医学微生物学：第二章 噬菌体、细菌遗传和变异

1、第二章第二章 细菌的遗传与变异细菌的遗传与变异 1. 概述概述 2. 细菌遗传变异的细菌遗传变异的物质基础物质基础 3. 细菌的细菌的变异现象与机制变异现象与机制 4. 细菌遗传变异的医学意义及其应用细菌遗传变异的医学意义及其应用 概概 述述 l遗传（遗传（heredity） 子代与亲代的性状具有相似性，且代代相传，子代与亲代的性状具有相似性，且代代相传， 使其种属得以保存。使其种属得以保存。 l变异（变异（variation） 在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和 子代之间的差异称为变异。子代之间的差异称为变异。 变异可使细菌产生新变种，新特性由遗传得

2、以变异可使细菌产生新变种，新特性由遗传得以 巩固巩固 变异变异分为分为 l 遗传性变异（基因型变异）遗传性变异（基因型变异） 细菌的细菌的基因结构发生了改变基因结构发生了改变，如基因突变或重，如基因突变或重 组，不可逆，可遗传给后代。组，不可逆，可遗传给后代。 l 非遗传性变异（表型变异）非遗传性变异（表型变异） 环境改变导致，环境改变导致，基因结构未发生变异基因结构未发生变异，可逆，可逆， 不可遗传。不可遗传。 第一节、细菌遗传变异的物质基础第一节、细菌遗传变异的物质基础 染色体染色体和和染色体外遗传物质染色体外遗传物质 质质 粒粒 转转 位位 因因 子子 整整 合合 子子 噬噬 菌菌 体体

3、 基基 因因 组组 一、细菌染色体一、细菌染色体 细菌染色体：环状细菌染色体：环状dsDNA，不含组蛋白，不含组蛋白, 无核膜包围。无核膜包围。 相对较小，只有一个复制起始位点相对较小，只有一个复制起始位点 功能相关的基因转录出一条功能相关的基因转录出一条mRNA，分别合成各自蛋白，分别合成各自蛋白 基因是连续的，没有内含子，不需要转录后的剪切和加工基因是连续的，没有内含子，不需要转录后的剪切和加工 基因组为单倍体，具有各种功能识别区基因组为单倍体，具有各种功能识别区 二、质粒（二、质粒（plasmid） l 细菌染色体外的遗传物质，环状闭合的双链细菌染色体外的遗传物质，环状闭合的双链DNA。

4、 带有遗传性息，控制细菌的某些生物学性状，能带有遗传性息，控制细菌的某些生物学性状，能 自行复制，并非细菌生长所必需自行复制，并非细菌生长所必需。 l 几种重要的质粒几种重要的质粒 致育质粒（致育质粒（F F质粒）质粒） 耐药质粒（耐药质粒（R R质粒）质粒） 毒力质粒（毒力质粒（ViVi质粒）质粒） 细菌素质粒细菌素质粒 1 1、致育质粒（、致育质粒（F F质粒）质粒） 决定细菌性菌毛的有无；决定细菌性菌毛的有无； 带有带有F F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛；质粒的为雄性菌，能长出性菌毛； 无无F F质粒的为雌性菌，无性菌毛；质粒的为雌性菌，无性菌毛； 介导细菌之间的接合。介导细菌之间的接合

5、。 2 2、耐药质粒（、耐药质粒（R R质粒）质粒） l编码细菌对抗菌药物的耐药性编码细菌对抗菌药物的耐药性。 可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒。可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒。 不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通 过噬菌体传递。过噬菌体传递。 危害危害 耐青霉素耐青霉素 耐链霉素耐链霉素 3 3、细菌素质粒、细菌素质粒 l编码各种细菌产生细菌素。编码各种细菌产生细菌素。 ColCol质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素，对质粒编码大肠埃希菌产生大肠菌素，对 同品系或近缘的细菌有抑制作用同品系或近缘的细菌有抑制作用 4 4、毒力

