遺傳與變異是所有生物的共同生命特國(guó)家醫(yī)學(xué)考試網(wǎng)征。細(xì)菌亦是一種生物，其形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理代謝、致病性、耐藥性、抗原性等性狀都是由細(xì)菌的遺傳物質(zhì)所決定。遺傳（heredity)使細(xì)菌的性狀保持相對(duì)穩(wěn)定，且代代相傳，使其種屬得以保存。另者在一定條件下，若子代與親代之間以及子代與子代之間的生物學(xué)性狀出現(xiàn)差異稱變異（variation)。變異可使細(xì)菌產(chǎn)生新變種,變種的新特性靠遺傳得以鞏固，并使物種得以發(fā)展與進(jìn)化。
細(xì)菌的變異分為遺傳性與非遺傳性變異，前者是細(xì)菌的基因結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，如基因突變或基因轉(zhuǎn)移與重組等，故又稱基因型變異；后者是細(xì)菌在一定的環(huán)境條件影響下產(chǎn)生的變異，其基因結(jié)構(gòu)未改變，稱為表型變異�；蛐妥儺惓０l(fā)生于個(gè)別的細(xì)菌，不受環(huán)境因素的影響，變異發(fā)生后是不可逆的，產(chǎn)生的新性狀可穩(wěn)定的遺傳給后代。相反，表型變異易受到環(huán)境因素的影響，凡在此環(huán)境因素作用下的所有細(xì)菌都出現(xiàn)變異，而且當(dāng)環(huán)境中的影響因素去除后，變異的性狀又可復(fù)原，表型變異不能遺傳。
第一節(jié) 細(xì)菌的變異現(xiàn)象
一、形態(tài)結(jié)構(gòu)的變異
細(xì)菌的大小和形態(tài)在不同的生長(zhǎng)時(shí)期可不同，生長(zhǎng)過(guò)程中受外界環(huán)境條件的影響也可發(fā)生變異。如鼠疫耶爾森菌在陳舊的培養(yǎng)物或含30g/L NaCl的培養(yǎng)基上，形態(tài)可從典型的兩極濃染的橢圓形小桿菌變?yōu)槎嘈螒B(tài)性，如球形、酵母樣形、亞鈴形等。又如許多細(xì)菌在青霉素、免疫血清、補(bǔ)體和溶菌酶等因素影響下，細(xì)胞壁合成受阻，成為細(xì)胞壁缺陷型細(xì)菌（細(xì)菌L型變異)，L型的革蘭染色多為陰性，呈球形、長(zhǎng)絲狀或多形態(tài)性，在含血清的高滲低瓊脂培養(yǎng)基（含20％血清、5％NaCl、0。8%瓊脂)上能緩慢生長(zhǎng)，形成中央厚而四周薄的荷包蛋樣小菌落。
細(xì)菌的一些特殊結(jié)構(gòu)，如莢膜、芽胞、鞭毛等也可發(fā)生變異。肺炎鏈球菌在機(jī)體內(nèi)或在含有血清的培養(yǎng)基中初分離時(shí)可形成莢膜，致病性強(qiáng)，經(jīng)傳代培養(yǎng)后莢膜逐漸消失，致病性也隨之減弱。將有芽胞的炭疽芽胞桿菌在42℃培養(yǎng)10～20d后，可失去形成芽胞的能力，同時(shí)毒力也會(huì)相應(yīng)減弱。將有鞭毛的普通變形桿菌點(diǎn)種在瓊脂平板上，由于鞭毛的動(dòng)力使細(xì)菌在平板上彌散生長(zhǎng)，稱遷徙現(xiàn)象，菌落形似薄膜（德語(yǔ)hauch意為薄膜)，故稱H菌落。若將此菌點(diǎn)種在含1％石炭酸的培養(yǎng)基上，細(xì)菌失去鞭毛，只能在點(diǎn)種處形成不向外擴(kuò)展的單個(gè)菌落，稱為O菌落（德語(yǔ)Ohne hauch意為無(wú)薄膜)通常將失去鞭毛的變異稱為H－O變異，此變異是可逆的。
二、毒力變異
細(xì)菌的毒力變異包括毒力的增強(qiáng)和減弱。無(wú)毒力的白喉棒狀桿菌常寄居在咽喉部，不致��；當(dāng)它感染了β－棒狀桿菌噬菌體后變成溶原性細(xì)菌，則獲得產(chǎn)生白喉毒素的能力，引起白喉。有毒菌株長(zhǎng)期在人工培養(yǎng)基上傳代培養(yǎng)，可使細(xì)菌的毒力減弱或消失。如卡－介（Calmette-Guerin)二氏曾將有毒的牛分枝桿菌在含有膽汁的甘油、馬鈴薯培養(yǎng)基上，經(jīng)過(guò)13年，連續(xù)傳230代，終于獲得了一株毒力減弱但仍保持免疫原性的變異株，即卡介苗(BCG)。
三、耐藥性變異
細(xì)菌對(duì)某種抗菌藥物由敏感變成耐藥的變異稱耐藥性變異。從抗生素廣泛應(yīng)用以來(lái)，細(xì)菌對(duì)抗生素耐藥的不斷增長(zhǎng)是世界范圍內(nèi)的普遍趨勢(shì)。金黃色葡萄球菌耐青霉素的菌株已從1946年的14％上升至目前的80％以上。耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（methicillin resistant Staphylococcus aureus,MRSA)逐年上升，我國(guó)于1980年前僅為5％，1985年上升至24％，1992年以后達(dá)70%。耐青霉素的肺炎鏈球菌也達(dá)50％以上，1998年首次報(bào)道糞腸球菌耐萬(wàn)古霉素。有些細(xì)菌還表現(xiàn)為同時(shí)耐受多種抗菌藥物，即多重耐藥性（multiple resistance)，甚至還有的細(xì)菌變異后產(chǎn)生對(duì)藥物的依賴性，如痢疾志賀菌賴鏈霉素株，離開鏈霉素則不能生長(zhǎng)。細(xì)菌的耐藥性變異給臨床治療帶來(lái)很大的麻煩，并成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)上的重要問(wèn)題。
