病原生物学与免疫学课程细菌的遗传与变异教学课件

细菌的遗传与变异授课人：XXX病原生物学与免疫学教学课件目录/CONTENTS01细菌的变异现象02细菌遗传变异的物质基础03细菌变异的机制04细菌的遗传变异在医学中的应用细菌同其他生物一样，具有遗传和变异的生命特征。子代与亲代之间的生物学性状（形态结构、新陈代谢、致病性、免疫性等）的相似性称为遗传（heredity）。子代与亲代之间及子代与子代之间的生物学性状的差异称为变异（variation）。细菌的变异分为遗传性变异和非遗传性变异两种：①遗传性变异是由于基因结构发生改变引起的变异，又称基因型变异。变异产生的新性状可稳定地遗传给子代，并且是不可逆的。②非遗传性变异是由于环境条件发生变化引起的变异，无基因结构的改变，又称表型变异。当影响因素去除后，表型变异性状可复原，此变异不能遗传。第一节细菌的变异现象形态与结构的变异菌落变异耐药性变异毒力变异（一）形态变异细菌的形态受外界环境条件的影响可发生变异。如鼠疫耶尔森菌在3%～6%的高盐琼脂培养基中生长，可由椭圆形小杆菌变成球形、杆状、逗点状等多种形态。一、形态与结构的变异一些细菌在青霉素、溶菌酶、补体等因素影响下，细胞壁合成受阻，细菌很容易裂解死亡。但有些细菌在高渗环境中仍能缓慢生长，因失去细胞壁而呈多形性，成为细胞壁缺陷型细菌，称为L型细菌。L型细菌菌落呈油煎蛋状，革兰氏染色阴性。一、形态与结构的变异如肺炎链球菌在机体内或含有血清的培养基中可形成荚膜；但在普通培养基上培养或传代，荚膜逐渐变薄或消失，毒力也随之减弱。1．荚膜变异如炭疽芽胞杆菌在42℃下经10～20天培养后，可失去形成芽胞的能力。2．芽胞变异（二）结构变异如有鞭毛的变形杆菌在固体培养基上弥散生长，菌落似薄膜，称为H菌落。若改变培养基成分，将此菌接种在含有1%苯酚的培养基上，细菌则失去鞭毛，形成单个菌落，称为O菌落。通常将细菌失去鞭毛的变异称为H-O变异。3．鞭毛变异（二）结构变异细菌的菌落主要有光滑型（smoothtype，S）和粗糙型（roughtype，R）两种。光滑型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐，经人工培养基多次传代后菌落表面变得粗糙、干皱、边缘不整，即从光滑型变为粗糙型，称为S-R变异。S-R变异多见于肠道杆菌。变异时不仅菌落的形态发生改变，细菌的理化性状、抗原性、酶类活性及毒力等也发生改变。一般而言，S型菌的致病性强。二、菌落变异细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。自从抗菌药物广泛应用以来，耐药菌株逐年增多，如耐青霉素的金黄色葡萄球菌菌株，已从1946年的14%上升至目前的80%以上。有些细菌可同时耐受多种药物，即多重耐药性菌株。细菌耐药性变异给临床治疗带来很大的困难，为减少耐药菌株的出现，应避免盲目使用抗菌药物。用药前应尽量做药敏试验，并根据药敏结果选择用药。三、耐药性变异四、毒力变异细菌的毒力变异表现为毒力的减弱或增强。卡介苗（BCG）就是由卡（Calmette）、介（Guerin）两人将有毒力的牛型结核分枝杆菌经13年长期培养、连续传230代后，获得的细菌毒力高度减弱但仍保持免疫原性的变异株。无毒力的白喉棒状杆菌，当感染β-棒状杆菌噬菌体后，可获得产生白喉毒素的能力，变为有毒株。第二节细菌遗传变异的物质基础细菌染色体质粒噬菌体转座因子决定细菌遗传变异的物质基础是DNA，包括细菌的染色体及染色体外的质粒、噬菌体、转座因子。概述.细菌的染色体是环状双螺旋的DNA长链，按一定结构反复回旋折叠成松散的网状结构，附着在横隔中介体或细胞膜上，无核膜包绕，不含组蛋白。以大肠埃希菌为例，染色体约长1000～1400μm，相当于菌体长度的1000倍，整个染色体含5000多个基因一、细菌染色体.质粒（plasmid）是细菌染色体外的遗传物质，为环状闭合的双股DNA。二、质粒（一）质粒的基本特征1．自我复制质粒可自我复制，并随细菌的分裂传入子代细菌。2．赋予细菌特殊性状质粒基因能编码细菌的某些特殊性状，如致育性、耐药性、致病性等。3．非细菌生命活动必需质粒不是细菌生命活动不可缺少的遗传物质，可自行丢失或消除。细菌丢失质粒后可照样生存。二、质粒（一）质粒的基本特征4．转移性质粒可通过接合、转化或转导等方式在细菌间转移。