6、质粒（、毒力质粒（ViVi质粒）质粒） l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。 如致病性大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由如致病性大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由 STST质粒编码的。质粒编码的。 细菌粘附定植在肠粘膜表面是由细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K K质粒决定的质粒决定的。 质粒的特征质粒的特征 自我复制能力，为复制子自我复制能力，为复制子 决定细菌某些性状决定细菌某些性状 可自行丢失与消除可自行丢失与消除 有转移性：通过接合、转化、转导有转移性：通过接合、转化、转导 可分为相容性和不相容性可分为相容性和不相容性 三、噬菌体三、噬菌体 (bacteriopha

7、ge) l 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 旋体等微生物的旋体等微生物的病毒病毒。 l 病毒的特性：病毒的特性： 个体微小，可以通过细菌滤器个体微小，可以通过细菌滤器 没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成没有完整的细胞结构，由蛋白质和核酸组成 专性细胞内寄生的微生物专性细胞内寄生的微生物 l 分布极广分布极广 （一）噬菌体的生物学性状（一）噬菌体的生物学性状 l 1 1、形态、形态 个体小，电子显微镜观察个体小，电子显微镜观察 蝌蚪形、微球形和细杆形蝌蚪形、微球形和细杆形 2 2、噬菌体结构、噬菌体结构 大多数呈蝌蚪形，由头部和尾部两部分组成大多数呈蝌蚪

8、形，由头部和尾部两部分组成 3、噬菌体的化学组成、噬菌体的化学组成 l 蛋白质：噬菌体的头部衣壳和尾部蛋白质：噬菌体的头部衣壳和尾部 l 核酸：遗传物质核酸：遗传物质 DNA RNA l 噬菌体感染细菌有两种结果噬菌体感染细菌有两种结果: : 裂解细菌，完成溶菌周期裂解细菌，完成溶菌周期 毒性噬菌体毒性噬菌体 细菌不裂解，建立一种溶原状态细菌不裂解，建立一种溶原状态 温和噬菌体温和噬菌体 l毒性噬菌体毒性噬菌体( (virulent phage) ) 能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代 噬菌体，并最终裂解细菌（噬菌体，并最终裂解细菌（溶菌周期溶菌周期）

9、，称），称 为毒性噬菌体为毒性噬菌体 毒性噬菌体毒性噬菌体 l温和噬菌体温和噬菌体或溶原性噬菌体或溶原性噬菌体( (temperate phage) ) 噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代 噬菌体，但噬菌体噬菌体，但噬菌体DNADNA能随细菌能随细菌DNADNA复制，并随复制，并随 细菌的分裂而传代。细菌的分裂而传代。 前噬菌体前噬菌体（prophage）：整合在细菌基因组中）：整合在细菌基因组中 的噬菌体基因的噬菌体基因 溶原性细菌：溶原性细菌： 带有前噬菌体基因组的细菌带有前噬菌体基因组的细菌 prophage: 整合在细菌基因整合在细菌基因

10、组中的噬菌体基因组中的噬菌体基因溶原性细菌溶原性细菌 温和噬菌体温和噬菌体 温和噬菌体的溶原性温和噬菌体的溶原性 l 温和噬菌体基因脱离宿主菌基因组温和噬菌体基因脱离宿主菌基因组-转变成毒转变成毒 性噬菌体，产生成熟子代噬菌体，导致细菌裂解。性噬菌体，产生成熟子代噬菌体，导致细菌裂解。 温和噬菌体温和噬菌体 溶原性转换溶原性转换 某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状某些前噬菌体可导致细菌基因型和性状 发生改变。如：白喉棒状杆菌产生白喉毒素发生改变。如：白喉棒状杆菌产生白喉毒素 的机理的机理. . 温和噬菌体有溶原性周期和溶菌周期，温和噬菌体有溶原性周期和溶菌周期， 而毒性噬菌体则只有一个溶菌性周

11、期。而毒性噬菌体则只有一个溶菌性周期。 四、转位因子四、转位因子 l 存在于细菌染色体或质粒存在于细菌染色体或质粒DNADNA分子上的分子上的一段特异性一段特异性 核苷酸序列片段核苷酸序列片段 l 它能在它能在DNADNA分子中分子中移动移动，不断改变它们在基因组的，不断改变它们在基因组的 位置，能从一个基因组转移到另一个基因组中。位置，能从一个基因组转移到另一个基因组中。 转座因子转座因子 转位因子分为转位因子分为2 2类类 l插入序列（插入序列（ISIS） l转座子（转座子（TnTn） 插入序列（插入序列（insertion sequence,ISinsertion sequence,IS

