10.微生物学药学专业微生物的遗传与变异

第四章第四章 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异遗传遗传：使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其菌种得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。以保存。变异变异：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。生物学性状出现的差异。细菌的变异分为细菌的变异分为遗传性变异遗传性变异和和非遗传性变异非遗传性变异。遗传性变异：遗传性变异：是细菌的基因结构发生了改变，故又称是细菌的基因结构发生了改变，故又称 基因基因型变异型变异。常发生于个别的细菌，不受环境因素的影响，变异发常发生于个别的细菌，不受环境因素的影响，变异发生后是不可逆的，产生的新性状可稳定地遗传给后代。生后是不可逆的，产生的新性状可稳定地遗传给后代。非遗传性变异：非遗传性变异：细菌在一定的环境条件影响下产生的变异，细菌在一定的环境条件影响下产生的变异，其基因结构未改变，称为其基因结构未改变，称为表型变异表型变异。易受到环境因素的影响，。易受到环境因素的影响，可逆的，不能遗传。可逆的，不能遗传。第一节第一节 细菌的变异现象细菌的变异现象形态结构的变异毒力变异耐药性变异菌落变异v细菌的大小和形态细菌的大小和形态在不同的生长时期可不同，生长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、细菌耶氏菌在陈旧培养物上细菌的多形态性、细菌L L型。型。v细菌的特殊结构细菌的特殊结构如：荚膜（肺炎链球菌）、芽胞如：荚膜（肺炎链球菌）、芽胞（炭疽芽孢杆菌）、鞭毛（变形杆菌（炭疽芽孢杆菌）、鞭毛（变形杆菌H-OH-O变异）也可变异）也可发生变异。发生变异。一一.形态结构的变异形态结构的变异v概念：概念：细胞壁受损后仍能生长和分裂的细菌。在一般环境中不能耐细胞壁受损后仍能生长和分裂的细菌。在一般环境中不能耐受菌体内的高渗透压而将会涨破死亡。在高渗环境下，仍可存活。受菌体内的高渗透压而将会涨破死亡。在高渗环境下，仍可存活。v特点：特点：1.1.多形性，多数革兰染色阴性多形性，多数革兰染色阴性 2.2.在高渗低琼脂含血清平板上缓慢生长，形成荷包蛋样细小菌落。在高渗低琼脂含血清平板上缓慢生长，形成荷包蛋样细小菌落。3.3.仍有一定的致病力，常引起慢性感染及反复发作的感染。仍有一定的致病力，常引起慢性感染及反复发作的感染。4.4.用抗生素治疗多数效果不佳。用抗生素治疗多数效果不佳。细菌细胞壁缺陷型（细菌细菌细胞壁缺陷型（细菌L L型）型）毒力增强：毒力增强：无毒力的白喉棒状杆菌常寄居在咽喉部，不致病；无毒力的白喉棒状杆菌常寄居在咽喉部，不致病；当感染了当感染了-棒状噬菌体后变成溶原性细菌，则获得产生白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。喉毒素的能力，引起白喉。毒力减弱：毒力减弱：有毒菌株长期在人工培养基上传代培养，可使细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。菌的毒力减弱或消失。卡介苗卡介苗(BCG)BCG)是有毒的牛结核分枝杆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，经过菌在含有胆汁、甘油、马铃薯培养基上，经过1313年，连续传年，连续传230230代，获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异株。代，获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异株。二二.毒力变异毒力变异v耐药性变异：耐药性变异：细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐药的变异。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，即有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性。多重耐药性。