第三節細菌的遺傳與變異基本概念遺傳：使細菌的性狀保持相對穩定，且代代相傳，使其菌種得以保存。變異：在一定條件下，子代與親代之間以及子代與子代之間的生物學性狀出現的差異。細菌的變異分為:

1.遺傳性變異：基因變不可逆可遺傳

2.非遺傳性變異：基因未變可逆不遺傳

遺傳性變異與非遺傳性變異的比較遺傳性變異非遺傳性變異基因改變+-遺傳+-可逆性-+外界環境-+變異幅度個別細胞群體一.細菌的變異現象（一）形態結構的變異（二）菌落變異（三）毒力變異（四）耐藥性變異細菌的大小和形態：在不同的生長時期可不同，生長過程中受外界環境的影響也可發生變異。如：鼠疫耶氏菌在陳舊培養物上細菌的多形態性、細菌L型。細菌的特殊結構：如莢膜（肺炎鏈球菌）、芽胞（炭疽芽孢桿菌）、鞭毛（變形桿菌H-O變異）也可發生變異。（一）形態結構的變異（一）形態結構的變異

3-6%食鹽

鼠疫耶氏菌多形態性

陳舊培基物

青霉素、溶菌酶

正常形態細菌

L型變異

抗體或補體

(部分或完全失去胞壁)

細菌的菌落：有光滑(S)型和粗糙(R)型兩種。S型表面光滑、濕潤、邊緣整齊。經人工培養多次傳代后菌落表面邊為粗糙、干燥、邊緣不整齊，稱S—R變異。S—R變異常見于腸道桿菌。變異時不僅菌落的發生改變，且其它性狀也可變化。S型菌的致病性強，但有少數R型菌的致病性強，如結核分枝桿菌。（二）菌落變異（二）菌落變異

在陳舊培養基中長期培養

光滑型菌落

粗糙型菌落

S

R

原因：失去LPS的特異多糖S型菌落R型菌落毒力增強：無毒力的白喉棒狀桿菌常寄居在咽喉部，不致病；當感染了β-棒狀噬菌體后變成溶原性細菌，則獲得產生白喉毒素的能力，引起白喉。毒力減弱：有毒菌株長期在人工培養基上傳代培養，可使細菌的毒力減弱或消失。卡介苗(BCG)是有毒的牛結核分枝桿菌在含有膽汁、甘油、馬鈴薯培養基上，經過13年，連續傳230代，獲得的一株毒力減弱但仍保持免疫原性的變異株。（三）毒力變異（三）毒力變異增強

β棒狀噬菌體

白喉棒狀桿菌

獲得白喉毒素

減弱

膽汁、甘油、馬鈴薯培養基

牛分枝桿菌

卡介苗

13年(230代)

牛分支桿菌

Mycobacteriumbovis

置于含膽汁的培養基，逐漸增加膽汁的濃度13年卡介苗BacillusCalmette-Guerin(BCG)在膽汁中適應性生長，充分減毒成為預防肺結核的疫苗。耐藥性變異：細菌對某種抗菌藥物由敏感變為耐藥的變異。有些細菌還表現為同時耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性。從抗生素廣泛應用以來，細菌對抗生素耐藥的不斷增長是世界范圍內的普遍趨勢，給臨床治療帶來很大的困難，并成為當今醫學上的重要問題。（四）耐藥性變異（四）耐藥性變異金黃色葡萄球菌有些細菌還同時耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性，甚至產生藥物依賴性。

