第5章 Heredity and Variation 细菌的遗传和变异

遗传性变异（ genotype基因型变异） 非遗传性变异（ phenotype表型变异） 基因改变 + - 遗传 可逆性 外界环境 变异幅度 个别细胞 群体

细菌的变异现象 形态、结构变异 毒力变异 耐药性变异 菌落变异

形态结构变异 3-6%食盐 鼠疫耶氏菌 多形态性          陈旧培基物

青霉素、溶菌酶 正常形态细菌 L型变异 抗体或补体 (部分或完全失去胞壁)

42-43℃ 炭疽杆菌 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天 特殊结构的变异   42-43℃ 炭疽杆菌 失去形成芽胞能力, 毒性降低 10-20天          变形杆菌 0.1%石炭酸 迁徙生长（H） 点状生长、单个菌落（O） 鞭毛变异

毒力变异 增强 β棒状噬菌体 白喉棒状杆菌 获得白喉毒素 减弱 胆汁、甘油、马铃薯培养基 牛分枝杆菌 卡介苗                     13年(230代)

耐药性变异 细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。 金黄色葡萄球菌 有些细菌还同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。 含链霉素培基 痢疾杆菌 依链株             长期培养

细菌遗传变异的物质基础 基因组：染色体和染色体外遗传物质 质粒 前噬菌体 转位因子

质粒（plasmid） 细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。带有遗传性息，能自行复制，随细菌分裂转移到子代细胞，并非细菌生长所必需。 特征 自我复制能力 编码产物赋予细菌某些性状特征 可自行丢失与消除 转移性 相容性和不相容性

几种重要的质粒 致育质粒（F质粒） 耐药质粒 毒力质粒（Vi质粒） 细菌素质粒 代谢质粒

bacteriophage, phage obligate intracellular parasites, they are viruses that infect bacteria

生物学性状 形态与结构 蝌蚪形、微球形和丝形 化学组成 蛋白质与核酸

噬菌体

噬菌体的种类 virulent phage毒性噬菌体 temperate phage温和噬菌体/ lysogenic phage溶原性噬菌体 能在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌，称为毒性噬菌体 temperate phage温和噬菌体/ lysogenic phage溶原性噬菌体 噬菌体基因与宿主菌染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌的分裂而传代

毒性噬菌体复制周期Life Cycle Adsorption吸附 Penetration穿入 Biological Synthesis生物合成 Maturation and Release成熟和释放

温和噬菌体 前噬菌体（prophage） 溶原性细菌（lysogenic bacterium） 溶原性（lysogeny） 溶原状态 溶原性周期和溶菌性周期 溶原性转换

prophage: 整合在细菌基因组中的噬菌体基因组 溶原性细菌

lysogenic conversion溶原性转换 当细菌处于溶原期时，有时由噬菌体携带的外源基因会在宿主菌内表达，从而改变了细菌的某些生物学性状 白喉棒状杆菌、A群链球菌、肉毒梭菌、产气荚膜梭菌、霍乱弧菌

Transposable element转位因子 是存在于细菌染色体或质粒DNA分子上的一段可移动的遗传的遗传元素，它能在一个基因组内或不同的基因组间从一个位置移动到另一个位置 Insertion sequence Transposon，Tn phage

插入序列（insertion sequence,IS） 是最小的转位因子，＜2kb，不携带任何已知与插入功能无关的基因区域 转座子（transposon,Tn） ＞2kb，除携带与转位有关的基因外，还携带耐药性基因、抗金属基因、毒素基因及其他结构基因。 可能与细菌的多重耐药性有关。 IS Resistance Gene(s) Tn

转座子的特征 转座子 携带耐药或毒素基因 Tn1 Tn2 Tn3 AP（氨苄青霉素） Tn4 AP、SM（链霉素）、Su（磺胺） Tn5 Km（卡那霉素） Tn6 Km Tn7 TMP（甲氧苄氨嘧啶）、SM Tn9 Cm（氯霉素） Tn10 Tc（四环素） Tn551 Em（红霉素） Tn971 Em Tn1681 大肠埃希菌（肠毒素基因）

