《醫(yī)學(xué)免疫學(xué)與醫(yī)學(xué)微生物學(xué)》課件第十二章-細菌的遺傳與變異

細菌的遺傳與變異第十二章基本概念遺傳變異指親代細菌與子代細菌之間的生物學(xué)特征（形態(tài)、結(jié)構(gòu)、免疫原性等）的相似性。它使細菌的性狀保持相對穩(wěn)定，是各種細菌存在的根據(jù)。

指親代與子代以及子代細菌之間的生物學(xué)特征的差異。

遺傳性變異（不可逆的）微生物的變異 非遺傳性變異（可逆的）基因型變異：是由于基因突變或基因的轉(zhuǎn)移與重組引起的。變異產(chǎn)生的新性狀可穩(wěn)定地傳給子代，是不可逆的。表型變異：由外界環(huán)境的影響作用引起的變異，無基因結(jié)構(gòu)的改變。不能遺傳，是可逆的。第一節(jié)噬菌體噬菌體是感染細菌、真菌、放線菌、支原體或螺旋體等微生物的病毒，與細菌的變異密切相關(guān)（是賦予宿主菌生物學(xué)性狀的遺傳物質(zhì)）。在葡萄球菌和志賀菌中首先發(fā)現(xiàn)。具有病毒的特性：個體微小，可以通過細菌濾器沒有完整的細胞結(jié)構(gòu)，由蛋白質(zhì)和核酸組成專性細胞內(nèi)寄生的微生物嚴(yán)格的宿主特異性分布極廣---有細菌的地方，就可能有相應(yīng)的噬菌體形態(tài)個體小，需用電子顯微鏡觀察蝌蚪形、微球形和絲形噬菌體的生物學(xué)性狀電鏡下見噬菌體×40000電鏡下見噬菌體與宿主菌細胞膜表面接合×40000大腸埃希菌T2噬菌體蝌蚪形噬菌體結(jié)構(gòu)模式圖核酸衣殼頭部：內(nèi)含DNA/RNA尾部：包括中空尾髓、尾鞘、尾絲、尾刺等。尾絲是吸附宿主細胞表面特殊受體部位。頭部尾部尾鞘收縮尾絲與受體菌表面結(jié)合特異性特異性特異性！尾髓尾鞘

噬菌體與宿主菌的相互關(guān)系

噬菌體的種類及繁殖周期毒性噬菌體---溶菌周期溫和性噬菌體---溶原周期毒性噬菌體(virulentphage)能在宿主菌細胞內(nèi)復(fù)制增殖,并最終裂解細菌，稱為毒性噬菌體。增殖過程：吸附穿入生物合成組裝成熟、釋放溶菌周期（復(fù)制周期）毒性噬菌體溶菌周期（復(fù)制周期）增殖過程吸附--尾刺或尾絲特異地吸附在敏感細菌表面相應(yīng)受體上穿入--尾鞘收縮將頭部中核酸經(jīng)尾髓小孔（中空尾管）注入菌體內(nèi)，蛋白質(zhì)殼留在菌體外。生物合成：以噬菌體的DNA為模板，以復(fù)制的 方式進行增殖組裝（細胞質(zhì)中）成熟、釋放毒性噬菌體細菌吸附注入合成組裝敏感受體裂解釋放溶菌性周期合成、組裝穿入

噬菌體吸附宿主菌模式圖a吸附與宿主菌b尾板擴張，尾鞘收縮c核酸注入菌體溫和噬菌體溫和噬菌體(temperatephage)噬菌體基因與宿主菌染色體整合，不產(chǎn)生子代噬菌體，但噬菌體DNA能隨細菌DNA復(fù)制，并隨細菌的分裂而傳代，稱為溫和噬菌體或溶原性噬菌體。溫和噬菌體前噬菌體整合在細菌基因組中的噬菌體基因組稱為前噬菌體（prophage）溶原性細菌帶有前噬菌體基因組的細菌稱為溶原性細菌（lysogenicbacterium）溫和噬菌體---整合前噬菌體溶原性細菌的特征：能正常分裂，并將前噬菌體傳給子代前噬菌體可編碼阻遏蛋白,抑制后進入的毒性噬菌體進行生物合成整合的前噬菌體給細菌帶來新的性狀前噬菌體可偶爾自發(fā)地或在某些理化和生物因素的誘導(dǎo)下，脫離宿主染色體進入溶菌期，導(dǎo)致細菌裂解。溶原性噬菌體溶原狀態(tài)十分穩(wěn)定，能經(jīng)歷許多代在某些條件如紫外線、X線、致癌劑、突變劑等作用下，可中斷溶原狀態(tài)進入溶菌性狀態(tài)。故溶原性噬菌體具有溶菌性及溶原性二個周期。穿入第二節(jié)細菌變異的現(xiàn)象形態(tài)結(jié)構(gòu)變異

