病原生物學(xué)-教程-ppt課件第五章--細(xì)菌的遺傳與變異

1、第五章 細(xì)菌的遺傳與變異病原生物學(xué)學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握：細(xì)菌的遺傳物質(zhì)、細(xì)菌遺傳變異的機制。熟悉：細(xì)菌的變異現(xiàn)象；了解細(xì)菌變異的實際意義。細(xì)菌與其他微生物或生物一樣，具有遺傳和變異的生命特征。若子代與親代之間生物學(xué)性狀相似，并代代相傳，稱為遺傳。若子代與親代及子代與子代之間的生物學(xué)性狀出現(xiàn)差異則稱為變異。遺傳保證了物種的穩(wěn)定性，變異則使細(xì)菌產(chǎn)生變種或新種，其新性狀又因遺傳得以鞏固，有利于種屬的發(fā)展和進化。細(xì)菌的變異分為遺傳性變異和非遺傳性變異:遺傳性變異因突變或基因轉(zhuǎn)移和重組而使基因結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，故又稱為基因型變異，變異的性狀可以穩(wěn)定遺傳給后代。非遺傳性變異是在外界環(huán)境因素影響下細(xì)菌性狀發(fā)生的變異，

2、基因結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，不可遺傳，當(dāng)環(huán)境因素消除后，其變異又逆轉(zhuǎn)復(fù)原，這又稱為表型變異。第一節(jié) 細(xì)菌變異的現(xiàn)象一、形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異細(xì)菌在生長過程中受外界環(huán)境條件的影響可發(fā)生變異如許多細(xì)菌在青霉素、免疫血清、補體和溶菌酶等因素影響下，細(xì)胞壁合成受阻，成為細(xì)胞壁缺陷型細(xì)菌（細(xì)菌L型變異），L型細(xì)菌失去原有形狀，呈球形、長絲狀或多形性，革蘭染色多為陰性，在一般培養(yǎng)基中易溶解破裂，但在高滲環(huán)境中仍能緩慢生長，并具有致病性。第一節(jié) 細(xì)菌變異的現(xiàn)象細(xì)菌的一些特殊結(jié)構(gòu)，如莢膜、芽胞、鞭毛等也可發(fā)生變異。肺炎鏈球菌在機體內(nèi)或在含有血清的培養(yǎng)基中初分離時可形成莢膜，致病性強，經(jīng)多次傳代培養(yǎng)后莢膜逐漸消失，致病性也隨之

3、減弱。有芽胞的炭疽芽胞桿菌在42培養(yǎng)1020天 后，可失去形成芽胞的能力，同時毒力也會相應(yīng)減弱。第一節(jié) 細(xì)菌變異的現(xiàn)象細(xì)菌的一些特殊結(jié)構(gòu)，如莢膜、芽胞、鞭毛等也可發(fā)生變異。將有鞭毛的普通變形桿菌點種在瓊脂平板上，由于鞭毛的動力使細(xì)菌在平板上彌散生長，稱遷徙現(xiàn)象，菌落形似薄膜，故稱H菌落；若將此菌點種在含1石炭酸的培養(yǎng)基上，細(xì)菌可失去鞭毛，只能在點種處形成不向外擴展的單個菌落，稱為O菌落，通常將失去鞭毛的變異稱為HO變異，此變異是可逆的。第一節(jié) 細(xì)菌變異的現(xiàn)象二、毒力變異細(xì)菌的毒力變異包括毒力的增強和減弱。無毒力的白喉棒狀桿菌常寄居在咽喉部，不致病，當(dāng)感染了-棒狀桿菌噬菌體后呈溶原狀態(tài)時，則獲得

4、產(chǎn)生白喉外毒素的能力，致使細(xì)菌的毒力增強。卡介（Calmette-Guerin）二人將有毒的牛型結(jié)核分枝桿菌在含有膽汁的甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基上培養(yǎng)，經(jīng)過13年，連續(xù)傳230代，終于獲得了一株毒力減弱但仍保持免疫原性的變異株，即卡介苗(BCG)。第一節(jié) 細(xì)菌變異的現(xiàn)象三、耐藥性變異細(xì)菌對某種抗菌藥物由敏感變成耐藥的變異稱耐藥性變異。從抗生素廣泛應(yīng)用以來，細(xì)菌對抗生素耐藥的不斷增長是世界范圍內(nèi)的普遍趨勢，如金黃色葡萄球菌耐青霉素的菌株已從1946年的14上升至目前的90以上。耐甲氧西林金黃色葡萄球菌感染也逐年上升，目前已超過70%。有些細(xì)菌還表現(xiàn)為同時耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至還有的細(xì)菌變