转座噬菌体 是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，含有与转位功能有关的基因等，能整合到宿主染色体的任何位置，导致宿主菌突变。

细菌遗传性变异机制 基因的突变和损伤后修复 基因的转移和重组

基因的转移和重组 基因转移（gene transfer） 重组（ recombination） 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。 重组（ recombination） 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。 细菌的基因转移和重组可通过转化、接合、转导等方式进行。

转化（transformation） 供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取，并整合到受体菌基因组中，使受体菌获得新的性状。

转化试验

转化因子（transforming principle ） 在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子 ，分子量小于107，最多不超过10~20个基因。 感受态（competence）

接合（conjugation） 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。 接合性质粒：能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，F质粒、R质粒、Col质粒和毒力质粒等。

F质粒的接合 F+ F+ F- F+ F- Donor Recipient F+ F+ F+ F+

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，多重耐药性很难用基因突变解释。 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。 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 耐药传递因子（resistance transfer factor,RTF） 耐药（r）决定子

转导（transduction） 以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的性状。 普遍性转导（generalized transduction） 局限性转导（restricted transduction）

generalized transduction 普遍性转导 毒性噬菌体在复制过程中，或者前噬菌体从溶原菌染色体上脱离而进入裂解期的后期，噬菌体的DNA已大量复制，子代噬菌体结构蛋白亦已合成，同时噬菌体DNA编码的核酸酶将宿主菌染色体切割成大小不一的DNA片段。在噬菌体DNA组装入衣壳蛋白组成新的噬菌体时，有10－6几率，误将细菌的DNA片段装入噬菌体的衣壳蛋白，成为一个转导噬菌体。转导噬菌体感染另一宿主菌时，即将其头部的原供体菌染色体DNA片段注入受体菌内。因为这种错误包装是随机的，供体菌染色体上的任何部分都可能被包装入转导噬菌体，故称为普遍性转导。

供体菌 受体菌 转导噬菌体 细菌DNA 噬菌体DNA

结果 完全转导 流产转导 整合 未整合

restricted transduction局限性转导 或称特异性转导， 所转导的只限于供体菌染色体上特定的基因。 溶原期时，噬菌体DNA整合在细菌染色体特定部位，噬菌体DNA发生偏差分离，将自身的一段DNA留在细菌染色体上，而带走了细菌DNA上两侧的基因。当其转导并整合到受体菌中，使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。所转导的只限于供体菌上个别的基因。

受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗传特性 普遍性转导与局限性转导的区别 区别要点 普遍性转导 局限性转导 基因转导发生的时期 裂解期 溶原期 转导的原因 错误的装配 前噬菌体的偏差切离 转导的遗传物质 供体菌染色体DNA任何部位或质粒 噬菌体DNA及供体菌DNA的特定部位 转导的后果 受体菌随机获得供体菌的任何遗传特性 受体菌获得供体菌DNA特定部位的遗传特性

基因来源 转移方式 transformation 供体菌 直接摄取 conjugation 性菌毛 transduction 噬菌体为载体 lysogenic conversion 噬菌体 整合

细菌遗传变异的实际意义 在疾病的诊断、治疗与预防中的应用 在测定致癌物质中的应用 在流行病学中的应用 在基因工程中的应用

在疾病的诊断、治疗与预防中的应用 形态、结构、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面的变异，使得诊断复杂化 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 减毒菌株和无毒株可制备成疫苗

在测定致癌物质中的应用 凡能诱导细菌发生突变的物质都有可能是致癌物质。 Ames实验 伤寒沙门菌（his-） （his+）

在流行病学中的应用 分子生物学分析方法已被用于流行病学调查 质粒指纹图（PFP） 对噬菌体的敏感性，对细菌素的敏感性

在基因工程中的应用 基因工程是根据遗传变异中细菌可因基因转移和重组而获得新性状的原理设计的 切取目的基因→连接到载体上→转移到工程菌内，大量表达目的基因产物 目前已大量生产胰岛素、干扰素、多种生长激素、rIL-2等细胞因子和乙肝疫苗等生物制品