6.第五章細(xì)菌的遺傳與變異

1、第五章 細(xì)菌的遺傳與變異,第一節(jié) 細(xì)菌遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ),一、基因組（genome） 細(xì)菌的基因組位于核體，是遺傳的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。核體又稱染色體，是由兩條環(huán)狀雙螺旋DNA長鏈組成，含細(xì)菌的遺傳基因，控制細(xì)菌的遺傳與變異。,二、質(zhì)粒（plasmid）,細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì)，是環(huán)狀閉合的雙鏈DNA。帶有遺傳性息，能自行復(fù)制，隨細(xì)菌分裂轉(zhuǎn)移到子代細(xì)胞，并非細(xì)菌生長所必需。特征自我復(fù)制能力編碼產(chǎn)物賦予細(xì)菌某些性狀特征可自行丟失與

2、消除轉(zhuǎn)移性相容性和不相容性,幾種重要的質(zhì)粒致育質(zhì)粒（F質(zhì)粒）耐藥質(zhì)粒毒力質(zhì)粒（Vi質(zhì)粒）細(xì)菌素質(zhì)粒代謝質(zhì)粒,三、轉(zhuǎn)座因子,是存在于細(xì)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(dòng)，不斷改變它們?cè)诨蚪M的位置，能從一個(gè)基因組轉(zhuǎn)移到另一個(gè)基因組中。細(xì)菌的轉(zhuǎn)座因子有三種類型：插入序列（IS）、轉(zhuǎn)座子（Tn）以及某些特殊的噬菌體。,插入序列（insertion sequence,IS）是最小的轉(zhuǎn)位

3、因子，＜2kb，不攜帶任何已知與插入功能無關(guān)的基因區(qū)域。轉(zhuǎn)座子（transposon,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。可能與細(xì)菌的多重耐藥性有關(guān)。,,Tn,轉(zhuǎn)座子的特征,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(dāng)整合到細(xì)菌染色體上，能改變?nèi)茉约?xì)菌的某些生物學(xué)性狀。Mu分子量約2~2.5 kb，與一般溫和噬菌體不同，它可整合到大腸桿菌染色體的任何

4、位置，從而引起插入突變。,四、毒力島（PAI） PAI是指病原菌的某個(gè)或某些毒力基因群，分子結(jié)構(gòu)與功能有別于細(xì)菌染色體，但位于細(xì)菌染色體之內(nèi)，因此稱之為“島”。,笫二節(jié) 基因突變,基因突變（gene mutation）簡稱突變，是變異的一種，指生物細(xì)胞遺傳物質(zhì)DNA分子結(jié)構(gòu)突然發(fā)生了穩(wěn)定的可遺傳的變化。它是生物進(jìn)化的一個(gè)重要因素。,一、細(xì)菌變異的類型細(xì)菌的變異可分為非遺傳性變異和遺傳性變異。前者基因無改變，只

5、是為了適應(yīng)外界環(huán)境的不適而發(fā)生的暫時(shí)性性狀改變，細(xì)菌的菌落形態(tài)變異多屬于此；后者基因發(fā)生改變，引起相應(yīng)性狀的穩(wěn)定可遺傳的變化，因基因突變和基因重組所致。,遺傳性變異（基因型變異）非遺傳性變異（表型變異）,細(xì)菌的基因突變按發(fā)生改變的范圍大小，分為染色體畸變和點(diǎn)突變。染色體畸變是指染色體一大段發(fā)生了變化，包括缺失、重復(fù)、插入、易位和倒置。點(diǎn)突變是相應(yīng)基因上的DNA鏈中一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)核苷酸對(duì)的改變，包括核苷酸對(duì)的置換（進(jìn)一步可分為轉(zhuǎn)

6、換與顛換）和因缺失或插入而造成的移碼。,細(xì)菌的突變也可分為自發(fā)突變和人工誘變。自發(fā)突變是在未經(jīng)人工改變的外界條件下，自然發(fā)生的突變，它經(jīng)常發(fā)生，但發(fā)生的機(jī)率很低，通常僅約10－6~10－9。人工誘變是在應(yīng)用誘變因素的影響下而發(fā)生的突變，其突變率常高于自然突變。,二、細(xì)菌常見的變異現(xiàn)象,菌落形態(tài)變異抗原變異抗性變異營養(yǎng)性變異,菌落形態(tài)變異,細(xì)菌的菌落分為兩種類型，光滑型和粗糙型。在一定條件下，光滑型菌落可變?yōu)榇植谛?，稱為S→R變

7、異。S→R變異，經(jīng)常伴隨著S型抗原的喪失和病原菌毒力由強(qiáng)變?nèi)醯刃誀畹母淖儭?由于細(xì)菌基因突變而引起其抗原結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的變異類型。當(dāng)編碼細(xì)菌的抗原結(jié)構(gòu)包括菌體抗原、鞭毛抗原、莢膜抗原等的基因發(fā)生突變時(shí)，細(xì)菌形成相應(yīng)抗原結(jié)構(gòu)的能力喪失，引起細(xì)菌抗原性變異。如常見的細(xì)菌細(xì)胞壁缺陷變異（細(xì)菌L型等）、莢膜變異或鞭毛變異等。,抗原變異,特殊結(jié)構(gòu)的變異  42-43℃炭疽桿菌

8、 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天          變形桿菌 0.1%石炭酸 遷徙生長（H） 點(diǎn)狀生長、單個(gè)菌落（O）,,,抗性變異,是對(duì)某種化學(xué)藥物或致死物理因子抗性的變異。通過自發(fā)突變以及抗性遺傳因子的傳遞，而產(chǎn)

