医学微生物学-细菌的遗传和变异

按结构和功能不同分为两类： 插入序列（insertion sequence，IS） 转座子（transposon，Tn）或复合转座子
❖ 插入序列（insertion sequence，IS）
是最简单的或序列较短的转座子，长度不超过2kb， 两端有反向重复序列，作为重组酶的识别位点，中心 序列能编码转座酶及与转录有关的调节蛋白。
供体菌
普遍性转导
噬菌体DNA
受体菌
细菌DNA
转导噬菌体
普遍性转导结果
❖ 转导比转化效率高 片段大、衣壳保护 ❖ 完全转导 ❖ 流产转导
转导比转化可转移更大片段的DNA 整合 并且转化效率高。
未整合
局限性转导
❖ 前噬菌体从宿主菌染色体上脱离时发生偏差，将前 噬菌体两侧的宿主染色体基因转移到受体菌，使受 体菌的遗传性状发生改变的过程。
❖ 原生质体融合是将两种不同的细菌经溶菌酶 或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体 后进行彼此融合的过程。
❖ 聚乙二醇可促使两种原生质体的融合。 ❖ 融合后的双倍体细胞可短期生存，在此期间
染色体之间可以发生基因的交换与重组，获 得多种不同表型的重组融合体。
原生质体融合
第四节 细菌遗传变异在医学上的应用
检测致癌物
➢ 凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。 ➢ Ames试验：筛选可疑致癌物
诱导组菌落数高出对照组1倍的为试验阳性
半乳糖甘酶基因
γ噬菌体
正
偏
常
差
脱
脱
离
离
生物素基因
普遍性转导与局限性转导的区别
区别要点 基因转导发生的时期 转导的遗传物质
转导的后果
普遍性转导
局限性转导
裂解期
溶原期
供体菌染色体DNA 噬菌体DNA及供体 任何部位或质粒 菌DNA的特定部位
完全转导或流产转 受体菌获得供体菌
导
DNA特定部位的遗
传特性
型质粒 根据质粒相容性：相容性质粒和不相容性质粒 根据质粒编码的生物学性状分类：致育质粒、耐药
质粒等
医学上重要的质粒
致育质粒（F质粒）
❖ 与有性生殖有关 ❖ 带有F质粒的为雄性菌，能长出性菌毛； ❖ 无F质粒的为雌性菌，无性菌毛
耐药性质粒(R质粒)
❖ 编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性。分 两类：
自发突变与诱发突变
➢ 人工诱导产生的突变为诱发突变。 ➢ 诱发导突变，可以提高细菌突变率。X线、紫外线、
亚硝酸盐、对动物有致癌作用的化学因子或被动物组 织转化后的代谢产物，对细菌均有诱变作用。
突变率 自发突变率与诱发突变率 突变与选择
发生突变的细菌只是个别细菌。从菌群中找出个别 突变菌，必须将菌群放在一种利于突变菌而不利于 其他菌生长的环境中，才能将突变菌选择出来。
❖ 方式：转化、接合、转导、溶原性转换和原生质体融合
（一）转化（transformation）
❖ 供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取， 使受体菌获得新的性状。
❖ 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。
转化试验：无荚膜肺炎链球菌（ⅡR）转化为有荚 膜肺炎链球菌（ⅢS）
转化因子吸附到宿主细胞上
影印试验（replica plating）
影 印 试 验
影印试验证明自发的，随机的，非诱导的，药物仅起选择作用
回复突变与抑制突变
野生型与突变型 细菌由野生型变为突变型是正向突变，有时突变株
经过又一次突变可恢复野生型的性状。——实质是 抑制基因。 回复突变不是基因型回复，而是表型的回复。
二、突变型细菌及其分离：
抗性突变型 营养缺陷突变型 条件致死性突变型
药敏试验 营养物质筛选 his-缺陷 温度敏感试验 ts株
发酵阴性突变型
乳糖发酵试验 缺乏酶
第三节 基因的转移和重组
❖ 基因转移 外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌细胞的过 程称为基因转移。
❖ 基因重组 转移的基因与受体菌DNA整合在一起称为重组，使 受体菌获得供体菌的某些性状。
基因突变
染色体畸变类型
A～G、X代表不同的DNA片段
基因突变的规律 自发突变与诱发突变