四、菌落變異
細(xì)菌的菌落主要有光滑（smooth ,S)型和粗糙 (rough,R) 型兩種。S型菌落表面光滑、濕潤(rùn)、邊緣整齊。細(xì)菌經(jīng)人工培養(yǎng)多次傳代后菌落表面變?yōu)榇植凇⒏稍�、邊緣不整，即從光滑型變�(yōu)榇植谛�，稱為S－R變異。 S－R變異常見于腸道桿菌，該型變異是由于失去LPS的特異性寡糖重復(fù)單位而引起的。變異時(shí)不僅菌落的特征發(fā)生改變，而且細(xì)菌的理化性狀、抗原性、代謝酶活性及毒力等也發(fā)生改變。
一般而言，S型菌的致病性強(qiáng)。但有少數(shù)細(xì)菌是R型菌的致病性強(qiáng)，如結(jié)核分枝桿菌、炭疽芽胞桿菌和鼠疫耶爾森菌等。這在從標(biāo)本中分離致病菌時(shí)，對(duì)如何挑選菌落具有實(shí)際意義。革蘭陰性菌如果失去細(xì)胞壁上的LPS，則細(xì)菌將失去特異性O(shè)抗原，出現(xiàn)抗原性的改變。如宋內(nèi)志賀菌具有兩個(gè)變異相，Ⅰ相為S型菌落，多從急性痢疾患者中分離到；而Ⅱ相為R型菌落，常由慢性患者或帶菌者體內(nèi)分離出。
第二節(jié) 細(xì)菌遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)
細(xì)菌的遺傳物質(zhì)是DNA，DNA靠其構(gòu)成的特定基因來(lái)傳遞遺傳信息。細(xì)菌的基因組是指細(xì)菌染色體和染色體以外遺傳物質(zhì)所攜帶基因的總稱。染色體外的遺傳物質(zhì)是指質(zhì)粒DNA和轉(zhuǎn)位因子等。
細(xì)菌染色體 細(xì)菌染色體是單一的環(huán)狀雙螺旋DNA長(zhǎng)鏈，附著在橫隔中介體上或細(xì)胞膜上。細(xì)菌染色體缺乏組蛋白，外無(wú)核膜包圍。以大腸埃希菌K12為例，染色體長(zhǎng)1300～2000μm，約為菌細(xì)胞長(zhǎng)的1000倍，在菌體內(nèi)高度盤旋纏繞成絲團(tuán)狀。染色體DNA的分子量為 3×109左右約含4700000bp，若以600bp構(gòu)成一個(gè)基因，整個(gè)染色體含4000～5000個(gè)基因，現(xiàn)已知編碼了2000多種酶類及其他結(jié)構(gòu)蛋白。基因是具有一定生物學(xué)功能的核苷酸序列，如編碼蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基因的作用子（cistron)，編碼核糖體RNA(rRNA)的基因以及識(shí)別和附著另一分子部位的啟動(dòng)基因(promoter)和操縱基因(operators)等。
細(xì)菌染色體DNA的復(fù)制，在大腸埃希菌已證明是雙向復(fù)制。即雙鏈DNA解鏈后從復(fù)制起點(diǎn)開始，在一條模板上按順時(shí)針?lè)较驈?fù)制連續(xù)的大片段，另一條模板上按逆時(shí)針?lè)较驈?fù)制若干斷續(xù)的小片段，然后再連接成長(zhǎng)鏈。復(fù)制到180°時(shí)匯合。完成復(fù)制全過(guò)程約需20min 。
質(zhì)�！ ≠|(zhì)粒是細(xì)菌染色體以外的遺傳物質(zhì)，是環(huán)狀閉合的雙鏈DNA，經(jīng)人工抽提后可變成開環(huán)狀或線狀。質(zhì)粒有大小兩類，大質(zhì)�？珊瑤装賯�(gè)基因，占染色體的1％～10％，小質(zhì)粒僅含20～30個(gè)基因，約為染色體的0。5%。質(zhì)�；蚩删幋a很多重要的生物學(xué)性狀，如①致育質(zhì)�；蚍QF質(zhì)粒（fertility plasmid)編碼有性生殖功能，帶有F質(zhì)粒的細(xì)菌為雄性菌，能長(zhǎng)出性菌毛；無(wú)F質(zhì)粒的細(xì)菌為雌性菌，無(wú)性菌毛。②耐藥性質(zhì)粒編碼細(xì)菌對(duì)抗菌藥物或重金屬鹽類的耐藥性，耐藥性質(zhì)粒分為二類，其中可以通過(guò)細(xì)菌間的接合進(jìn)行傳遞的稱接合性耐藥質(zhì)粒，又稱R質(zhì)粒(resistance plasmid)。另一類是不能通過(guò)接合傳遞的非接合性耐藥質(zhì)粒，但它可通過(guò)噬菌體傳遞。③毒力質(zhì)�；騐i質(zhì)粒（virulence plasmid)編碼與該菌致病性有關(guān)的毒力因子。如致病性大腸埃希菌產(chǎn)生的耐熱性腸毒素是由ST質(zhì)粒決定的，產(chǎn)生不耐熱腸毒素是由LT質(zhì)粒決定的。細(xì)菌粘附定植在腸粘膜表面是由K質(zhì)粒決定的；某些金黃色葡萄球菌產(chǎn)生表皮剝脫性毒素引起燙傷樣皮膚綜合征，就是該菌所攜帶的毒力質(zhì)粒決定的。④細(xì)菌素質(zhì)粒編碼各種細(xì)菌產(chǎn)生細(xì)菌素，如Col質(zhì)粒編碼大腸埃希菌產(chǎn)生大腸菌素。細(xì)菌素對(duì)同品系或近緣的細(xì)菌具有抑制作用，實(shí)際是對(duì)產(chǎn)生細(xì)菌素細(xì)菌本身起保護(hù)作用。⑤代謝質(zhì)粒編碼產(chǎn)生相關(guān)的代謝酶，如沙門菌發(fā)酵乳糖的能力通常是由質(zhì)粒決定的，另又發(fā)現(xiàn)了編碼產(chǎn)生H2S、脲酶及枸櫞酸鹽利用酶的若干種質(zhì)粒。細(xì)菌攜帶有哪種質(zhì)粒，則有相應(yīng)的功能，但也有某種質(zhì)粒可同時(shí)決定幾種功能，如F質(zhì)粒除有致育性功能外，還能提供輔助質(zhì)粒轉(zhuǎn)移的能力，某些耐藥性質(zhì)粒上還帶有編碼毒力的基因，故帶此種質(zhì)粒的細(xì)菌，不僅獲得了耐藥性，而且致病性也得到了增強(qiáng)。
