齐鲁医学细菌的遗传和变异.pptx

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1、第第5 5章章 细菌的遗传和变异细菌的遗传和变异Heredity and Variation of BacteriaHigher Education PressHigher Education Press遗传（遗传（heredity）：遗传物质从亲代传给子代，使得亲代）：遗传物质从亲代传给子代，使得亲代与子代相似。与子代相似。变异（变异（variation）：亲代与子代之间，以及子代不同个）：亲代与子代之间，以及子代不同个体之间，存在的某些差异。体之间，存在的某些差异。基因型变异（基因型变异（genotypic variation）：遗传物质发生改变）：遗传物质发生改变引起的变异。引起的变异。

2、表型变异（表型变异（phenotypic variation）：外界环境条件的作）：外界环境条件的作用引起的变异。用引起的变异。Higher Education PressHigher Education Press第一节第一节 细菌遗传与变异的物质基础细菌遗传与变异的物质基础 核酸是细菌遗传的物质基础，细菌的遗传物质是以染核酸是细菌遗传的物质基础，细菌的遗传物质是以染色体和染色体外的遗传物质形式（包括质粒和转位因子）色体和染色体外的遗传物质形式（包括质粒和转位因子）存在的。另外噬菌体也是影响细菌遗传变异的重要遗传物存在的。另外噬菌体也是影响细菌遗传变异的重要遗传物质。质。基因（基因（gene

3、）：是一段可转录的）：是一段可转录的DNA序列，含编码区序列，含编码区和非编码区。和非编码区。Higher Education PressHigher Education Press 微生物基因组学（微生物基因组学（microbial genomics）：是通过对微生）：是通过对微生物基因组进行测序，并对所有序列进行研究的学科。物基因组进行测序，并对所有序列进行研究的学科。其有利于：其有利于：微生物的分类微生物的分类 发现抗微生物的药物靶点发现抗微生物的药物靶点 发现与微生物的致病和毒力相关的基因发现与微生物的致病和毒力相关的基因 筛选出制备疫苗的分子筛选出制备疫苗的分子Higher Educ

4、ation PressHigher Education Press一、细菌的染色体一、细菌的染色体 染色体（染色体（chromosome）是细菌主要的遗传物质，由一）是细菌主要的遗传物质，由一条闭合环状的双链条闭合环状的双链DNA分子构成，紧密缠绕成较致密的不规分子构成，紧密缠绕成较致密的不规则小体，该小体又称为拟核，其上无组蛋白包绕，但有核蛋则小体，该小体又称为拟核，其上无组蛋白包绕，但有核蛋白，约含白，约含5 000个基因。个基因。Higher Education PressHigher Education Press 致病岛（致病岛（pathogenicity island）：即指编码细

5、菌毒力因）：即指编码细菌毒力因子的基因簇，为染色体上一些相对分子质量较大的子的基因簇，为染色体上一些相对分子质量较大的DNA片片段，编码整合酶、转位酶等，其两侧往往具有重复序列和段，编码整合酶、转位酶等，其两侧往往具有重复序列和插入序列，可以水平转移或丢失，其插入序列，可以水平转移或丢失，其DNA片段的片段的G+C百百分比和密码使用与宿主菌具有明显差异，一种病原菌可同分比和密码使用与宿主菌具有明显差异，一种病原菌可同时具有一个或几个致病岛。有的细菌失去致病岛则致病性时具有一个或几个致病岛。有的细菌失去致病岛则致病性下降或消失。如泌尿道致病性大肠埃希菌就有下降或消失。如泌尿道致病性大肠埃希菌就有