5、異后產(chǎn)生對藥物的依賴性，如痢疾志賀菌賴鏈霉素株，離開鏈霉素則不能生長。第一節(jié) 細(xì)菌變異的現(xiàn)象四、菌落變異細(xì)菌的菌落主要有光滑（S）型和粗糙(R) 型兩種。S型菌落表面光滑、濕潤、邊緣整齊，一般從人體內(nèi)新分離的細(xì)菌菌落為光滑型。細(xì)菌經(jīng)人工培養(yǎng)多次傳代后，菌落表面變?yōu)榇植?、干燥、邊緣不整，即從光滑型變?yōu)榇植谛?，稱為SR變異。SR 變異常見于腸道桿菌，變異時不僅菌落的特征發(fā)生改變，而且細(xì)菌的理化性狀、抗原性、代謝酶活性及毒力等也發(fā)生改變。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)一、細(xì)菌的染色體細(xì)菌的染色體是一條環(huán)狀雙股DNA分子，按一定構(gòu)型反復(fù)回旋形成絲團狀，裸露在胞質(zhì)中，缺乏組蛋白。染色體攜帶細(xì)菌大多數(shù)基

6、因，是細(xì)菌生命活動所必需的遺傳物質(zhì)，控制著細(xì)菌的代謝、繁殖、遺傳和變異。細(xì)菌基因序列是連續(xù)的，無內(nèi)含子。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)二、質(zhì)粒質(zhì)粒是細(xì)菌染色體以外的遺傳物質(zhì)，是存在于細(xì)胞質(zhì)中的閉合環(huán)狀、雙鏈DNA分子。質(zhì)粒DNA約占細(xì)菌基因組的0.5%10%，質(zhì)粒所攜帶的遺傳信息控制著細(xì)菌某些特定性狀。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（一）質(zhì)粒的主要特征1、質(zhì)粒有自我復(fù)制能力，并隨細(xì)菌分裂而分配至子代細(xì)菌中，一個質(zhì)粒是一個復(fù)制子。與染色體同步復(fù)制的質(zhì)粒稱為緊密型質(zhì)粒，與染色體復(fù)制不相關(guān)的質(zhì)粒稱為松弛型質(zhì)粒。2、質(zhì)粒基因編碼產(chǎn)物能賦予細(xì)菌某些特殊性狀，如致育性、耐藥性、致病性、生化特性及抗原性

7、等。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（一）質(zhì)粒的主要特征3、質(zhì)?？勺孕衼G失或人工處理后消除（如紫外線照射等），隨著質(zhì)粒的丟失或消除，質(zhì)粒賦予細(xì)菌的性狀亦隨之消失，但細(xì)菌仍能存活，故質(zhì)粒并非是細(xì)菌生命活動不可缺少的遺傳物質(zhì)。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（一）質(zhì)粒的主要特征4、質(zhì)?？赏ㄟ^接合、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)等基因轉(zhuǎn)移與重組方式在細(xì)菌間轉(zhuǎn)移。5、質(zhì)粒具有相容性與不相容性。結(jié)構(gòu)相似、密切相關(guān)的質(zhì)粒不能同時共存于一個宿主菌內(nèi)的現(xiàn)象稱為不相容性；反之為相容性。這與質(zhì)粒的宿主范圍，復(fù)制部位等因素有關(guān)。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（二）重要質(zhì)粒1、致育性質(zhì)?；騀質(zhì)粒：能編碼性菌毛，有F質(zhì)粒的細(xì)菌有性菌毛，