質(zhì)粒DNA 的特征有：
1．質(zhì)粒具有自我復(fù)制的能力。一個(gè)質(zhì)粒是一個(gè)復(fù)制子（replicon)，在細(xì)菌內(nèi)可復(fù)制出拷貝（copy)。有的質(zhì)�？截悢�(shù)只有1～2個(gè)，其復(fù)制往往與染色體的復(fù)制同步，稱緊密型質(zhì)粒；有的質(zhì)�？截悢�(shù)較多，可隨時(shí)復(fù)制，與染色體的復(fù)制不相關(guān)，稱松弛型質(zhì)粒。
2．質(zhì)粒DNA所編碼的基因產(chǎn)物賦予細(xì)菌某些性狀特征，如致育性、耐藥性、致病性、某些生化特性等。
3．質(zhì)�？勺孕衼G失與消除。質(zhì)粒并非細(xì)菌生命活動(dòng)不可缺少的遺傳物質(zhì)，可自行丟失或經(jīng)紫外線等理化因素處理后消除，隨著質(zhì)粒的丟失與消除，質(zhì)粒所賦予細(xì)菌的性狀亦隨之消失，但細(xì)菌仍存活。
4．質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移性。質(zhì)�？赏ㄟ^(guò)接合、轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)導(dǎo)等方式在細(xì)菌間轉(zhuǎn)移，如耐藥性質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移，并非限制在革蘭陽(yáng)性與革蘭陽(yáng)性菌或革蘭陰性與革蘭陰性菌之間，而且也發(fā)生在革蘭陽(yáng)性與革蘭陰性菌之間，在實(shí)驗(yàn)室中甚至能發(fā)生在細(xì)菌與哺乳動(dòng)物細(xì)胞之間。
5．質(zhì)�？煞譃橄嗳菪耘c不相容性兩種。幾種不同的質(zhì)粒同時(shí)共存于一個(gè)細(xì)菌內(nèi)稱相容性（compatibility)，有些質(zhì)粒則不能相容。
轉(zhuǎn)位因子 轉(zhuǎn)位因子是存在于細(xì)菌染色體或質(zhì)粒DNA分子上的一段特異性核苷酸序列片段，它能在DNA分子中移動(dòng)，不斷改變它們?cè)诨蚪M的位置，能從一個(gè)基因組轉(zhuǎn)移到另一基因組中。轉(zhuǎn)位因子通過(guò)位移改變了遺傳物質(zhì)的核苷酸序列，或影響插入點(diǎn)附近基因的表達(dá)，或轉(zhuǎn)位因子本身攜帶一定的基因序列。但是否能引起細(xì)菌的變異要根據(jù)染色體或質(zhì)粒受轉(zhuǎn)位因子作用后的整體功能狀況。轉(zhuǎn)位因子主要有三類。
�、挪迦胄蛄校╥nsertion sequence, IS)是最小的轉(zhuǎn)位因子，長(zhǎng)度不超過(guò)2kb，不攜帶任何已知與插入功能無(wú)關(guān)的基因區(qū)域，往往是插入后與插入點(diǎn)附近的序列共同起作用，可能是原細(xì)胞正常代謝的調(diào)節(jié)開關(guān)之一。
⑵轉(zhuǎn)座子（transposon, Tn)長(zhǎng)度一般超過(guò)2kb，除攜帶與轉(zhuǎn)位有關(guān)的基因外，還攜帶耐藥性基因、抗金屬基因、毒素基因及其他結(jié)構(gòu)基因等。因此當(dāng)Tn插入某一基因時(shí)，一方面可引起插入基因失活產(chǎn)生基因突變，另一方面可因帶入耐藥性基因而使細(xì)菌獲得耐藥性。轉(zhuǎn)座子可能與細(xì)菌的多重耐藥性有關(guān)。
�、寝D(zhuǎn)座噬菌體或前噬菌體（prophage)是一些具有轉(zhuǎn)座功能的溶原性噬菌體，當(dāng)整合到細(xì)菌染色體上，能改變?nèi)茉约?xì)菌的某些生物學(xué)性狀，如白喉棒狀桿菌、52667788.cn/rencai/肉毒梭菌等的外毒素就是由轉(zhuǎn)座噬菌體的有關(guān)基因所編碼的。另外，轉(zhuǎn)座噬菌體從細(xì)菌染色體分離脫落時(shí)，可能連帶有細(xì)菌的DNA片段，故它還可能在遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移過(guò)程中起載體作用。
第三節(jié) 細(xì)菌變異的機(jī)制
