细菌的遗传与变异

遗传heredity：使细菌的性状保持相对稳定，且代代相传，使其菌种得以保存。

变异variation：在一定条件下，子代与亲代之间以及子代与子代之间的生物学性状出现的差异。

遗传heredity

细菌的遗传物质

1️⃣、染色体chromosome

• 多为一条环状双螺旋dsDNA，少数为两条环状双螺旋dsDNA或线性dsDNA
• 非编码序列少，大多数基因为单拷贝
• 功能相关的基因组成操纵子
• 不同细菌G+C含量不同，可作为分析种属关系、基因来源的依据
• 含有细菌致病岛 （Pathogenic island, PAI）

原核生物染色体上的相对独立的DNA片段，20～100kb

GC、寡聚核苷酸分布、密码子使用等与其所在染色体区域存在显著差异

常携带转座子、插入序列等移动元件及功能基因簇

可分为抗性岛、代谢岛、共生岛、毒力岛

2️⃣、质粒plasmid

• 自我复制性

紧密型质粒和松弛型质粒

• 赋予细菌独特的生物学性状

F、R、Col、Vi plasmids

质粒的种类多，而且在自然界细菌种群中分布复杂。F质粒具有致育性(fertility)，即编码性菌毛，介导细菌之间接合的能力。R质粒编码细菌耐药性，可控制细菌产生灭活药物的酶，或降低细胞膜对药物的通透性。Col质粒编码大肠埃希菌的细菌毒素代谢。Vi质粒(virulence plasmids)编码细菌毒力因子

• 可自行丢失或经诱导消除，但细菌仍存活
• 转移性 经接合、转化、转导在细菌间转移
• 相容性compatibility和不相容性incompatibility

3️⃣、噬菌体基因组bacteriophage/phage

4️⃣、细菌基因组中的转位因子transposable elements

转座元件（transposable element）：一类不依赖于同源重组即可在细菌或其他生物的基因组（染色体、质粒、噬菌体基因组）中改变自身位置的独特DNA序列，又称为跳跃基因

从基因组一个位置转移到另一个位置--即转位

三类转座元件

1. 插入序列IS

仅含有与转位相关的基因，两端反向重复，中心序列编码转座酶及与转录有关的调节蛋白

可独立存在也可成为转座子的一部分，插入后因为破坏基因读码框导致基因沉默

2. 转座子Tn

含转位相关基因及耐药、抗重金属、毒素等其他结构基因

可引起失活，也可带入耐药基因，引起耐药基因播散

3. 转座噬菌体Mutation-phage

Mu-噬菌体是以大肠杆菌为寄主的温和噬菌体，以裂解、溶原生长两种方式繁衍自己

Mu DNA为线状分子，分子量大，37Kb，含多个基因，整合到宿主染色体上会引起多个位点突变

噬菌体bacteria phage

概念：是感染细菌的病毒

特点

1. 个体微小，可通过细菌滤器；无细胞结构，主要由蛋白质衣壳和核酸组成；转性胞内寄生
2. 分布极广
3. 有严格的宿主特异性

结构

• 头部
• 颈部
• 尾部

尾领 尾鞘 尾髓 尾板 尾刺 尾丝

噬菌体与宿主菌的相互关系

噬菌体感染细菌有两种结果

• 裂解细菌，完成溶菌周期--毒性噬菌体
• 细菌不裂解，建立一种溶原状态--温和噬菌体

毒性噬菌体

能在敏感细菌中增殖引起细菌裂解的噬菌体

溶菌周期（复制周期）：

1. 吸附
2. 穿入
3. 生物合成
4. 装配
5. 成熟
6. 释放

噬菌现象

• 液体培养基：浑浊——澄清
• 固体培养基：出现噬斑（plaque） > 噬斑形成单位（plaque forming unit，PFU）通过噬斑计数，可计算一定体积内噬菌体数量

温和噬菌体

感染敏感菌后噬菌体的基因组整合于细菌染色体中

• 前噬菌体：整合在细菌染色体中噬菌体的基因组
• 溶原性细菌：带有前噬菌体的细菌

溶原性细菌的特征

• 能正常分裂并把前噬菌体传给子代
• 前噬菌体可编码阻遏蛋白抑制后进入的毒性噬菌体进行生物合成
• 整合的前噬菌体给细菌带来新的性状
• 前噬菌体可偶尔自发地或在某些理化和生物因素的诱导下，脱离宿主染色体进入溶菌周期，导致细菌裂解

