第5章  细菌的遗传与变异

复习提要

一、细菌变异的现象

遗传和变异是生物界的普遍现象。遗传使生物得以保存种属，使其性状保持相对稳定。变异则是生物进化的源泉，细菌为适应新的环境可在形态、结构、致病性、抗原性和毒力等方面发生变异，以求生存与发展。掌握细菌遗传变异规律，在疾病的诊断、治疗与预防中具有重要意义。

二、遗传变异的物质基础

细菌的基因组是指细菌染色体和染色体以外遗传物质所携带基因的总称。染色体外的遗传物质是指质粒DNA和转位因子等。

1．染色体  细菌染色体是单一的环状双螺旋DNA长链，有4000个以上基因。革兰阳性菌的染色体连接在中介体上，革兰阴性菌的染色体连接在细胞膜上。细菌染色体缺乏组蛋白，亦无核膜包围。

  2．质粒  质粒（plasmid)是染色体外的遗传物质，为环状闭合的双螺旋DNA分子。其主要特性有：①编码很多重要的生物学性状，如F质粒（fertilityplasmid)编码性菌毛，R质粒（resistance plasmid)编码细菌对抗菌药物或重金属盐类的耐药性；②具有自我复制能力；③不是细菌生命活动所必需，可自行丢失；④质粒可在细菌间转移，携带的性状也随之转移；⑤一个细菌可带有一种或几种质粒。

  3．转位因子  转位因子又称为“跳跃基因”，是存在于细菌染色体或质粒上的一段特异性DNA片段，它可在质粒之间或质粒与染色体之间随机转移，从而影响插入点附近基因的表达，亦可引入新的基因。转位因子主要有三类：

①插入序列（insertion sequence，IS)：是最小的转位因子，可能是原核细胞正常代谢的调节开关之一。

②转座子（transposon，Tn)：长度不超过2kb，不能独立复制，必须依附在染色体或质粒上与之同时复制。在结构上分为二个部分：一个中心序列和二个末端反向重复序列，后者与插入有关。中心序列带有遗传信息，如常带有一种或多种耐药基因、毒素基因及其他结构基因等。

③转座噬菌体或前噬菌体：是一些具有转座功能的溶原性噬菌体，当整合到细菌染色体上，能改变溶原性细菌的某些生物学性状，并在细菌基因转移过程中起载体作用。

三、细菌变异的机制

  （一)基因突变

突变（mutation)是细菌基因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。突变是随机的，不定向的。如耐药性变异中，抗生素只是起选择作用，除去敏感菌留下耐药菌，不是起诱导作用。

（二)基因的转移和重组

基因转移（gene transfer)是指外源性遗传物质由供体菌转入受体菌细胞内的过程，转移的基因与受体菌DNA整合在一起，使受体菌获得供体菌某些特性，称为重组（recombination)。细菌的基因转移与重组主要有四种方式：

1．转化（transformation)  是指受体菌直接摄取供体菌游离的DNA片段，获得新的性状。

2．接合（conjugation)  是指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。能通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒，不能通过性菌毛在细菌间转移的质粒称为非接合性质粒。带有F质粒的细菌有性菌毛，为雄菌（F^＋菌)，无性菌毛的无F质粒的细菌为雌菌（F^－菌)，F^＋菌可将F质粒转移给F^－菌，使之成为F^＋菌。

3．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，使后者获得新的性状。根据转导基因片段的范围，可分为普遍性转导（generalizedtransduction)和局限性转导（restricted transduction)。前者所转导的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分，发生在裂解期；后者只限于供体菌染色体上的特定的基因，发生在溶原期。

4．溶原性转换（lysogenic conversion)  是侵入细菌的噬菌体DNA与细菌的染色体发生重组，导致细菌的基因型的改变，获得新的性状。

四、细菌耐药性

1．细菌耐药性的概念  细菌耐药性分为固有耐药(intrinsic resistance)和获得性耐药(acquired resistance)，前者是指代代相传的天然耐药性，后者是指对原来敏感的抗菌药物产生了抵抗力。多重耐药性（multidrugresistance)是指细菌同时对多种作用机制不同（或结构完全各异)的抗菌药物具有耐性。

