第5章 細(xì)菌的遺傳變異

1、第第5 5章章 細(xì)菌的遺傳與變異細(xì)菌的遺傳與變異 是所有生物的共同生命特征。是所有生物的共同生命特征。 遺傳使細(xì)菌的性狀保持相對穩(wěn)定，使種遺傳使細(xì)菌的性狀保持相對穩(wěn)定，使種屬得以保存。屬得以保存。 變異可使細(xì)菌產(chǎn)生新變種，變種的新特變異可使細(xì)菌產(chǎn)生新變種，變種的新特性靠遺傳得以鞏固，使物種得以發(fā)展進化。性靠遺傳得以鞏固，使物種得以發(fā)展進化。 分類分類 1 1、遺傳性變異、遺傳性變異（基因型變異）（基因型變異） 遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，可遺傳。遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，可遺傳。2 2、非遺傳性變異、非遺傳性變異（表型變異）（表型變異） 外界環(huán)境條件的作用引起，不能遺傳外界環(huán)境條件的作用引起，不能遺傳， 去誘可

2、復(fù)原。去誘可復(fù)原。常見的變異現(xiàn)象舉例常見的變異現(xiàn)象舉例 1.1.形態(tài)結(jié)構(gòu)變異形態(tài)結(jié)構(gòu)變異 （1 1）細(xì)菌）細(xì)菌L L型變異型變異 （2 2）特殊結(jié)構(gòu)變異）特殊結(jié)構(gòu)變異 莢膜、芽胞莢膜、芽胞 H-O H-O 有莢膜的肺炎球菌有莢膜的肺炎球菌細(xì)菌形態(tài)結(jié)構(gòu)變異細(xì)菌形態(tài)結(jié)構(gòu)變異 莢膜的變異莢膜的變異S S型菌落型菌落R R型菌落型菌落 菌落的變異菌落的變異2.2.菌落的變異：菌落的變異： S-RS-R變異（腸道桿菌）變異（腸道桿菌） 3.3.毒力變異毒力變異 （1 1）增強（白喉桿菌）增強（白喉桿菌） （2 2）減弱（卡介苗）減弱（卡介苗） 4.4.耐藥性變異：耐藥性變異： 指細(xì)菌對藥物所具有的相對抵

3、抗性（對某指細(xì)菌對藥物所具有的相對抵抗性（對某種抗菌藥由敏感變?yōu)槟褪埽?。種抗菌藥由敏感變?yōu)槟褪埽?（1 1）單一耐藥）單一耐藥 （2 2）多重耐藥性）多重耐藥性 （3 3）對藥物的依賴性）對藥物的依賴性 一、細(xì)菌的遺傳物質(zhì)一、細(xì)菌的遺傳物質(zhì)（一）染色體（一）染色體缺乏組蛋白，外無核膜缺乏組蛋白，外無核膜包圍，是一個環(huán)狀雙螺包圍，是一個環(huán)狀雙螺旋旋DNADNA長鏈，反復(fù)盤繞成長鏈，反復(fù)盤繞成疏松網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，附著在疏松網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，附著在橫隔中介體或細(xì)胞膜上。橫隔中介體或細(xì)胞膜上。 細(xì)菌染色體特征細(xì)菌染色體特征 相對較小，只有一個復(fù)制啟動位點；相對較小，只有一個復(fù)制啟動位點；功能上相關(guān)的幾個基因組成操

4、縱子結(jié)構(gòu)功能上相關(guān)的幾個基因組成操縱子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄一條，轉(zhuǎn)錄一條mRNAmRNA鏈，然后分別合成各自的鏈，然后分別合成各自的蛋白；蛋白；基因是連續(xù)的，無內(nèi)含子成分，轉(zhuǎn)錄的基因是連續(xù)的，無內(nèi)含子成分，轉(zhuǎn)錄的 RNARNA無須加工剪切；無須加工剪切； 不編碼的不編碼的DNADNA比真核細(xì)胞基因組少得多比真核細(xì)胞基因組少得多，只有一少部分是不翻譯的；，只有一少部分是不翻譯的；與病毒基因組相比，僅有少數(shù)基因存在與病毒基因組相比，僅有少數(shù)基因存在重疊現(xiàn)象；重疊現(xiàn)象；多數(shù)情況下結(jié)構(gòu)基因在基因組中都是單多數(shù)情況下結(jié)構(gòu)基因在基因組中都是單拷貝。拷貝。 （二）質(zhì)粒（二）質(zhì)粒(plasmid)(plasmid) 1

