病原生物學與免疫學課程細菌的遺傳與變異教學課件

細菌的遺傳與變異授課人：XXX病原生物學與免疫學教學課件目錄/CONTENTS01細菌的變異現(xiàn)象02細菌遺傳變異的物質基礎03細菌變異的機制04細菌的遺傳變異在醫(yī)學中的應用細菌同其他生物一樣，具有遺傳和變異的生命特征。子代與親代之間的生物學性狀（形態(tài)結構、新陳代謝、致病性、免疫性等）的相似性稱為遺傳（heredity）。子代與親代之間及子代與子代之間的生物學性狀的差異稱為變異（variation）。細菌的變異分為遺傳性變異和非遺傳性變異兩種：①遺傳性變異是由于基因結構發(fā)生改變引起的變異，又稱基因型變異。變異產(chǎn)生的新性狀可穩(wěn)定地遺傳給子代，并且是不可逆的。②非遺傳性變異是由于環(huán)境條件發(fā)生變化引起的變異，無基因結構的改變，又稱表型變異。當影響因素去除后，表型變異性狀可復原，此變異不能遺傳。第一節(jié)細菌的變異現(xiàn)象形態(tài)與結構的變異菌落變異耐藥性變異毒力變異（一）形態(tài)變異細菌的形態(tài)受外界環(huán)境條件的影響可發(fā)生變異。如鼠疫耶爾森菌在3%～6%的高鹽瓊脂培養(yǎng)基中生長，可由橢圓形小桿菌變成球形、桿狀、逗點狀等多種形態(tài)。一、形態(tài)與結構的變異一些細菌在青霉素、溶菌酶、補體等因素影響下，細胞壁合成受阻，細菌很容易裂解死亡。但有些細菌在高滲環(huán)境中仍能緩慢生長，因失去細胞壁而呈多形性，成為細胞壁缺陷型細菌，稱為L型細菌。L型細菌菌落呈油煎蛋狀，革蘭氏染色陰性。一、形態(tài)與結構的變異如肺炎鏈球菌在機體內(nèi)或含有血清的培養(yǎng)基中可形成莢膜；但在普通培養(yǎng)基上培養(yǎng)或傳代，莢膜逐漸變薄或消失，毒力也隨之減弱。1．莢膜變異如炭疽芽胞桿菌在42℃下經(jīng)10～20天培養(yǎng)后，可失去形成芽胞的能力。2．芽胞變異（二）結構變異如有鞭毛的變形桿菌在固體培養(yǎng)基上彌散生長，菌落似薄膜，稱為H菌落。若改變培養(yǎng)基成分，將此菌接種在含有1%苯酚的培養(yǎng)基上，細菌則失去鞭毛，形成單個菌落，稱為O菌落。通常將細菌失去鞭毛的變異稱為H-O變異。3．鞭毛變異（二）結構變異細菌的菌落主要有光滑型（smoothtype，S）和粗糙型（roughtype，R）兩種。光滑型菌落表面光滑、濕潤、邊緣整齊，經(jīng)人工培養(yǎng)基多次傳代后菌落表面變得粗糙、干皺、邊緣不整，即從光滑型變?yōu)榇植谛?，稱為S-R變異。S-R變異多見于腸道桿菌。變異時不僅菌落的形態(tài)發(fā)生改變，細菌的理化性狀、抗原性、酶類活性及毒力等也發(fā)生改變。一般而言，S型菌的致病性強。二、菌落變異細菌對某種抗菌藥物由敏感變成耐藥的變異稱為耐藥性變異。自從抗菌藥物廣泛應用以來，耐藥菌株逐年增多，如耐青霉素的金黃色葡萄球菌菌株，已從1946年的14%上升至目前的80%以上。有些細菌可同時耐受多種藥物，即多重耐藥性菌株。細菌耐藥性變異給臨床治療帶來很大的困難，為減少耐藥菌株的出現(xiàn)，應避免盲目使用抗菌藥物。用藥前應盡量做藥敏試驗，并根據(jù)藥敏結果選擇用藥。三、耐藥性變異四、毒力變異細菌的毒力變異表現(xiàn)為毒力的減弱或增強?？