2．耐药性产生的生化机制 ①灭活作用：是细菌产生耐药性的最重要方式。细菌被诱导产生灭活酶，通过修饰或水解作用破坏抗生素，使之转化成为无活性的衍生物；②靶位改变：通过产生诱导酶对抗生素的作用靶位进行化学修饰，或通过基因突变造成靶位变异，使抗菌药物不能与靶位结合，失去杀菌作用；③药物累积不足：通过减少药物吸收或增加药物排出，使菌体内的抗生素浓度明显降低，不足以杀死细菌。

3．耐药性产生的分子机制  ①基因突变：由突变产生的耐药性一般只对一种或两种相类似的药物耐药，且比较稳定，突变频率较低。

②R质粒转移：细菌的耐药性质粒（R质粒)是由两部分组成：耐药传递因子（RTF)和耐药决定因子（r决定因子)，前者可编码性菌毛和通过接合转移，后者编码对抗菌药物的耐药性。R决定因子上可有多个携带耐药基因的转座子，是造成多重耐药性的原因。R质粒主要通过接合方式在细菌间转移，从而造成耐药性的广泛传播。

③转座子转移：当转座子插入某一基因时，一方面可引起插入基因失活产生基因突变，另一方面可因带入耐药基因，使细菌产生耐药性。转座子不需要核苷酸碱基对同源才能插入；宿主范围很广，可在G^＋菌和G^－菌之间转移；转座子的插入序列中碱基序列可重新组合，使耐药基因扩大，细菌的耐药水平提高；转座方式使耐药基因增多。因此，转座子与多重耐药菌株的产生和扩散有关。

4．对付细菌耐药性的措施  对临床分离的致病菌，原则上应先做细菌药敏试验，再合理选择用药，避免滥用抗生素。做好消毒与隔离，防止耐药菌株的产生和扩散。寻找新型抗感染药物和新的抗感染方法，提高宿主免疫力。

五  微生物基因组学

微生物基因组学(Genomics)是指利用全基因组DNA序列，研究微生物基因及其功能的学科。获得微生物的全基因组序列有助于了解病原微生物的致病机制及其与宿主的相互关系；寻找更灵敏及特异的微生物分子标记，作为诊断、分型等依据；促进抗微生物新药的开发和新疫苗的发展；为人类认识遗传疾病的机制提供参考。

试  题

【A型题】

1.质粒是：

A.细菌的一种特殊结构  B.染色体外的遗传物质DNA

C.细菌生命活动所必须的遗传物质  D.存在于胞浆内的RNA

E.须与核染色体同步复制

2.能在质粒之间或质粒与染色体之间自行转移的DNA片段称为:

A.耐药性传递因子　　　　　　　　　 B.R质粒

 C.转位因子　　　　　 　　　     D.F质粒

 E.r决定因子

3.哪一项能自行转移位置引起突变，除插入功能外，不带有其他遗传信息:

A.大质粒  B.小质粒

C.插入序列D.转座子

E.温和噬菌体

4.受体菌直接摄取供体菌的游离DNA片段而导致性状变异，称为:

A.溶源性转换　　  B.接合

 C.转导　　  D.转化

E.转座

5.细菌DNA的转化是否成功与哪一项无关:

A.受体菌是否处于感受态

B.转化的DNA片段的大小

C.供体菌DNA的浓度

D.体体菌DNA片段是否与受体菌基因组有同源性

E.进入受体菌的转化因子应是双链DNA

6.细菌间的接合是:

 A.通过性菌毛传递遗传物质

 B.通过普通菌毛传递遗传物质

 C.以温和噬菌体为媒介

　D.受体菌直接摄取供体菌的游离DNA片段

E.两种细菌原生质体发生融合

7.Hfr菌是:

 A.整合有转座子的细菌 B.含有R质粒的细菌

C.整合有前噬菌体的细菌  D.整合有F质粒的细菌

 E.不产生性菌毛的细菌

8.Hfr菌与F^－菌进行接合时，转移的基因主要是:

A.插入序列  B.游离的F质粒

C.染色体基因D.染色体基因和F质粒

E.F’质粒

9.染色体上整合有F质粒的细菌称为:

A.F^＋菌B.Hfr菌

C.F’菌  D.附加体

E.F^－菌

10.有关“接合”的叙述，哪一项是错误的：

A.F^＋菌与F^－菌进行接合时，转移的是F质粒

B.Hfr菌与F^－菌进行接合时，转移的主要是染色体基因

C.F’菌与F^－菌进行接合时，转移的是染色体基因和F质粒

D.F’菌与F^－菌进行接合后，失去F质粒

E.F^＋菌与F^－菌进行接合后，F^＋菌不变为F^－菌

11.R质粒中决定接合与复制的基因是:

 A.插入序列　　 　 　　　B.耐药性决定因子

 C.附加体　　　　　　 　　　 D.F质粒

　E.耐药性传递因子

12.有关“R质粒所致的耐药性”的叙述，哪一项是错误的：

A.耐药性不稳定 B.含有一种或多种耐药基因

C.主要通过接合方式在细菌间转移D.耐药性不易在异种细菌间转移

E.与产生灭活酶、靶位改变等有关

13.局限性转导转移的基因主要是:

 A.供体菌染色体上特定的基因

B.噬菌体DNA和供体菌染色体上特定的基因

C.供体菌染色体上任何一段基因

D.噬菌体DNA和供体菌染色体上任何一段基因

E.噬菌体DNA

14.流产转导是指噬菌体携带的外源性DNA片段:

A.未能进入受体菌而被核酸酶降解

B.进入受体菌后，未能与染色体整合，也不能自身复制

C.与受体菌染色体整合，随染色体而复制

 D.虽与受体菌染色体整合，但未能表达其性状

E.进入受体菌后，形成能自身复制的环状结构

15.白喉杆菌由无毒株变成产毒株的原因是由于:

 A.溶原性转换　　  B.接合

 C.转导　　  D.转化

　E.转座

16.细菌的转导和溶原性转换的共同特点是:

 A.供体菌与受体菌直接接触B.转移的是噬菌体DNA

 C.不需供体菌D.需温和噬菌体介导

 E.需毒性噬菌体介导

17.下列哪组基因转移方式均需要供体菌与受体菌直接接触:

 A.溶原性转换 、转导  B.接合、转导

 C.接合、原生质体融合  　　  D.转化、原生质体融合

　E.溶原性转换 、接合

18.传递型R质粒主要通过哪一种方式得以在细菌间广泛转移和传播:

A.细菌融合  　　  B.接合

 C.转导　　  D.转化

E.转座

19.由基因突变造成的耐药性:

A.由抗生素诱导产生B.较易转移

C.多为对单一抗生素的耐药性  D.不稳定

E.发生耐药性变异的是群体中的全部细菌

20.细菌同时获得多重耐药性的主要途径有:

 A.基因突变　　　　　 　　  B.R质粒的接合

 C.转座　  　  D.转化和R质粒的接合

E.转座和R质粒的接合

21.较少产生耐药性的细菌是:

 A.金黄色葡萄球菌   B.大肠杆菌

C.铜绿假单胞菌 D.结核分枝杆菌

E.A族溶血性链球菌

22.金黄色葡萄球菌耐甲氧西林的生化机制主要是:

A.产生灭活酶B.靶位改变

C.减少药物吸收 D.增加药物排出

E.旁路代谢

23.结核杆菌产生耐药性的分子机制主要是:

A.基因突变  医学三基B.R质粒接合转移

C.转座D.转导

E.转化

24.预防耐药菌株产生和扩散的主要措施是:

A.大剂量使用抗生素B.少量多次使用抗生素

C.使用广谱抗生素  D.多种抗生素联合使用

E.根据药物敏感试验，选择使用抗生素

25.细菌菌落由光滑型（S)变为粗糙型（R)，一般说明:

A.失去表面抗原 B.耐药性增加

C.从毒力弱变为毒力强 D.毒力不变

E.毒力、生化反应、抗原性等都有较广泛的改变

【X型题】

26.有关“细菌染色体”的叙述，哪几项是正确的：

 A.为环状双链DNA  B.含核蛋白，不含组蛋白

 C.无核膜、核仁 D.基因结构不连续，有内含子

 E.功能上密切相关的基因组成操纵子形式

27.质粒：

A.多为闭合环状双链DNA

B.具有自我复制的能力

C.是分子生物学研究的基因载体

D.不能通过转导方式在细菌之间转移

E.可在不同种属的细菌间转移

28有关“非接合性质粒”的叙述，哪几项是错误的：

A.具有自我复制的能力

B.可以噬菌体为载体在细菌之间转移

C.能通过性菌毛接合转移

D.可与接合性质粒结合并与之一同转移

E.通常比接合性质粒大

29.转座子：

 A.具有自我复制能力

　B.由1个中心序列与2个末端的反向重复序列组成

　C.具有编码转座功能和药物抗性的基因

　D.能在质粒与染色体之间自行转位

　E.引起的转位性突变不能返祖

30.具有性菌毛的有:

A.F^＋菌B.Hfr菌

C.F’菌  D.带有R质粒的细菌

E.F^－菌

31.普遍性转导与局限性转导的区别有：

 A.转移的载体不同  B.转移的机制不同

C.转移的频率不同  D.转移的基因不同

E.发生转移的时期不同

32.普遍性转导的特点是：

A.与烈性噬菌体有关

B.噬菌体可转导供体菌染色体任何一个基因

C.结局是完全转导或流产转导

D.转导频率高于局限性转导

E.可转移供体菌的质粒

33.为防止细菌耐药菌株的产生和扩散，应采取以下主要措施：

 A.原则上应根据药敏试验，选用抗菌药物

　B.做好消毒与隔离，防止耐药菌的交叉感染

C.对需要长期用药的细菌感染，应联合用药

D.加强细菌耐药性的监控

 E.大量使用广谱高效抗生素

34.有关“细菌毒力的增强或减弱”的叙述，哪几项正确：

A.一般因粗糙型变成光滑型而增强B.通过易感动物传代而增强

C.长期在人工培养基传代而减弱   D.失去形成菌毛的能力而减弱

E.溶源性转换后，可能增强

[思考题]

35．试述细菌的生物学性状变异及其在医学实践中的意义。

36．什么是质粒？有哪些主要特征？

37．试述细菌产生耐药性的生化机制和分子机制。怎样防止细菌耐药性的产生和扩散？

参考答案

【A型题】

 1.B 2.C 3.C 4.D5.E^*

 6.A 7.D^*8.C^* 9.B^*  10.D^*

11.E12.D^*  13.B14.B^*  15.www.lindalemus.com/jianyan/A^*

16.D17.C^*  18.B19.C^*  20.E

21.E22.B23.A24.E^*  25.E

【X型题】

26.A B C E 27.A B C E 28.C E

29.B C D E 30.A B C D 31.C^* E^*

32.B^* C^* E^* 33.A B C D 34.A B C D E

疑难解析

【题5】 转化是供体菌游离的DNA片段直接被受体菌摄取，使受体菌获得新的性状。转化的成功与否，一是取决于受体菌是否处于感受态，受体菌只有处于感受态时才能摄取游离的DNA；二是取决于供体菌DNA是否与受体菌基因组同源，只有同源才能进行重组。转化的DNA最多不超过10～20个基因。在摄入前，供体菌的双链DNA片段被受体菌表面的核酸内切酶切开，其中一条链进入受体菌，另一条链为进入提供能量。