8、為雄性菌；無F質(zhì)粒的細(xì)菌無性菌毛，為雌性菌；性菌毛能介導(dǎo)雌、雄細(xì)菌間基因（質(zhì)?；蛉旧w等）的接合轉(zhuǎn)移。2、耐藥性質(zhì)粒：編碼對抗菌藥物或重金屬鹽類的耐藥性。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（二）重要質(zhì)粒3、毒力質(zhì)?；騐i質(zhì)粒：編碼與細(xì)菌致病性有關(guān)的毒力因子，如腸產(chǎn)毒性大腸埃希菌的耐熱腸毒素與不耐熱腸毒素分別由ST質(zhì)粒與LT質(zhì)粒編碼產(chǎn)生。4、細(xì)菌素質(zhì)粒：編碼產(chǎn)生各類細(xì)菌素，如Col質(zhì)粒編碼大腸埃希菌的大腸菌素。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（二）重要質(zhì)粒5、代謝質(zhì)粒：編碼與代謝相關(guān)的酶類，如沙門菌發(fā)酵乳糖的能力通常由質(zhì)粒決定。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)三、轉(zhuǎn)座因子轉(zhuǎn)座因子是存在于細(xì)菌染色體

9、或質(zhì)粒DNA分子上，并能自行移位的一段特殊的DNA序列，產(chǎn)生插入突變、基因重排或插入位點附近基因表達的改變，而引起細(xì)菌的變異。這種轉(zhuǎn)座作用可以發(fā)生在同一染色體上，也可在染色體之間或質(zhì)粒之間，甚至在染色體和質(zhì)粒之間。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)座因子按其結(jié)構(gòu)和功能的不同分為兩類：（一）插入序列插入序列(IS)為最小的轉(zhuǎn)座因子，大小約7501 550bp，不攜帶與插入功能無關(guān)的基因區(qū)域，僅帶有與轉(zhuǎn)座有關(guān)的基因。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)座因子按其結(jié)構(gòu)和功能的不同分為兩類：（二）轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座子(Tn)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，大小約200025000bp，除兩端的IS外還帶有與轉(zhuǎn)座無關(guān)的其他基因，諸如

10、編碼耐藥、毒力等的基因。這些基因可隨Tn的轉(zhuǎn)座而發(fā)生轉(zhuǎn)移重組，從而使插入處基因的完整性受到破壞，造成大的染色體突變。轉(zhuǎn)座行為導(dǎo)致DNA分子發(fā)生重排，在促使生物變異及進化上具有重大意義。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)四、整合子整合子（In）是一種運動性的DNA 分子，具有獨特結(jié)構(gòu)可捕獲和整合外源性基因，使之轉(zhuǎn)變成為功能性基因的表達單位。它通過轉(zhuǎn)座子或接合性質(zhì)粒，使多種耐藥基因在細(xì)菌中進行水平傳播。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)五、噬菌體 (bacteriophage)噬菌體是侵襲細(xì)菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒。噬菌體只能在活的微生物細(xì)胞內(nèi)復(fù)制增殖，是一種專性活細(xì)胞內(nèi)寄生的微生物。噬

11、菌體具有嚴(yán)格的宿主特異性，某一種噬菌體只能感染某一種微生物，甚至只能感染某種微生物中的某一型。故可以利用噬菌體嚴(yán)格的宿主特異性對未知菌進行鑒定和分型。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（一）噬菌體的形態(tài)與結(jié)構(gòu)噬菌體體積微小，需用電子顯微鏡觀察。其形態(tài)有蝌蚪形、微球形和細(xì)桿形。大多數(shù)噬菌體呈蝌蚪形，由頭部和尾部兩部分組成。頭部為六邊形立體對稱，由蛋白質(zhì)衣殼包繞核酸組成。尾部為細(xì)管狀，由尾板、尾刺和尾絲構(gòu)成（圖5-1）。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ) 圖5-1 噬菌體結(jié)構(gòu)模式圖第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（二）噬菌體與宿主菌的相互關(guān)系根據(jù)噬菌體感染宿主菌后產(chǎn)生的不同后果，噬菌體可分為毒性噬菌體

12、和溫和噬菌體兩種類型。1、毒性噬菌體 能在敏感菌中復(fù)制增殖，產(chǎn)生許多子代噬菌體，并引起宿主菌裂解的噬菌體稱為毒性噬菌體。2、溫和噬菌體 感染宿主菌后不獨立復(fù)制增殖，也不引起宿主菌裂解的噬菌體稱為溫和噬菌體，又稱為溶原性噬菌體。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)1、毒性噬菌體毒性噬菌體在宿主菌內(nèi)以復(fù)制方式進行增殖，增殖過程包括吸附、穿入、生物合成、成熟與釋放四個階段。從噬菌體吸附開始至宿主菌裂解釋放出子代噬菌體為止，稱為噬菌體的復(fù)制周期或溶菌周期。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（1）吸附：吸附是噬菌體表面蛋白與其宿主菌表面受體發(fā)生特異性接合的過程，其特異性取決于兩者分子結(jié)構(gòu)的互補性。（2）穿入：

