细菌的遗传 与变异

微生物教研室 李争鸣

一、熟悉细菌的变异现象。

二、了解细菌遗传变异的物质基础。

三、熟悉细菌变异的机制（难点）。

四、掌握细菌变异在医学中的应用。

学习目的及要求

细菌和其他微生物一样 , 具有遗传性和变异性。

遗传（ heredity): 子代与亲代之间的生物学性状相同，且代代相传，这种现象称之。

变异（ variation ）：子代和亲代之间出现了差异，则称之。

第一节　细菌的变异现象 一、形态与结构的变异 1. 细菌的 L 型变异 有些细胞壁缺陷细菌在高渗环境中仍可生长，但由于细胞壁缺损不能维持其固有形状，而呈现出大小不等的球形、杆状、长丝状或多形态，称为 L 型菌。

L 型菌革兰染色呈阴性，在含血浆的高渗培养基上缓慢长成“油煎蛋” 样菌落。

2 ．荚膜变异 肺炎链球菌 3 ．芽孢变异 炭疽杆菌 42℃ 10-20 天 失去芽孢

4 ．鞭毛变异 （ H-O 变异） 变形杆菌点种 1% 石炭酸培养基上 失去鞭毛。

二、菌落变异（ S-R 变异） 多见于肠道杆菌，变异的物质基础为革兰氏阴性菌细胞壁外膜的脂多糖蛋白质复合物中，失去了末端的特异寡糖，从而暴露了非特异的核心多糖。因此失去相应的O 特异性抗原，毒力及生化反应亦随之改变。

三、毒力的变异 表现为毒力增强或减弱。

卡介二氏（ Calmette-Guerin ）将有毒力的结核杆菌在含有胆汁、甘油、马铃薯的培养基上连续传代，经 13 年 230 代获得了减毒但保持抗原性的菌株，称为卡介苗（ BCG ），用于预防结核。

四、耐药性变异（重点）

细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药称之。

第二节　细菌遗传变异的物质基础

　　

一、细菌染色体　　细菌的核区域有盘旋堆积的 DNA纤维。 自大肠杆菌提取的 DNA，分子量为 2.4×109 d,仅为人体细胞 DNA量的 0.1% 。如按每个基因由平均为1000个碱基对估计，大肠杆菌的 DNA约为 4×106个碱基对，因此约有 4000个基因，可编码几千种多肽。 细菌染色体 DNA与其他生物相同，由互补的双链核苷酸组成。但细菌的染色体不含有组蛋白，基因是连续的，无内含子。

二、质粒 是细菌染色体以外的遗传物质。是一段环状闭合的 DNA，其分子量远比染色体为小，仅为细菌染色体 DNA的 0.5 ～ 3% 。

质粒的特性 : 1 ．质粒并非细菌生存所必需的遗传物质。

2 ．质粒可自行失去或经人工处理而消失。

3 ．质粒可以独立复制。 4 ．质粒可通过接合、转化和转导等方式在细菌之间转移。

5．质粒可分相容性与不相容性两种，几种不同的质粒同时共存于同一细菌内称相容性。

质粒亦可携带遗传信息，可决定细菌的一些生物学特性，如：

① F质粒 编码致育因子（ F因子），带 F因子的细菌为雄性菌。能长出性菌毛。 ② R 质粒 编码耐药性因子（ R 因子），带有 R 因子的细菌对抗菌药物可产生耐药性。③细菌素质粒 如 Col 质粒编码大肠菌素，对同品系或近缘的细菌具有抑制作用；④毒力质粒或 Vi 质粒 其编码产物与细菌的致病性有关。

三、转位因子 转位因子 为存在于细菌染色体或质粒上一段特异核苷酸序列片段，可在 DNA 分子中移动，不断改变其在基因组中的位置，能从一个基因组转移到另一个基因组中。分三类：

①插入顺序 是原核生物正常代谢的调节开关之一，不随带已知的信息，插入后才起作用。

②转座子 可随带信息，如可能与多重耐药性有关。

③转坐噬菌体 是具有转坐功能的溶原性噬菌体，以前噬菌体的形式整合到细菌染色体上，改变细菌的某些生物学性状。由于从染色体上分离时可能带走细菌的片段，故DNA 还可能在遗传物质转移过程中起载体作用。

四、噬菌体（ bacteriophage ）

第三节 细菌变异的机制

细菌变异

遗传性变异：

非遗传性变异：

因细菌基因结构发生改变，引起的变异。

遗传性变异是通过 来实现的基因突变

基因的转移与重组

是细菌在一定环境下引起的变异，其基因结构未改变，又称表型改变。这种变异是可逆的。

一、基因突变（ mutation ）： 由细菌本身的遗传物质的结构发生突然、稳定的改变，使细菌性状的遗传性变异。细菌基因突变可分碱基的置换、插入、缺失及转位因子的转位。

二、基因的转移与重组 外源性遗传物质进入某菌（受体菌）细胞内的过程称为基因转移。转移的基因与受体菌 DNA 整合在一起称为重组。外源性遗传物质包括供体菌的染色体 DNA片段，质粒 DNA及噬菌体基因。

受体菌获得外源性基因的方式有：

1 .转化（ transformation ） :受体菌直接从环境中摄取到供体菌的 DNA片段并整合到染色体 DNA上，从而获得供体菌的部分遗传性状的过程称之。在肺炎链球菌的实验中得到证实。

