細菌的遺傳與變異

1、第4章 細菌的遺傳與變異 本章節(jié)學習要點：1、掌握細菌變異機理：表型變異（誘導酶）和基因型變異（突變，基因的轉(zhuǎn)移和重組包括轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導、溶原性轉(zhuǎn)化和接合）；掌握細菌耐藥性的定義；2、熟悉常見細菌變異現(xiàn)象及其在醫(yī)學實踐上的意義。熟悉細菌耐藥的控制策略；3、了解噬菌體、溶原性細菌和溶原性狀態(tài)的概念；了解抗菌藥物的種類，耐藥的產(chǎn)生機理。細菌和其他微生物一樣，具有遺傳性和變異性。細菌的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、新陳代謝、抗原性、毒力以及對藥物的敏感性等都是由細菌的遺傳物質(zhì)所決定的。在一定的培養(yǎng)條件下這些性狀在親代與子代間表現(xiàn)相同，為遺傳性。然而也可出現(xiàn)親代與子代間的變異。如果細菌的變異是由于細菌所處外界環(huán)境條件的作用

2、，引起細菌的基因表達調(diào)控變化而出現(xiàn)的差異，則稱為表型變異。表型變異因為并未發(fā)生細菌基因型的改變，不能遺傳，所以是非遺傳變異。遺傳使細菌保持種屬的相對穩(wěn)定性，而基因型變異則使細菌產(chǎn)生變種與新種，有利于細菌的生存及進化。第一節(jié) 細菌的遺傳物質(zhì)1、細菌染色體細菌作為原核型微生物，雖沒有完整的核結(jié)構(gòu)，但卻有核區(qū)（或核質(zhì)）。在電鏡下觀察，核區(qū)有盤旋堆積的DNA纖維。細菌染色體DNA與其他生物相同，由互補的雙鏈核苷酸組成。細菌的染色體與生物細胞染色體不同，前者不含有組蛋白，基因是連續(xù)的，無內(nèi)含子。由于細菌核區(qū)DNA的功能與真核細胞染色體的功能相同，因此又稱其為細菌染色體。2、質(zhì)粒細菌的DNA除大部分集中于

3、核質(zhì)（染色體）內(nèi)，尚有少部分（約12%）存在于染色體外，稱為質(zhì)粒。質(zhì)粒與染色體的相似處為：質(zhì)粒亦為雙鏈環(huán)形DNA，不過其分子量遠比染色體為小，僅為細菌染色體DNA的0.53%。質(zhì)粒亦可攜帶遺傳信息，可決定細菌的一些生物學特性。然而質(zhì)粒卻有一些與染色體DNA不同的特性。質(zhì)粒的主要特征：1）質(zhì)粒具有自我復制的能力，一個質(zhì)粒是一個復制子。與染色體同步復制的質(zhì)粒稱緊密型質(zhì)粒，與染色體復制不相關的質(zhì)粒稱松弛型質(zhì)粒。2）質(zhì)粒能編碼某些特定性狀，如致育性、耐藥性、致病性等。3）質(zhì)?？勺孕衼G失與消失，故質(zhì)粒并非是細菌生命活動不可缺少的遺傳物質(zhì)。4）質(zhì)?？赏ㄟ^接合、轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)導等方式在細菌間轉(zhuǎn)移。根據(jù)質(zhì)粒能否通過

4、細菌的接合作用進行傳遞，將其分為接合性質(zhì)粒（如F質(zhì)粒和多數(shù)R質(zhì)粒）和非接合性質(zhì)粒。5）質(zhì)粒的相容性和不相容性。根據(jù)質(zhì)粒編碼的生物學性狀分為：1）致育質(zhì)粒（F質(zhì)粒）：具有接合功能，有性菌毛，雄性菌。2）耐藥性質(zhì)粒：分為接合性耐藥性質(zhì)粒（R質(zhì)粒）和非接合性耐藥性質(zhì)粒（通過轉(zhuǎn)導的方式傳遞）。3）毒力質(zhì)粒（Vi質(zhì)粒）：編碼相關毒力因子。4）細菌素質(zhì)粒：編碼各類細菌素。5）代謝質(zhì)粒：編碼與代謝相關的酶類。3、噬菌體基因組：噬菌體是能感染細菌、放線菌、真菌、螺旋體的病毒。噬菌體分布廣泛，凡是有細菌存在的場所，就可能有相應噬菌體的存在。噬菌體有嚴格的宿主特異性，只寄居于易感宿主菌體內(nèi)。噬菌體1000萬倍噬菌