13、有尾噬菌體吸附于宿主菌后，借助尾部末端的溶菌酶在與宿主菌接觸的細(xì)胞壁部位溶一小孔，然后尾鞘收縮，將噬菌體頭部的核酸經(jīng)尾髓注入宿主菌內(nèi)，蛋白質(zhì)外殼則留在菌體外。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（3）生物合成：噬菌體DNA進入宿主菌后，開始自身的生物合成，一方面通過轉(zhuǎn)錄生成mRNA,再由此翻譯成噬菌體所需的與其生物合成有關(guān)的酶、調(diào)節(jié)蛋白和結(jié)構(gòu)蛋白；另一方面，以噬菌體核酸為模板，大量復(fù)制子代核酸。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（4）成熟與釋放：子代噬菌體的蛋白質(zhì)與核酸分別合成后，在宿主菌細(xì)胞質(zhì)中按一定程序裝配成完整的成熟噬菌體。當(dāng)子代噬菌體達到一定數(shù)目時，裂解宿主菌細(xì)胞釋放出子代噬菌體。子代噬菌體

14、又可感染新的敏感菌。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)在液體培養(yǎng)基中，噬菌體裂解宿主菌可使混濁菌液變澄清；在固體培養(yǎng)基上，將適量的噬菌體和宿主菌液混合接種培養(yǎng)后，培養(yǎng)基表面可出現(xiàn)透亮的溶菌空斑，每個空斑由一個噬菌體復(fù)制增殖并裂解宿主菌后形成的，稱為噬斑。不同噬菌體噬斑的形態(tài)和大小不盡相同。通過噬斑計數(shù)，可測知一定體積內(nèi)的噬斑形成單位（PFU）數(shù)目，即噬菌體的數(shù)量。 第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)2、溫和噬菌體 溫和噬菌體的基因與宿主菌染色體基因整合后，可隨宿主菌基因進行復(fù)制，并通過細(xì)菌的分裂而傳給下一代，不引起細(xì)菌裂解。整合在宿主菌基因組中的噬菌體基因稱為前噬菌體，帶有前噬菌體的宿主菌稱為溶原

15、性細(xì)菌。溶原性細(xì)菌可偶爾自發(fā)或在某些理化和生物因素的誘導(dǎo)下終止溶原狀態(tài)，前噬菌體脫離宿主菌染色體后進入溶菌周期，可在菌體內(nèi)復(fù)制增殖形成大量子代噬菌體，最后導(dǎo)致宿主菌裂解。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)2、溫和噬菌體 溫和噬菌體具有的這種產(chǎn)生成熟子代噬菌體顆粒和裂解宿主菌的潛在能力，稱為溶原性。溫和噬菌體既有溶原周期又有溶菌周期(圖5-2)，而毒性噬菌體只有溶菌周期。第二節(jié) 細(xì)菌的遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)圖5-2 溶原性細(xì)菌的溶原周期和溶菌周期第三節(jié) 細(xì)菌變異的機制一、基因突變基因突變是指細(xì)菌基因結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，導(dǎo)致其遺傳性狀變異，并可傳給子代。在自然界中自發(fā)發(fā)生的突變稱自然突變，人為誘發(fā)

16、的突變稱誘導(dǎo)突變。第三節(jié) 細(xì)菌變異的機制一、基因突變基因突變根據(jù)細(xì)菌DNA序列改變的程度分為大、小突變兩種類型大突變又稱為染色體畸變，是指大段DNA序列的丟失、重復(fù)、倒位或轉(zhuǎn)位而導(dǎo)致的細(xì)菌性狀發(fā)生明顯變異，常導(dǎo)致細(xì)菌變異死亡；小突變又稱點突變，是指DNA序列中的一個或幾個堿基的置換、插入或丟失等，影響到一個或幾個基因的改變，所導(dǎo)致的性狀變異一般只影響到少數(shù)細(xì)菌。大、小突變間無明顯界限，但大突變發(fā)生的頻率比小突變高。第三節(jié) 細(xì)菌變異的機制二、基因的轉(zhuǎn)移和重組基因的轉(zhuǎn)移和重組是指受體菌獲得外源性（供體菌）遺傳物質(zhì)，并與自身DNA整合而發(fā)生性狀改變的遺傳性變異。受體菌獲得外源性遺傳物質(zhì)的過程稱為基因