6、8个，主要编个，主要编码码溶血素、菌毛、细胞坏死因子等。溶血素、菌毛、细胞坏死因子等。Higher Education PressHigher Education Press二、质粒二、质粒 质粒（质粒（plasmid）是一种独立于染色体外，能进行自主复）是一种独立于染色体外，能进行自主复制的遗传因子，主要存在于细菌和真菌等多种微生物细胞中。制的遗传因子，主要存在于细菌和真菌等多种微生物细胞中。质粒通常以共价闭合环状的超螺旋双链质粒通常以共价闭合环状的超螺旋双链DNA分子存在于细胞分子存在于细胞中。质粒不仅与细菌遗传物质的转移有关，也与某些细菌的中。质粒不仅与细菌遗传物质的转移有关，也与某些细

7、菌的致病性，以及细菌的抗药性等有关。致病性，以及细菌的抗药性等有关。Higher Education PressHigher Education Press1.质粒的特性质粒的特性质粒具有自我复制的能力质粒具有自我复制的能力所编码的基因产物赋予细菌某些性状所编码的基因产物赋予细菌某些性状质粒可自行丢失与消除质粒可自行丢失与消除质粒的转移性质粒的转移性不相容性与相容性不相容性与相容性 Higher Education PressHigher Education Press2常见的质粒类型常见的质粒类型（1）F质粒（质粒（fertility plasmid）：与致育性有关的质粒，：与致育性有关的质

8、粒，F的的含义是致育性，即具有编码性菌毛和介导细菌之间接合的能含义是致育性，即具有编码性菌毛和介导细菌之间接合的能力。力。Higher Education PressHigher Education Press（2）耐药质粒（耐药质粒（resistance plasmid）：能使细菌对抗生素、：能使细菌对抗生素、化学药物或重金属离子等杀菌剂表现出抗性。根据耐药质粒化学药物或重金属离子等杀菌剂表现出抗性。根据耐药质粒能否通过接合而转移，分为接合型和非接合型耐药质粒，接能否通过接合而转移，分为接合型和非接合型耐药质粒，接合性耐药质粒又称合性耐药质粒又称R质粒质粒（R质粒质粒=RTF+r），非接合性

9、耐药），非接合性耐药质粒又称质粒又称r质粒。质粒。RTF：耐药转移因子耐药转移因子 r 决定子：决定子：耐药决定子耐药决定子 Higher Education PressHigher Education Press（3）Col质粒（质粒（Col plasmid）：是编码大肠菌素的质粒。大）：是编码大肠菌素的质粒。大肠菌素是某些大肠埃希菌菌株产生的，仅对近缘细菌有杀灭肠菌素是某些大肠埃希菌菌株产生的，仅对近缘细菌有杀灭作用的蛋白质类抗菌物质。作用的蛋白质类抗菌物质。（4）毒力质粒（）毒力质粒（virulence plasmid）：决定细菌毒素的基因，）：决定细菌毒素的基因，如致病性大肠埃希菌的如

10、致病性大肠埃希菌的ST质粒质粒、LT质粒等。质粒等。（5）代谢质粒（）代谢质粒（metabolic plasmid）：携带能降解某些基质）：携带能降解某些基质的酶的基因。含有这类质粒的细菌，能将复杂的有机化合物的酶的基因。含有这类质粒的细菌，能将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式。降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式。Higher Education PressHigher Education Press三、转位因子三、转位因子 转位因子（转位因子（transposable element）是指能够转移自身位置）是指能够转移自身位置的一段的一段DNA序列。转位因子可以

11、从染色体或质粒等内部的一个序列。转位因子可以从染色体或质粒等内部的一个位置转移到另一个位置，位置转移到另一个位置，或者在染色体、质粒、噬菌体等之间或者在染色体、质粒、噬菌体等之间转移。转移。原核生物中的转位因子，可分为两类：原核生物中的转位因子，可分为两类：1.插入序列插入序列 2.转座子转座子Higher Education PressHigher Education Press 插入序列插入序列（insertion sequence,IS）：分子小，只携带）：分子小，只携带与转位功能有关的基因。与转位功能有关的基因。转座子转座子（transposon,Tn）：长度一般超过）：长度一般超过2