5、體進入細菌細胞后，能在敏感宿主菌內(nèi)復制增殖并使之裂解的噬菌體稱為毒性噬菌體毒性噬菌體 有些噬菌體感染細菌后并不增殖，而是將其基因整合于細菌基因組中，成為細菌DNA的一部分，當細菌分裂時，噬菌體的基因亦隨之分布至兩個子代細菌的基因中。這種噬菌體稱為溫和噬菌體溫和噬菌體。整合在細菌DNA上的噬菌體基因稱為前噬菌體，帶有前噬菌體的細菌稱為溶源性細菌 溶源性噬菌體能正常繁殖，但這種帶噬菌體的溶源狀態(tài)有時能自發(fā)終止，結(jié)果導致噬菌體增殖而引起細菌裂解。用紫外線照射或過氧化氫等處理溶源性細菌，可誘導前噬菌體從細菌的DNA分開，而開始其溶菌性周期。偶爾溶源性細菌也可失去前噬菌體。4、轉(zhuǎn)座因子：是細菌基因組中能

6、改變自身位置的一段DNA序列，這種轉(zhuǎn)座作用可發(fā)生在同一染色體上，也可發(fā)生在染色體和/或質(zhì)粒間。轉(zhuǎn)座因子分為插入序列和轉(zhuǎn)座子。5、整合子：是一種運動性的DNA分子，具有獨特結(jié)構(gòu)可捕捉和整合外源性基因，使之轉(zhuǎn)變成為功能性基因的表達單位。第三節(jié) 基因的轉(zhuǎn)移與重組遺傳型變異可通過兩個不同性質(zhì)細菌之間發(fā)生遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和重組而實現(xiàn).在基因轉(zhuǎn)移中,提供DNA的細菌為供體菌,而接受DNA的細菌是受體菌?；蜣D(zhuǎn)移后獲得重組的子代，即具有供體與受體菌二者的主要特性。實現(xiàn)基因轉(zhuǎn)移需要兩個基本條件：一是全部或部分供體菌的基因相應進入受體菌；二是在受體菌中形成重組（雜交）的基因組?；蜣D(zhuǎn)移(gene transfer

7、)：外源性的遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入某受體菌內(nèi)的過程 。基因重組(recombination)：轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA整合在一起 。一、轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化是受體菌直接攝取供體菌游離的DNA片段，通過與染色體重組，獲得了供體菌的部分遺傳特性。轉(zhuǎn)化的DNA可以是細菌溶解后釋放的，也可用人工方法抽提而獲得。 例：小鼠體內(nèi)肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化實驗，說明存在轉(zhuǎn)化?；畹腟III肺炎球菌-小鼠病死；死的SIII肺炎球菌-小鼠健康；活的RII肺炎球菌 -小鼠健康；活的RII+死的SIII-小鼠病死，可分離到活的SIII。活的RII+人工提取的SIII DNA-小鼠病死，可分離到活的SIII，說明轉(zhuǎn)化的物質(zhì)是DNA。二、接合細菌