5．相容性与不相容性质粒分为相容性和不相容性两种。几种不同质粒共存于一个细菌内称为相容性；几种质粒不能共存于一个细菌内称为不相容性。二、质粒（二）医学上重要的质粒1．致育质粒（F质粒）F质粒具有编码性菌毛的功能。带有F质粒的细菌，称为雄性菌。2．耐药质粒（R质粒）耐药质粒亦称R因子，决定细菌耐药性的产生。二、质粒（二）医学上重要的质粒3．细菌素质粒细菌素质粒编码各种细菌产生的细菌素，如Col质粒编码大肠埃希菌的大肠菌素。细菌素对同品系或近缘细菌具有抑制作用。4．毒力质粒（Vi质粒）毒力质粒编码与细菌致病性有关的毒力因子。二、质粒噬菌体（bacteriophage）是能感染细菌、真菌、放线菌、螺旋体等微生物的病毒。噬菌体的化学成分是核酸和蛋白质。噬菌体个体微小，需用电子显微镜观察。其基本形态有蝌蚪形、微球形、线形三种，以蝌蚪形居多。蝌蚪形噬菌体有头部和尾部，头部内含遗传物质核酸，尾部与吸附宿主有关。噬菌体具有严格的宿主特异性，可利用噬菌体对细菌进行鉴定与分型。三、噬菌体.能在宿主菌中增殖并引起细菌裂解的噬菌体称为毒性噬菌体。噬菌体DNA进入菌体后即以自身DNA为模板进行复制，并合成外壳蛋白质，经装配形成子代噬菌体。当子代噬菌体达到一定数目时，菌细胞裂解，此过程称为溶菌周期或复制周期。1．毒性噬菌体三、噬菌体噬菌体感染宿主菌后，不引起宿主菌裂解，而是噬菌体的基因整合于细菌染色体中，这样的噬菌体称为溶原性噬菌体或温和噬菌体，此过程称为溶原周期。整合在细菌染色体中的噬菌体基因称为前噬菌体；带有前噬菌体基因的细菌称为溶原性细菌。前噬菌体可偶尔自发地或在某些理化和生物因素的诱导下，脱离宿主菌染色体进入溶菌周期，导致细菌裂解。2．溶原性噬菌体三、噬菌体2．溶原性噬菌体三、噬菌体转座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，不断改变其在基因组中的位置，从一个基因组移到另一个基因组中。四、转座因子插入序列1插入序列是最小的转座因子，长度不超过2kb，不携带任何已知信息，往往在插入后与插入点附近的序列共同起作用。四、转座因子转座子2转座子长度一般超过2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药基因、毒素基因及其他结构基因等。四、转座因子转座噬菌体3转座噬菌体是具有转座功能的溶原性噬菌体。当前噬菌体整合到细菌染色体上时，便能改变溶原性细菌的某些生物学性状。当前噬菌体从细菌染色体上脱离时，可带走邻近的细菌DNA片段，因而转座噬菌体在细菌遗传物质转移过程中还可起载体作用。四、转座因子第三节细菌变异的机制基因突变基因的转移与重组细菌的遗传性变异是基因结构发生改变所致，主要通过基因突变、基因转移与重组两种方式实现。概述.基因突变（mutation）是指细菌的遗传基因发生突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变异。突变包括基因突变和染色体畸变两种。一、基因突变.基因突变又称点突变或小突变，是指基因中某一个或几个碱基对发生的改变，一般只引起极少数细菌发生少数性状变异。细菌基因突变包括碱基置换、插入、缺失及转位因子的转位等。染色体畸变是指大段DNA发生改变，亦称大突变，常导致细菌死亡。一、基因突变.基因突变的自然突变率极低，仅10-9～10-6，若用高温、紫外线、X射线、烷化剂、亚硝酸盐等理化因素诱导细菌突变，可使突变率提高10～1000倍。一、基因突变遗传物质由供体菌进入受体菌体内的过程称为基因转移（genetransfer）。转移的基因与受体菌DNA整合在一起，称为重组（recombination）。基因转移与重组的方式主要有转化、接合、转导、溶原性转换四种。二、基因的转移与重组转化（transformation）是指受体菌直接从周围摄取供体菌游离的DNA片段，与自身基因重组后获得新遗传性状的过程。例如有荚膜的肺炎链球菌（Ⅲ型），形成光滑型（S型）菌落，称为ⅢS型肺炎链球菌（有毒力）；无荚膜的肺炎链球菌（Ⅱ型），形成粗糙型（R型）菌落，称为ⅡR型肺炎链球菌（无毒力）。ⅡR型肺炎链球菌摄取ⅢS型肺炎链球菌的DNA片段与自身基因重组后，即转化为有荚膜、有毒力的肺炎链球菌，由ⅡR型菌转变为ⅢS型菌。