遺傳性變異是由基因結(jié)構(gòu)發(fā)生改變所致，而非遺傳性變異則是細(xì)菌在環(huán)境因素等影響下出現(xiàn)的變化，如大腸埃希菌在有乳糖的培養(yǎng)基中，乳糖操縱子通過(guò)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)營(yíng)養(yǎng)環(huán)境的變化而產(chǎn)生乳糖酶。這種變化并非基因結(jié)構(gòu)的改變�；蚪Y(jié)構(gòu)的改變主要通過(guò)基因突變、基因損傷后的修復(fù)、基因的轉(zhuǎn)移與重組等來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
一、基因的突變與損傷后修復(fù)
突變（mutation)是細(xì)菌遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生突然而穩(wěn)定的改變，導(dǎo)致細(xì)菌性狀的遺傳性變異。若細(xì)菌DNA上核苷酸序列的改變僅為一個(gè)或幾個(gè)堿基的置換、插入或丟失，出現(xiàn)的突變只影響到一個(gè)或幾個(gè)基因，引起較少的性狀變異，稱為小突變或點(diǎn)突變（point mutation)；若涉及大段的DNA發(fā)生改變，稱為大突變或染色體畸變（chromosome aberration)。
DNA序列的改變包括堿基的置換和移碼。堿基置換可分為轉(zhuǎn)換（transition)和顛換（transversion)兩種類型，如不同嘌呤之間或不同嘧啶之間的替代稱為轉(zhuǎn)換，若是嘌呤與嘧啶之間的相互交換則稱為顛換。當(dāng)DNA序列中一對(duì)或幾對(duì)核苷酸發(fā)生插入或丟失，必將引起該部位其后的序列移位，由于遺傳信息是以三聯(lián)密碼子的形式表達(dá)，移位必導(dǎo)致密碼的意義發(fā)生錯(cuò)誤，此稱移碼突變（traneshift mutation)。這一讀碼變化的結(jié)果通常導(dǎo)致無(wú)功能肽類或蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。另外，由于大片段的 DNA序列的丟失、重復(fù)、倒位或大段轉(zhuǎn)位因子的轉(zhuǎn)位等，將導(dǎo)致基因產(chǎn)物完全無(wú)效，出現(xiàn)無(wú)效性突變(null mutation)。大、小突變間無(wú)明顯界限；又大突變發(fā)生的頻率比小突變高，相差可達(dá)1萬(wàn)倍。
基因突變規(guī)律
1．突變率 在細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中，突變經(jīng)常自發(fā)發(fā)生，但自然突變率（10－6～10－9)極低，即細(xì)菌每分裂106～109次可發(fā)生一次突變。如果用高溫、紫外線、X射線、烷化劑、亞硝酸鹽等理化因素去誘導(dǎo)細(xì)菌突變，可使誘導(dǎo)突變率提高10～1000倍，達(dá)到10－4～10－6左右。
2．突變與選擇 突變是隨機(jī)的，不定向的。發(fā)生突變的細(xì)菌只是大量菌群中的個(gè)別菌，要從大量細(xì)菌中找出該突變菌，必須將菌群放在一個(gè)有利于突變菌而不利于其他菌生長(zhǎng)的環(huán)境中，才能將其選擇出來(lái)。
3．回復(fù)突變 某種細(xì)菌在自然環(huán)境下具有的表現(xiàn)型稱野生型（wild type),發(fā)生突變后的菌株稱突變株（mutant)。細(xì)菌由野生型變?yōu)橥蛔冃褪钦蛲蛔�，有時(shí)突變株經(jīng)過(guò)又一次突變可恢復(fù)野生型的性狀，這一過(guò)程稱回復(fù)突變（backward mutation)�；貜�(fù)突變并不一定恢復(fù)原來(lái)的基因型，再一次突變可以是一個(gè)抑制基因突變代償了第一次突變?cè)谛誀钌系母淖�。若再次回�?fù)突變發(fā)生在同一基因的不同部分，稱為基因內(nèi)抑制；若回復(fù)突變發(fā)生在不同的基因，則稱為基因間抑制。
DNA的損傷修復(fù) 當(dāng)細(xì)菌ＤＮＡ受到損傷時(shí)，細(xì)胞會(huì)用有效的ＤＮＡ修復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致的修復(fù)，以使損傷降為最小，修復(fù)機(jī)制對(duì)細(xì)胞的維持生命極其重要。但損傷修復(fù)本身也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，如對(duì)損傷DNA片段進(jìn)行切除修復(fù)時(shí)可能附帶將正常DNA序列切掉；或在DNA損傷之后，或在DNA復(fù)制的休止期，DNA應(yīng)急修復(fù)的ＳＯＳ反應(yīng)（SOS response)能產(chǎn)生許多（約15個(gè))基因；或在細(xì)菌死亡之前，細(xì)菌的DNA模板對(duì)直接準(zhǔn)確的修復(fù)已不能利用時(shí)，菌細(xì)胞只能利用差誤傾向的修復(fù)（error-prone repair)，在以上這些修復(fù)過(guò)程中都會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤而造成細(xì)菌的變異。
二、基因的轉(zhuǎn)移與重組