含鏈霉素培基

痢疾桿菌依鏈株

長期培養

二.細菌遺傳變異的物質基礎（一）細菌的染色體（二）染色體外的遺傳物質

1.細菌的質粒

2.噬菌體

3.轉位因子（一）細菌的染色體是裸露的DNA，無組蛋白包繞。由一條雙股環狀DNA分子反復回旋盤繞而成，附著在橫隔中介體或細菌膜上。基因與真核細菌不同，基因是連續的,無內含子，轉錄后形成的mRNA不必再剪切、拼接，可直接翻譯成多肽。DNA的復制，在大腸桿菌已被證明是雙向復制。自大腸桿菌提取的DNA是一條完整的DNA鏈，分子量僅為人體細胞DNA量的0.1%。大腸桿菌的DNA約為4×106個堿基對，因此約有5000多個基因，可編碼幾千種多肽。概念：是細菌染色體以外的遺傳物質，是環狀閉合的雙鏈DNA。質粒基因可編碼多種重要的生物學性狀。1.質粒（二）染色體外的遺傳物質具有自我復制的能力。DNA所編碼的基因產物賦予細菌某些性狀特征。可自行丟失與消除。轉移性。可分為相容性與不相容性兩種。（1）質粒DNA的主要特征（2）醫學上重要的質粒1)致育質粒（F質粒）：編碼細菌的性菌毛2)耐藥性質粒：編碼細菌對抗菌藥物或重金屬鹽類的耐藥性。分兩類，一是接合性耐藥質粒（R質粒），另一是非接合耐藥性質粒；3)細菌素質粒：編碼細菌產生細菌素；4)毒力質粒（Vi質粒）：編碼與該菌致病性有關的毒力因子；5)代謝質粒：編碼產生相關的代謝酶。噬菌體：是感染細菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的病毒。噬菌體具有病毒的一些特性：個體微小、沒有細胞結構、專性細胞內寄生。噬菌體分布：極廣，凡是有細菌的場所，就可能有相應的噬菌體的存在。2.噬菌體噬菌體很小，用電鏡觀察。在電鏡下有三種形態：蝌蚪形、微球形和絲形。大多數噬菌體呈蝌蚪形，由頭部和尾部兩部分組成。（1）噬菌體的形態與結構蝌蚪形噬菌體結構模式圖噬菌體的其他生物學性狀化學組成：噬菌體主要由核酸和蛋白質組成。遺傳物質：DNA或RNA，由此分成DNA噬菌體和RNA噬菌體。蛋白質：構成頭部的衣殼及尾部，起著保護核酸的作用。抗原性：噬菌體具有抗原性，能刺激機體產生特異性抗體。抵抗力：對理化因素及多數化學消毒劑的抵抗力比一般細菌的繁殖體強，75℃30min滅活。能耐受低溫和冰凍，但對紫外線和X射線敏感。（2）噬菌體與細菌的相互關系噬菌體感染細菌有兩種結果：①噬菌體增殖，細菌被裂解，建立溶菌性周期，這類噬菌體稱為毒性噬菌體。②噬菌體核酸與細菌染色體整合，成為前噬菌體，細菌變為溶原性細菌，建立溶原性周期，這類噬菌體稱為溫和噬菌體。噬菌體可分為兩類：毒性噬菌體：能在宿主細胞內復制增殖，產生許多子代噬菌體，并最終裂解細菌。溫和噬菌體：噬菌體基因與宿主染色體整合，不產生子代噬菌體，但噬菌體DNA能隨細菌DNA復制，并隨細菌的分裂而傳代。（2）噬菌體與細菌的相互關系1)噬菌體的溶菌性周期噬菌體的復制周期或溶菌周期：從噬菌體吸附至細菌溶解釋放出子代噬菌體的過程。增殖方式：

毒性噬菌體在敏感菌內以復制方式進行增殖。增殖過程包括：吸附穿入、生物合成、成熟釋放。吸附吸附是噬菌體與菌體表面受體發生特異性結合的過程，其特異性取決于噬菌體蛋白與宿主菌表面受體分子結構的互補性。毒性噬菌體的復制周期—溶菌性周期2）溶原性周期溫和噬菌體有溶原性周期和溶菌性周期溶原性周期：溫和噬菌體的基因組能與宿主菌基因組整合，并隨細菌分裂傳至子代細菌的基因組中，不引起細菌裂解。前噬菌體：整合在細菌基因組中的噬菌體基因組。溶原性細菌：帶有前噬菌體基因組的細菌。溫和噬菌體的溶菌性周期前噬菌體偶爾可自發地或在某些理化和生物因素的誘導下脫離宿主菌基因組而進入溶菌周期，產生成熟噬菌體，導致細菌裂解。2）溶原性周期溫和噬菌體可有三種存在狀態：