5、 1、概念：是細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì)，存、概念：是細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì)，存在于細(xì)胞質(zhì)中的環(huán)狀閉合的雙鏈在于細(xì)胞質(zhì)中的環(huán)狀閉合的雙鏈DNADNA分子。分子。 2.2.質(zhì)粒質(zhì)粒DNADNA的主要特征的主要特征 具有自我復(fù)制能力；具有自我復(fù)制能力； 攜帶的遺傳信息能賦予宿主菌某些生物攜帶的遺傳信息能賦予宿主菌某些生物學(xué)性狀（致育性、耐藥性、致病性），利于在學(xué)性狀（致育性、耐藥性、致病性），利于在特定條件下生存；特定條件下生存；不是細(xì)菌生命活動所必需的遺傳物質(zhì)；不是細(xì)菌生命活動所必需的遺傳物質(zhì)；質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移性，可通過質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移性，可通過接合、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)接合、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)導(dǎo)等方式在細(xì)菌間轉(zhuǎn)移。等方式在細(xì)菌間

6、轉(zhuǎn)移。按質(zhì)粒能否共存于同一菌體內(nèi)分按質(zhì)粒能否共存于同一菌體內(nèi)分相容性相容性和和不相容性。不相容性。 3.3.分類分類按質(zhì)粒編碼的生物學(xué)性狀分按質(zhì)粒編碼的生物學(xué)性狀分致育質(zhì)粒致育質(zhì)粒（F F質(zhì)粒，編碼性菌毛）；質(zhì)粒，編碼性菌毛）；耐藥性質(zhì)粒：耐藥性質(zhì)粒：編碼細(xì)菌對抗菌藥物或重編碼細(xì)菌對抗菌藥物或重金屬鹽類的耐藥性；金屬鹽類的耐藥性； 按能否通過細(xì)菌接合作用進行基因傳遞分按能否通過細(xì)菌接合作用進行基因傳遞分接合性質(zhì)粒接合性質(zhì)粒：40-100kbp40-100kbp的大質(zhì)粒；的大質(zhì)粒；非接合性質(zhì)粒：非接合性質(zhì)粒：15kbp15kbp及以下的小質(zhì)粒及以下的小質(zhì)粒F F質(zhì)粒、多數(shù)的質(zhì)粒、多數(shù)的R R質(zhì)粒

7、屬于接合性耐藥質(zhì)粒。質(zhì)粒屬于接合性耐藥質(zhì)粒。 按能否通過細(xì)菌接合作用進行基因傳遞分按能否通過細(xì)菌接合作用進行基因傳遞分毒力質(zhì)粒毒力質(zhì)粒（ViVi質(zhì)粒）；質(zhì)粒）；細(xì)菌素質(zhì)粒細(xì)菌素質(zhì)粒（如（如ColCol質(zhì)粒）；質(zhì)粒）；代謝質(zhì)粒代謝質(zhì)粒（編碼產(chǎn)生相關(guān)的代謝酶，如脲（編碼產(chǎn)生相關(guān)的代謝酶，如脲酶、枸櫞酸鹽利用酶等）。酶、枸櫞酸鹽利用酶等）。 （三）轉(zhuǎn)座因子（三）轉(zhuǎn)座因子（transposable element) 1 1、概念：是存在于細(xì)菌染色體或質(zhì)粒、概念：是存在于細(xì)菌染色體或質(zhì)粒DNADNA分子上的一段特異性核苷酸序列片段，分子上的一段特異性核苷酸序列片段，能能在在DNADNA分子中移動。分子中

8、移動。改變核苷酸序列改變核苷酸序列或或影響插入點附近的基因影響插入點附近的基因表達(dá)表達(dá)。 我是個活躍分子噢！我是個活躍分子噢！2 2、按結(jié)構(gòu)和功能不同分二類、按結(jié)構(gòu)和功能不同分二類 插入序列插入序列（insertion sequence,insertion sequence,ISIS）：在：在細(xì)菌中最早發(fā)現(xiàn)的最簡單的一類轉(zhuǎn)座因子細(xì)菌中最早發(fā)現(xiàn)的最簡單的一類轉(zhuǎn)座因子，只有插入功能，不帶其它遺傳信息。只有插入功能，不帶其它遺傳信息。轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子（transposon, Tn） 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，除兩端的插入序列外，還結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，除兩端的插入序列外，還攜帶有其它基因（攜帶有其它基因（耐藥性耐藥性、毒力）這

