药或毒素基因携带耐药或毒素基因Tn1 Tn2 Tn3AP（氨苄青霉素）氨苄青霉素）Tn4AP、SM（链霉素）、链霉素）、Su（磺胺）磺胺）Tn5Km（卡那霉素）卡那霉素）Tn6KmTn7TMP（甲氧苄氨嘧啶）、甲氧苄氨嘧啶）、SMTn9Cm（氯霉素）氯霉素）Tn10

18、Tc（四环素）四环素）tn551Em（红霉素）红霉素）Tn971EmTn1681大肠埃希菌（肠毒素基因）大肠埃希菌（肠毒素基因）转座子示例转座子示例4、整合子、整合子 整合子是一种运动性的整合子是一种运动性的DNA分子，具有独特的结分子，具有独特的结构而可捕获和整合外源性基因，使之转变成为自构而可捕获和整合外源性基因，使之转变成为自身表达性基因的表达单位身表达性基因的表达单位。 定位于染色体、质粒或转座子定位于染色体、质粒或转座子 基本结构基本结构 两端的保守末端两端的保守末端 中间的可变区中间的可变区：基因盒（多为耐药基因）：基因盒（多为耐药基因） 5保守末端含有功能元件保守末端含有功能元件

19、 整合酶基因，产物催化基因盒的整合酶基因，产物催化基因盒的整合整合与与切除切除 重组位点重组位点 启动子启动子突变突变(mutation)：是细菌遗传物质的结构发是细菌遗传物质的结构发生突然、稳定生突然、稳定碱基对碱基对且可遗传的变异，导致且可遗传的变异，导致细菌某些性状发生遗传性的变异。细菌某些性状发生遗传性的变异。DNA的损伤修复的损伤修复：当细菌：当细菌DNA受到受到损伤损伤单链单链时，时， 细胞会用有效的细胞会用有效的DNA修复系统进行修修复系统进行修复，以保证遗传的稳定性，维持细胞的存复，以保证遗传的稳定性，维持细胞的存活，并使损伤降为最小。活，并使损伤降为最小。（一）（一）. 基因

20、的突变与损伤后修复基因的突变与损伤后修复-10-6彷徨试验彷徨试验(fluctuation test) 选择选择The method of a serial dilutions for viable counting影印试验影印试验(replica plating) 选择选择基因转移基因转移(gene transfer)：外源性的遗传物质由供体外源性的遗传物质由供体菌进入某受体菌细胞内的过程。菌进入某受体菌细胞内的过程。基因重组基因重组(recombination)：转移的基因与受体菌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。整合在一起，使受体菌获得供体菌某些特性。外源性

21、遗传物质：供体菌染色体外源性遗传物质：供体菌染色体DNA，质粒质粒DNA及及噬菌体基因等。噬菌体基因等。细菌的基因转移和重组方式：转化、接合、转导、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。溶原性转换、细胞融合。(二二). 基因的转移与重组基因的转移与重组1. 转化转化(transformation) 转化是供体菌裂解转化是供体菌裂解游离的游离的DNA片段片段转入某受体菌细转入某受体菌细胞内的过程胞内的过程自然、人工。自然、人工。 发生事件：发生事件： 宿主菌处于感受态（解链期）宿主菌处于感受态（解链期） 自然发生时大多自然发生时大多是是导入一条链导入一条链，同源重组生

22、成异源双链；，同源重组生成异源双链； 人工时人工时大多是大多是超螺旋双链超螺旋双链，不一定发生同源重组（，不一定发生同源重组（游离游离） 影响因素影响因素 供受体细胞之核酸的同源性，供受体细胞之核酸的同源性， 受体菌的生理状态（感受态），带正电荷（受体菌的生理状态（感受态），带正电荷（+） 外围离子氛（强度）：外围离子氛（强度）：Ca2+ 、Mg2+、cAMP2. 接合接合(conjugation)接合接合：是细菌通是细菌通过过性菌毛性菌毛相互连接相互连接沟通，将遗传物质沟通，将遗传物质（主要是质粒（主要是质粒一条一条DNA）从供体菌转从供体菌转移给受体菌。能通移给受体菌。能通过结合方式转移的

23、过结合方式转移的质粒称为质粒称为接合性质接合性质粒粒，不能通过，不能通过性菌性菌毛毛在细菌间转移的在细菌间转移的质粒为质粒为非接合性质非接合性质粒粒。F质粒：质粒：自自orit 5切割单链并传递该单链切割单链并传递该单链高频重组菌（高频重组菌（Hfr）一小部分一小部分F质粒可整合入受体菌染色体质粒可整合入受体菌染色体 DNA而而 随同复制，此菌即高频重组菌（随同复制，此菌即高频重组菌（Hfr），），但该细但该细 菌可高效转移其染色体上的基因菌可高效转移其染色体上的基因。F质粒整合入受体菌染色体质粒整合入受体菌染色体 DNA的的末端，对基末端，对基 因转移起发动功效。因转移起发动功效。F质粒可从

24、质粒可从Hfr的染色体上脱离而终止其的染色体上脱离而终止其Hfr状态，状态， 同时同时F质粒可带下原质粒可带下原Hfr染色体上的的几个基因，染色体上的的几个基因， 形成新的质粒形成新的质粒F。细菌的耐药性与耐药性的基因突变及细菌的耐药性与耐药性的基因突变及R质粒质粒的接合转移等有关。的接合转移等有关。 日本首先分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重耐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。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健康人中大肠埃希菌30%50%有有R质粒，而致病质粒，而致病性大肠埃希菌性大肠埃希菌90%有有R质粒。质粒。 R质粒与耐

25、药性有关，尤其与多重耐药性有关。质粒与耐药性有关，尤其与多重耐药性有关。耐药质粒可从一个细菌转移到另一个细菌中。耐药质粒可从一个细菌转移到另一个细菌中。R质粒的接合质粒的接合R质粒质粒有耐药传递因子有耐药传递因子(RTF)和耐药决定子和耐药决定子(r-det)两部分组成。两部分组成。RTF的功能与的功能与F质粒相似，可编码性菌毛的产质粒相似，可编码性菌毛的产 生和通过接合转移；生和通过接合转移； r-det决定子能编码对抗菌决定子能编码对抗菌药物的耐药性。药物的耐药性。传染性耐药因子：传染性耐药因子：R质粒有时可诱导非接合性质粒有时可诱导非接合性耐药质粒经性菌毛传递耐药质粒经性菌毛传递Tn 9Tn 21Tn 10Tn 8RTFR determinant转导：是以转导：是以温和噬菌体温和噬菌体为载体，将供体菌的一为载体，将供体菌的一段段DNA转移到受体菌内，是受体菌获得新的性状转移到受体菌内，是受体菌获得新的性状，片段大于转化。，片段大于转化。根据转导基因片段的范围，可将转导分为两类（根据转导基因片段的范围，可将转导分为两类（见见P66表表）：）：普遍性转导（转导的普遍性转导（转导的DNA可为供菌染色体上的可为供菌染色体上的 任何部分）：完全转导、流产转导任何部分）：完