8、通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)從供體菌轉(zhuǎn)給受體菌的方式稱為接合。這一過程不是在所有細菌之間均可發(fā)生。只有那些具有F因子或類似F因子傳遞裝置的細菌才能接合。接合中，有F因子的細菌相當于雄性菌。因此接合看作是細菌的有性生殖過程，又稱為細菌雜交。F F質(zhì)粒接合質(zhì)粒接合F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipient除F因子外，耐藥性質(zhì)粒R因子中有些亦可通過接合而傳遞，另一些則不能傳遞?？赏ㄟ^接合轉(zhuǎn)移的這類R質(zhì)粒中除有耐藥決定子（r-det）外，還有耐藥傳遞因子(RTF)。RTF決定性菌毛的形成，通過接合而傳遞（如腸道桿菌）。如果只有r-det而無RTF則不能通過接合傳遞耐藥性（如金葡

9、菌）。必須經(jīng)傳遞性質(zhì)粒帶動、噬菌體轉(zhuǎn)導或以轉(zhuǎn)化方式轉(zhuǎn)入受體菌。三、轉(zhuǎn)導以噬菌體為媒介，把供細菌的基因轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，導致后者基因改變的過程稱為轉(zhuǎn)導。 分為普遍性轉(zhuǎn)導和局限性轉(zhuǎn)導。普遍性轉(zhuǎn)導四、溶原性轉(zhuǎn)換或原生質(zhì)體融合有些溫和噬菌體攜帶的基因接在細菌染色體上，可相當于遺傳物質(zhì)，也能決定細菌的某些特性。由噬菌體基因決定細菌的某些生物學特性稱為溶原性轉(zhuǎn)移。 如，以棒狀桿菌噬菌體感染無毒的白喉桿菌后，可發(fā)生溶原性轉(zhuǎn)換，形成產(chǎn)生外毒素的白喉桿菌。此外，溶血性鏈球菌產(chǎn)生紅疹毒素的能力，以及沙門氏桿菌有特異性O抗原等，均通過溶原性轉(zhuǎn)換獲得。當各菌失去相應噬菌體后，則失去產(chǎn)生毒素或表達特異抗原特性。 原生質(zhì)體

10、融合：將兩者不同的細菌經(jīng)溶菌酶或青霉素等處理，失去細胞壁成為原生質(zhì)體后進行融合的過程?；蛲蛔冞z傳型變異中常見的一種為突變，即細菌的基因結(jié)構(gòu)發(fā)生偶然的改變。一般突變會導致所編碼蛋白質(zhì)的改變，從而使細菌出現(xiàn)新的特性或失去原有的某些特性。由于細菌每2030分鐘分裂一代，故突變株相對較多。 細菌遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，導致細菌性狀的遺傳性變異。 當突變發(fā)生在DNA一對或少數(shù)幾對堿基引起改變時，稱為點突變。這類突變涉及堿基對的置換、增加或缺失。另一種類型的突變涉及大段DNA的改變?nèi)绮迦牖蛉笔装賯€堿基對，稱為染色體畸變。在細菌中點突變較多見 細菌的變異現(xiàn)象在細菌的生長繁殖過程中觀察到為數(shù)眾

11、多的變異現(xiàn)象。在形態(tài)變異方面，細菌的大小可發(fā)生變異；有時細菌可失去莢膜、芽胞或鞭毛；有的細菌出現(xiàn)了細胞壁缺陷的L型細菌。 SR變異和HO變異S S型菌落型菌落R R型菌落型菌落結(jié)構(gòu)變異結(jié)構(gòu)變異 青霉素、溶菌酶青霉素、溶菌酶正常形態(tài)細菌正常形態(tài)細菌 L L型變異型變異 抗體或補體抗體或補體 ( (部分或完全失去胞壁部分或完全失去胞壁) )正?；魜y弧菌正常霍亂弧菌霍亂弧菌霍亂弧菌L L型型細菌的耐藥性變異：病原微生物對某種藥物由敏感變成耐藥的變異，稱為耐藥性或抗藥性變異。細菌耐藥性獲得：突變、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導、接合細菌耐藥性轉(zhuǎn)移：轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導、接合細菌耐藥性變異：（1）耐藥性變異的產(chǎn)生機制耐藥性可通過誘導