9、些基因、毒力）這些基因可可隨轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)移重組隨轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)移重組，造成大的染色體突變，造成大的染色體突變 轉(zhuǎn)座行為導(dǎo)致轉(zhuǎn)座行為導(dǎo)致DNADNA分子發(fā)生重排，分子發(fā)生重排，在促使生在促使生物變異及進化上具有重大意義。物變異及進化上具有重大意義。 （四）整合子（四）整合子(integron, In)一種運動性一種運動性DNADNA分子，可分子，可捕獲整合捕獲整合外源基因。外源基因。定位于染色體和質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上，是細(xì)菌定位于染色體和質(zhì)?；蜣D(zhuǎn)座子上，是細(xì)菌固有的一種遺傳單位，固有的一種遺傳單位，通過捕獲外源性基通過捕獲外源性基因來增強細(xì)菌生存能力。因來增強細(xì)菌生存能力。 （五）噬菌體基因組（五）噬菌體基因組

10、 亦參與細(xì)菌的遺傳與變異。亦參與細(xì)菌的遺傳與變異。二、細(xì)菌基因表達(dá)的調(diào)節(jié)二、細(xì)菌基因表達(dá)的調(diào)節(jié)三、基因的轉(zhuǎn)移與重組三、基因的轉(zhuǎn)移與重組 轉(zhuǎn)移：轉(zhuǎn)移：外源性遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入到受外源性遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入到受 體菌的過程。體菌的過程。 重組：重組：轉(zhuǎn)移的基因與受菌轉(zhuǎn)移的基因與受菌DNADNA整合在一起整合在一起。 外源遺傳物質(zhì)包括：外源遺傳物質(zhì)包括：供菌染色體供菌染色體DNADNA片段片段 質(zhì)粒質(zhì)粒DNADNA 噬菌體基因組噬菌體基因組基因轉(zhuǎn)移和重組方式：基因轉(zhuǎn)移和重組方式： 1 1轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化(transformation)：供體菌裂解供體菌裂解游離游離的的DNADNA片段被受體菌直接攝取片段被

11、受體菌直接攝取，使受體菌獲，使受體菌獲得新性狀。得新性狀。 轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化的DNADNA片段稱為片段稱為轉(zhuǎn)化因子轉(zhuǎn)化因子。2 2接合接合(conjugation)細(xì)菌通過性菌毛連接溝通，將遺傳物質(zhì)細(xì)菌通過性菌毛連接溝通，將遺傳物質(zhì)（質(zhì)粒）從供菌轉(zhuǎn)移給受菌。類型有：（質(zhì)粒）從供菌轉(zhuǎn)移給受菌。類型有： （1 1）F F質(zhì)粒的接合質(zhì)粒的接合 見圖見圖 細(xì)菌的細(xì)菌的“接合接合”狀態(tài)狀態(tài)細(xì)菌接合的電鏡照片細(xì)菌接合的電鏡照片接合時接合時F F因子的轉(zhuǎn)移與復(fù)制因子的轉(zhuǎn)移與復(fù)制F+F染色體染色體F F質(zhì)粒質(zhì)粒F+FF+F+（2 2）R R質(zhì)粒的接合質(zhì)粒的接合 細(xì)菌耐藥性細(xì)菌耐藥性與染色體基因突變和與染色體基因突變

12、和R R質(zhì)粒的質(zhì)粒的接合轉(zhuǎn)移有關(guān)。接合轉(zhuǎn)移有關(guān)。 R R質(zhì)粒由兩部分組成質(zhì)粒由兩部分組成 耐藥傳遞因子（耐藥傳遞因子（RTFRTF，相當(dāng)于，相當(dāng)于F F質(zhì)?？删庂|(zhì)?？删幋a性菌毛和通過接合轉(zhuǎn)移）；碼性菌毛和通過接合轉(zhuǎn)移）； 耐藥決定因子（耐藥決定因子（r r決定因子，編碼對藥物決定因子，編碼對藥物的耐受性）的耐受性）ISISr r決定因子決定因子ISISRTFRTFr r決定因子決定因子Tn9Tn9 氯氯Tn4Tn4磺磺Tn5Tn5卡卡R R質(zhì)粒結(jié)構(gòu)示意圖質(zhì)粒結(jié)構(gòu)示意圖RTFRTF3 3轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo)(transduction) 以噬菌體為載體以噬菌體為載體，將供菌的一段，將供菌的一段DNADNA轉(zhuǎn)移