與上述內(nèi)在基因發(fā)生突變不同，外源性的遺傳物質(zhì)由供體菌轉(zhuǎn)入某受體菌細(xì)胞內(nèi)的過(guò)程稱為基因轉(zhuǎn)移（gene transfer)。但僅有基因的轉(zhuǎn)移尚不夠，受體菌必須能容納外源性基因。轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA整合在一起稱為重組（recombination)，使受體菌獲得供體菌某些特性。外源性遺傳物質(zhì)包括供體菌染色體DNA片段，質(zhì)粒DNA及噬菌體基因等。細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移和重組可通過(guò)轉(zhuǎn)化、接合、轉(zhuǎn)導(dǎo)、溶原性轉(zhuǎn)換和細(xì)胞融合等方式進(jìn)行。
轉(zhuǎn)化 轉(zhuǎn)化（transformation)是供體菌裂解游離的DNA片段被受體菌直接攝取，使受體菌獲得新的性狀。
轉(zhuǎn)化現(xiàn)象在肺炎鏈球菌、葡萄球菌和流感嗜血桿菌等中被證實(shí)。Griffith（1928)用肺炎鏈球菌進(jìn)行試驗(yàn)，有莢膜的肺炎鏈球菌為Ⅲ型，屬光滑（S)型菌落，ⅢS型菌有毒力；無(wú)莢膜的肺炎鏈球菌為Ⅱ型，屬粗糙（R)型菌落，ⅡR菌無(wú)毒力。分別用ⅡR型菌和ⅢS型菌注射給小鼠，前者存活，后者死亡，而且從死鼠心血中分離到ⅢS型菌。如將ⅢS型菌殺死后再注射小鼠，則小鼠存活。若將殺死的ⅢS型菌與活的ⅡR菌混合在一起給小鼠注射，則小鼠死亡，并從死鼠心血中分離出活的ⅢS型菌。這表明活的ⅡR型菌從死的ⅢS型菌中獲得了產(chǎn)生ⅢS型菌莢膜的遺傳物質(zhì)，使活的ⅡR型菌轉(zhuǎn)化為ⅢS型菌。后來(lái)Avery(1944)用活的ⅡR型菌加上提取的ⅢS型菌DNA片段注射小鼠，同樣致小鼠死亡，且從死鼠中分離到ⅢS型菌，進(jìn)一步證實(shí)引起轉(zhuǎn)化的物質(zhì)是DNA；如應(yīng)用DNA酶處理轉(zhuǎn)化物質(zhì)，可破壞轉(zhuǎn)化。
在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，轉(zhuǎn)化的DNA片段稱為轉(zhuǎn)化因子（transforming principle)。分子量小于1×107，最多不超過(guò)10~20個(gè)基因。受體菌只有處于感受態(tài)（competence)時(shí)，才能攝取轉(zhuǎn)化因子。細(xì)菌處于感受態(tài)是因?yàn)槠浔砻嬗幸环N吸附DNA的受體。感受態(tài)一般出現(xiàn)在細(xì)菌對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的后期，保持時(shí)間短，僅數(shù)分鐘至3～4小時(shí)。加用Ca2+與Mg2+處理，可增加感受細(xì)胞攝取DNA的能力。
在轉(zhuǎn)化時(shí)，轉(zhuǎn)化因子首先吸附在受體菌表面受體上，然后再被攝入。在攝入前，供體菌的雙鏈DNA片段被受體菌表面的核酸內(nèi)切酶切開，其中一鏈進(jìn)入受體菌，另一鏈為進(jìn)入提供能量。進(jìn)入的供體菌DNA片段與受體菌相應(yīng)DNA進(jìn)行重組，重組后受體菌兩DNA序列不完全一樣。當(dāng)重組菌繁殖，DNA復(fù)制時(shí)，與原型菌一樣的DNA序列鏈仍保持原來(lái)的性狀，而比原型菌多一段外來(lái)的供體菌DNA序列鏈的則獲得新的性狀，成為稱作轉(zhuǎn)化菌突變株。
接合 接合（conjugation)是細(xì)菌通過(guò)性菌毛相互連接溝通，將遺傳物質(zhì)（主要是質(zhì)粒DNA)從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌。能通過(guò)接合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒稱為接合性質(zhì)粒，主要包括F質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒和毒力質(zhì)粒等，不能通過(guò)性菌毛在細(xì)菌間轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒為非接合性質(zhì)粒。接合不是細(xì)菌的一種固有功能，而是由各種質(zhì)粒決定的，F(xiàn)質(zhì)粒就是主要的一種，因?yàn)橹挥袔в蠪質(zhì)粒的細(xì)菌才能生成性菌毛溝通供體菌與受體菌，當(dāng)F質(zhì)粒丟失后細(xì)菌間就不能進(jìn)行接合。過(guò)去一直認(rèn)為接合只是革蘭陰性菌中質(zhì)粒的特征，近年來(lái)發(fā)現(xiàn)革蘭陽(yáng)性菌也存在接合系統(tǒng)，主要是糞腸球菌（E。Faecalis)菌株。
1．F質(zhì)粒的接合 帶有F質(zhì)粒的細(xì)菌有性菌毛，相當(dāng)于雄菌（F＋)；無(wú)性菌毛的無(wú)F質(zhì)粒，相當(dāng)于雌菌（F－)。象有性生殖一樣，當(dāng)F＋×F－菌雜交時(shí)，F(xiàn)＋菌性菌毛末端與F－菌表面受體接合時(shí)，性菌毛逐漸縮短使兩菌之間靠近并形成通道，F(xiàn)＋菌的質(zhì)粒DNA中的一條鏈斷開并通過(guò)性菌毛通道進(jìn)入F－菌內(nèi)。兩菌細(xì)胞內(nèi)的單股DNA鏈以滾環(huán)式進(jìn)行復(fù)制，各自形成完整的F質(zhì)粒。因此供體菌雖轉(zhuǎn)移F質(zhì)粒但并不失去，而受體菌獲得F質(zhì)粒后即長(zhǎng)出性菌毛，成為F＋菌。通過(guò)接合轉(zhuǎn)移F質(zhì)粒的頻率可達(dá)70％。
