《医学微生物学》教学课件：第四章遗传与变异

1、第四章 细菌的遗传与变异,一、遗传(heredity)：,概念：一定条件下，细菌的性状相对稳定且代代相 传，子代与亲代之间表现为相似性，这种现 象称为遗传。,二、变异(variation)：,概念：子代与亲代之间存在不同程度的差异，这 种现象称为变异。,变异分为： 遗传性变异（基因型变异） 非遗传性变异（表型变异）,第一节 细菌的变异现象,形态、结构变异 菌落变异 毒力变异 耐药性变异,一、形态结构变异,椭圆形小杆菌,形态结构变异,葡萄球菌,葡萄球菌L型,变形杆菌 0.1%石炭酸 迁徙生长（H） 点状生长、单个菌落（O）,特殊结构的变异,有荚膜的肺炎球菌,无荚膜的肺炎球菌,细菌形态结构变异,二

2、、菌落变异,原因：失去LPS的特异多糖,细菌菌落由光滑型菌落变为粗糙型菌落 S菌落：表面光滑、湿润、边缘整齐 R菌落：表面粗糙、干燥、边缘不整齐 大多菌初次分离培养为S型，致病力强；但结核、炭疽和鼠疫杆菌的毒力菌为R型。,S型菌落,R型菌落,细菌菌落形态变异,三、毒力变异,减弱,增强,棒状杆菌噬菌体白喉棒状杆菌 获得白喉毒素,金黄色葡萄球菌 耐青霉素80%，甲氧西林70% 有些细菌还同时耐受多种抗菌药物，即 多重耐药性，甚至产生药物依赖性。,四、耐药性变异,概念：细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的 变异称为耐药性变异。,第二节 细菌遗传变异的物质基础,1.细菌染色体染色质 (chromosom

3、enucleoid) 2.质粒(plasmids) 3.转位因子 4.噬菌体(bacteriophages / phages),细菌染色体：一条环状双螺旋DNA长链，按一定构型反复回旋成松散网状结构，附着在横隔中介体或细胞膜上。 其遗传物质特点：无组蛋白；无核膜包被； 功能： 细菌的主要遗传物质； 决定细菌的基因型； 为细菌生命活动所必需,二、质粒（plasmid）,染色体外的遗传物质，是环状闭合双股的 DNA，存在于细胞质中，具有自我复制能力，所携带的遗传物质能赋予宿主菌某些生物学性状。,质 粒,质粒特点： （1）能自我复制并传给子代 （2）质粒DNA所编码的基因产物赋予细菌某些形状特征 （

4、3）质粒可自行丢失与消除 （4）质粒的转移性。可从一个菌转移到另一个菌 （5）质粒可分为相容性与不相容性两种。几种质粒可共存 于一个菌体中，有些质粒则不相容 （6）有些质粒可整合到细菌核质DNA上，称为附 加体。它还可以从核质DNA上脱落下来。,F质粒(fertility plasmids)编码细菌性菌毛 R质粒(resistance plasmids) 编码细菌耐药性 Vi质粒(virulence plasmids) 编码细菌毒力因子 Col质粒 编码大肠埃希菌的细菌素,医学上重要的质粒,F质粒,定义：具有致育性(fertility)，即具有编码性菌毛，介导细菌之间接合的能力。,R质粒,接合

5、型抗药质粒：由抗药转移因子（RTF）和抗药决定子或称抗药基因(r-det)组成 非接合型抗药质粒：没有抗药转移因子，只有抗药基因(r-det) 致育性和抗药性导致它们成为传染性抗药因子,二、转位因子,是存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段特异性核苷酸序列片段，它能在DNA分子中移动，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。可在染色体之间或质粒之间，甚至在染色体和质粒之间。 转位因子主要有三类： 1、插入序列 2、转座子 3、转座噬菌体,（一）、插入序列（insertion sequence,IS）,是最小的转位因子，长度2kb，不携带任何已知信息，插入后与其他基因共

6、同起作用。,（二）、转座子（transposon,Tn）,长度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。,可能与细菌的多重耐药性有关。,转座子的特征,（三）、转座噬菌体,是一些具有转座功能的溶原性噬菌体， 当整合到细菌染色体上，能改变溶原性 细菌的某些生物学性状。,四、噬菌体(Bacteriophage/phage),概念：是感染细菌、真菌等微生物的病毒。 生物学性状：个体小，其形态多为蝌蚪形， 由头部和尾部组成。 化学成分：核酸(头部)和蛋白质(头部的外壳和尾部)。,从噬菌体吸附到细菌裂解释放出子代噬菌体的过程称为噬菌体复制周期溶菌周期裂解周期。

7、,这种能在敏感细菌中增殖并使之裂解的噬菌体叫毒性噬菌体（virulence phage） 。,某些噬菌体感染细菌后不增殖，噬菌体DNA整合到细菌核质DNA上，随细菌的增殖而传代，细菌不发生裂解，这种噬菌体叫温和噬菌体（temperate phage） 溶原性噬菌体。,噬菌体与宿主菌的关系,毒性噬菌体（virulent phage）,能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体。,噬菌体 (电镜图）,噬菌体的复制周期（溶菌周期）,温和噬菌体（temperate phage）,噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌

8、的分裂而传代。,相关概念：,前噬菌体（prophage）：整合在细菌染色体上的噬菌体基因。 溶原性细菌（lysogenic bacterium）：染色体上带有前噬菌体的细菌。 温和噬菌体又称溶原性噬菌体（lysogenic phage）,第三节 细菌的变异机制,由于基因结构发生改变所致，主要通过基因突变、基因转移与重组实现。 基因突变 基因转移与重组 转导 溶原性转换,一基因突变(mutation),（1）碱基置换 （2）碱基缺失 （3）碱基插入,自发突变（低）频率10-6-10-9,1小突变（点突变）：基因中一个或几个碱基对发生的改变,2大突变（染色体畸变）：大段DNA发生改变,基因突变包括