v从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的不断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。大的困难，并成为当今医学上的重要问题。三三.耐药性变异耐药性变异细菌的菌落主要有细菌的菌落主要有光滑光滑(smooth,S)smooth,S)型型和和粗糙粗糙(rough,R)rough,R)型型两种。两种。S S型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐。经人工培养多次传型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐。经人工培养多次传代后菌落表面边为粗糙、干燥、边缘不整齐，称代后菌落表面边为粗糙、干燥、边缘不整齐，称S SR R变变异。异。S SR R变异常见于肠道杆菌。变异常见于肠道杆菌。变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其它性状也变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其它性状也发生了变化。发生了变化。S S型菌的致病性强，但有少数型菌的致病性强，但有少数R R型菌的致病性强，如结核型菌的致病性强，如结核分枝杆菌。分枝杆菌。四四.菌落变异菌落变异S型菌落型菌落R型菌落型菌落第二节第二节 细菌遗传变异的物质基础细菌遗传变异的物质基础一、细菌的染色体一、细菌的染色体二、染色体外遗传物质二、染色体外遗传物质 细菌的质粒细菌的质粒 噬菌体噬菌体 转位因子转位因子细菌的染色体v细菌染色体细菌染色体DNADNA与其他生物相同，由互补的双链核与其他生物相同，由互补的双链核苷酸组成。苷酸组成。v细菌的染色体与生物细胞染色体不同，前者不含有细菌的染色体与生物细胞染色体不同，前者不含有组蛋白，基因是连续的。组蛋白，基因是连续的。v自大肠杆菌提取的自大肠杆菌提取的DNADNA是一条完整的是一条完整的DNADNA链，分子量链，分子量仅为人体细胞仅为人体细胞DNADNA量的量的0.1%0.1%。大肠杆菌的。大肠杆菌的DNADNA约为约为4 4106106个碱基对，因此约有个碱基对，因此约有40004000个基因，可编码几个基因，可编码几千种多肽。千种多肽。v概念概念：是细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的双链是细菌染色体以外的遗传物质，是环状闭合的双链DNADNA。质粒基因可编码多种重要的生物学性状。质粒基因可编码多种重要的生物学性状。v分类：分类：1)1)致育质粒（致育质粒（F F质粒）质粒）编码细菌的性菌毛编码细菌的性菌毛 2)2)耐药性质粒耐药性质粒 编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药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（性。分两类，一是接合性耐药质粒（R R质粒），另一是非接合质粒），另一是非接合耐药性质粒；耐药性质粒；3)3)毒力质粒（毒力质粒（ViVi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；4)4)代谢质粒代谢质粒 编码产生相关的代谢酶。编码产生相关的代谢酶。5)5)细菌素质粒细菌素质粒 编码细菌产生细菌素；编码细菌产生细菌素；质粒质粒具有自我复制的能力。具有自我复制的能力。DNADNA所编码的基因产物赋予细菌某些性状特征。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。可自行丢失与消除。转移性。转移性。可分为相容性与不相容性两种。可分为相容性与不相容性两种。质粒质粒DNADNA的特征的特征v噬菌体噬菌体：是感染细菌、真菌、放线菌或螺是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。旋体等微生物的病毒。v噬菌体具有病毒的一些特性：噬菌体具有病毒的一些特性：1 1、个体微小、个体微小 2 2、没有细胞结构、没有细胞结构 3 3、专性细胞内寄生、专性细胞内寄生v噬菌体分布：噬菌体分布：极广，凡是有细菌的场所，极广，凡是有细菌的场所，就可能有相应的噬菌体的存在。