A.游離的具有感染性的噬菌體顆粒；

B.宿主菌胞質內類似質粒形式的噬菌體核酸；

C.前噬菌體。溶原性轉換：某些前噬菌體可導致細菌基因型和性狀發生改變。噬菌體（總結）定義：是寄生于細菌的病毒，有宿主細胞的特異性。毒性噬菌體：在敏感菌中增殖并裂解細菌的噬菌體溫和噬菌體：感染細菌后，有兩種后果，或裂解細菌或形成溶原狀態。裂解細菌的過程與毒性噬菌體相同，形成溶原狀態則為噬菌體的基因組整合于細菌的染色體上，并隨細菌的繁殖傳至子代。在細菌染色體上的溫和噬菌體的基因，可相當于遺傳物質，也能決定細菌的某些特性。當細菌失去相應噬菌體基因后，則失去產生毒素或表達特異抗原特性。

溶原性細菌：帶有噬菌體基因組的細菌前噬菌體：整合于細菌染色體上的噬菌體基因溶原性轉換：由噬菌體基因決定細菌的某些生物學特性稱為溶原性轉換。

轉位因子：是存在于細菌染色體或質粒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，不斷改變它們在基因組中的位置，能從一個基因組轉移到另一基因組中。原核生物的轉位因子有三類：插入序列(IS)、轉座子(Tn)、Mu噬菌體或前噬菌體。3.轉位因子(1)插入序列（IS）是最小的轉位因子，＜2kb，不攜帶任何已知與插入功能無關的基因區域(2)轉座子（Tn）＞2kb，除攜帶與轉位有關的基因外，還攜帶耐藥性基因、抗金屬基因、毒素基因及其他結構基因。可能與細菌的多重耐藥性有關。IS

ISResistanceGene(s)Tn轉座子的特征轉座子攜帶耐藥或毒素基因Tn1Tn2Tn3AP（氨芐青霉素）Tn4AP、SM（鏈霉素）、Su（磺胺）Tn5Km（卡那霉素）Tn6KmTn7TMP（甲氧芐氨嘧啶）、SMTn9Cm（氯霉素）Tn10Tc（四環素）tn551Em（紅霉素）Tn971EmTn1681大腸埃希菌（腸毒素基因）(3)轉座噬菌體或前噬菌體是一些具有轉座功能的溶原性噬菌體，當整合到細菌染色體上，能改變溶原性細菌的某些生物學性狀。三.細菌變異的機制(一)基因突變和損傷后修復(二)基因轉移和重組1.突變：是細菌遺傳物質的結構發生突然而穩定的改變，導致細菌性狀的遺傳性變異。基因突變：也稱點突變，是DNA中一對或少數幾對鹼基的置換、增加或缺失。染色體畸變：涉及大段DNA的易位、缺失、重復或倒位等變化，結果導致細菌死亡。(一)基因的突變和損傷后修復突變率：突變常自然發生，但突變率極低

