细菌的遗传与变异

第4章细菌的遗传与变异本章节学习要点：1、掌握细菌变异机理：表型变异（诱导酶）和基因型变异（突变，基因的转移和重组包括转化、转导、溶原性转化和接合）；掌握细菌耐药性的定义；2、熟悉常见细菌变异现象及其在医学实践上的意义。熟悉细菌耐药的控制策略；3、了解噬菌体、溶原性细菌和溶原性状态的概念；了解抗菌药物的种类，耐药的产生机理。细菌和其他微生物一样，具有遗传性和变异性。细菌的形态、结构、新陈代谢、抗原性、毒力以及对药物的敏感性等都是由细菌的遗传物质所决定的。在一定的培养条件下这些性状在亲代与子代间表现相同，为遗传性。然而也可出现亲代与子代间的变异。如果细菌的变异是由于细菌所处外界环境条件的作用，引起细菌的基因表达调控变化而出现的差异，则称为表型变异。表型变异因为并未发生细菌基因型的改变，不能遗传，所以是非遗传变异。遗传使细菌保持种属的相对稳定性，而基因型变异则使细菌产生变种与新种，有利于细菌的生存及进化。第一节细菌的遗传物质1、细菌染色体细菌作为原核型微生物，虽没有完整的核结构，但却有核区（或核质）。在电镜下观察，核区有盘旋堆积的DNA纤维。细菌染色体DNA与其他生物相同，由互补的双链核苷酸组成。细菌的染色体与生物细胞染色体不同，前者不含有组蛋白，基因是连续的，无内含子。由于细菌核区DNA的功能与真核细胞染色体的功能相同，因此又称其为细菌染色体。2、质粒细菌的DNA除大部分集中于核质（染色体）内，尚有少部分（约1～2%）存在于染色体外，称为质粒。质粒与染色体的相似处为：质粒亦为双链环形DNA，不过其分子量远比染色体为小，仅为细菌染色体DNA的0.5～3%。质粒亦可携带遗传信息，可决定细菌的一些生物学特性。然而质粒却有一些与染色体DNA不同的特性。质粒的主要特征：1）质粒具有自我复制的能力，一个质粒是一个复制子。与染色体同步复制的质粒称紧密型质粒，与染色体复制不相关的质粒称松弛型质粒。2）质粒能编码某些特定性状，如致育性、耐药性、致病性等。3）质粒可自行丢失与消失，故质粒并非是细菌生命活动不可缺少的遗传物质。4）质粒可通过接合、转化或转导等方式在细菌间转移。根据质粒能否通过细菌的接合作用进行传递，将其分为接合性质粒（如F质粒和多数R质粒）和非接合性质粒。5）质粒的相容性和不相容性。根据质粒编码的生物学性状分为：1）致育质粒（F质粒）：具有接合功能，有性菌毛，雄性菌。2）耐药性质粒：分为接合性耐药性质粒（R质粒）和非接合性耐药性质粒（通过转导的方式传递）。3）毒力质粒（Vi质粒）：编码相关毒力因子。4）细菌素质粒：编码各类细菌素。5）代谢质粒：编码与代谢相关的酶类。3、噬菌体基因组：噬菌体是能感染细菌、放线菌、真菌、螺旋体的病毒。噬菌体分布广泛，凡是有细菌存在的场所，就可能有相应噬菌体的存在。噬菌体有严格的宿主特异性，只寄居于易感宿主菌体内。噬菌体1000万倍噬菌体进入细菌细胞后，能在敏感宿主菌内复制增殖并使之裂解的噬菌体称为毒性噬菌体有些噬菌体感染细菌后并不增殖，而是将其基因整合于细菌基因组中，成为细菌DNA的一部分，当细菌分裂时，噬菌体的基因亦随之分布至两个子代细菌的基因中。这种噬菌体称为温和噬菌体。整合在细菌DNA上的噬菌体基因称为前噬菌体，带有前噬菌体的细菌称为溶源性细菌溶源性噬菌体能正常繁殖，但这种带噬菌体的溶源状态有时能自发终止，结果导致噬菌体增殖而引起细菌裂解。用紫外线照射或过氧化氢等处理溶源性细菌，可诱导前噬菌体从细菌的DNA分开，而开始其溶菌性周期。偶尔溶源性细菌也可失去前噬菌体。4、转座因子：是细菌基因组中能改变自身位置的一段DNA序列，这种转座作用可发生在同一染色体上，也可发生在染色体和/或质粒间。转座因子分为插入序列和转座子。5、整合子：是一种运动性的DNA分子，具有独特结构可捕捉和整合外源性基因，使之转变成为功能性基因的表达单位。第三节基因的转移与重组遗传型变异可通过两个不同性质细菌之间发生遗传物质的转移和重组而实现.在基因转移中,提供DNA的细菌为供体菌,而接受DNA的细菌是受体菌。