12、 kb，除携带，除携带与转位有关的基因外还携带其他基因（如耐药性、毒素基因与转位有关的基因外还携带其他基因（如耐药性、毒素基因等）。等）。Higher Education PressHigher Education Press第二节第二节 基因突变及其修复基因突变及其修复一、基因突变的特性一、基因突变的特性1.种类种类 突变（突变（mutation）是指生物体的遗传物质核酸的结构是指生物体的遗传物质核酸的结构发生了突然而稳定的变化。突变可导致微生物的某些性状发生了突然而稳定的变化。突变可导致微生物的某些性状发生遗传性变异。发生遗传性变异。Higher Education PressHigher

13、 Education Press 突变包括基因突变和染色体畸变。突变包括基因突变和染色体畸变。（1）基因突变：是指一个基因内部由于一对或少数几对碱基）基因突变：是指一个基因内部由于一对或少数几对碱基的置换、缺失或插入而引起的突变，其涉及的变化范围很小，的置换、缺失或插入而引起的突变，其涉及的变化范围很小，所以又称为点突变。所以又称为点突变。（2）染色体畸变：是指大段染色体的缺失、重复、易位和倒）染色体畸变：是指大段染色体的缺失、重复、易位和倒位，即较大范围内遗传物质结构的改变。位，即较大范围内遗传物质结构的改变。Higher Education PressHigher Education Pr

14、ess2.基因突变的共同特性基因突变的共同特性（1）自发性和不对应性）自发性和不对应性（2）稀少性）稀少性：自发突变率：自发突变率10-910-6。（3）可诱发性）可诱发性（4）独立性）独立性（5）稳定性）稳定性（6）可逆性：未发生突变的原始菌株称为野生株，经）可逆性：未发生突变的原始菌株称为野生株，经突变后性状改变了的菌株称为突变株。突变后性状改变了的菌株称为突变株。Higher Education PressHigher Education Press二、自发突变的证实二、自发突变的证实 细菌突变的自发性可以用波动试验或影印培养试验来细菌突变的自发性可以用波动试验或影印培养试验来证实。证实

15、。波动试验波动试验Higher Education PressHigher Education Press影印培养试验影印培养试验Higher Education PressHigher Education Press三、三、DNA DNA损伤的修复损伤的修复1.光修复光修复2.切除修复切除修复3.重组修复重组修复4.SOS修复等修复等 Higher Education PressHigher Education Press第三节第三节 常见的几种细菌突变体常见的几种细菌突变体1抗性突变体抗性突变体2条件致死突变体条件致死突变体3营养缺陷型突变体营养缺陷型突变体4毒力突变体：如毒力突变体：如卡

16、介苗（卡介苗（Bacillus Calmette-Guerin,BCG）系系Calmette和和Guerin（1923年）将有毒的牛结核分枝年）将有毒的牛结核分枝杆菌培养于含甘油、胆汁和马铃薯的培养基上，经杆菌培养于含甘油、胆汁和马铃薯的培养基上，经13年年230次次传代后成为弱毒的活菌疫苗，广泛用于结核病的预防。传代后成为弱毒的活菌疫苗，广泛用于结核病的预防。Higher Education PressHigher Education Press第四节第四节 基因转移与重组基因转移与重组 基因转移（基因转移（gene transfer）：外源性的遗传物质由供体菌）：外源性的遗传物质由供体菌进

17、入某受体菌的过程。进入某受体菌的过程。基因重组（基因重组（recombination）：转移的基因与受体菌）：转移的基因与受体菌DNA整合在一起，使受体菌获得供体菌的某些特性。整合在一起，使受体菌获得供体菌的某些特性。细菌的基因转移和重组方式：细菌的基因转移和重组方式：转化、接合、转导转化、接合、转导。Higher Education PressHigher Education Press一、转化一、转化 转化（转化（transformation）指来自供体菌游离的指来自供体菌游离的DNA片段片段直接进入并整合入受体菌基因组中，使受体菌获得部分新的直接进入并整合入受体菌基因组中，使受体菌获得部