F質(zhì)粒進(jìn)入受體菌后，能單獨(dú)存在和自行復(fù)制，但有小部分F質(zhì)�？刹迦氲绞荏w菌的染色體中，與染色體一起復(fù)制。整合后的細(xì)菌能高效地轉(zhuǎn)移染色體上的基因,故稱此菌為高頻重組菌（high frequency recombinant,Hfr)。在Hfr中,F質(zhì)粒結(jié)合在染色體的末端。當(dāng)Hfr與F-雜交時(shí),F質(zhì)粒起發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn)移作用。首先從Hfr菌染色體伸出一股ＤＮＡ鏈,通過(guò)性菌毛進(jìn)入F-菌, 整個(gè)轉(zhuǎn)移需時(shí)約100min。在轉(zhuǎn)移過(guò)程中,任何震動(dòng)都能使轉(zhuǎn)移中的DNA斷裂而中止。故在Hfr轉(zhuǎn)移中,可有不同長(zhǎng)度的供菌染色體片段進(jìn)入F-菌進(jìn)行重組。但F-菌獲得F質(zhì)粒的機(jī)會(huì)是很少的,因它位于染色體末端,最后進(jìn)入F-受體菌。Jacob應(yīng)用間斷交配(interrupted mating)實(shí)驗(yàn),根據(jù)各種基因進(jìn)入受體菌的先后畫出染色體圖,找出各基因在大腸埃希菌染色體上排列的序列。此外,由于在染色體上很多部位有IS,根據(jù)F質(zhì)粒在染色體上何一部位插入或切除,就表示該部位有相應(yīng)的IS的存在。
Hfr菌中的F質(zhì)粒有時(shí)會(huì)從染色體上脫離下來(lái),終止其Hfr狀態(tài)。從染色體上脫離的有時(shí)可帶有染色體上幾個(gè)鄰近的基因,這種質(zhì)粒稱為F′。
F＋、Hfr、F‘三種菌都有性菌毛,都為雄菌。在性菌毛表面有一種雄性特異性噬菌體(male specific phage) 受體,在電鏡下可見相應(yīng)噬菌體粘附在性菌毛表面。
2。 R質(zhì)粒的結(jié)合 細(xì)菌的耐藥性與耐藥性的基因突變及R質(zhì)粒的接合轉(zhuǎn)移等有關(guān)。1959年在日本首先分離到抗多種藥物的宋內(nèi)志賀菌多重耐藥株，而且耐藥性的傳播迅速，產(chǎn)生這種多重耐藥性很難用基因突變解釋。細(xì)菌對(duì)一種抗生素產(chǎn)生耐藥性的頻率按10－6計(jì)算，則雙重耐藥的突變率應(yīng)為10－12，如此計(jì)算，耐三種藥物以上的多重耐藥突變率會(huì)更小。在健康人中分離的大腸埃希菌30％～50％有R質(zhì)粒，而致病性大腸埃希菌90％有R質(zhì)粒，而且僅在抗生素問(wèn)世25年左右時(shí)就發(fā)現(xiàn)約40％的菌株對(duì)鏈霉素、氯霉素，四環(huán)素、青霉素等多種抗生素產(chǎn)生耐藥性。提示耐藥性與R質(zhì)粒有關(guān)，尤其與細(xì)菌的多重耐藥性關(guān)系密切。耐藥質(zhì)粒從一個(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)菌中，若在有足夠的潛在受體菌的情況下，就象連鎖反應(yīng)一樣，質(zhì)�？赊D(zhuǎn)移至達(dá)各菌飽合為止。這種情況在早期R質(zhì)粒（如R1、R100)的轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)研究中以觀察到。
R質(zhì)粒由耐藥傳遞因子（resistance transfer factor,RTF)和耐藥決定子（r-dir)兩部分組成，這兩部分可以單獨(dú)存在，也可結(jié)合在一起，但單獨(dú)存在時(shí)不能發(fā)生質(zhì)粒的接合性傳遞。RTF的功能與F質(zhì)粒相似，可編碼性菌毛的產(chǎn)生和通過(guò)接合轉(zhuǎn)移；r-dir能編碼對(duì)抗菌藥物的耐藥性，可由幾個(gè)轉(zhuǎn)座子連接相鄰排列，如Tn9帶有氯霉素耐藥基因，Tn4帶有氨芐青霉素、磺胺、鏈霉素的耐藥基因，Tn5帶有卡那霉素的耐藥基因。RTF與r-dir之間結(jié)合與分離是因?yàn)閮啥擞蠭S，每個(gè)Tn兩端也均有IS可自由結(jié)合。
R質(zhì)粒決定耐藥的機(jī)制是：①使細(xì)菌產(chǎn)生滅活抗生素的酶類，如β－內(nèi)酰胺酶能水解青霉素、頭孢霉素等的β－內(nèi)酰胺環(huán)而使其失去作用。又如通過(guò)耐藥菌株產(chǎn)生磷酸轉(zhuǎn)移酶以ATP為輔基，使鏈霉素、卡那霉素及新霉素等氨基糖苷類抗生素失活。②R質(zhì)�？刂萍�(xì)菌改變藥物作用的靶部位。如鏈霉素和紅霉素的結(jié)合靶位分別是細(xì)菌核糖體上30S或50S亞基，R質(zhì)�？删幋a產(chǎn)生甲基化酶，使藥物作用靶位上的氮原子甲基化，因而藥物不能與核糖體結(jié)合，也就不能抑制菌體蛋白的合成。③R質(zhì)�？煽刂萍�(xì)菌細(xì)胞對(duì)藥物的通透性。如R質(zhì)粒能編碼產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)，阻塞了細(xì)胞壁上的通水孔，使抗生素（四環(huán)素、異煙肼等)不能進(jìn)入菌體內(nèi)。