就可能有相应的噬菌体的存在。噬菌体噬菌体转位因子：转位因子：是存在于细菌染色体或质粒是存在于细菌染色体或质粒DNADNA分子上的一段分子上的一段特异性核苷酸序列片段，它能在特异性核苷酸序列片段，它能在DNADNA分子中移动，不断改变分子中移动，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。中。转位因子有三类：转位因子有三类：插入序列插入序列(IS)IS)、转座子、转座子(TnTn)、MuMu噬菌体或噬菌体或前噬菌体。前噬菌体。转位因子转位因子突变突变：是细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的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。改变，导致细菌性状的遗传性变异。染色体畸变：染色体畸变：涉及大段涉及大段DNADNA的易位、缺失、重复或的易位、缺失、重复或倒位等变化，结果导致细菌死亡。倒位等变化，结果导致细菌死亡。基因突变：基因突变：也称点突变，是也称点突变，是DNADNA中一对或少数几对中一对或少数几对硷基的置换、增加或缺失。硷基的置换、增加或缺失。第三节第三节 细菌变异的机制细菌变异的机制一、一、变异的一般机理变异的一般机理v原因包括：原因包括：自然突变及诱发突变。自然突变及诱发突变。v基因突变的分子基础：基因突变的分子基础：硷基置换硷基置换 硷基互变异构硷基互变异构 硷基的减少、增加及倒置硷基的减少、增加及倒置v基因突变规律：基因突变规律：突变率突变率 突变常自然发生，但突变率极低突变常自然发生，但突变率极低 突变与选择突变与选择 突变是随机的，不定向的。突变是随机的，不定向的。回复突变回复突变 细菌由野生型变为突变型是正向突变，有时突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。变株经过又一次突变可恢复野生型的性状。（一）基因的突变（一）基因的突变基因转移基因转移：外源性的遗传物质由供体菌进入某受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。菌细胞内的过程。基因重组基因重组：转移的基因与受体菌转移的基因与受体菌DNADNA整合在一起，整合在一起，使受体菌获得供体菌某些特性。使受体菌获得供体菌某些特性。外源性遗传物质：外源性遗传物质：供体菌染色体供体菌染色体DNADNA，质粒质粒DNADNA及噬及噬菌体基因等。菌体基因等。细菌的基因转移和重组方式：细菌的基因转移和重组方式：转化、接合、转导、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）基因的转移与重组（二）基因的转移与重组1.1.接合接合接合：接合：是细菌通过性菌是细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是质粒传物质（主要是质粒DNADNA）从供体菌转移给受体菌。从供体菌转移给受体菌。能通过结合方式转移的能通过结合方式转移的质粒称为质粒称为接合性质粒接合性质粒，不能通过性菌毛在细菌不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒为间转移的质粒为非接合非接合性质粒。性质粒。细菌的耐药性变易的机理：细菌的耐药性变易的机理：1.1.与耐药性的基因突变与耐药性的基因突变 2.R 2.R质粒的接合转移质粒的接合转移接合性接合性R R质粒：质粒：由耐药传递因子由耐药传递因子(RTF)RTF)和耐药决定和耐药决定因子因子(r)r)两部分组成。两部分组成。RTFRTF的功能与的功能与F F质粒相似，可质粒相似，可编码性菌毛的产生和通过接合转移；编码性菌毛的产生和通过接合转移；R R决定因子能决定因子能编码对抗菌药物的耐药性。编码对抗菌药物的耐药性。非接合性非接合性R R质粒：质粒：仅有仅有R R决定决定因因子编码对抗菌药物子编码对抗菌药物的耐药性，无耐药传递因子的耐药性，无耐药传递因子(RTF)RTF)。R R质粒的接合质粒的接合概念：概念：是以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段是以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段DNADNA转移到转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。