突變與選擇：突變是隨機的，不定向的。回復突變：細菌由野生型變為突變型是正向突變，有時突變株經過又一次突變可恢復野生型的性狀。2.基因突變的規律基因轉移：外源性的遺傳物質由供體菌進入某受體菌細胞內的過程。基因重組：轉移的基因與受體菌DNA整合在一起，使受體菌獲得供體菌某些特性。外源性遺傳物質：供體菌染色體DNA，質粒DNA及噬菌體基因等。細菌的基因轉移和重組方式：轉化、接合、轉導、溶原性轉換、細胞融合。(二)基因轉移和重組1.轉化:供體菌裂解的游離DNA片段被受體菌直接攝取，使受體菌獲得新的性狀。轉化因子：在轉化過程中，轉化的DNA片段稱為轉化因子，分子量小于107，最多不超過10-20個基因。感受態2.接合接合：是細菌通過性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質（主要是質粒DNA）從供體菌轉移給受體菌。接合性質粒：能通過結合方式轉移的質粒，如F質粒、R質粒、Col質粒和毒力質粒等。非接合性質粒：不能通過性菌毛在細菌間轉移的質粒為（1）F質粒的接合（2）R質粒的接合日本首先分離到抗多種藥物的宋內志賀菌多重耐藥株，多重耐藥性很難用基因突變解釋。健康人中大腸埃希菌30%~50%有R質粒，而致病性大腸埃希菌90%有R質粒。與多重耐藥性有關。耐藥質粒從一個細菌轉移到另一個細菌中。R質粒的組成由耐藥傳遞因子(RTF)和耐藥決定因子(r)兩部分組成。耐藥傳遞因子（RTF）：與F質粒相似，編碼性菌毛的產生和通過接合轉移。耐藥（r）決定子：能編碼對抗菌藥物的耐藥性。R質粒決定耐藥的機制①使細菌產生滅活抗生素的酶類：如β－內酰胺酶能水解青霉素、頭孢霉素等的β－內酰胺環而使其失去作用。又如通過耐藥菌株產生磷酸轉移酶以ATP為輔基，使鏈霉素、卡那霉素及新霉素等氨基糖苷類抗生素失活。②R質粒控制細菌改變藥物作用的靶部位：如鏈霉素和紅霉素的結合靶位分別是細菌核糖體上30S或50S亞基，R質粒可編碼產生甲基化酶，使藥物作用靶位上的氮原子甲基化，因而藥物不能與核糖體結合，也就不能抑制菌體蛋白的合成。③R質粒可控制細菌細胞對藥物的通透性:如R質粒能編碼產生新的蛋白質，阻塞了細胞壁上的通水孔，使抗生素（四環素、異煙肼等）不能進入菌體內。

概念：是以溫和噬菌體為載體，將供體菌的一段DNA轉移到受體菌內，使受體菌獲得新的性狀。根據轉導基因片段的范圍，可將轉導分為兩類：（1）普遍性轉導：轉導的DNA可是供體菌染色體上的任何部分。（2）局限性轉導：轉導的DNA只限供體菌染色體上的特定基因。3.轉導（1）普遍性轉導

前噬菌體從溶原菌染色體上脫離，進行增殖，在裂解期的后期，噬菌體的DNA已大量復制，裝配時可能會發生裝配錯誤，誤將細菌的DNA片段裝入噬菌體的頭部，成為一個轉導噬菌體。轉導噬菌體能以正常方式感染另一宿主菌，并將其頭部的染色體注入受體菌內。被包裝的DNA可以是供體菌染色體上的任何部分。供體菌受體菌轉導噬菌體細菌DNA噬菌體DNA結果完全轉導流產轉導未整合整合普遍性轉導（2）局限性轉導或稱特異性轉導，所轉導的只限于供體菌染色體上特定的基因。溶原期時，噬菌體DNA整合在細菌染色體特定部位，噬菌體DNA發生偏差分離，將自身的一段DNA留在細菌染色體上，而帶走了細菌DNA上兩側的基因。當其轉導并整合到受體菌中，使受體菌獲得供體菌的某些遺傳性狀。所轉導的只限于供體菌上個別的基因。普遍性轉導與局限性轉導的區別區別要點普遍性轉導局限性轉導基因轉導發生的時期裂解期溶原期轉導的遺傳物質供體菌染色體DNA任何部位或質粒噬菌體DNA及供體菌DNA的特定部位轉導的后果完全轉導或流產轉導受體菌獲得供體菌DNA特定部位的遺傳特性轉導頻率受體菌的10-7轉導頻率較普遍轉導增加1000倍(10-4)4.溶原性轉換概念：當噬菌體感染細菌時，宿主菌染色體中獲得了噬菌體的DNA片段，使其成為溶原狀態時，而使細菌獲得新的性狀。常見細菌：白喉棒狀桿菌、A群鏈球菌、肉毒梭菌、產氣莢膜梭菌、霍亂弧菌細菌的基因轉移和重組方式的比較比較項目基因來源轉移方式轉化供體菌直接攝取接合供體菌性菌毛轉導供體菌噬菌體為載體溶原性轉換噬菌體整合5.原生質體融合（一）在疾病的診斷、治療與預防中的作用（二）在測定致癌物質中的應用（三）在流行病中的應用（四）在基因工程中的應用四.細菌遺傳變異的實際意義（一）在疾病的診斷、治療與預防中的作用形態、結構、