L型菌、鞭毛（H—O變異）

、莢膜、芽胞變異等毒力變異

毒力減弱-疫苗制備毒力增強-細菌戰(zhàn)耐藥性變異臨床治療中嚴(yán)重問題

菌落變異從光滑型（S）

粗糙型（R）L型葡萄球菌葡萄球菌葡萄球菌L型葡萄球菌是由兩位法國科學(xué)家卡氏和介氏發(fā)明的，預(yù)防結(jié)核病的，活的減毒結(jié)核菌菌苗，故將這種疫苗稱之為卡介苗。

耐藥性從1946年的14%24% 80%85年現(xiàn)今有莢膜的肺炎球菌無莢膜的肺炎球菌菌落變異細菌的菌落由S型變異為R型多見，且常伴隨細菌理化性狀、抗原性、代謝酶活性及毒力等也發(fā)生改變。S型菌落R型菌落第三節(jié)細菌遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)細菌染色體染色體外遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)位因子一、細菌的染色體(chromosome)細菌的染色體是單一的環(huán)狀雙螺旋DNA長鏈，上有許多編碼細菌生物學(xué)性狀的基因，是細菌的主要遺傳物質(zhì)。細菌的染色體二、染色體外的遺傳物質(zhì)質(zhì)粒：

是細菌染色體之外的遺傳物質(zhì)，為環(huán)狀閉合的雙鏈DNA。質(zhì)粒在細菌之間的轉(zhuǎn)移是細菌獲得某些遺傳基因的重要方式。大質(zhì)粒：含幾百個基因小質(zhì)粒：含20-30個基因質(zhì)粒的基本特征：

1、有自我復(fù)制能力

2、編碼細菌的一些特殊的性狀

3、可自行丟失與消除，非生命活動所必需

4、可通過接合、轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)導(dǎo)等方式在細菌間轉(zhuǎn)移

5、分相容性與不相容性兩種質(zhì)粒F質(zhì)粒R質(zhì)粒Vi質(zhì)粒細菌素質(zhì)粒醫(yī)學(xué)上重要的質(zhì)粒：

1、致育質(zhì)粒（F質(zhì)粒）

2、耐藥質(zhì)粒（R質(zhì)粒）

3、毒力質(zhì)粒（Vi質(zhì)粒）

4、細菌素質(zhì)粒

5、代謝質(zhì)粒代謝質(zhì)粒三、轉(zhuǎn)位因子是存在細菌的染色體或質(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，不斷改變它們的基因組位置，從一個基因組轉(zhuǎn)移到另一個基因組中。 插入序列 轉(zhuǎn)位因子 轉(zhuǎn)座子

Mu噬菌體插入序列（insertionsequenceIS）最小、結(jié)構(gòu)較簡單，只帶有自身插入所需要的酶基因，不帶有任何與插入無關(guān)的基因。也能介導(dǎo)高頻重組菌株的形成。

轉(zhuǎn)座子（transposon

Tn）是一類在細菌染色體和質(zhì)粒之間或質(zhì)粒與質(zhì)粒之間可自行移動的特異性的獨立的DNA片段。導(dǎo)致耐藥性基因的播散是自然界中細菌耐藥性產(chǎn)生的重要原因之一。Mu噬菌體是具有轉(zhuǎn)座功能的溶原性噬菌體。第四節(jié)細菌變異的發(fā)生機制 基因突變的規(guī)律基因突變

DNA損傷后修復(fù)基因的轉(zhuǎn)移與重組的方式：

轉(zhuǎn)化 接合 轉(zhuǎn)導(dǎo) 溶原性轉(zhuǎn)換 基因突變概念突變mutation

指細菌遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)突然發(fā)生的穩(wěn)定性的改變，可遺傳子代。根據(jù)涉及基因的多少分為小突變（基因突變）

及大突變（染色體突變）二種?；蛲蛔兓蛲蛔兊囊?guī)律：突變率細菌自發(fā)突變率低約為10-6—10-9，在一些突變劑誘導(dǎo)下突變率可大大提高。突變與選擇細菌突變隨機產(chǎn)生，不受環(huán)境因素的影響，但在一定條件下可將其選擇出來?；蛲蛔兺蛔兊幕貜?fù)和抑制野生型（自然環(huán)境下的表型株）突變株（發(fā)生了基因突變的菌株）

突變回復(fù)突變野生型突變株基因的轉(zhuǎn)移與重組基因轉(zhuǎn)移：遺傳物質(zhì)由供體菌進入受體菌 體內(nèi)的過程重組：轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA整合在一起，稱 為重組細菌基因轉(zhuǎn)移和重組的方式：