9、：,突变：细菌的遗传基因发生突然而稳定的改变， 导致细菌性状的遗传性变异。,二、基因的转移和重组,基因转移(gene transfer)： 概念：遗传物质由供体进入受体内的过程称为基因转移。,如， 外源DNA进入受体菌。,基因重组(recombination) ： 概念：转移的DNA与受体菌DNA发生重新整合。 细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导、 溶原性转换等方式进行。 .,基因转移重组的方式：,受体菌直接摄取供体 菌游离DNA片段，整合后 改变了受体菌的遗传性状。,.转化（ Transformation）,转化试验,供体菌通过性菌毛与受 体菌沟通，使遗传物质从 供体菌传递到受体菌。

10、,.接合（Conjugation） ：, F质粒的接合, R质粒的接合,接合,F质粒的接合,R质粒 与多重耐药性有关。耐药质粒从一个细菌转移到另一个细菌中。由两部分组成。 耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF） 与F质粒相似，编码性菌毛的产生和通过接合转移 耐药（r）决定子,以温和噬菌体为载体，把供体菌的基因转移到受体菌，使受体菌遗传性状发生改变。,.转导（Transduction） ：,（）普遍性转导,（）局限性转导,完全转导流产转导,普遍性转导generalized transduction,前噬菌体从溶原菌染色体上脱离，进行增殖，在裂解期的后期，噬菌

11、体的DNA已大量复制，装配时可能会发生装配错误，误将细菌的DNA片段装入噬菌体的头部，成为一个转导噬菌体。转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌，并将其头部的染色体注入受体菌内。 被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分。,结果 完全转导 流产转导,局限性转导restricted transduction,或称特异性转导， 所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。 溶原期时，噬菌体DNA整合在细菌染色体特定部位，噬菌体DNA发生偏差分离，将自身的一段DNA留在细菌染色体上，而带走了细菌DNA上两侧的基因。当其转导并整合到受体菌中，使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。所转导的只限于供体菌上个别的

12、基因。,普遍性转导与局限性转导的区别,.溶原性转换（Lysogenic conversion） ：,温和噬菌体的DNA整合到宿主菌染色体 DNA后，成为溶原状态导致遗传性变异。,溶原性转换,转化,供体菌,直接摄取,接合,供体菌,性菌毛,转导,供体菌,噬菌体为载体,溶原性转换,噬菌体,整合,第四节 细菌遗传变异在医学上的应用,1、在疾病的诊断、治疗与预防中的应用,形态、结构、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的 变异，使得诊断复杂化,耐药菌株日益增多，预防耐药性,药敏实验 早期足量 要有一定疗程,联合用药 不要滥用,减毒菌株和无毒株可制备成疫苗,2、在测定致癌物质中的应用,凡能诱导细菌发生突变

13、的物质都有可能是致癌物质。,3、在基因工程中的应用,基因工程是根据遗传变异中细菌可因基因转移 和重组而获得新性状的原理设计的,切取目的基因连接到载体上转移到工程菌内， 大 量表达目的基因产物,目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、IL-2等 细胞因子和乙肝疫苗等生物制品,小结,遗传: 一定条件下，细菌的性状相对稳定代代相传子代 与 亲代之间表现为相似性，这种现象称为遗传. 变异：子代与亲代之间存在不同程度的差异，这种现 象称为变异。 细菌的变异现象 一、形态结构变异 二、菌落变异 三、毒力变异、 四、耐药性变异： 细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变 异称 为耐药性变异。,细菌的变异机制

14、,主要通过基因突变、基因转移与重组实现。 细菌遗传变异在医学上的应用 1、在疾病的诊断、治疗与预防中的应用 2、在测定致癌物质中的应用 3、在基因工程中的应用,细菌遗传变异的物质基础 1.细菌染色体 2.质粒 3.转位因子 4.噬菌体,1.溶原性细菌是指 A.带有毒性噬菌体的细菌 B.带有前噬菌体基因组的细菌 C.带有R因子的细菌 D.带有F因子的细菌 E.带有Coi因子的细菌 2.前噬菌体是指 A.整合在宿主菌染色体上的噬菌体基因组 B.尚未装配好的噬菌体 C.毒性噬菌体 D.未感染宿主菌的噬菌体 E.未整合到宿主菌染色体上的噬菌体 3.下列致病菌中,产生毒素与噬菌体有关的是 A.霍乱弧菌 B.大肠杆菌 C.肺炎杆菌 D.白喉杆菌 E.破伤风梭菌 4.关于噬菌体的叙述,哪一项是错误的 A.侵袭细菌,真菌,螺旋体等微生物的病毒 B.主要由核酸和蛋白质组成 C.由严格的宿主特异性 D.对理化因素的抵抗力比一般细菌强 E.每个噬菌体都含有RNA和DNA,1.溶原性细菌是指 A.带有毒性噬菌体的细菌 B.带有前噬菌体基因组的细菌 C.带有R因子的细菌 D.带有F因子的细菌 E.带有Coi因子的细菌 2.前噬菌体是指 A.整合在宿主菌染色体上的噬菌体基因组 B.尚未装配好的噬菌体 C.毒性噬菌体 D.未感染宿主菌的噬菌体 E.未整合到宿主菌染色体上的噬菌体 3.下列致病菌中,产生毒素与噬