ń槊纾˙CG）就是由卡（Calmette）、介（Guerin）兩人將有毒力的牛型結核分枝桿菌經(jīng)13年長期培養(yǎng)、連續(xù)傳230代后，獲得的細菌毒力高度減弱但仍保持免疫原性的變異株。無毒力的白喉棒狀桿菌，當感染β-棒狀桿菌噬菌體后，可獲得產(chǎn)生白喉毒素的能力，變?yōu)橛卸局辍５诙?jié)細菌遺傳變異的物質基礎細菌染色體質粒噬菌體轉座因子決定細菌遺傳變異的物質基礎是DNA，包括細菌的染色體及染色體外的質粒、噬菌體、轉座因子。概述.細菌的染色體是環(huán)狀雙螺旋的DNA長鏈，按一定結構反復回旋折疊成松散的網(wǎng)狀結構，附著在橫隔中介體或細胞膜上，無核膜包繞，不含組蛋白。以大腸埃希菌為例，染色體約長1000～1400μm，相當于菌體長度的1000倍，整個染色體含5000多個基因一、細菌染色體.質粒（plasmid）是細菌染色體外的遺傳物質，為環(huán)狀閉合的雙股DNA。二、質粒（一）質粒的基本特征1．自我復制質粒可自我復制，并隨細菌的分裂傳入子代細菌。2．賦予細菌特殊性狀質?；蚰芫幋a細菌的某些特殊性狀，如致育性、耐藥性、致病性等。3．非細菌生命活動必需質粒不是細菌生命活動不可缺少的遺傳物質，可自行丟失或消除。細菌丟失質粒后可照樣生存。二、質粒（一）質粒的基本特征4．轉移性質?？赏ㄟ^接合、轉化或轉導等方式在細菌間轉移。5．相容性與不相容性質粒分為相容性和不相容性兩種。幾種不同質粒共存于一個細菌內(nèi)稱為相容性；幾種質粒不能共存于一個細菌內(nèi)稱為不相容性。二、質粒（二）醫(yī)學上重要的質粒1．致育質粒（F質粒）F質粒具有編碼性菌毛的功能。帶有F質粒的細菌，稱為雄性菌。2．耐藥質粒（R質粒）耐藥質粒亦稱R因子，決定細菌耐藥性的產(chǎn)生。二、質粒（二）醫(yī)學上重要的質粒3．細菌素質粒細菌素質粒編碼各種細菌產(chǎn)生的細菌素，如Col質粒編碼大腸埃希菌的大腸菌素。細菌素對同品系或近緣細菌具有抑制作用。4．毒力質粒（Vi質粒）毒力質粒編碼與細菌致病性有關的毒力因子。二、質粒噬菌體（bacteriophage）是能感染細菌、真菌、放線菌、螺旋體等微生物的病毒。噬菌體的化學成分是核酸和蛋白質。噬菌體個體微小，需用電子顯微鏡觀察。其基本形態(tài)有蝌蚪形、微球形、線形三種，以蝌蚪形居多。蝌蚪形噬菌體有頭部和尾部，頭部內(nèi)含遺傳物質核酸，尾部與吸附宿主有關。噬菌體具有嚴格的宿主特異性，可利用噬菌體對細菌進行鑒定與分型。三、噬菌體.能在宿主菌中增殖并引起細菌裂解的噬菌體稱為毒性噬菌體。噬菌體DNA進入菌體后即以自身DNA為模板進行復制，并合成外殼蛋白質，經(jīng)裝配形成子代噬菌體。當子代噬菌體達到一定數(shù)目時，菌細胞裂解，此過程稱為溶菌周期或復制周期。1．毒性噬菌體三、噬菌體噬菌體感染宿主菌后，不引起宿主菌裂解，而是噬菌體的基因整合于細菌染色體中，這樣的噬菌體稱為溶原性噬菌體或溫和噬菌體，此過程稱為溶原周期。整合在細菌染色體中的噬菌體基因稱為前噬菌體；帶有前噬菌體基因的細菌稱為溶原性細菌。前噬菌體可偶爾自發(fā)地或在某些理化和生物因素的誘導下，脫離宿主菌染色體進入溶菌周期，導致細菌裂解。2．溶原性噬菌體三、噬菌體2．溶原性噬菌體三、噬菌體轉座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，不斷改變其在基因組中的位置，從一個基因組移到另一個基因組中。