12、） 是最小的转位因子，长度不超过2kb，不携带任何已知与插入功能无关 的基因区域，往往是插入后与插入点附近的序列共同起作用，可能是原 细胞正常代谢的调节开关之一。 TransposaseABCDEFG GFEDCBA 转座子（转座子（transposon,Tntransposon,Tn） 长度一般超过2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐 药性基因、抗金属 基因、毒素基因及其他结构基因等。因此当Tn插入某一基因时，一方面可引起插 入基因失活产生基因突变，另一方面可因带入耐药性基因而使细菌获得耐药性。 转座子可能与细菌的多重耐药性有关。 IS ISResistance Gene(s) IS

13、ISResistance Gene(s) Tn携带的耐药性基因在细菌的染色体和质粒之间转移，导致耐药性基因的播携带的耐药性基因在细菌的染色体和质粒之间转移，导致耐药性基因的播 散是自然界中细菌耐药性产生的重要原因之一。散是自然界中细菌耐药性产生的重要原因之一。 转座子转座子 携带耐药或毒素基因携带耐药或毒素基因 Tn1 Tn2 Tn3 AP（氨苄青霉素） Tn4 AP 、str（链霉素）、Su（磺胺 ） Tn5 Kam（卡那霉素） Tn6 Kam Tn7 TMP（甲氧苄氨嘧啶）、str Tn9 Cam（氯霉素） Tn10 Tet（四环素） tn551 Em（红霉素） Tn971 Em Tn68

14、1 大肠埃希菌（肠毒素基因） 五、整合子五、整合子 l 是一种运动型是一种运动型DNADNA分子，具有独特结构可捕获和整分子，具有独特结构可捕获和整 合外源性合外源性DNADNA分子，转变成功能基因表达单位分子，转变成功能基因表达单位。 定位于染色体和质粒或转座子 细菌固有的遗传单位 由两端保守区和中部可变区组成 可变区包含多个基因盒 5端保守区包含3个功能元件（整合酶基因、重组位点 和启动子） 六、转座噬菌体六、转座噬菌体 l 噬菌体噬菌体的遗传物质可整合到细菌染色体的任何的遗传物质可整合到细菌染色体的任何 位置，从而导致细菌的生物学性状改变。位置，从而导致细菌的生物学性状改变。 前噬菌体前

15、噬菌体 噬菌体噬菌体 第二节、细菌的变异现象与机制第二节、细菌的变异现象与机制 一、细菌的变异现象一、细菌的变异现象 形态结构变异形态结构变异 毒力变异毒力变异 耐药性变异耐药性变异 菌落变异菌落变异 细菌细菌L L型变异型变异 青霉素、溶菌酶青霉素、溶菌酶 正常形态细菌正常形态细菌 L L型变异型变异 抗体或补体抗体或补体 ( (部分或完全失去胞壁部分或完全失去胞壁) ) 正常霍乱弧菌正常霍乱弧菌 霍乱弧菌霍乱弧菌L L型型 形态结构变异 形态结构的变异形态结构的变异 葡萄球菌葡萄球菌L L型变异型变异 细菌细菌L L型油煎蛋样菌落型油煎蛋样菌落 芽胞变异芽胞变异 42-4342-43 炭疽

16、杆菌炭疽杆菌 失去形成芽胞能力失去形成芽胞能力, , 毒性毒性 10-2010-20天天 降低降低 鞭毛变异鞭毛变异 变形杆菌（变形杆菌（H H） 1%1%石炭酸石炭酸 迁徙生长迁徙生长 鞭毛变异鞭毛变异 形态结构变异形态结构变异 （O）单个菌落）单个菌落 荚膜变异荚膜变异 营养营养/易感机体易感机体 肺炎链球菌肺炎链球菌 反复普通培养基反复普通培养基 形成荚膜形成荚膜 不形成荚膜不形成荚膜 毒力变异毒力变异 棒状噬菌体棒状噬菌体 白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌 获得白喉毒素获得白喉毒素 增强增强 毒力变异毒力变异 胆汁、甘油、马铃薯培养基胆汁、甘油、马铃薯培养基 牛型结核杆菌牛型结核杆菌卡介苗卡介