➢ 突变可以自然发生，即自发突变，可以用实验方法检 出。 自发突变——彷徨试验（fluctuation test）
彷 徨 试 验
彷徨试验证明：随机的、非定向的突变是在接触噬菌体之前 就已发生，噬菌体对突变仅起筛选而不是诱导作用。
IS Resistance Gene(s) IS IS Resistance Gene(s) IS
4.整合子（integron，In）
整合子是一种运动性的DNA分子，具有独特结构可捕 获和整合外源性基因，使之转变为功能性基因的表达单 位。通过转座子或接合性质粒，使多种耐药性基因在细 菌中进行水平传播。
细菌素质粒
❖ 编码各种细菌产生的细菌素。
Col质粒Baidu Nhomakorabea码大肠埃希菌产生大肠菌素
代谢质粒 ❖ 编码产生相关的代谢酶。
沙门菌发酵乳糖的能力通常是由质粒决定的
3.转座因子
是细菌基因组中能改变自身位置的一段DNA序列。 转座作用可以发生在同一染色体上，也可在染色体 之间或质粒之间，甚至在染色体和质粒之间。
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。
R质粒的接合 A-Antibiotics
R质粒
a）组成
耐药性传递因子 （resistance transfer factor，RTF）
耐药决定子（r -det）
存在方式：
RTF
r
RTF+r
单独存在不能发生质粒 接合性传递
b）功能
RTF:编码性菌毛和转移质粒 r决定子：编码耐药性可带多个耐药转座子
转
dsDNA中一条链降解，另外一条进入细胞
化
过
程
同源部位重组，形成异源双链区
转化型细菌 保持原状
影响转化的因素
❖ 供、受体菌的基因型
亲缘关系愈近，其基因愈相似，转化率愈高 转化过程能转化的DNA片段的分子量要小于1×107，
最多不超过20个基因。
❖ 受体菌状态
受体菌只有处于感受态（competence）时，才能摄取转 化因子。
❖ 作用：决定细菌的基因型。 ❖ 细菌染色体的特征
2.质粒（plasmid） ❖ 质粒是细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双
链DNA，存在于细胞质中，具有自主复制的能力。
质粒的特征
1.自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝
❖ 紧密型质粒和松弛型质粒
2.编码产物赋予细菌某些性状特征 如耐药性、致病性 3.可自行丢失与消除 并非细菌生命活动必须的遗
普遍性转导
毒性噬菌体和温和噬菌体都能介导 在噬菌体成熟装配过程中，由于装配错误，误将
宿主（供体菌）染色体片段或质粒装入噬菌体内， 产生一个转导噬菌体。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。因被包装的DNA可以是供体菌染色体上的 任何部分，故称为普遍性转导。
传物质 4.有转移性 接合、转化或转导
质粒的特征
1.自我复制能力，为复制子，单拷贝或多拷贝
❖ 紧密型质粒和松弛型质粒
2.编码产物赋予细菌某些性状特征 如耐药性、致病性 3.可自行丢失与消除 并非细菌生命活动必须的遗
传物质 4.有转移性 接合、转化或转导
质粒的分类
根据传递方式：接合性质粒和非接合性质粒 根据质粒在宿主菌内的拷贝数：严密型质粒和松弛
第4章 细菌的遗传与变异
Bacterial heredity and variation
教学大纲
❖ 掌握内容：细菌的遗传物质；基因转移与重组方 式的种类及定义。
❖ 熟悉内容：细菌遗传变异在医学上的实际意义。
▪ 遗传（heredity）
子代与亲代的生物学性状基本相同，且代代相传， 遗传使细菌的性状保持相对稳定。
IS可单独存在也可称为转座子的一部分。
ABCDEFG
Transposase
GFEDCBA
❖ 转座子（transposon，Tn）
长度一般超过2kb，除两端的IS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，可使插入处基因完整性受到 破坏，导致染色体突变。
❖ 影响细菌学诊断 ❖ 细菌耐药变异与控制 ❖ 毒力变异与疾病控制 ❖ 流行病学分析方面的应用 ❖ 检测致癌物 ❖ 基因工程方面的应用
➢ 诊断困难
H→O变异：如伤寒沙门菌鞭毛 S→R变异：消失荚膜或多糖