噬菌体的应用

• 细菌的鉴定和分型
• 检测标本中的未知细菌
• 基因工程的工具
• 用于细菌性感染的治疗

变异variation

• 遗传性变异

基因结构改变，又称基因型变异，不受环境因素影响

新性状可以稳定遗传给后代

• 非遗传性变异

基因结构未改变，又称表型变异，易受环境因素影响

表型变异不能遗传

细菌变异的机制

1. 突变
2. 基因的转移和重组
   • 转化
   • 接合
   • 转导
   • 原生质体融合

细菌的变异种类

细菌基因突变

自发突变

诱发突变

转化transformation

供体菌游离的DNA片段直接进入受体菌，使受体菌获得新的遗传性状的现象

感受态时更容易吸收外源DNA

接合conjugation

细菌通过性菌毛相互连接沟通，将供体菌的遗传物质转移至受体菌，使受体菌获得新的遗传性状的过程。

interrupted mating: 细菌基因定位的一种实验方法

转导transduction

以噬菌体作为载体，将供体菌的遗传物质转移至受体菌中，使受体菌获得供体菌的部分遗传性状

分为以下两种⬇️

1. 普遍性转导generalized transduction

被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分

结果：

• 完全转导：供体菌的DNA与受体菌染色体重组，形成稳定的转导子而随之传代
• 流产转导abortive transduction：供体菌的DNA与受体菌染色体不能进行重组，转导的片段只能随细胞分裂沿单个细胞传递下去

2. 局限性转导restricted transduction

被转导的基因只限于前噬菌体两侧的供体菌基因

溶原性转换 lysogenic conversion

温和噬菌体感染宿主细菌后，以前噬菌体形式与细菌基因组整合，使宿主菌成为溶原性细菌，从而获得由噬菌体基因编码的某些性状

细菌的变异种类

1. 形态与结构变异

• 细胞壁缺陷型（L型变异）
• 细菌特殊结构变异

荚膜

鞭毛（H-O变异）

芽胞

2. 抗原性变异
3. 菌落变异（S-R变异）
4. 毒力变异（BCG）

BCG-卡介苗，是将有毒力的牛型结核分枝杆菌置于含甘油、胆汁和马铃薯的培养基中，经13年传230代，获得的一株毒力减弱而保留抗原性的变异株，用于结核病的预防

5. 耐药性变异

细菌变异现象及在医学上的应用

• 一、在细菌感染的诊断和防治中的作用
  1. 遗传物质是快速检测、鉴别、诊断的重要基础。PCR技术
  2. 细菌耐药变异与防控

耐药谱变化及耐药机制研究

正确选择抗菌药物

3. 细菌毒力变异与疫苗研制

毒力变异和减毒活疫苗研发

条件致死突变株和疫苗研发，例：ts突变株，见day5

• 二、致癌物质检测中的应用 突变概率小的细菌大量发生突变表示致癌

• 三、流行病分析方面的应用

• 四、在分子生物学方面的应用 工具酶（限制性内切酶、连接酶、核酸酶、Taq酶等）、载体、转座子、DNA重组方法（转化、接合、转导）都是细菌遗传和变异研究的延伸

• 五、基因工程方面的应用 大肠杆菌生产胰岛素等

细菌感染及其致病性

基本概念两条

1️⃣致病性：细菌对宿主感染致病的能力

2️⃣毒力：致病菌的致病性强弱程度称为毒力

半数致死量LD_50:在一定条件下能引起50%实验动物或组织培养细胞死亡的微生物数量或毒素剂量

半数感染量ID_50:上文“死亡”改成“感染”