17、苗 1313年年(230(230代代) ) 减弱减弱 耐药性变异耐药性变异 l 概念：概念：细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药。 l 多重耐药：有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药多重耐药：有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药 物，甚至产生药物依赖性。物，甚至产生药物依赖性。 含链霉素培基含链霉素培基 痢疾杆菌痢疾杆菌依链株依链株( (耐药菌株耐药菌株) ) 长期培养长期培养 菌落变异（菌落变异（S-RS-R变异）变异） l 在陈旧培养基中长期培养在陈旧培养基中长期培养 光滑光滑( (S)S)型菌落型菌落 粗糙粗糙( (R)R)型菌落型菌落 或在有免疫力的人体内或在有

18、免疫力的人体内 l 变异多见于肠道杆菌，同时伴有抗原性、毒力等的变异。变异多见于肠道杆菌，同时伴有抗原性、毒力等的变异。 l 一般，一般，S S型菌落致病力强。型菌落致病力强。 二、细菌的变异机制二、细菌的变异机制 l 基因的转移和重组（外源性基因的转移与基因的转移和重组（外源性基因的转移与 重组）重组） l 基因的突变（内源性基因突变）基因的突变（内源性基因突变） 点突变：一对或少数几对硷基对的置换、插入或点突变：一对或少数几对硷基对的置换、插入或 缺失。缺失。 染色体畸变：较大范围的核苷酸序列发生易位、染色体畸变：较大范围的核苷酸序列发生易位、 缺失、重复、倒位等变化。缺失、重复、倒位等变

19、化。 （一）基因突变（一）基因突变 自发突变和诱发突变自发突变和诱发突变 突变率突变率 自然突变率自然突变率 （1010-9 -9-10 -10-6 -6） ） 诱导突变率诱导突变率 （1010-6 -6-10 -10-4 -4） ） 突变与选择突变与选择 - -影印培养试验影印培养试验 回复突变与抑制突变：野生型和突变型回复突变与抑制突变：野生型和突变型 1.基因突变规律 2.突变型细菌及其分离 l 抗性突变型：噬菌体和耐药性突变抗性突变型：噬菌体和耐药性突变 l 营养缺陷突变型营养缺陷突变型 l 条件致死性突变型：温度敏感突变株（条件致死性突变型：温度敏感突变株（tsts） l 发酵阴性突

20、变型发酵阴性突变型 （二）基因的转移和重组（二）基因的转移和重组 l 重组重组（recombination） 转移的基因与受体菌转移的基因与受体菌DNA整合整合在一起称为重组，在一起称为重组， 使受体菌获得供体菌的某些性状。使受体菌获得供体菌的某些性状。 l 方式方式：细菌的基因转移和重组可通过：细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转化、接合、 转导、溶原性转换转导、溶原性转换等方式进行。等方式进行。 1 1、转化（、转化（transformation） l 概念概念： 供体菌裂解供体菌裂解游离的游离的DNA片段片段被受体菌直接摄被受体菌直接摄 取，使受体菌获得新的性状。取，使受体菌获得新的

21、性状。 l 证实证实： 转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感嗜转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感嗜 血杆菌等中被证实。血杆菌等中被证实。 转化试验转化试验 Transformation in Bacteria 转转 化化 l 转化因子（转化因子（transforming principle ） 在转化过程中，转化的在转化过程中，转化的DNADNA片段称为转化因片段称为转化因 子，分子量小于子，分子量小于10107 7，最多不超过，最多不超过1010-20-20个基个基 因。因。 l 感受态（感受态（competence） 受体菌只有处于感受态时，才能摄取转化因受体菌只有处于感受态时，才能摄取