18、分新的遗传性状的过程。遗传性状的过程。Higher Education PressHigher Education Press二、接合二、接合 通过性菌毛供体菌与受体菌直接接触，遗传物质自供体菌通过性菌毛供体菌与受体菌直接接触，遗传物质自供体菌转移入受体菌，使后者获得前者的部分遗传性状的过程称为转移入受体菌，使后者获得前者的部分遗传性状的过程称为接接合（合（conjugation）。介导接合作用的质粒称为接合性质粒。介导接合作用的质粒称为接合性质粒。Higher Education PressHigher Education PressF+：即含：即含F质粒，编码性菌毛，该菌称雄性菌。质粒，编

19、码性菌毛，该菌称雄性菌。F+F-的接合：的接合：F+F-F+F-F+F+F+F+Higher Education PressHigher Education Press Hfr（high frequency recombination）：）：F质粒整合到细质粒整合到细菌染色体上，该菌称高频重组菌。该细菌能使受体细菌高频菌染色体上，该菌称高频重组菌。该细菌能使受体细菌高频地重组外源基因到染色体上，从而提高染色体基因的转移。地重组外源基因到染色体上，从而提高染色体基因的转移。Higher Education PressHigher Education Press F 因子：因子：Hfr的的F质粒可

20、以从宿主菌的染色体上解离，重质粒可以从宿主菌的染色体上解离，重新变为游离的新变为游离的F质粒，质粒，但解离时有时会带下一小段宿主菌的染但解离时有时会带下一小段宿主菌的染色体，我们将携带了宿主菌一部分染色体的色体，我们将携带了宿主菌一部分染色体的F质粒，称质粒，称F因子。因子。F因子也有致育性。因子也有致育性。HfrFHigher Education PressHigher Education Press三、转导三、转导 以温和噬菌体为媒介，将供体菌的遗传物质转移入以温和噬菌体为媒介，将供体菌的遗传物质转移入受体菌，使受体菌获得供体菌的部分遗传性状，这种方受体菌，使受体菌获得供体菌的部分遗传性状

21、，这种方式称为式称为转导（转导（transduction）。通过转导而获得新遗传性。通过转导而获得新遗传性状的受体菌称为转导子。状的受体菌称为转导子。转导分为两类：普遍性转导和局限性转导转导分为两类：普遍性转导和局限性转导Higher Education PressHigher Education Press 普遍性转导（普遍性转导（generalized transduction）：通过噬菌体）：通过噬菌体可将供体菌任何可将供体菌任何DNA片段转移至受体菌的转导。片段转移至受体菌的转导。Higher Education PressHigher Education Press 局限性转导（局限

22、性转导（specialized transduction）：通过噬菌体）：通过噬菌体将供体菌特定的基因转移给受体菌的转导。将供体菌特定的基因转移给受体菌的转导。Higher Education PressHigher Education Press 溶原性转换（溶原性转换（lysogenic conversion）：溶原性噬菌体的基：溶原性噬菌体的基因组与细菌染色体重组，使得宿主菌的遗传特性发生改变，这因组与细菌染色体重组，使得宿主菌的遗传特性发生改变，这种现象称为溶原性转换。种现象称为溶原性转换。通过溶原性转换方式产生毒素的细菌常见的有：通过溶原性转换方式产生毒素的细菌常见的有：白喉棒白喉棒