病原菌的毒力物质

细菌的侵袭力

定义：病原菌突破宿主皮肤、黏膜生理屏障等免疫防御机制，进入体内定居、繁殖和扩散的能力

其包括：

1. 黏附素

一类细菌表面与黏附相关的蛋白质

细菌的黏附作用需要两个基本条件，即黏附素和宿主细胞表面的黏附素受体

分为菌毛黏附素和非菌毛黏附素两大类

配体与受体相结合的方式在细菌的黏附过程中最为多见

需要进一步看课本深入了解

2. 荚膜

• 抗吞噬细胞吞噬
• 抗体液中杀菌物质的作用
• 黏附作用

3. 侵袭性酶类

如致病性葡萄球菌凝固酶、链球菌透明质酸酶等

4. 侵袭素

• 概念：是由侵袭性基因inv编码的蛋白质

• 功能：介导细菌侵入临近的上皮细胞内

5. 细菌生物被膜

概念：是细菌及其所分泌的胞外多聚物（胞外多糖或蛋白质）附着在有生命或无生命的材料表面后形成的膜状结构，是细菌的群体结构

生物被膜的作用 ① 有利于细菌的黏附和附着; ② 阻挡抗生素等杀菌药物和免疫物质的作用; ③ 利于细菌之间的信息传递和致病基因的转移; ④ 与细菌耐药性的产生有关; ⑤ 与医院感染有关。

6. ……等等

细菌的毒素bacterial toxin

外毒素exotoxin

• 来源：是细菌合成并分泌的（或释放的）毒性蛋白质

• G+菌和部分G-菌产生 > G+菌：破伤风梭菌、肉毒梭菌、白喉棒状梭菌、产气荚膜梭菌、金黄色葡萄球菌等 > > G-菌：痢疾志贺菌、耶尔森菌、霍乱弧菌、肠产毒性大肠埃希菌、铜绿假单胞菌

• 外毒素的共同特征

  1. 化学本质是蛋白质

A亚单位是外毒素活性部分，可以决定其毒性效应（灭活这个）

B亚单位是结合亚单位，无毒素但免疫原性强（疫苗留这个）

2. 毒性作用强

3. 高度选择性

外毒因素对靶器官特定受体有亲和作用，因此仅对特定组织器官造成损害，引起特殊病症

4. 理化稳定性差

不耐热，60～80摄氏度，30min即可破坏

5. 抗原性强

甲醛可去A留B，类毒素toxoid

• 外毒素的类型

• 酶解作用Enzymatic Lysis

产气荚膜梭菌分泌alpha毒素（磷脂酶C），水解掉细胞膜的磷酸胆碱成分，使细胞膜裂解，最终导致细胞死亡

• 孔洞形成Pore Formation

金黄色葡萄球菌分泌alpha毒素（葡萄球菌溶血素），形成环状六聚体，在包膜形成孔洞，使红细胞、白细胞、血小板、肝细胞和成纤维细胞等胞内营养流失

• 抑制蛋白合成

白喉棒状杆菌分泌白喉毒素（A-B toxin），胞吞进细胞后A变为失活延长因子2，抑制核糖体上蛋白合成，导致细胞死亡（作用靶为心肌和神经细胞）

• 导致细胞机能亢进Hyperactivation

霍乱弧菌分泌霍乱肠毒素（B、A1、A2）作用于神经节苷脂受体，A1使腺苷环化酶活性增加，导致cAMP增加，促进肠粘膜细胞分泌功能，使肠液大量分泌，导致各种离子从细胞中丢失，最终细胞营养丢失，造成严重的腹泻和呕吐

• 作用于神经肌肉传导Effects on Nerve-Muscle Transmission

破伤风痉挛毒素tetanospasmin进入末梢神经，沿轴突逆行到达脊髓前角运动细胞，与脊髓前角抑制性神经元结合，封闭其释放抑制骨骼肌收缩的神经递质，使全身肌肉强直性收缩，出现破伤风所特有的肌肉痉挛、苦笑面容和角弓反张临床症状

内毒素endotoxin

1. 来源：G-细胞壁的LPS，在菌体崩解时释放
2. 化学成分与特性：脂类A + 非特异核心多糖 + O特异多糖
3. 对理化因素稳定：160摄氏度2～4h才被灭活
4. 毒性作用相对较弱且对组织无选择性
5. 不能用甲醛液脱毒而成为类毒素
6. 免疫原性较弱，注射机体可以产生相应抗体，但中和作用较差

