第6章 细菌的遗传变异

第6章细菌的遗传变异 遗传 heredity 系指亲代细菌与子代细菌的相似性 它使细菌的性状保持相对稳定 是细菌存在的根据 变异 variation 系指亲代与子代以及子代细菌之间的不相似性 它使细菌得以进化 第1节细菌常见的变异现象 形态和结构变异菌落形态变异毒力变异耐药性变异代谢变异抗原性变异 有荚膜的肺炎球菌 无荚膜的肺炎球菌 细菌形态结构变异 S型菌落 R型菌落 细菌菌落形态变异 S型菌落 R型菌落 第2节细菌遗传的物质基础 基因组 genome 质粒 plasmid 转位因子 transposableelement 毒力岛 pathogenicityisland PAl 基因组 genome 细菌的基因组位于核体 是遗传的主要物质基础 细菌作为原核微生物 虽没有完整的核结构 但却有核体 其功能与真核细胞染色体的功能相同 因此又称其为染色体 chromosome 细菌的基因组与真核细胞染色体不同 基因是连续的 无内含子 intron DNA与蛋白质 计算机模拟DNA 脉冲场电泳 PFGE 方法及其他分子生物学手段为微生物基因组的分析提供了得力的工具 已知不同种群原核生物的基因组大小范围从0 6Mb 分支杆菌 到9 45Mb 粘细菌 据估计低等真核生物如酵母菌同 高等 原核生物 链霉菌 的基因组大小无大区别 与高等生物相比 原核生物的基因组要小得多 编码的基因数目也少得多 然而与人类基因组中90 95 的非编码区相比 微生物对遗传物质的利用效率就高得多 相关的基因常以操纵子形式出现 这样有利于转录调控和协调表达 基因组大小和基因数目的多样性 基因数目基因组大小 Mb 原核生物Mycoplasmagenitalium4730 58Haemophilusinfluenzae1 7601 83Bacillussubtilis3 7004 2Escherichiacoli4 1004 7Myxococcusxanthus8 0009 45真菌Saccharomycescerevisiae5 80013 5原生动物Cyanidioschyzonmerolae5 00011 7Oxytrichasimilis12 000600节肢动物Drosophilamelanogaster12 000650线虫动物Caenorhabditiselegans14 000100软体动物Loligopealii 35 0002 700脊索动物CionaintestinalisN165Fugurubripes70 000400DaniorerioN1 900Musmusculus70 0003 300Homosapiens70 0003 300植物Nicotianatabacum43 0004 500Arabidopsisthaliana16 000 33 00070 145引自GeorgeandGerald 1996 不同进化分支生物中预计的基因数目和基因组大小 原核生物DNA化学组成差异很大 不同种群的GC含量范围是24 76mol 细菌种内的GC含量差别 3 属内的差别 10 另外 不同种群的基因组DNA序列差异也很大 两种DNA DNA的结合 杂交 比例间接地反映了两种细菌DNA序列的相似性程度 通常同一个种的细菌菌株间的序列差异可高达30 近年来发展的DNA指纹图谱也显示了细菌种内不同菌株的DNA差别很大 常用的AFLP RAPD ARDRA及Ribotyping等都是鉴别菌株间的重要手段 遗传物质化学组成和DNA序列的差异 质粒 plasmid 质粒是细菌染色体外的遗传物质 多为环状双螺旋DNA分子 质粒的特点 质粒可以自身复制 随宿主菌分裂传到子代菌体 质粒是自行复制单位 有的需与核质染色体的复制同步 称为严紧型复制 stringentreplication 一个质粒可同时具有几种编码功能 质粒可以在细菌间转移 而且不仅可以发生在同种 同属之间 有的甚至还可以在不同种属的细菌间进行 质粒可以自行丢失 频率10 2 10 8 或经人工处理而消除 curing 用高温 紫外线 吖啶橙等处理 可使质粒丢失的频率提高100 100000倍 编码细菌重要的生物学性状的几种质粒 编码性菌毛的质粒称致育质粒或F质粒 fertilityplasmid 具有F质粒的细菌有性菌毛 为雄性细菌 无F质粒的细菌无性菌毛 为雌性细菌 该质粒与细菌的有性结合有关 编码细菌各种毒力因子的质粒统称毒力质粒或Vi质粒 Virulenceplasmid 如致病性大肠杆菌在黏膜上定居及产生毒素的能力可由不同质粒编码 其中K质粒编码对黏膜具有黏附活性的菌毛 ST质粒与LT质粒分别编码耐热肠毒素和不耐热肠毒素 细菌对抗菌药物或重金属盐类的抗性则由R质粒 resistanceplasmid 所决定 按其转移的特性将质粒分类 接合性质粒 conjugativeplasmid 接合性质粒一般使细菌有致育性 