23、状杆菌状杆菌白喉毒素；白喉毒素；链球菌链球菌致热外毒素；致热外毒素；肉毒梭菌肉毒梭菌肉毒毒素；肉毒毒素；产气荚膜梭菌产气荚膜梭菌毒素。毒素。原生质体融合（原生质体融合（protoplast fusion）：是指将两种细菌经处：是指将两种细菌经处理失去细胞壁成为原生质体后进行相互融合的过程。理失去细胞壁成为原生质体后进行相互融合的过程。Higher Education PressHigher Education Press第五节第五节 细菌遗传变异在医学上的应用细菌遗传变异在医学上的应用1.在诊断、治疗和预防方面的应用在诊断、治疗和预防方面的应用2.在检测致癌物质方面的应用在检测致癌物质方面的应

24、用3.在流行病学方面的应用在流行病学方面的应用4.在重组在重组DNA技术中的应用技术中的应用Higher Education PressHigher Education Press第六节第六节 细菌耐药性细菌耐药性 细菌耐药性（细菌耐药性（bacterial resistance）是细菌产生对抗生素是细菌产生对抗生素不敏感的现象。不敏感的现象。一、耐药性的种类一、耐药性的种类 1.固有耐药（固有耐药（intrinsic resistance）：又称天然耐药性，是由）：又称天然耐药性，是由细菌的种属特性所决定的，可预测。细菌的种属特性所决定的，可预测。2.获得性耐药（获得性耐药（acquired

25、 resistance）：是由染色体突变，或）：是由染色体突变，或由质粒等介导产生的。由质粒等介导产生的。Higher Education PressHigher Education Press二、细菌的耐药机制二、细菌的耐药机制 1.产生灭活酶产生灭活酶 由染色体或质粒等介导编码由染色体或质粒等介导编码-内酰胺酶。该内酰胺酶。该酶使酶使-内酰胺环裂解而使该抗生素丧失抗菌作用。内酰胺环裂解而使该抗生素丧失抗菌作用。2.抗菌药物作用靶位改变抗菌药物作用靶位改变 如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌多如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌多一种青霉素结合蛋白，即一种青霉素结合蛋白，即PBP2a。在高浓度抗生素存在时，。

26、在高浓度抗生素存在时，正常正常PBP失活，此时失活，此时PBP2a可替代正常可替代正常PBP的功能，参与细的功能，参与细胞壁肽聚糖的合成，从而使细菌表现出耐药。胞壁肽聚糖的合成，从而使细菌表现出耐药。3.主动外排机制主动外排机制 某些细菌能将进入菌体的药物泵出体外。某些细菌能将进入菌体的药物泵出体外。Higher Education PressHigher Education Press三、控制细菌耐药的措施三、控制细菌耐药的措施1.尽早取样分离致病菌，进行药敏试验，选用抗菌药物。尽早取样分离致病菌，进行药敏试验，选用抗菌药物。2.如果患者感染症状严重，可在临床诊断的基础上预测最如果患者感染症

27、状严重，可在临床诊断的基础上预测最可能的致病菌种，并根据以往细菌对各种抗菌药物的敏感可能的致病菌种，并根据以往细菌对各种抗菌药物的敏感度和耐药性的变迁，选择适当的药物。度和耐药性的变迁，选择适当的药物。3.抗菌药物对病毒无治疗作用，除非伴有细菌感染或继发抗菌药物对病毒无治疗作用，除非伴有细菌感染或继发感染，一般不应使用抗菌药物。感染，一般不应使用抗菌药物。Higher Education PressHigher Education Press4.可用一种抗菌药物控制的感染决不采用多种药物联合，可用一种抗菌药物控制的感染决不采用多种药物联合，窄谱抗菌药可控制的感染不用广谱抗菌药。窄谱抗菌药可控制的感染不用广谱抗菌药。5.严格掌握抗菌药物的预防应用、局部应用和联合用药，严格掌握抗菌药物的预防应用、局部应用和联合用药，避免滥用。避免滥用。6.医院应对耐药菌感染的患者采取相应的消毒隔离措施，医院应对耐药菌感染的患者采取相应的消毒隔离措施，防止细菌的院内交叉感染。防止细菌的院内交叉感染。