四、轉座因子插入序列1插入序列是最小的轉座因子，長度不超過2kb，不攜帶任何已知信息，往往在插入后與插入點附近的序列共同起作用。四、轉座因子轉座子2轉座子長度一般超過2kb，除攜帶與轉位有關的基因外，還攜帶耐藥基因、毒素基因及其他結構基因等。四、轉座因子轉座噬菌體3轉座噬菌體是具有轉座功能的溶原性噬菌體。當前噬菌體整合到細菌染色體上時，便能改變?nèi)茉约毦哪承┥飳W性狀。當前噬菌體從細菌染色體上脫離時，可帶走鄰近的細菌DNA片段，因而轉座噬菌體在細菌遺傳物質轉移過程中還可起載體作用。四、轉座因子第三節(jié)細菌變異的機制基因突變基因的轉移與重組細菌的遺傳性變異是基因結構發(fā)生改變所致，主要通過基因突變、基因轉移與重組兩種方式實現(xiàn)。概述.基因突變（mutation）是指細菌的遺傳基因發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，導致細菌性狀的遺傳性變異。突變包括基因突變和染色體畸變兩種。一、基因突變.基因突變又稱點突變或小突變，是指基因中某一個或幾個堿基對發(fā)生的改變，一般只引起極少數(shù)細菌發(fā)生少數(shù)性狀變異。細菌基因突變包括堿基置換、插入、缺失及轉位因子的轉位等。染色體畸變是指大段DNA發(fā)生改變，亦稱大突變，常導致細菌死亡。一、基因突變.基因突變的自然突變率極低，僅10-9～10-6，若用高溫、紫外線、X射線、烷化劑、亞硝酸鹽等理化因素誘導細菌突變，可使突變率提高10～1000倍。一、基因突變遺傳物質由供體菌進入受體菌體內(nèi)的過程稱為基因轉移（genetransfer）。轉移的基因與受體菌DNA整合在一起，稱為重組（recombination）?；蜣D移與重組的方式主要有轉化、接合、轉導、溶原性轉換四種。二、基因的轉移與重組轉化（transformation）是指受體菌直接從周圍攝取供體菌游離的DNA片段，與自身基因重組后獲得新遺傳性狀的過程。例如有莢膜的肺炎鏈球菌（Ⅲ型），形成光滑型（S型）菌落，稱為ⅢS型肺炎鏈球菌（有毒力）；無莢膜的肺炎鏈球菌（Ⅱ型），形成粗糙型（R型）菌落，稱為ⅡR型肺炎鏈球菌（無毒力）。ⅡR型肺炎鏈球菌攝取ⅢS型肺炎鏈球菌的DNA片段與自身基因重組后，即轉化為有莢膜、有毒力的肺炎鏈球菌，由ⅡR型菌轉變?yōu)棰骃型菌。（一）轉化二、基因的轉移與重組（一）轉化二、基因的轉移與重組接合（conjugation）是指供體菌通過性菌毛與受體菌連接并將遺傳物質（主要是質粒DNA）傳遞給受體菌的過程。能通過接合方式轉移的質粒稱為接合性質粒，主要包括F質粒、R質粒、Col質粒和毒力質粒等。（二）接合二、基因的轉移與重組1．F質粒接合帶有F質粒的雄性菌，通過性菌毛將F質粒的一條DNA鏈傳遞給無性菌毛的雌性菌，質粒DNA復制后，雌性菌獲得F質粒，也具有了形成性菌毛的能力，轉變?yōu)樾坌跃６?、基因的轉移與重組2．R質粒接合R質粒由耐藥傳遞因子（resistancetransferfactor，RTF）和耐藥決定因子（r決定因子）兩部分組成。耐藥傳遞因子編碼性菌毛，功能與F質粒相似。耐藥決定因子編碼對抗菌藥物的耐藥性。這兩部分可以單獨存在，也可以結合在一起成為復合物，但只有兩部分結合在一起時，才能將耐藥性轉移給其他細菌。細菌攜帶的多重耐藥性質粒也可通過性菌毛轉移給其他細菌，從而導致細菌耐藥性的擴散，這也是近年來耐藥菌株日益增多的一個重要原因。