22、转化因 子。子。 2 2、接合（、接合（conjugation） l 概念概念： 细菌通过细菌通过性菌毛性菌毛相互连接沟相互连接沟 通，将遗传物质（主要是质粒通，将遗传物质（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。 l 接合性质粒：能通过接合方式转移的接合性质粒：能通过接合方式转移的 质粒，质粒，F质粒、质粒、R质粒、质粒、 Col质粒和毒力质粒。质粒和毒力质粒。 F质粒接合过程质粒接合过程 F+F-F+F- F+F+F+F+ Donor Recipient 接合过程（接合过程（conjugation） 高频重组菌（高频重组菌（high frequency re

23、combinant,Hfrhigh frequency recombinant,Hfr） 即即F F质粒整合到细菌的染色体使该菌能高效地转移染色质粒整合到细菌的染色体使该菌能高效地转移染色 体上的基因故名。体上的基因故名。 Hfr Hfr F- F- F- F- F F 质粒质粒 F F质粒从染色体上脱离并带有染色体上几个临近的基因时。质粒从染色体上脱离并带有染色体上几个临近的基因时。 F+ Hfr F 编码编码 性菌毛性菌毛 耐药传递因子耐药传递因子 与与F F质粒相似，编码菌毛的产质粒相似，编码菌毛的产 （resistance transfer factorresistance trans

24、fer factor） 生和通过菌毛转移。生和通过菌毛转移。 (RTF)(RTF) R R质粒质粒 耐药（耐药（r r）决定子）决定子 编码对抗菌药物的耐药性。编码对抗菌药物的耐药性。 Tn 9 Tn 21 Tn 10 Tn 8 RTF R determinant 2 2）R R质粒接合质粒接合 3 3、转导（、转导（transduction） l 以以温和噬菌体温和噬菌体为载体，将为载体，将供体菌的供体菌的DNA转移转移 到受体菌内，使受体菌获得新的性状。到受体菌内，使受体菌获得新的性状。 l 根据转导基因片断范围，分为：根据转导基因片断范围，分为： 普遍性转导普遍性转导（general t

25、ransduction） 局限性转导局限性转导（restricted transduction） 1 1）普遍性转导）普遍性转导 l 结束溶原状态的温和噬菌体转变为毒性噬菌体结束溶原状态的温和噬菌体转变为毒性噬菌体 l 噬菌体复制过程中：误将细菌的噬菌体复制过程中：误将细菌的DNADNA片段装入噬片段装入噬 菌体的头部菌体的头部 l 该噬菌体以正常方式感染另一宿主菌，其头部的该噬菌体以正常方式感染另一宿主菌，其头部的 染色体注入受体菌内染色体注入受体菌内 l 被被包装包装的的DNADNA可以是可以是供体菌染色体供体菌染色体上的上的任何部分任何部分， 故称为普遍性转导。故称为普遍性转导。 受体菌

26、受体菌 转导噬菌体转导噬菌体供体菌供体菌 DNADNA 噬菌体噬菌体DNADNA 普遍性转导示意图普遍性转导示意图 完全转导完全转导 外源性外源性DNADNA片段与受体菌的片段与受体菌的 染色体整合并随染色体而染色体整合并随染色体而 传代。传代。 两种结局两种结局 流产转导流产转导 外源性外源性DNADNA片段游离在胞质片段游离在胞质 中既不能与受体菌染色体整中既不能与受体菌染色体整 合，也不能自行复制。合，也不能自行复制。 普遍性转导普遍性转导(generalized transduction)(generalized transduction) 受体菌受体菌 完全转导 流产转导 普遍性转导结局普遍性转导结局 2 2）局限性转导）局限性转导 l 概念：所转导的基因只限于供体菌染色体上概念：所转导的基因只限于供体菌染色体上特特 定的基因定的基因。 l 如大肠埃希菌如大肠埃希菌K12 K12 通过温和噬菌体转导，将决定半乳糖通过温和噬菌体转导，将决定半乳糖 发酵特性的基因传递给志贺菌发酵特性的基因传递给志贺菌志贺菌获得发酵半乳糖志贺菌获得发酵半乳糖 的性质的性质 普遍性转导与局限性转导的区别普遍性转导与局限性转导的区别 区别要点区别要点 普遍性转导普遍性