12、、突變和轉(zhuǎn)移重組獲得耐藥性。在細菌細胞群中，一旦發(fā)生耐藥性變異（突變），即可通過轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導和接合等方式之一傳遞給敏感的細菌。R質(zhì)粒的危害性在于它攜帶著耐藥基因，可自主復制，并傳給下一代，同時還可轉(zhuǎn)移至敏感菌株，甚至還可能轉(zhuǎn)移給不同種類的細菌，因而有人把它稱為傳染性耐藥因子。（2）細菌耐藥性的機制*鈍化酶的產(chǎn)生：如內(nèi)酰胺酶；*藥物作用的靶位發(fā)生改變：如鏈霉素結(jié)合位點細菌核糖體30S亞基上的S12蛋白的結(jié)構(gòu)改變；*細胞壁通透性的改變：改變細胞壁的屏障作用，影響藥物進入細胞內(nèi)；*主動外排機制：新合成蛋白參與外排；（3）細菌耐藥性的控制策略*合理使用抗菌藥物：進行藥敏試驗，加強細菌耐藥性的監(jiān)測，指導臨

13、床選藥。用藥療程盡量縮短，能用一種藥就用一種，不輕易采用多種藥物；嚴格掌握抗菌藥物的局部應用、預防應用核聯(lián)合用藥，避免濫用抗生素；*嚴格執(zhí)行消毒隔離制度：防止交叉感染；*加強藥政管理：憑處方供藥；農(nóng)牧業(yè)盡量避免使用臨床用藥；*研制新抗菌藥物：*研制質(zhì)粒消除劑：*抗菌藥物的“輪休”；細菌的毒力變異可表現(xiàn)為毒力增強或減弱?？ń槎希–almette-Guerin）將有毒力的結(jié)核桿菌在含有膽汗的甘油馬鈴薯培養(yǎng)基上連續(xù)傳代，經(jīng)13年230代獲得了減毒但保持疫原性的菌株，目前稱為卡介苗，用于人工接種以預防結(jié)核病。 第五節(jié) 遺傳變異在醫(yī)學上的意義1.影響細菌學診斷2.預防耐藥菌株的擴散3.制備菌苗4.檢測

14、致癌物5.基因工程方面的應用第5章 細菌的耐藥性細菌耐藥現(xiàn)狀 - 自青霉素問世以來，多種細菌對多種抗生素的耐藥性逐年上升。以金黃色葡萄球菌為例，已從1946年的5%上升到目前的80%以上。 - 細菌、病毒和真菌均可產(chǎn)生耐藥性 - 一種細菌可產(chǎn)生對多種藥物的耐藥性（超級細菌的產(chǎn)生） - 耐藥性可在菌細胞和不同種的細菌中快速擴散，包括醫(yī)院獲得性感染(nosocomial infection) - 臨床與藥品商業(yè)第一節(jié) 抗菌藥物的種類及其作用機制一、抗菌藥物的種類按抗菌藥物化學結(jié)構(gòu)和性質(zhì)分： -內(nèi)酰胺類（青霉素、頭孢菌素等） 大環(huán)內(nèi)酯類（紅霉素、螺旋霉素、羅紅霉素、阿奇霉素） 氨基糖苷類（鏈霉素、慶

15、大霉素、卡那霉素等） 四環(huán)素類、氯霉素類、化學合成（磺胺類、喹諾酮類）按生物來源分 細菌、真菌、放線菌 二、抗菌藥物的作用機制干擾細菌細胞壁的合成：青霉素損傷細胞膜的功能：多粘菌素影響蛋白質(zhì)的合成：紅霉素抑制核酸合成：利福平第二節(jié) 細菌的耐藥機制耐藥性：細菌對某抗菌藥物（抗生素或消毒劑）的相對抵抗性。耐藥性的程度用藥物的最小抑菌濃度（MIC）表示。臨床上當某抗菌藥的MIC小于治療濃度敏感臨床上當某抗菌藥的MIC大于治療濃度耐藥耐藥菌株：具有耐藥性的細菌一、細菌耐藥的遺傳機制1.固有耐藥性：如細菌對二性霉素B耐藥2.獲得耐藥性：基因突變或獲得新基因影響獲得耐藥性的因素：1）藥物使用劑量2）細菌自