受体菌内，使受体菌获得新的性状。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：1.1.普遍性转导：普遍性转导：转导的转导的DNADNA可是供体菌染色体上的任何部分。可是供体菌染色体上的任何部分。2.2.局限性转导：局限性转导：转导的转导的DNADNA只限供体菌染色体上的特定基因。只限供体菌染色体上的特定基因。2.2.转导转导普遍性转导普遍性转导3.3.转化转化:供体菌裂解游离的供体菌裂解游离的DNADNA片段转入某受体菌片段转入某受体菌细胞内的过程。细胞内的过程。4.4.溶原性转换溶原性转换当噬菌体感染细菌当噬菌体感染细菌时，宿主菌染色体时，宿主菌染色体中获得了噬菌体的中获得了噬菌体的DNADNA片段，使其成片段，使其成为溶原状态时，而为溶原状态时，而使细菌获得新的性使细菌获得新的性状。状。5.5.原生质体融合原生质体融合二二.细菌抗药性变异的机理细菌抗药性变异的机理v遗传学上对细菌抗药性的产生及扩散遗传学上对细菌抗药性的产生及扩散,有以下解释有以下解释:1.1.抗药性基因的自然突变和选择抗药性基因的自然突变和选择;2.2.细菌接触药物后产生生理适应细菌接触药物后产生生理适应;3.R 3.R质粒的转移。质粒的转移。（一）自然突变和选择（一）自然突变和选择v抗药性突变的发生，与外界药物的存在与否无关，抗药性突变的发生，与外界药物的存在与否无关，而是以一定的突变率发生在某些细菌中。而是以一定的突变率发生在某些细菌中。v当自然突变的抗药菌株与敏感菌株存在于同一群体当自然突变的抗药菌株与敏感菌株存在于同一群体中时，抗药菌很难表现出来，但当接触抗菌药物时，中时，抗药菌很难表现出来，但当接触抗菌药物时，大量的敏感菌被抑制或杀死，抗药菌株就被选择存大量的敏感菌被抑制或杀死，抗药菌株就被选择存活并繁殖形成抗药菌群。活并繁殖形成抗药菌群。（二）抗药性质粒（二）抗药性质粒（R R质粒）和质粒）和抗药性的传递与扩散抗药性的传递与扩散v多重耐药性：多重耐药性：某些细菌可对化学结构完全不同的某些细菌可对化学结构完全不同的数种药物产生抗药性。数种药物产生抗药性。vR R质粒的结构：质粒的结构：由抗药传递因子和抗药决定因子组由抗药传递因子和抗药决定因子组成。成。v抗药性传递有三种方式：抗药性传递有三种方式：1.1.接合接合 2.2.转导转导 3.3.转化转化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 R质粒的接合质粒的接合转移等有关。转移等有关。R R质粒有耐药传递因子质粒有耐药传递因子(RTF)RTF)和耐药决定子和耐药决定子(r)r)两部两部分组成。分组成。RTFRTF的功能与的功能与F F质粒相似，可编码性菌毛质粒相似，可编码性菌毛的产生和通过接合转移；的产生和通过接合转移；R R决定子能编码对抗菌药决定子能编码对抗菌药物的耐药性。物的耐药性。R R质粒的接合质粒的接合(三三)R)R质粒编码细菌的抗药性质粒编码细菌的抗药性v产生顿挫酶产生顿挫酶v改变细胞膜通透性改变细胞膜通透性v改变药物的原始作用点改变药物的原始作用点v一、医药工业生产方面的应用一、医药工业生产方面的应用v二、在细菌分类上的应用二、在细菌分类上的应用v三、在诊断中的应用三、在诊断中的应用v四、在预防中的应用四、在预防中的应用v五、在治疗中的应用五、在治疗中的应用v六、检查致癌物质的作用六、检查致癌物质的作用v七、在遗传工程方面七、在遗传工程方面第四节第四节 变异的实际意义变异的实际意义一一.医药工业生产方面的应用医药工业生产方面的应用 v抗生素的生产中常用紫外线照射以促突变，抗生素的生产中常用紫外线照射以促突变，从而获得产生抗生素量高的菌种。从而获得产生抗生素量高的菌种。v营养缺陷型菌株营养缺陷型菌株 可用作核苷酸或某种氨基酸可用作核苷酸或某种氨基酸的生产菌株，或用与氨基酸、维生素等生物的生产菌株，或用与氨基酸、维生素等生物检定。检定。二、在细菌分类上的应用二、在细菌分类上的应用v靠细菌的形态、生化反应、抗原特异性、噬菌体分型等进行细靠细菌的形态、生化反应、抗原特异性、噬菌体分型等进行细菌的分类至今仍有实用价值。菌的分类至今仍有实用价值。