抗原性改变 毒力下降，生化反应改变
多数细菌变异后，其表型改变很大以致难以识别，但 其基因型改变不大，可用分子杂交等方法检测特异性 DNA片段，以协助诊断。
（三）转导（transduction）
概念：以噬菌体为载体，将供体 菌的一段DNA转移到受体菌内， 使受体菌获得供体菌部分遗传 性状。
❖ 根据转导基因片段的范围，可将转导分为两类：
普遍性转导（generalized transduction） 局限性转导（restricted transduction）
第二节 细菌基因突变
❖ 突变（mutation）是指DNA碱基对的置换、插 入或缺失所致的基因结构的变化。基因突变分
为点突变和染色体畸变
转换（transition） 颠换（transversion）
碱基置换
移码变异（transhift mutation）——插入或缺失
野生型 倒位 重复 缺失 置换 插入
个别细胞
非遗传性变异 + +
群体
第一节 细菌基因组
❖ 细菌的基因组是指染色体和染色体以外遗传物质所 携带基因的总称。这是遗传变异的物质基础。
细菌染色体 质粒 转座因子 前噬菌体 整合子
1.细菌染色体（bacterial chromosome）
❖ 一条环状dsDNA长链，按一定构型反复回旋形成 松散的网状结构。
可通过细菌间接合进行传递的称接合性耐药质粒，又称 R质粒 ❖ 带有R质粒的有大肠埃希菌、沙门菌、志贺菌等G－ 菌
不能通过接合传递的非接合性耐药质粒，但可通过转导 传递。
毒力质粒（Vi质粒）
❖ 编码与该菌致病性有关的毒力因子。
如致病性的大肠埃希菌产生的耐热性肠毒素是由 ST质粒编码的。
细菌粘附定植在肠粘膜表面是由K质粒决定的。
转导频率
受体菌的10-7
转导频率较普遍转 导高(10-4)
注：由于噬菌体有宿主特异性，转导现象只发生在同种细菌内。
（四）溶原性转换(lysogenic conversion)
当噬菌体感染细菌 时，宿主菌染色体 中获得了噬菌体的 DNA片段，使其成 为溶原状态时，而 使细菌获得新的性 状。
（五）原生质体融合（protopast fusion)
➢ 治疗困难：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
➢ 预防：减毒菌株和无毒株可制备成疫苗
卡介苗（BCG）：由卡介二氏将有毒力的牛型结核分枝 杆菌接种在含有胆汁、甘油、马铃薯的培养基上，经过 13年传230代，获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的 变异株。
细菌的遗传物质构成细菌的基因型，在一定条件下， 特定基因实际表现出来的各种性状称为表型。
▪ 变异（variation）
在一定条件下，子代和亲代之间以及子代和子代 之间的生物学性状出现差异。
▪遗传性变异（基因型变异）
▪非遗传性变异（表型变异）
基因改变 遗传 可逆性 外界环境 变异幅度
遗传性变异 + + -
❖ 环境因素
Ca2+、Mg2+、cAMP等可维持外源性DNA的稳定性，促 进转化作用
30s
（二）接合（conjugation）
接合 细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质（主要是
质粒DNA）从供体菌转移给受体菌方式。 接合性质粒：
能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，包 括F质粒、R质粒等。
F质粒的接合 带有F质粒的细菌有菌毛，相当于雄性菌(F+ ), 无性菌毛的无F质粒，相当于雌性菌（F－ ）
Donor
F+
F-
F+
F-
Recipient
F+
F+
F+
F+
F质粒与受体菌染色体整合——高频重组菌（Hfr）
F+
F+
Hfr
Hfr
F-
Hfr
F-
Hfr
F-
Hfr
F-
F－菌仍然是F－菌
Hfr状态终止－F质粒脱离（F’菌）
F’
F-
F’
F-
F’
F’
F’
F’
F-菌获得新性状
F质粒
❖ F+ 、Hfr、 F′都有性菌毛，均可通过接合的方式进 行基因的转移。
R质粒的接合
日本首先分离到抗多种药物的宋内志贺菌多重耐药 株，多重耐药性可有大肠埃希菌传给志贺菌。首次 证明R质粒的接合性传递功能。
健康人中大肠埃希菌30%~50%有R质粒，而致病 性大肠埃希菌90%有R质粒。