二、基因的轉移與重組轉導（transduction）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(nèi)，使受體菌獲得新性狀的過程。（三）轉導二、基因的轉移與重組1．普遍性轉導（generalizedtransduction）當溫和噬菌體終止溶原周期變?yōu)槎拘允删w時，噬菌體在胞質內(nèi)復制。噬菌體裝配時，誤將細菌染色體DNA片段包進噬菌體衣殼，當這種錯誤裝配的噬菌體再次感染受菌體時，可把供體菌的遺傳物質轉移給受體菌。由于錯誤包裝的DNA片段可以是供體菌染色體上的任何部分，故稱為普遍性傳導。二、基因的轉移與重組2．局限性轉導（restrictedtransduction）溫和噬菌體在終止溶原狀態(tài)脫離原宿主菌時，發(fā)生偏差脫離，連同相鄰的一段細菌染色體基因包進噬菌體衣殼內(nèi)，當再感染其他細菌時，將原宿主菌的基因轉移給新宿主菌，使受體菌獲得供體菌的某些遺傳性狀。由于這種轉導只限于供體菌DNA上個別的特定基因，故稱為局限性轉導。二、基因的轉移與重組溫和噬菌體感染細菌后，其基因整合于宿主菌染色體中，此狀態(tài)下的細菌稱為溶原性細菌。溶原性細菌因DNA結構改變而獲得噬菌體基因賦予的新性狀，稱為溶原性轉換（lysogenicconversion）。如無毒性的白喉棒狀桿菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌、肉毒梭菌等均可因噬菌體感染呈溶原狀態(tài)，產(chǎn)生外毒素。（四）溶原性轉換二、基因的轉移與重組第四節(jié)細菌的遺傳變異在醫(yī)學中的應用在疾病診斷、治療與預防中的應用在測定致癌物質中的應用在基因工程中的應用（一）病原學診斷細菌變異給細菌性疾病診斷中的病原體的確認帶來很多困難。細菌的變異可發(fā)生在形態(tài)、結構、染色性、免疫原性、生化特性、毒力等方面，如金黃色葡萄球菌以產(chǎn)生金黃色色素著稱，而耐藥菌株多產(chǎn)生灰白色色素；從臨床新分離的傷寒沙門菌中有10%無鞭毛、動力試驗（－），患者也不產(chǎn)生鞭毛（H）抗體；在進行肥達試驗時不出現(xiàn)H凝集或凝集效價很低，這些都給試驗結果的判斷帶來一定的困難。因此，在臨床細菌學檢查中，不僅要熟悉細菌的典型特征，還要了解細菌變異的規(guī)律，這樣才能做出正確的診斷。一、在疾病診斷、治療與預防中的應用（二）臨床治療由于抗生素的廣泛應用，耐藥菌株日益增多，并且已發(fā)現(xiàn)多重耐藥菌株的存在，這些給感染性疾病的治療造成很大困難。為了提高抗菌藥物的療效，防止耐藥菌株擴散，治療時應注意：①根據(jù)藥敏試驗結果選擇藥物，減少盲目用藥。②用藥應足劑量、全療程，通過正規(guī)治療徹底殺滅病原菌。③對易耐藥的菌株或長期用藥的慢性疾病，應合理配伍、聯(lián)合用藥，以減少細菌耐藥性的產(chǎn)生。一、在疾病診斷、治療與預防中的應用（三）傳染病防治篩選或誘導減毒變異株制備減毒疫苗，用于人工自動免疫，是提高人群免疫力、預防傳染性疾病發(fā)生的有效措施。一、在疾病診斷、治療與預防中的應用.一般認為，基因突變是導致細胞惡性轉化的重要原因。凡能誘導細菌基因突變的物質均為可疑致癌物。據(jù)此，以細菌為實驗對象，選用某營養(yǎng)缺陷型細菌作為實驗菌，以可疑致癌化學物質作為誘變劑，把細菌