2. 转导（ transduction ） : 是以温和噬菌体为载体，将供体菌的一段 DNA转移到受体菌内，使其遗传基因发生改变的过程称之。

据转导基因片段的范围分普遍转导与局限性转导。

1 ）普遍性转导：当温和噬菌体终止溶原期而变为毒性噬菌体，误把细菌染色体片段或胞浆内的质粒包装在噬菌体衣壳里。则把供体菌的基因转移给受体菌。由于这种错误是随机的供体菌内任何基因片段都可能被转导，故称之。 2 ）局限性转导：温和噬菌体的基因以前噬菌体的形式整合在细菌染色体的某一特定位置，当前噬菌体从细菌染色体上脱落下来时，含有 10-6 机会发生偏差脱离，连同相邻的一段染色体上的基因一起包到噬菌体衣壳内 ,使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。由于所转移的只限于供体菌上的个别特定基因，故称之。

3.溶原性转换（ lysogenic conversion ）：

是当噬菌体感染细菌而使成为溶原状态时，噬菌体的基因整合到宿主菌的染色体中，使细菌 的结构发生改变而导致的变异。 4.接合（ Conjugation ）：是供体菌通过性菌毛与受体菌连接并将质粒 DNA传递给受体菌的过程。

1 ） F质粒的结合

2 ） R 质粒的结合

第四节　变异在医学中的实际应用

一、在细菌分类上的应用 DNA中的 G+C分类 ：不同种细菌其 DNA分子中所含的鸟嘌呤和胞嘧啶在四种碱基意量中所占的成分比所不同。亲缘关系密切，细菌 DNA中 G+C 的含量（Mol% ）相同或很接近；关系远者则 G+C量相差较大。

还可用 DNA分子杂交技术来比较两种细菌的 DNA链核苷酸序列间有无同源性。同一种细菌则同源性杂交率可为 100% 。因此，根据细菌基因组的相对稳定性，可鉴定出细菌间的相互关系。

二、在感染性疾病诊断中的应用　

三、在传染病预防中的应用

　　可用人工方法选择改变毒力的变异株制成减毒活疫苗。如卡介苗。

四、在感染性疾病治疗中的应用

　　耐药性菌株的出现是临床上存在的大问题。临床上强调对细菌做抗生素敏感试验，从而选用敏感药物有效地治疗，可避免在使用抗生素中提供出现耐药性突变株的条件。

五、检查致癌物质的作用

　　正常细胞发生遗传信息的改变可致肿瘤。因此导致突变的因素均被认为是可疑的致癌因素。

目前已被采用的 Ames 试验是以细菌作为诱变对象，以待测的化学因子作为诱变剂，将待测化学物质作用于鼠伤寒沙门菌的组氨酸营养缺陷型细菌后，将此菌接种于无组氨酸的培养基中。如果该化学物质有促变作用，则有少数细菌可回复突变而获得在无组氨酸培养基上生长的能力。这种以该菌株的回复突变作为检测致癌因子指标的方法比较简便 , 可供参考。

　 六、在遗传工程方面的应用 遗传工程 是人工对所需的目的基因进行分离剪裁，然后将目的基因与载体结合后，导入宿主细胞或细菌进行扩增获得大量的目的基因，或通过宿主表达获得所需的基因产物。

质粒与噬菌体都是较理想的基因载体。 通过将重组的基因（指目的基因通过限制性内切酶切割成互相能连接的末端与载体基因连接成重组基因）转化细菌（宿主），可以转入受体菌，通过筛选而获得克隆。质粒因具有耐药性标准，作为载体进行筛选大为方便。噬菌体则可利用其溶解细菌后在固体平板培养基中形成的噬菌斑予以克隆化。通过这些载体的利用，重组基因中的目的基因可被转入宿主细菌进行基因产物的表达，从而获得用一般方法难以获得的产品，如胰鸟素、生长激素、干扰素等。遗传工程技术还可应用于生产具有抗原性的无毒性的疫苗，这是预防传染病的一种新的途径。

课后小结：

本次课学习了细菌的变异现象。细菌同其他生物一样也可以变异。临床上常见的细菌变异有形态结构的变异、菌落的变异、毒力变异和耐药性的变异等。这些变异，有的是非遗传性变异，有的是遗传性变异。

细菌遗传性变异的物质基础有细菌染色体、质粒、转位因子和噬菌体等。注意噬菌体是寄生在细菌体内的病毒，但它也与细菌的变异有关。

细菌的变异机制包括基因突变和基因的转移和重组。重要的是后者，它包括转化、转导、溶原性转换和结合等方式。

我们学习细菌的变异目的是了解它在临床上如在疾病的诊断、治疗和预防，甚至是在基因工程等方面的应用。

复习思考题

1. 名词解释： H-O 变异、 S-R 变异、 BCG 、基因 重组、噬菌体、转化、转导、溶原性转换、接合。

2. 什么是质粒？有和特性？医学上重要的质粒有哪些？

3 . 细菌有哪些变异现象？了解细菌的这些变异有何实际意义？

Griffith(1928) 的试验：

1.活 无荚膜 粗造型　 肺炎链球菌（ RII）

小鼠 小鼠存活

2. 活 有荚膜光滑型肺炎链球菌 (SIII) 小鼠

3. 活 有荚膜光滑型（Ⅲ） 肺炎链球菌（活 SIII型）

加热杀死 小鼠 小鼠存活

4.死的 SIII活的 RII 小鼠混合 小鼠死亡

并分离出 SIII型菌

小鼠死亡 并分离出 SIII型菌

Smooth ,S

Rough , R

接合（ conjugation ）