【题7，8，9，10】带有F质粒的细菌称为F^＋菌。当F^＋菌与F^－菌杂交时，F质粒可转移到F^－菌中。F质粒进入受体菌后，能单独存在和自行复制，但有小部分可插入到受体菌染色体中，与染色体一起复制。整合后的细菌能高效地转移染色体上的基因，该菌被称为高频重组菌（highfrequency recombinant，Hfr)。当Hfr菌与F^－菌杂交时，F质粒起发动转移作用，能通过性菌毛，高效率地转移供体菌不同长度的染色体片段给受体菌，之后进行基因重组。因F质粒位于染色体末端，最后进入F^－菌，因此，F^－菌获得F质粒的机会是很少的。Hfr菌中F质粒也可从染色体上脱落，并可能带有整合位点邻近的染色体基因，这种F质粒称F′质粒，带F′质粒的细菌称为F′菌。F′菌与F^－菌杂交后，可使F^－菌获得F质粒和供体菌的基因。这种通过F′质粒的转移过程称为性导。附加体是既可自主复制又可与细菌染色体整合并一起复制的一种质粒。

【题12】 R质粒是细菌耐药性产生与传播的主要原因之一。 R质粒可存在于革兰阴性和革兰阳性菌中，前者如沙门菌、志贺菌、变形杆菌，后者如金黄色葡萄球菌等。R质粒主要通过接合方式转移，不仅可在同种细菌间转移，也可在不同种属的细菌间转移。R质粒的r决定子可以含有1个或多个耐药基因，决定对多种抗生素的耐药性。R质粒可自行丢失。

【题14】 在普遍性转导中，若噬菌体转导的外源性DNA与受体菌的DNA的整合、重组，随染色体复制而传代，称完全转导；若转导的DNA未能与受体菌染色体DNA整合，仍保存游离状态，也不自主复制，称为“流产转导”。

【题15】 溶原性转换是指前噬菌体DNA与细菌染色体重组而导致细菌的性状发生改变的过程。例如产毒性白喉杆菌的染色体上整合有β-棒状杆菌噬菌体，该噬菌体的tox基因编码产生白喉毒素，但其表达受宿主菌生理代谢的控制与调节。

【题17】溶原性转换与转导都需要温和噬菌体参与，但在转导过程中，噬菌体只起运载工具的作用，转移的是供体菌的基因，本身不参与宿主菌性状的改变。溶原性转换是温和噬菌体感染细菌时，噬菌体DNA整合到宿主菌染色体基因组中，使细菌获得新的性状。接合则需要供体菌与受体菌直接接触。

【题19】 由于基因突变是由个别碱基的置换、插入或缺失引起，只影响到一个或几个基因的改变，因此，基因突变所致耐药性多为对单一抗生素的耐药性。突变是稳定的，发生突变的细菌只是大量菌群中的个别菌。耐药性突变是细菌在未接触抗生素之前已经存在。抗生素在耐药性产生过程中主要起筛选作用，即抑制敏感菌的生长，使耐药菌大量生长繁殖。

【题24】 细菌耐药性的形成主要有：耐药基因（如R质粒)的转移、基因突变及生理性适应。为了提高抗菌药物的疗效，防止耐药菌株的出现和扩散，应合理科学使用抗菌药物，包括用药前做细菌药物敏感试验，足够剂量以及必要的联合用药等。少量多次用药，常不能将细菌彻底杀死，易形成生理性适应，导致某些耐药菌株的形成。盲目使用广谱抗生素、或多种抗生素联用，易破坏人体正常菌群，抑制敏感菌株，为少数的耐药突变株大量生长繁殖和扩散提供一个重要的选择压力。

【题31，32】 转导是以温和噬菌体为载体。普遍性转导与局限性转导最重要的区别是转移的基因不同。温和噬菌体在宿主菌内有两个周期：溶原期与裂解期。在溶原期，噬菌体DNA与供体菌染色体的特定部位整合，当温和噬菌体切离时发生偏差，将自身的一段DNA片段留在染色体上，而带出了整合位点邻近的基因。当这种缺陷性噬菌体再侵入受体菌时，就可将供体菌的特定基因及噬菌体DNA转移给受体菌，故称为局限性转导。在裂解期的后期，装配时发生错误，将细菌DNA误装于噬菌体内，当这种转导性噬菌体侵入受体菌时，就可将供体菌的基因带入受体菌。由于被转导的可以是染色体上任何一个基因，带有普遍性，故称为普遍性转导。普遍性转导与局限性转导转移的后果是受体菌获得供体菌的某些DNA。局限性转导频率较普遍性转导增加1000倍。