13、轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，并獲得新性狀。到受體菌內(nèi)，并獲得新性狀。 根據(jù)轉(zhuǎn)導(dǎo)根據(jù)轉(zhuǎn)導(dǎo)DNADNA片段的范圍片段的范圍可分為：可分為：（1 1）普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)：轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌染色體或質(zhì)）普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)：轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌染色體或質(zhì) 粒任何粒任何DNADNA片段。片段。 這種錯誤包裝是隨機的，任何供菌這種錯誤包裝是隨機的，任何供菌DNADNA片段片段都有可能被誤裝入噬菌體內(nèi)。都有可能被誤裝入噬菌體內(nèi)。普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖 完全轉(zhuǎn)導(dǎo)（整合）流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)（未整合）細(xì)菌DNA 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖（2 2）局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)）局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)被轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因被轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因僅限于前噬菌體兩側(cè)僅限于前噬菌

14、體兩側(cè)的供菌基因。的供菌基因。局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖前噬菌體gal bio正常脫離斷裂和再接偏差脫離galbio galbio gal bio gal bio bio gal斷裂和再接 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)示意圖區(qū)別要點區(qū)別要點普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)基因轉(zhuǎn)導(dǎo)發(fā)生時期基因轉(zhuǎn)導(dǎo)發(fā)生時期 裂解期裂解期 溶原期溶原期轉(zhuǎn)導(dǎo)的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)導(dǎo)的遺傳物質(zhì)供體菌染色體供體菌染色體DNADNA任何部位或質(zhì)粒任何部位或質(zhì)粒噬菌體噬菌體DNADNA及供體及供體菌菌DNADNA的特定部位的特定部位轉(zhuǎn)導(dǎo)的后果轉(zhuǎn)導(dǎo)的后果完全轉(zhuǎn)導(dǎo)或完全轉(zhuǎn)導(dǎo)或流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)受體菌獲得供體受體菌獲得供體菌菌DN

15、ADNA特定部位的特定部位的遺傳特性遺傳特性4 4溶原性轉(zhuǎn)換溶原性轉(zhuǎn)換(lysogenic conversion) 指噬菌體基因整合于細(xì)菌染色體上（噬指噬菌體基因整合于細(xì)菌染色體上（噬菌體作為供體），菌體作為供體），使細(xì)菌處于溶原狀態(tài)并獲使細(xì)菌處于溶原狀態(tài)并獲得新性狀。得新性狀。 - - 棒狀噬菌體棒狀噬菌體白喉毒素基因白喉毒素基因 5 5原生質(zhì)體融合原生質(zhì)體融合(protoplast fusion) 兩個細(xì)菌失去細(xì)胞壁成為原生質(zhì)體后的兩個細(xì)菌失去細(xì)胞壁成為原生質(zhì)體后的相互融合過程。相互融合過程。 是一種有價值實驗工具（經(jīng)培養(yǎng)可重新是一種有價值實驗工具（經(jīng)培養(yǎng)可重新出現(xiàn)胞壁，再按其遺傳標(biāo)志選擇

16、需要的重組出現(xiàn)胞壁，再按其遺傳標(biāo)志選擇需要的重組菌）。菌）。原生質(zhì)體融合原生質(zhì)體融合(protoplast fusion)四、基因突變四、基因突變(mutation)(mutation) 細(xì)菌遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的細(xì)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(xì)菌性狀的遺傳性變異。改變，導(dǎo)致細(xì)菌性狀的遺傳性變異。原因：自發(fā)突變、原因：自發(fā)突變、 人工誘變?nèi)斯ふT變（紫外線、高溫、輻射（紫外線、高溫、輻射、化學(xué)物質(zhì)，如亞硝酸鹽、烷化劑、丫啶、化學(xué)物質(zhì)，如亞硝酸鹽、烷化劑、丫啶類染料）。類染料）。 類型：類型：點突變點突變（堿基置換）、（堿基置換）、 多點突變多點突變（廣泛的染色體重排）。（廣泛的染色體重排）。 五、遺傳變異在醫(yī)學(xué)上的意義五、遺傳變異在醫(yī)學(xué)上的意義 1.1.影響細(xì)菌學(xué)診斷影響細(xì)菌學(xué)診斷( (表型改變表型改變) ) 2.2.預(yù)防耐藥菌株擴散預(yù)防耐藥菌株擴散 3.3.制備菌苗