第4章 细菌的变异

第4章细菌的变异遗传与变异是生物的基本特征之一,细菌和一切生物一样,亦具有遗传性和变异性。

当今生物科学利用细菌作为研究遗传的工具,并已成为研究遗传学的基本理论。

由于细菌的结构简单,是单倍体细胞生物,繁殖快,不存在显性或隐性遗传问题,一旦基因改变即可表达。

所以,细菌的遗传及变异易于表现,而被应用于基因工程, 从事分子水平的科学研究。

第一节细菌遗传与变异的概念(concept of bacterial heredity and mutation)一,细菌的遗传性细菌在相对稳定的生活条件下,其形态、结构、繁殖、代谢、毒力、抗原性、以及对药物的敏感性等可保持相对稳定,并通过构成基因的DNA自身复制, 可将亲代细菌DNA携带的遗传信息准确地传给下一代,从而使亲代遗传信息决定的性状, 在子代得以表达,此称为细菌的遗传性(bacterial heredity)。

二, 细菌的变异性细菌的稳定性并不是永恒不变的,随着在细菌生长繁殖过程中, 当外界环境条件发生变化,或细菌的遗传物质DNA结构发生某些变异时, 其原有的性状也随之发生改变,在亲代与子代间出现差异,此称为细菌的变异性(bacterial mutation)。

第二节细菌的遗传物质一、细菌染色体（一）大小与形状双链、环状，109 Dal, 2.64χ109400kb(kilobase),1.36mm，400个基因。

（二）染色体的复制origin 复制起点replicating fork 复制叉replicon 复制子二、质粒 plasmid(一)质粒的大小和形状大部分质粒为环状，少数为线性如Borrelia, Streptomyces中的(二)质粒的复制少数杂合质粒超过一个replicon(三)质粒的共同特性1．具有自我复制能力2．决定生物学效应3．转移特性细菌接合型非接合型质粒的区别接合型非接合型conjugative nonconjugative大小大，>40kb <7.5kb拷贝数少，1-几个/每个染色体多,>10个/每个染色体复制特性紧密型松驰型传递后代一分为二随机分配3．相容性( compatibility)4．自行丢失与消除( curing)(四)质粒控制的性状1．抗生素抗性 R 因子2．毒素 heat-labile,heat-stable 肠毒素，tetanus toxin, exfoliative toxin3.adherence or colonization 所需的表面结构4.细菌素 Col5.其它cryptic plasmid第三节细菌的变异现象一、细菌形态结构及菌落性状的变异（一）菌形及结构的变异细菌在不适宜的温度,酸碱度,盐类浓度,有害的代谢产物, 化学药品或免疫血清等不利的环境中生长后,在结构上,常可出现多型态与衰残型(退化型)。

例如: 白喉杆菌生长在旧培养基中常易出现泡状,哑铃状,梨状等奇异形态。

有的细菌在青霉素及其它抗菌素或免疫血清中,可失去细胞壁的某些成分,因而形成细胞壁缺陷的细菌。

对此称为细菌的L-型变异。

细胞壁缺陷的细菌包括原生质体,园球体。

不适宜的环境上出现多形态与衰残型,L-型细菌:分为原生质体和球形体。

原生质体(protoplast): 革兰阳性菌，胞壁完全缺损。

球形体(spheroplast)：革兰阴性菌，胞壁部分缺损。

(二),菌落性状的变异细菌在固体培养基上生长成的菌落可分为两类:即光滑型（S型),粗糙型(R 型),S→R转变。

S→R转变后,细菌的一些性状也出现改变,一般地,S型细菌的毒力较强,变成R型后则减失毒力,但也有例外:如碳疽杆菌,结核杆菌, 鼠疫杆菌有毒力的菌株却都是R型菌落二.细菌的毒力变异细菌的毒力变异有:从弱→强,如某些战争贩子,有意让细菌培养,增强其毒力, 制造细菌武器;细菌的毒力也可从强→弱,如BCG是法国两位科学家以牛型结核杆菌在含有胆汁、马铃薯和甘油的培养基中反复传代230次,历时13年, 而获得一株毒性低而抗原性完整的变异菌株,可作成活疫苗给人接种预防结核病强→弱： BCG; 鼠疫杆菌EV 株；百日咳杆菌I相—— IV相；肺炎球菌荚膜消失；等。