v细菌细菌DNADNA分子中的分子中的G+CG+C分类：即不同种的细菌基因型的差别程度，分类：即不同种的细菌基因型的差别程度，可用细菌可用细菌DNADNA分子中所含的鸟嘌呤和胞嘧啶在四种碱基含量中分子中所含的鸟嘌呤和胞嘧啶在四种碱基含量中所占的成分比来反映。亲缘关系密切，细菌所占的成分比来反映。亲缘关系密切，细菌DNADNA中中G+CG+C的含量的含量（Mol%Mol%）相同或很接近；关系远者则）相同或很接近；关系远者则G+CG+C量相差较大。量相差较大。v采用采用DNADNA分子杂交技术来比较两种细菌的分子杂交技术来比较两种细菌的DNADNA链核苷酸序列间有链核苷酸序列间有无同源性。如果为同一种细菌则同源性杂交率可为无同源性。如果为同一种细菌则同源性杂交率可为100%100%。v根据细菌基因组的相对稳定性，可鉴定出细菌间的相互关系。根据细菌基因组的相对稳定性，可鉴定出细菌间的相互关系。三、在诊断中的应用三、在诊断中的应用v在实验诊断工作中，常遇到一些变异菌株、在实验诊断工作中，常遇到一些变异菌株、其形态、毒力、生化反应或抗原性都不典型，其形态、毒力、生化反应或抗原性都不典型，给细菌鉴定带来困难。给细菌鉴定带来困难。v如在有些使用抗生素的患者体内可分离到如在有些使用抗生素的患者体内可分离到L L型型细菌。从而必须了解细菌。从而必须了解L L型细菌培养的特点以及型细菌培养的特点以及如何使其返祖而恢复其典型形态与菌落，作如何使其返祖而恢复其典型形态与菌落，作出正确的诊断。出正确的诊断。四、在预防中的应用四、在预防中的应用v减毒活疫苗有较好的预防效果。减毒活疫苗有较好的预防效果。v减毒活菌苗可以从自然界分离获得，也可减毒活菌苗可以从自然界分离获得，也可用人工方法选择改变毒力的变异株。用人工方法选择改变毒力的变异株。v目前应用的减毒活菌苗如卡介苗是十分成目前应用的减毒活菌苗如卡介苗是十分成功的例子，此外还获得了预防鼠疫和布氏功的例子，此外还获得了预防鼠疫和布氏菌的活菌苗。菌的活菌苗。五、在治疗中的应用五、在治疗中的应用v耐药性菌株是临床上存在的大问题。耐药性菌株是临床上存在的大问题。v了解产生耐药性的原理，可采取有针对性了解产生耐药性的原理，可采取有针对性的措施。的措施。v临床上强调对细菌做抗生素敏感试验，从临床上强调对细菌做抗生素敏感试验，从而选用敏感药物有效地治疗，可避免在使而选用敏感药物有效地治疗，可避免在使用抗生素中提供选择耐药性突变株的条件。用抗生素中提供选择耐药性突变株的条件。六、检查致癌物质的作用六、检查致癌物质的作用v正常细胞发生遗传信息的改变可致肿瘤。因此导致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。突变的条件因素均被认为是可疑的致癌因素。v目前已被采用的目前已被采用的AmesAmes试验是以细菌作为诱变对象，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氨酸营养缺陷型细菌作用于鼠伤寒沙门氏杆菌的组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，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。可供参考。七、在遗传工程方面的应用七、在遗传工程方面的应用v遗传工程：遗传工程：是人工对所需的目的基因进行分离剪是人工对所需的目的基因进行分离剪裁，然后将目的基因与载体结合后，导入宿主细裁，然后将目的基因与载体结合后，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。宿主表达获得所需的基因产物。v质粒与噬菌体都是较理想的基因载体。质粒与噬菌体都是较理想的基因载体。v通过载体的利用，重组基因中的目的基因可被转通过载体的利用，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、干扰法难以获得的产品，如胰鸟素、生长激素、干扰素等。素等。v遗传工程技术还可应用于生产基因工程疫苗。遗传工程技术还可应用于生产基因工程疫苗。一、名词解释一、名词解释 R R质粒质粒 BCG BCG 噬菌体噬菌体 基因工程基因工程二、简答题二、简答题 1.1.什么是耐药性变异和毒力变异？有何意义？什么是耐药性变异和毒力变异？有何意义？2.2.何谓质粒，质粒有哪些主要特性？何谓质粒，质粒有哪些主要特性？3.3.细菌的遗传物质有哪几种结构？细菌的遗传物质有哪几种结构？复习题复习题