16、發(fā)耐藥突變3）耐藥基因轉(zhuǎn)移3、多重耐藥性1）多重耐藥性（MDR）：細菌同時對多種作用機制或結(jié)果完全不同的抗菌藥物具有耐藥性。即一種微生物對三類（比如氨基糖苷類、紅霉素、內(nèi)酰胺類）或三類以上抗生素同時耐藥，而不是同一類三種。2）交叉耐藥：病原體對某種藥物耐藥后，對于結(jié)構(gòu)近似或作用性質(zhì)相同的藥物也產(chǎn)生耐藥性。3）泛耐藥菌：指對除粘菌素外的臨床上所有分類的常用抗菌藥物全部耐藥。泛耐藥菌株表現(xiàn)為對常規(guī)藥敏試驗的藥物均耐藥。超級細菌：臨床上把對幾乎所有抗生素有抗藥性的細菌統(tǒng)稱為超級細菌?！俺壖毦狈褐概R床上出現(xiàn)的多種耐藥菌，如：耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）抗萬古霉素腸球菌（VRE）耐多藥肺炎鏈

17、球菌（MDRSP）多重抗藥性結(jié)核桿菌（MDR-TB）等。二、耐藥的生化機制1.鈍化酶的產(chǎn)生2.藥物作用靶位的改變3.細胞膜通透性改變4.主動外排機制5.細菌生物被膜作用及其他1.鈍化酶的產(chǎn)生常見的重要鈍化酶有：-內(nèi)酰胺酶氨基糖甙類鈍化酶氯霉素乙酰轉(zhuǎn)移酶-內(nèi)酰胺酶 對青霉素類和頭孢菌素類耐藥的菌株產(chǎn)生內(nèi)酰胺酶（有很多種，按分子結(jié)構(gòu)可分為4類），可以特異性的打開藥物分子結(jié)構(gòu)中的-內(nèi)酰胺環(huán)，使其完全失去抗菌活性，也稱其為滅活酶(inactivated enzyme)。 氨基糖甙類鈍化酶 通過羧基磷酸化（磷酸轉(zhuǎn)移酶）、氨基乙?；ㄒ阴＾D(zhuǎn)移酶）或羧基腺苷酰化（腺苷轉(zhuǎn)移酶）的作用，而使這類藥物的分子結(jié)構(gòu)發(fā)

18、生改變，失去抗菌作用 已發(fā)現(xiàn)的氨基糖甙類鈍化酶有22種之多，由于氨基糖甙類抗生素結(jié)構(gòu)相似，故常出現(xiàn)明顯的交叉耐藥現(xiàn)象。氯霉素乙酰轉(zhuǎn)移酶 該酶由質(zhì)粒編碼，可使氯霉素乙?；タ咕钚?。 2.藥物作用靶位的改變 細菌變異使藥物作用靶位（酶）發(fā)生改變，影響藥物活性。如有的細菌可改變其體內(nèi)的二氫葉酸合成酶，使該酶與磺胺藥的親和力大為降低而由敏感菌轉(zhuǎn)為耐藥菌。 3.細胞膜通透性改變 由于細胞膜的通透性發(fā)生改變，阻礙了抗菌藥物進入細菌細胞內(nèi)，使得細菌細胞表現(xiàn)出耐藥性。 細菌生物被膜的形成 4.主動外排機制：與多重耐藥有關 第三節(jié) 細菌耐藥性的防治.合理使用抗菌藥物： 醫(yī)、患規(guī)范化用藥。嚴格掌握用藥適應癥，利用病原學檢測，藥敏試驗選擇敏感藥物；掌握適宜的劑量與療程