弱→强：白喉杆菌强毒株，鼠疫杆菌，碳疽杆菌。

等。

强毒株：virulent strain弱毒株：attenuated strain无毒株：avirulent strain三,细菌的耐药性变异由于在临床上广泛使用抗菌素以来, 使一些原本对某种药品敏感的细菌后来变成不敏感,这种不敏感性即耐药性;这种现象称为细菌的耐药性变异。

例如金黄色葡萄球菌对青霉素产生的耐药性菌株,在有些地区由49年时只分离到14％至现在已高达 90％;与此同时,细菌对其它抗菌素的抗药性的菌株也不断增加,例如结核杆菌,对链霉素的耐药性也日益增多,甚之,有的一种细菌产生多种耐药性的菌株, 从而严重地影响了临床上用抗菌素治疗的效果。

四,细菌的抗原变异菌落,形态变异多数情况下伴有抗原的变异, 沙门氏菌属和志贺氏属中S-R 变异和O-H变异都将引起抗原的变异沙门氏菌： H抗原I相 II相革兰阴性菌： LPS 的O特异链。

五,细菌的酶活性变异细菌的大多数变异都是生化变异或酶变异如有些肠道菌能产生β-半乳糖苷酶 ,透性酶,能分解乳糖获得碳源和能量,并能产生酸性代谢产物; 当细菌发生变异后不产生这些酶类时,亦不能再利用乳糖作为碳源和能量,亦不能产生酸性产物第三节细菌的遗传物质第四节细菌的遗传物质基础是染色体及染色体外的质粒,遗传物质的化学基础是DNA, 有时亦可为RNA(病毒)一,细菌的染色体（bacterial chromosome）即核质DNA,是细菌遗传与变异的物质基异础, 细菌的染色体不同于高等生物不伴有蛋白质和组蛋白;细菌染色体上带有相当量的基因,细菌与高等生物相似, 基因也是细菌的遗传的功能单位,也是一个重组单位,在染色体占有一定的位置; 从分子水平看,基因是DNA分子中的一个片段,具有特定的功能的核苷酸序列,表达特定的功能 ,指令合成各种蛋白质;如果在复制中子代DNA上某个片段碱基对发生了差错, 就可导致蛋白质功能改变,而使细菌发生某性状的变异。

二,质粒(plasmid)质粒是细菌的一种核外遗传物质, 被称为核外基因或染色体外基因存在于细菌的胞浆中,亦是DNA组成,闭环双链,能独立复制, 有稳定的遗传性可控制细菌的某些特殊的性状目前认为质粒与细菌的耐药性有关。

四种重要的质粒:1,F因子:是致育因子,或性因子,与性菌毛的生出有关,称为雄性菌或F+细菌;同种细菌中有的则不含致育因子即不长出性菌毛,此称为雌性菌或F-细菌;F+细菌和F-细菌通过性菌毛的受体可以发生结合,通过性菌毛的接触,可使F-细菌;获得F+ 细菌的一些性状2,R因子,是耐药因子,分传递性和非传性传递性主要见于革兰氏阴性的肠道菌中R因子可重组性,故可带几个耐药的基因,产生对多种药物的抗性R 因子可由细菌间接合而传递,使敏感的细菌成为耐药性,目前, 对多种抗生素发生抗性的肠道杆菌日益增多,可能与R因子的广泛传播有关,它不仅在同一菌属间,而且还可在不同种属间能相互传递,这给临治疗带来很大的困难。

另一方面,R因子在传递过程中容易丢失,细菌的耐药性也随之消失。

3,青霉素酶质粒(penicillinase plasmid)见于革兰氏阳性耐药性的葡萄球菌中,属于非传递性质粒,与R因子不同,每个质粒只携带一个控制合成青霉素酶的基因,因而导致细菌产生破坏青霉素的β-内酰胺酶,使青霉素分子中β-内酰胺环水解而产生耐药性,通常都是依靠噬菌体携带此质粒转导进入敏感的细菌中进行散播。