17、轉(zhuǎn)移；基因轉(zhuǎn)移至受體菌后，與其DNA整合的過程稱為基因重組?；虻霓D(zhuǎn)移和重組方式包括轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)、溶原性轉(zhuǎn)換及原生質(zhì)體融合。第三節(jié) 細(xì)菌變異的機制（一）轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化是指受體菌直接攝取供體菌游離的DNA片段，獲得新的遺傳性狀，如活的無莢膜的R 型肺炎鏈球菌從死的有莢膜的S 型菌中獲得了編碼S 型菌莢膜的遺傳物質(zhì)，使活的R 型菌轉(zhuǎn)化為S 型菌（圖5-3）。第三節(jié) 細(xì)菌變異的機制 圖5-3 小鼠體內(nèi)肺炎鏈球菌的轉(zhuǎn)化試驗第三節(jié) 細(xì)菌變異的機制（二）接合接合是指細(xì)菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要為質(zhì)粒）從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌，使受體菌獲得新的遺傳性狀的過程。通過接合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒稱為接合性質(zhì)粒，

18、主要包括F質(zhì)粒、R質(zhì)粒等。第三節(jié) 細(xì)菌變異的機制1、F質(zhì)粒的接合 帶有F質(zhì)粒的細(xì)菌為雄性菌（F+菌），F(xiàn)+菌借助性菌毛與F一菌（無F質(zhì)粒的雌性菌）表面受體接合，使兩菌之間形成通道，F(xiàn)質(zhì)粒的雙鏈DNA解鏈，其中一條單鏈DNA通過性菌毛進入F一菌，供、受體菌內(nèi)的各單鏈DNA以滾環(huán)式進行復(fù)制，分別形成完整雙鏈質(zhì)粒DNA，使F一菌變成了F+菌，并獲得了供體菌的某些性狀，同時供體菌的F質(zhì)粒亦不失去（圖5-4）。第三節(jié) 細(xì)菌變異的機制 圖5-4 F質(zhì)粒的接合第三節(jié) 細(xì)菌變異的機制2、R質(zhì)粒的接合 R質(zhì)粒由耐藥傳遞因子(RTF)和耐藥決定子(r)兩部分組成，RTF功能與F質(zhì)粒相似,編碼性菌毛，決定質(zhì)粒的復(fù)制

19、，接合及轉(zhuǎn)移；r賦予宿主菌耐藥性。一個r-det可攜帶多個耐藥基因，使攜帶耐藥性質(zhì)粒的細(xì)菌同時對多種抗菌藥物產(chǎn)生耐藥（圖5-5）。R質(zhì)粒又被稱為傳染性耐藥因子。第三節(jié) 細(xì)菌變異的機制 圖5-5 R質(zhì)粒結(jié)構(gòu)圖第三節(jié) 細(xì)菌變異的機制（三）轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo)是指以噬菌體為載體，將供體菌的DNA片段轉(zhuǎn)移到受體菌，使受體菌獲得新的性狀的過程。分為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)和局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)兩種。第三節(jié) 細(xì)菌變異的機制1、普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo) 在噬菌體成熟裝配過程中，由于裝配錯誤，誤將供體菌的DNA片段或質(zhì)粒裝入噬菌體內(nèi)，產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體。當(dāng)該噬菌體感染另一宿主菌時，便將供體菌的DNA轉(zhuǎn)入受體菌，使受體菌獲得供體菌的某種遺傳性狀。每105107次裝配中會發(fā)生一次錯誤，且包裝是隨機的，即噬菌體包裝的可以是供體菌的染色體DNA的任何部分，故稱為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（圖5-6）。第三節(jié) 細(xì)菌變異的機制圖5-6 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖第三節(jié) 細(xì)菌變異的機制1、普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo) 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生兩種結(jié)果：一種是供菌DNA片段與受體菌染色體整合，隨染色體復(fù)