基因转移后获得重组的子代，即具有供体与受体菌二者的主要特性。实现基因转移需要两个基本条件：一是全部或部分供体菌的基因相应进入受体菌；二是在受体菌中形成重组（杂交）的基因组。基因转移(genetransfer)：外源性的遗传物质由供体菌转入某受体菌内的过程。基因重组(recombination)：转移的基因与受体菌DNA整合在一起。一、转化转化是受体菌直接摄取供体菌游离的DNA片段，通过与染色体重组，获得了供体菌的部分遗传特性。转化的DNA可以是细菌溶解后释放的，也可用人工方法抽提而获得。例：小鼠体内肺炎链球菌转化实验，说明存在转化。活的SIII肺炎球菌-----------小鼠病死；死的SIII肺炎球菌-----------小鼠健康；活的RII肺炎球菌-----------小鼠健康；活的RII+死的SIII-----------小鼠病死，可分离到活的SIII。活的RII+人工提取的SIIIDNA------小鼠病死，可分离到活的SIII，说明转化的物质是DNA。二、接合细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质从供体菌转给受体菌的方式称为接合。这一过程不是在所有细菌之间均可发生。只有那些具有F因子或类似F因子传递装置的细菌才能接合。接合中，有F因子的细菌相当于雄性菌。因此接合看作是细菌的有性生殖过程，又称为细菌杂交。F质粒接合F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipient除F因子外，耐药性质粒R因子中有些亦可通过接合而传递，另一些则不能传递。可通过接合转移的这类R质粒中除有耐药决定子（r-det）外，还有耐药传递因子(RTF)。RTF决定性菌毛的形成，通过接合而传递（如肠道杆菌）。如果只有r-det而无RTF则不能通过接合传递耐药性（如金葡菌）。必须经传递性质粒带动、噬菌体转导或以转化方式转入受体菌。三、转导以噬菌体为媒介，把供细菌的基因转移到受体菌内，导致后者基因改变的过程称为转导。分为普遍性转导和局限性转导。普遍性转导四、溶原性转换或原生质体融合有些温和噬菌体携带的基因接在细菌染色体上，可相当于遗传物质，也能决定细菌的某些特性。由噬菌体基因决定细菌的某些生物学特性称为溶原性转移。如，以β棒状杆菌噬菌体感染无毒的白喉杆菌后，可发生溶原性转换，形成产生外毒素的白喉杆菌。此外，溶血性链球菌产生红疹毒素的能力，以及沙门氏杆菌有特异性O抗原等，均通过溶原性转换获得。当各菌失去相应噬菌体后，则失去产生毒素或表达特异抗原特性。原生质体融合：将两者不同的细菌经溶菌酶或青霉素等处理，失去细胞壁成为原生质体后进行融合的过程。基因突变遗传型变异中常见的一种为突变，即细菌的基因结构发生偶然的改变。一般突变会导致所编码蛋白质的改变，从而使细菌出现新的特性或失去原有的某些特性。由于细菌每20～30分钟分裂一代，故突变株相对较多。细菌遗传物质的结构发生突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变异。当突变发生在DNA一对或少数几对碱基引起改变时，称为点突变。这类突变涉及碱基对的置换、增加或缺失。另一种类型的突变涉及大段DNA的改变如插入或缺失几百个碱基对，称为染色体畸变。在细菌中点突变较多见细菌的变异现象在细菌的生长繁殖过程中观察到为数众多的变异现象。在形态变异方面，细菌的大小可发生变异；有时细菌可失去荚膜、芽胞或鞭毛；有的细菌出现了细胞壁缺陷的L型细菌。S－R变异和H－O变异S型菌落R型菌落结构变异青霉素、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)正常霍乱弧菌霍乱弧菌L型细菌的耐药性变异：病原微生物对某种药物由敏感变成耐药的变异，称为耐药性或抗药性变异。