（一）转化二、基因的转移与重组（一）转化二、基因的转移与重组接合（conjugation）是指供体菌通过性菌毛与受体菌连接并将遗传物质（主要是质粒DNA）传递给受体菌的过程。能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，主要包括F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒等。（二）接合二、基因的转移与重组1．F质粒接合带有F质粒的雄性菌，通过性菌毛将F质粒的一条DNA链传递给无性菌毛的雌性菌，质粒DNA复制后，雌性菌获得F质粒，也具有了形成性菌毛的能力，转变为雄性菌。二、基因的转移与重组2．R质粒接合R质粒由耐药传递因子（resistancetransferfactor，RTF）和耐药决定因子（r决定因子）两部分组成。耐药传递因子编码性菌毛，功能与F质粒相似。耐药决定因子编码对抗菌药物的耐药性。这两部分可以单独存在，也可以结合在一起成为复合物，但只有两部分结合在一起时，才能将耐药性转移给其他细菌。细菌携带的多重耐药性质粒也可通过性菌毛转移给其他细菌，从而导致细菌耐药性的扩散，这也是近年来耐药菌株日益增多的一个重要原因。二、基因的转移与重组转导（transduction）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，使受体菌获得新性状的过程。（三）转导二、基因的转移与重组1．普遍性转导（generalizedtransduction）当温和噬菌体终止溶原周期变为毒性噬菌体时，噬菌体在胞质内复制。噬菌体装配时，误将细菌染色体DNA片段包进噬菌体衣壳，当这种错误装配的噬菌体再次感染受菌体时，可把供体菌的遗传物质转移给受体菌。由于错误包装的DNA片段可以是供体菌染色体上的任何部分，故称为普遍性传导。二、基因的转移与重组2．局限性转导（restrictedtransduction）温和噬菌体在终止溶原状态脱离原宿主菌时，发生偏差脱离，连同相邻的一段细菌染色体基因包进噬菌体衣壳内，当再感染其他细菌时，将原宿主菌的基因转移给新宿主菌，使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。由于这种转导只限于供体菌DNA上个别的特定基因，故称为局限性转导。二、基因的转移与重组温和噬菌体感染细菌后，其基因整合于宿主菌染色体中，此状态下的细菌称为溶原性细菌。溶原性细菌因DNA结构改变而获得噬菌体基因赋予的新性状，称为溶原性转换（lysogenicconversion）。如无毒性的白喉棒状杆菌、产气荚膜梭菌、肉毒梭菌等均可因噬菌体感染呈溶原状态，产生外毒素。（四）溶原性转换二、基因的转移与重组第四节细菌的遗传变异在医学中的应用在疾病诊断、治疗与预防中的应用在测定致癌物质中的应用在基因工程中的应用（一）病原学诊断细菌变异给细菌性疾病诊断中的病原体的确认带来很多困难。细菌的变异可发生在形态、结构、染色性、免疫原性、生化特性、毒力等方面，如金黄色葡萄球菌以产生金黄色色素著称，而耐药菌株多产生灰白色色素；从临床新分离的伤寒沙门菌中有10%无鞭毛、动力试验（－），患者也不产生鞭毛（H）抗体；在进行肥达试验时不出现H凝集或凝集效价很低，这些都给试验结果的判断带来一定的困难。因此，在临床细菌学检查中，不仅要熟悉细菌的典型特征，还要了解细菌变异的规律，这样才能做出正确的诊断。一、在疾病诊断、治疗与预防中的应用（二）临床治疗由于抗生素的广泛应用，耐药菌株日益增多，并且已发现多重耐药菌株的存在，这些给感染性疾病的治疗造成很大困难。为了提高抗菌药物的疗效，防止耐药菌株扩散，治疗时应注意：①根据药敏试验结果选择药物，减少盲目用药。②用药应足剂量、全疗程，通过正规治疗彻底杀灭病原菌。③对易耐药的菌株或长期用药的慢性疾病，应合理配伍、联合用药，以减少细菌耐药性的产生。一、在疾病诊断、治疗与预防中的应用（三）传染病防治筛选或诱导减毒变异株制备减毒疫苗，用于人工自动免疫，是提高人群免疫力、预防传染性疾病发生的有效措施。一、在疾病诊断、治疗与预防中的应用.一般认为，基因突变是导致细胞恶性转化的重要原因。凡能诱导细菌基因突变的物质均为可疑致癌物。据此，以细菌为实验对象，选用某营养缺陷型细菌作为实验菌，以可疑致癌化学物质作为诱变剂，把细菌