轉(zhuǎn)導(dǎo) 轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction)是以轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體（transducting phage)為載體，將供體菌的一段DNA轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，使受體菌獲得新的性狀。根據(jù)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因片段的范圍可分為以下兩種轉(zhuǎn)導(dǎo)。
1。普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（generalized transduction) 前噬菌體從溶原菌染色體上脫離，進(jìn)行增殖，在裂解期的后期，噬菌體的DNA已大量復(fù)制，在噬菌體DNA裝入外殼蛋白組成新的噬菌體時(shí)，在105～107次裝配中會(huì)發(fā)生一次裝配錯(cuò)誤，誤將細(xì)菌的DNA片段裝入噬菌體的頭部，成為一個(gè)轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體。轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體能以正常方式感染另一宿主菌，并將其頭部的染色體注入受體菌內(nèi)。因被包裝的DNA可以是供體菌染色體上的任何部分，故稱為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)也能轉(zhuǎn)導(dǎo)質(zhì)粒，金黃色葡萄球菌中R質(zhì)粒的轉(zhuǎn)導(dǎo)在醫(yī)學(xué)上具有重要意義。
轉(zhuǎn)導(dǎo)比轉(zhuǎn)化可轉(zhuǎn)移更大片段的DNA，而且由于包裝在噬菌體的頭部受到保護(hù)，不被DNA酶降解，故比轉(zhuǎn)化的效率高。供體DNA片段進(jìn)入受體菌后可發(fā)生兩種結(jié)果，一種是外源性DNA片段與受體菌的染色體整合，并隨染色體而傳代，稱完全轉(zhuǎn)導(dǎo)；另一種是外源性DNA片段游離在胞質(zhì)中,既不能與受體菌染色體整合，也不能自身復(fù)制，稱為流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)（abortive transduction)，后一種結(jié)果屬大多數(shù)。如編碼色氨酸的外源性基因（trp＋)轉(zhuǎn)導(dǎo)至trp－的受體菌中，trp基因雖呈游離狀態(tài)，但可使細(xì)菌產(chǎn)生色氨酸合成酶，故此菌能在無(wú)色氨酸的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)。但因trp＋基因不能自身復(fù)制，故隨著細(xì)菌分裂始終只有一個(gè)子細(xì)胞有trp＋基因，另一個(gè)沒(méi)有trp基因的子細(xì)胞則在無(wú)色氨酸的培養(yǎng)基中不能生長(zhǎng)，所以流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)的細(xì)菌菌落比正常菌落小得多，易于識(shí)別。
2。 局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（restricted transduction) 或稱特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)（specialized transduction), 所轉(zhuǎn)導(dǎo)的只限于供體菌染色體上特定的基因。如λ噬菌體進(jìn)入大腸埃希菌K12時(shí)，當(dāng)處于溶原期時(shí)，噬菌體DNA整合在大腸埃希菌染色體的特定部位，即在半乳糖基因（gal)和生物素基因(bio)之間。當(dāng)噬菌體DNA從細(xì)菌染色體上分離，將有10－6機(jī)率發(fā)生偏差分離。即噬菌體將其本身DNA上的一段留在細(xì)菌染色體上，卻帶走了細(xì)菌DNA上兩側(cè)的gal或bio基因。這樣的噬菌體基因轉(zhuǎn)導(dǎo)并整合到受體菌中，使受體菌獲得供體菌的某些遺傳性狀。由于所轉(zhuǎn)導(dǎo)的只限于供體菌DNA上個(gè)別的特定基因（如gal或bio)，故稱局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)。在局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)中的噬菌體由于缺少某些本身的基因，因而影響其相應(yīng)功能，屬于缺陷性噬菌體。