细菌耐药性获得：突变、转化、转导、接合细菌耐药性转移：转化、转导、接合细菌耐药性变异：（1）耐药性变异的产生机制耐药性可通过诱导、突变和转移重组获得耐药性。在细菌细胞群中，一旦发生耐药性变异（突变），即可通过转化、转导和接合等方式之一传递给敏感的细菌。R质粒的危害性在于它携带着耐药基因，可自主复制，并传给下一代，同时还可转移至敏感菌株，甚至还可能转移给不同种类的细菌，因而有人把它称为传染性耐药因子。（2）细菌耐药性的机制*钝化酶的产生：如β—内酰胺酶；*药物作用的靶位发生改变：如链霉素结合位点细菌核糖体30S亚基上的S12蛋白的结构改变；*细胞壁通透性的改变：改变细胞壁的屏障作用，影响药物进入细胞内；*主动外排机制：新合成蛋白参与外排；（3）细菌耐药性的控制策略*合理使用抗菌药物：进行药敏试验，加强细菌耐药性的监测，指导临床选药。用药疗程尽量缩短，能用一种药就用一种，不轻易采用多种药物；严格掌握抗菌药物的局部应用、预防应用核联合用药，避免滥用抗生素；*严格执行消毒隔离制度：防止交叉感染；*加强药政管理：凭处方供药；农牧业尽量避免使用临床用药；*研制新抗菌药物：*研制质粒消除剂：*抗菌药物的“轮休”；细菌的毒力变异可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汗的甘油马铃薯培养基上连续传代，经13年230代获得了减毒但保持疫原性的菌株，目前称为卡介苗，用于人工接种以预防结核病。第五节遗传变异在医学上的意义1.影响细菌学诊断2.预防耐药菌株的扩散3.制备菌苗4.检测致癌物5.基因工程方面的应用第5章细菌的耐药性细菌耐药现状--自青霉素问世以来，多种细菌对多种抗生素的耐药性逐年上升。以金黄色葡萄球菌为例，已从1946年的5%上升到目前的80%以上。--细菌、病毒和真菌均可产生耐药性--一种细菌可产生对多种药物的耐药性（超级细菌的产生）--耐药性可在菌细胞和不同种的细菌中快速扩散，包括医院获得性感染(nosocomialinfection)--临床与药品商业第一节抗菌药物的种类及其作用机制一、抗菌药物的种类按抗菌药物化学结构和性质分：β-内酰胺类（青霉素、头孢菌素等）大环内酯类（红霉素、螺旋霉素、罗红霉素、阿奇霉素）氨基糖苷类（链霉素、庆大霉素、卡那霉素等）四环素类、氯霉素类、化学合成（磺胺类、喹诺酮类）按生物来源分细菌、真菌、放线菌二、抗菌药物的作用机制干扰细菌细胞壁的合成：青霉素损伤细胞膜的功能：多粘菌素影响蛋白质的合成：红霉素抑制核酸合成：利福平第二节细菌的耐药机制耐药性：细菌对某抗菌药物（抗生素或消毒剂）的相对抵抗性。耐药性的程度用药物的最小抑菌浓度（MIC）表示。临床上当某抗菌药的MIC小于治疗浓度－－敏感临床上当某抗菌药的MIC大于治疗浓度－－耐药耐药菌株：具有耐药性的细菌一、细菌耐药的遗传机制1.固有耐药性：如细菌对二性霉素B耐药2.获得耐药性：基因突变或获得新基因影响获得耐药性的因素：1）药物使用剂量2）细菌自发耐药突变3）耐药基因转移3、多重耐药性1）多重耐药性（MDR）：细菌同时对多种作用机制或结果完全不同的抗菌药物具有耐药性。即一种微生物对三类（比如氨基糖苷类、红霉素、β－内酰胺类）或三类以上抗生素同时耐药，而不是同一类三种。2）交叉耐药：病原体对某种药物耐药后，对于结构近似或作用性质相同的药物也产生耐药性。3）泛耐药菌：指对除粘菌素外的临床上所有分类的常用抗菌药物全部耐药。泛耐药菌株表现为对常规药敏试验的药物均耐药。超级细菌：临床上把对几乎所有抗生素有抗药性的细菌统称为超级细菌。“超级细菌”泛指临床上出现的多种耐药菌，如：耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）抗万古霉素肠球菌（VRE）耐多药肺炎链球菌（MDRSP）多重抗药性结核杆菌（MDR-TB）等。二、耐药的生化机制1.钝化酶的产生2.药物作用靶位的改变3.细胞膜通透性改变4.主动外排机制5.细菌生物被膜作用及其他1.钝化酶的产生常见的重要钝化酶有：①β-内酰胺酶②氨基糖甙