轉(zhuǎn)化 接合 轉(zhuǎn)導(dǎo)

溶原性轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)化transformation概念：供體菌游離的DNA片段直接被受體菌攝 取，使受體菌獲得新的遺傳性狀的過程。小鼠體內(nèi)肺炎球菌轉(zhuǎn)化經(jīng)典試驗有莢膜肺炎鏈球菌（活菌）IIIS無莢膜肺炎鏈球菌（活菌）IIR有莢膜肺炎鏈球菌（死菌）IIISIIR活菌+IIIS死菌或IIR活菌+提取的IIISDNA分離出IIIS型有莢膜的活菌小鼠體內(nèi)肺炎鏈球菌轉(zhuǎn)化試驗分離出IIIS注射注射注射注射注射分離培養(yǎng)分離培養(yǎng)分離培養(yǎng)如果DNA被酶破壞轉(zhuǎn)化終至從這個實驗我們可以看到：活的無莢膜肺炎鏈球菌能攝取死的有莢膜肺炎鏈球菌的DNA片段，與自身基因重組后獲得了形成莢膜的能力，轉(zhuǎn)變成有莢膜的肺炎鏈球菌。這一發(fā)現(xiàn)第一次精確地證明了DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。接合conjugation概念

供體菌通過性菌毛將遺傳物質(zhì)（質(zhì)粒）傳遞給受體菌（通過接合傳遞的質(zhì)粒有F質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒、毒力質(zhì)粒）

細菌接合示意圖掃描電鏡15000×帶有F質(zhì)粒雄性菌，通過性菌毛將F質(zhì)粒的一條DNA鏈傳遞給無性菌毛的雌性菌，使F-

菌轉(zhuǎn)變?yōu)镕+

菌，長出性菌毛。1、F質(zhì)粒接合

高頻重組菌株（Hfr菌株）

指細菌接合時，當(dāng)F質(zhì)粒進入雌性菌（F-菌），并將其整合在細菌的染色體上使其而成為F+性菌，這種細菌稱為高頻重組菌株。也就是說，F(xiàn)因子整合到細菌環(huán)狀DNA上，這種整合狀態(tài)的F＋菌株叫Hfr（高頻重組菌株）。Hfr的F質(zhì)粒可從染色體上脫落下來，脫落時可帶有一段染色體片段，這種質(zhì)粒稱為F`質(zhì)粒，帶有這種質(zhì)粒的細菌稱為F`菌。F因子整合到細菌環(huán)狀DNA上，這種整合狀態(tài)F＋菌株叫Hfr（高頻重組菌株）。2、

R質(zhì)粒的接合

結(jié)合性R質(zhì)粒的組成：

1、耐藥傳遞因子

RTF類似F因子，可編碼產(chǎn)生性菌毛并以接合方式轉(zhuǎn)移。

2、耐藥決定因子（R決定因子）

耐藥決定因子編碼對人抗菌藥物的耐藥性，是造成多重耐藥的原因。

這兩部分可單獨存在也可以結(jié)合在一起成為復(fù)合物，但必須兩部分結(jié)合在一起時，才能將耐藥性轉(zhuǎn)移給其它細菌。轉(zhuǎn)導(dǎo)transduction

概念

以溫和噬菌體為載體，將供體菌的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到受體菌中，使受體菌獲得新的遺傳性狀。

普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)導(dǎo) 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)： 當(dāng)溫和噬菌體 溶菌周期 裝配時，誤將細菌染色體DNA片段包進噬菌體衣殼，由于錯誤包裝細菌的DNA片段可是供體菌染色體上的任何部分，故稱為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。復(fù)制結(jié)束溶原周期普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)細菌被裂解供體菌DNA噬菌體DNA細菌被普遍性噬菌體感染整合未整合完全轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌（原宿主菌）受體菌（新宿主菌）半乳糖基因生物素基因供體菌（原宿主菌）受體菌（新宿主菌）溶原性轉(zhuǎn)換溶原性細菌：某些溫和噬菌體感染敏感菌后，其基因可整合于宿主菌染色體中，此狀態(tài)下的細菌稱為溶原性細菌。溶原性轉(zhuǎn)換：溶原性細菌因DNA結(jié)構(gòu)改變而獲得噬菌體基因賦予的新性狀稱為溶原性轉(zhuǎn)換。類型

基因來源

轉(zhuǎn)移方式

轉(zhuǎn)化

供菌游離的DNA

受菌攝入

接合

供菌質(zhì)粒

通過性菌毛轉(zhuǎn)導(dǎo)

供菌染色體/質(zhì)粒