9、生大多數(shù)抗性。 它和化學(xué)藥物的存在并無關(guān)系，細(xì)菌獲得抗性以后，即使在沒有藥物的條件下生長繁殖數(shù)代，一般也不喪失抗性。有些細(xì)菌還同時(shí)耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產(chǎn)生藥物依賴性。,營養(yǎng)型變異,營養(yǎng)缺陷型變異是細(xì)菌喪失合成一種或幾種生長因子的能力，無法在基本培養(yǎng)基上正常生長繁殖的變異類型。如變異株喪失對(duì)某種糖類、維生素、氨基酸或其它生長因子的合成能力，在補(bǔ)充這些營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)基上才能生長。這種突變對(duì)研究細(xì)菌代謝產(chǎn)物的生物合成途徑很

10、有用處。,第三節(jié) 基因的轉(zhuǎn)移和重組,基因轉(zhuǎn)移（gene transfer） 外源性的遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入某受體菌細(xì)胞的過程稱為基因轉(zhuǎn)移。重組（ recombination）轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA整合在一起稱為重組，使受體菌獲得供體菌的某些性狀。細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移和重組可通過轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合、溶原性轉(zhuǎn)換和原生質(zhì)體融合等方式進(jìn)行。,轉(zhuǎn)化（transformation）,供體菌裂解游離的DNA片段被受體菌直接攝取，使受體菌獲得新的性狀

11、。轉(zhuǎn)化現(xiàn)象不是所有細(xì)菌都有轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。大多數(shù)細(xì)菌不能接受外源性DNA，不能將它整合到染色體之中；另外，細(xì)菌還能產(chǎn)生內(nèi)切酶，能識(shí)別并破壞進(jìn)入細(xì)胞的外源性DNA。是否發(fā)生轉(zhuǎn)化與菌株在進(jìn)化過程中的親緣關(guān)系有著密切的聯(lián)系。,轉(zhuǎn)化試驗(yàn),,,,,,,,,,,,,,,,轉(zhuǎn)化因子（transforming principle ）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(gè)基因。感受態(tài)（competence

12、）,,轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）,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。 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（generalized transduction）局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（restricted transduction）,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)generalized transduction,前噬菌體從溶原菌染色體上脫離，進(jìn)行增殖，在裂解期的后期，噬菌體的DNA已大量復(fù)制，裝配時(shí)可能會(huì)發(fā)生裝配錯(cuò)誤，誤將細(xì)菌的DNA片段裝

13、入噬菌體的頭部，成為一個(gè)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)。誤被裝入的DNA可以是供體菌染色體上任何部分。,供體菌,,結(jié)果完全轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo),局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)restricted transduction,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(shí)，噬菌體DNA整合在細(xì)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(xì)菌染色體上，而帶走了細(xì)菌D

14、NA上兩側(cè)的基因。當(dāng)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(gè)別的基因。,普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)與局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)的區(qū)別,接合（conjugation）,細(xì)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：能通過接合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒稱為接合性質(zhì)粒，F(xiàn)質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒和毒力質(zhì)粒等。,原生質(zhì)體融合,原生質(zhì)體融合是通過物理、化學(xué)、生物的方法，使遺傳性狀不同的兩細(xì)菌細(xì)胞的原

15、生質(zhì)體發(fā)生融合，并進(jìn)而發(fā)生遺傳重組，以產(chǎn)生同時(shí)帶有雙親性狀的、遺傳性穩(wěn)定的融合子的過程。,轉(zhuǎn)染受體菌獲得從噬菌體而非從其它供體菌提取的DNA的過程，稱為轉(zhuǎn)染。另外，轉(zhuǎn)染一詞更廣泛地用于真核生物細(xì)胞，其含義有差別，指真核細(xì)胞通過病毒感染，獲得某一片段DNA或RNA的過程。與原生質(zhì)體融合一樣，轉(zhuǎn)染也是一種人為的手段，通常多用于哺乳動(dòng)物細(xì)胞，往往為了獲得重組病毒而設(shè)計(jì)。,非遺傳變異

16、 點(diǎn)突變細(xì)菌的變異 基因突變 易位、倒置、插入

17、 染色體畸變 缺失、重復(fù) 遺傳性變異

18、 轉(zhuǎn)化 外源性基因的轉(zhuǎn)移 轉(zhuǎn)導(dǎo) 接合

19、 原生質(zhì)體融合 轉(zhuǎn)染,,,,,,第四節(jié) 細(xì)菌遺傳變異的實(shí)際意義,一、在診斷上的應(yīng)用各種細(xì)菌的生物學(xué)性狀在一定條件下是相對(duì)穩(wěn)定的，這對(duì)于臨床上確診細(xì)菌性疾病是非常重要的，但在細(xì)菌學(xué)檢查中，也能出現(xiàn)一些變異菌株（如：形態(tài)結(jié)構(gòu)、生化反應(yīng)、毒力等

20、均可發(fā)生改變）。因此，如果不了解細(xì)菌的變異現(xiàn)象和規(guī)律，對(duì)細(xì)菌性感染性疾病很難正確診斷。,二、在治療上的應(yīng)用 耐藥菌株日益增多，為確保治療效果，應(yīng)事先做藥敏試驗(yàn)，選用敏感藥物治療。同時(shí)可以使用兩種或兩種以上藥物，以減少耐藥菌株的出現(xiàn)而提高療效。,三、在預(yù)防上的應(yīng)用卡介苗、炭疽菌苗等都是用病原微生物的減毒株來制成的。目前則應(yīng)用變異的原理通過選擇和基因工程來獲得新的變異株，以制備更理想的菌苗 如：基因工程多價(jià)聯(lián)苗。,四、在基因工程