内毒素的毒性作用

• 发热反应（热原质）：诱生的细胞因子作用于下丘脑体温调节中枢
• 白细胞反应：先降后升
• 内毒素血症于内毒素休克：小血管功能紊乱、微循环障碍，出现低血压、组织器官毛细血管灌注不足、缺氧、酸中毒、休克
• 弥漫性血管内凝血（DIC）

内毒素与外毒素的主要区别

引起感染的一些概念

1. 细菌侵入的数量

   • 毒力越强，引起感染所需菌量越小

2. 细菌侵入的部位

   • 必须侵入易感机体的适应部位才能引起感染

3. 其他影响因素

   • 毒力基因调控：毒力岛
   • 细菌的免疫病理作用
   • 环境因素：自然疫源性疾病
   • 细菌超抗原：具有超强能力刺激淋巴细胞增殖和刺激产生过量T细胞及细胞因子，金葡菌毒性休克综合征毒素
   • 细菌的体内诱生抗原

细菌的感染源与传播途径

感染源

• 外源性感染

  1. 患者
  2. 带菌者
  3. 病畜及带菌动物

• 内源性感染：来自患者体内或体表的细菌引起的感染

  1. 正常菌群
  2. 原发感染后重新感染

感染途径

感染的类型

1. 不感染

侵入病原菌数量不足，毒力很弱，入侵部位不适当或宿主具有高度免疫力

2. 隐性感染unapparent/亚临床感染subclinical infection

宿主免疫力较强，或侵入的病原菌数量少、毒力弱，感染后对机体损伤较轻，无或出现不明显临床症状，病原菌被彻底清除

可获得足够特异性免疫力

3. 潜伏感染latent infection

致病菌与机体暂时处于平衡状态，病原菌潜伏在病灶中，机体免疫力下降时即大量繁殖

4. 带菌状态

显性或隐性感染后，由于病原菌未被消灭而在体内继续存在一定时间，与机体免疫力处于相对平衡状态

5. 显性感染

免疫力较弱，或侵入的病原菌数量多、毒力强，使机体的组织细胞受损，生理功能改变，出现各种临床症状

• 急性感染：发病急，病程短，病愈后病原菌消失，如霍乱、流脑
• 慢性感染：发病慢，病程长（如结核、麻风）分为：1️⃣局部感染2️⃣全身感染

全身感染的类型

医院感染hospital infection

概念：又称医院内感染nosocomial infection或医院获得性感染hospital acquired infection

包括：

• 患者在住院期间发生的感染
• 患者在医院获得而在出院后发生的感染
• 患者入院时已发生的直接与前次住院有关的感染
• 医院工作人员在医院内获得的感染

医院感染的分类

按微生物来源分类

• 内源性医院感染：患者在医院内由于某种原因使自身寄居的正常菌群转变为机会性致病菌大量繁殖而导致的感染
• 外源性医院感染：患者遭受医院内非自身存在的微生物侵袭而发生的感染

交叉感染

环境感染

医院感染的病原体种类及特点

种类

• 细菌
• 真菌
• 病毒
• 寄生虫

特点

• 条件致病菌为主
• 耐药菌较多
• 菌群失调，优势菌过速生长，混合感染多

感染源

• 已感染的病人
• 带菌者或自身感染者
• 环境储源
• 动物感染源

传播途径

• 接触传播为主（直接接触、间接接触）
• 血液、血制品传播
• 呼吸道传播
• 消化道传播
• 药品、器械等媒介传播

医护人员是重要的传播媒介

易感人群

• 免疫缺陷者：AIDS、器官移植者、粒细胞缺乏症
• 新生儿、婴幼儿和老年人
• 有严重基础疾病：糖尿病、慢性肝病、慢性肾病、结缔组织病、恶性肿瘤
• 烧伤或创伤产生组织坏死者

创伤性诊疗措施

• 各种操作、导管、透析
• 静脉导管、气管切开后导管、器官插管、导尿管、心导管
• 异物植入、人工关节、人工心脏瓣膜
• 器官移植
• 污染手术

医院感染的预防和控制

• 加强管理（加强组织、加强医疗规章制度、加强消毒灭菌管理）
• 医院感染的监测
• 合理使用抗菌药物和医疗措施
• 卫生与健康教育