4,Col 因子是大肠菌素因子(colicin factor)的简称,为大肠杆菌及其它某些细菌中的质粒,col 因子是这类质粒的总称,由它们导致产生的抗生素样物质称为细菌素(bacteriocins);包括同大肠杆菌产生的大肠菌素(colicin 对痢疾杆菌也有作用) ;由绿脓杆菌产生的为绿脓菌素pyocin; 由灵杆菌产生的灵杆菌素marcescin 细菌素均能杀死和溶溃同属或近缘细菌的不同型的菌株。

第四节细菌变异的机理一、细菌变异类型：遗传型变异Genotypic variation:基因型发生改变或突变,相对地稳定地遗传, 不可逆仅影响到个别的细菌表现型变异Phenotypic variation:是受外界环境的诱导作用,固有的某些基因的功能在一段时间内无法表达所出现的某一性状改变或消失,不涉牵到基因的改变即未发生基因的突变,因此是不稳定的,可逆的,不能遗传遗传型变异主要是通过细菌的染色体基因的突变或基因的转移两种途径发生的（一）致死突变型（二）条件突变型（三）抗性突变型（四）营养缺陷型一,基因突变机制突变的含义:基因控制性状,在复制时双股DNA链中核苷酸碱基对发生差错,染色体基因中个别核苷酸的增减或排列顺序的改变,叫突变(mutation)突变可以认为是DNA的碱基的持久性改变,是细菌遗传物质结构发生改变,引起的遗传变异, 经过遗传信息的转录与翻译过程后,即造成子代细菌的多肽链中氨基酸排列顺序的改变,从而导致蛋白质结构的改变,遂发生细菌性状的变异,成为变异株(variant),这种变异株可以表现某些性状的改变。

例如当突变产生对某些抗生素耐药性的菌株时, 它就能在含有该抗生素的培养基中或经过该抗生素治疗的病人体内生长; 若细菌表面抗原也发生改变,则能在已产生免疫力的个体中存活。

致使再次发生发病或引起散播流行。

自发突变是指细菌在无人为因素的影响下,细菌本身DNA自然发生突变, 对此称为自发突变 (spontaneous mutation),自发突变实质上并非是无缘无故发生的,只是目前人们尚未能很好地认识而已; 例如细菌在代谢过程中产生的过氧化氢就是具有致使突变作用的物质,对自发突变的细菌来说是自发因素,但对于DNA分子结构来说,它仍然是一种诱变作用。

自发突变率10-9--10-6诱发突变:比自发突变要增高10～10000倍;是人工应用理化因素X线, γ射线等物理诱必因素或氮芥、吖啶橙、五溴尿嘧啶等化学诱变剂作用时,可导致细菌DNA复制中碱基对错误而引起突变,此称为诱发性突变(induced mutation 简称诱变) 1．碱基置换 (substitution)转换 (transition)颠换 (transversion)2．移码突变(二)突变与选择无论是自发突变与诱发突变,起初数目一般较少,不能形成优势, 除非这些突变株适应能力特别强,否则难于大量生长而可能被淘汰;只有当突变株处于不适应原来繁殖的环境中,致使原来的细菌被淘汰,而突变株对于这种新环境是适应时, 使突变株有机会在这种环境中生长与繁殖,并可能成为一种新的优势菌群;这种突变株对于环境条件的选择是突变株与环境相互之间的双向选择(selection) 突变株的生活适应能力特别强,避免被陶汰,选择出来成为一个优势的群体如长期大量滥用青霉素或药量不足,使极大多数敏感细菌株可被杀死即被淘汰了,而把极少数对青霉素有抗性的细菌株被保留下来,并且可能成为一个新的菌群,这种被"选择"出来的抗药的细菌若有遗传性,那么,它们就会通过生长繁殖而传给子代细菌,以致在病房,病区或甚至在某一地区逐渐扩散形成占优势的抗药性菌株流行。