第四節(jié) 細(xì)菌遺傳變異的實(shí)際意義
在疾病的診斷、治療與預(yù)防中的應(yīng)用 由于細(xì)菌的變異可發(fā)生在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、染色性、生化特性、抗原性及毒力等方面，故在臨床細(xì)菌學(xué)檢查中不僅要熟悉細(xì)菌的典型特性，還要了解細(xì)菌的變異規(guī)律，只有這樣才能去偽存真作出正確的診斷。如金黃色葡萄球菌隨著耐藥性菌株的增加，絕大多數(shù)菌株所產(chǎn)生的色素也由金黃色變?yōu)榛野咨�，許多血漿凝固酶陰性的葡萄球菌也成為致病菌，這不僅給診斷和治療帶來(lái)困難，而且對(duì)以往判斷葡萄球菌致病性的指標(biāo)也產(chǎn)生了懷疑。另外從傷寒患者分離到的傷寒沙門菌中10％的菌株不產(chǎn)生鞭毛，檢查時(shí)無(wú)動(dòng)力，患者也不產(chǎn)生抗鞭毛(H)抗體。故進(jìn)行血清學(xué)（肥達(dá))試驗(yàn)時(shí)，不出現(xiàn)H凝集或O凝集效價(jià)很低，影響正確的判斷。
由于抗生素的廣泛應(yīng)用，臨床分離的細(xì)菌中耐藥株日益增多，更發(fā)現(xiàn)有對(duì)多種抗生素多重耐藥的菌株，以致于感到新藥開發(fā)研究的速度跟不上細(xì)菌耐藥性變異的變化。而且有些耐藥質(zhì)粒同時(shí)帶有編碼毒力的基因，使其致病性增強(qiáng)，這些變異的后果給疾病的治療帶來(lái)很大的困難。為此，對(duì)臨床分離的致病菌，必須在細(xì)菌藥物敏感試驗(yàn)的指導(dǎo)下正確選擇用藥，不能濫用抗生素。為提高抗生素的療效，防止耐藥菌株的擴(kuò)散，應(yīng)考慮合理的聯(lián)合用藥原則，尤其在治療慢性疾病需長(zhǎng)期用藥時(shí)，除聯(lián)合使用抗生素外，還要考慮使用免疫調(diào)節(jié)劑。
為預(yù)防傳染病的發(fā)生，用人工的方法減弱細(xì)菌的毒力，用遺傳變異的原理使其誘變成保留原有免疫原性的減毒株或無(wú)毒株，制備成預(yù)防疾病的各種疫苗。目前通過(guò)條件選擇和基因工程技術(shù)來(lái)獲得新的變異株，用以制備更理想的疫苗。近年來(lái)除研制預(yù)防性疫苗外，尚出現(xiàn)了具有治療作用的疫苗，為疫苗的應(yīng)用拓寬了范圍。
在測(cè)定致癌物質(zhì)中的應(yīng)用 腫瘤的發(fā)生一般認(rèn)為是細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)發(fā)生了改變，使正常細(xì)胞變?yōu)檗D(zhuǎn)化細(xì)胞，因此凡能誘導(dǎo)細(xì)菌發(fā)生突變的物質(zhì)都有可能是致癌物質(zhì)。Ames試驗(yàn)就是根據(jù)能導(dǎo)致細(xì)菌基因突變的物質(zhì)均為可疑致癌物的原理設(shè)計(jì)的。選用幾株鼠傷寒沙門菌的組氨酸營(yíng)養(yǎng)缺陷型（his－)作試驗(yàn)菌，以被檢測(cè)的可疑化學(xué)物質(zhì)作誘變劑。因his－菌在組氨酸缺乏的培養(yǎng)基上不能生長(zhǎng)，若發(fā)生突變成為his＋菌則能生長(zhǎng)。比較含有被檢物的試驗(yàn)平板與無(wú)檢物的對(duì)照平板，計(jì)數(shù)培養(yǎng)基上的菌落數(shù)，凡能提高突變率、誘導(dǎo)菌落生長(zhǎng)較多者，證明被檢物有致癌的可能。
在流行病學(xué)中的應(yīng)用 近年來(lái)的分子生物學(xué)分析方法已被用于流行病學(xué)調(diào)查。如用質(zhì)粒指紋圖（plasmid fingerprinting ,PFP)的方法來(lái)檢測(cè)不同來(lái)源細(xì)菌所帶質(zhì)粒的大小，比較質(zhì)粒的各種酶切圖，其產(chǎn)生片段的數(shù)目、大小、位置引起某一疾病暴發(fā)流行的流行菌株與非流行菌株，也可用于調(diào)查醫(yī)院感染的各種細(xì)菌的某種耐藥質(zhì)粒的傳播擴(kuò)散情況。另外,從對(duì)噬菌體敏感性及溶原性，對(duì)細(xì)菌素的敏感性等也可研究流行菌株的同源性等。
在基因工程中的應(yīng)用 基因工程是根據(jù)遺傳變異中細(xì)菌可因基因轉(zhuǎn)移和重組而獲得新性狀的原理設(shè)計(jì)的�；蚬こ痰闹饕襟E是:
�、�?gòu)墓w細(xì)胞（細(xì)菌或其他生物細(xì)胞)的DNA上切取一段需要表達(dá)的基因,即所謂目的基因;
②將目的基因結(jié)合在合適的載體（質(zhì)�；蚴删w)上;
③通過(guò)載體將目的基因轉(zhuǎn)移到工程菌（受體菌)內(nèi)，隨著細(xì)菌的大量繁殖表達(dá)出大量的目的基因產(chǎn)物。目前通過(guò)基因工程已能使工程菌大量生產(chǎn)胰島素、干擾素、各種生長(zhǎng)激素、rIL-2等細(xì)胞因子和rHBs乙肝疫苗等生物制品。并已探索用基因工程技術(shù)治療基因缺陷性疾病等。今后，基因工程在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和生命科學(xué)中必將得到更廣泛的應(yīng)用。