如F质粒 非接合性质粒 nonconjugativeplasmid 不能在细菌之间转移 但有的可以通过以噬菌体为载体或直接进入另一个细菌而转移 附加体 episome 有的质粒还可以结合到染色体上 如大肠杆菌的这种质粒称为 自杀性质粒 suicideplasmid 通常为R质粒的衍生物质粒 具有接合转移基因的功能 其复制需要一种大多数细菌不产生的蛋白质 因此当其进入宿主细胞后 不能复制 穿梭载体 shuttlevector 是一类特殊的质粒 可在一些种属关系差异较大的微生物中转移 例如在大肠杆菌与酵母之间 转位因子 transposableelement 是一类独特的DNA片段 不依赖于同源性重组可以在细菌的基因组中从一个位置转移到另一个位置 也称为跳跃基因 jumpinggenes 或移动基因 movablegenes 转位因子插入细菌基因组后 因在插入部位影响了细菌基因组DNA的正常结构 可使细菌失去某些功能 影响细菌的致病性 耐药性等 转位因子主要有插入序列 insertionsequence IS 转座子 transposon Tn 及Mu噬菌体3类 新近发现的基因盒 整合子系统也应归属其内 插入序列 insertionsequence IS 插入序列IS与Tn具有两个共同特点 一是都携带编码转座酶 transposase 的基因 二是在其DNA末端都有短的反向重复序列 invertedrepeat IR IR长40 1000bp IS较小 长0 7 1 4kb IS是细菌染色体 质粒和某些噬菌体的正常组分 最初是从细菌的乳糖操纵子中发现的一段自发的插入序列 它阻止了被插入的基因的转录 其插入作用可以双向进行 既可以正向整合到基因组上 也可以反向整合到基因组上 IS插入位点一般是随机的 转座子 transposon Tn Tn比IS大 长2 2 5kb 除转座酶基因外 还含某些具有重要特性 例如抗性标记 的基因 当Tn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 另一方面可因带人抗性基因而使细菌获得耐药性 根据结构特征的不同 Tn可以分为复合型转座子 Tn3系转座子和接合性转座子3类 Mu噬菌体 是促变噬菌体 mutatorphage 的简称 是一类具有转位作用 transposion 的温和噬菌体 可随机插入大肠杆菌DNA中 从而导致大肠杆菌基因组突变 其核酸为线性DNA分子 游离状态和整合状态的Mu噬菌体具有相同的基因序列 但不含末端IR序列 Mu的溶原性整合和裂解周期的复制均以转座方式进行 基因盒 整合子系统 genecassette integronsystem 1991年由Hall提出 能捕获并表达外来耐药基因 形成多重耐药性 是近年来发现的细菌耐药性传播的机制之一 毒力岛 pathogenicityisland PAl PAI是指病原菌的某个或某些毒力基因群 分子结构和功能有别于细菌基因组 但位于细菌基因组之内 因此称之为 岛 近年来发现在许多病原性细菌中都存在着PAI 1 编码细菌毒力基因簇的一个相对分子质量较大的 20 100kb左右 染色体DNA片段 2 一些毒力岛的两侧具有重复序列和插入元件 但是也可以没有 3 毒力岛往往位于细菌染色体的tRNA基因位点内或附近 或者位于与噬菌体整合有关的位点 4 毒力岛DNA片段的G Cmol 密码使用和宿主细菌染色体有明显差异 有的比宿主细胞的G Cmol 明显高 有的明显低 毒力岛的特点 5 毒力岛编码的基因产物许多是分泌性蛋白和细胞表面蛋白 6 一种病原菌可以有一个或几个毒力岛 7 细菌的毒力岛应该包括位于噬菌体和质粒上的 与细菌的毒力有关的 其G C百分比和密码使用与宿主细胞明显不同的DNA片段 8 毒力岛可能与新发现的病原性细菌有关 第3节细菌变异的机制 在自然或人工条件下 细菌的基因发生了改变 使相应的性状也发生变化 并可以遗传下去 称为遗传性变异 遗传性变异一般又包括基因突变和基因转移两个方面 基因突变 细菌与其他生物细胞一样可发生突变 突变也可按其发生改变范围的大小分为染色体畸变 chromosomalaberration 和点突变 pointmutation 染色体畸变是指染色体的一大段发生了变化 它包括染色体结构上的缺失 delection 重复 duplication 插入 insertion 易位 translocation 和倒置 inversion 点突变是相应基因上的DNA链中一个或少数几个核苷酸对的改变 包括核苷酸对的置换 replacement 进一步可分为转换 transtion 颠换 transversion 以及因缺失或插入而造成的移码 frameshift 突变 细菌的突变 也可分为自发突变 spontaneousmutation 和人工诱变 inducedmutation 自发突变是在未经人工诱导的外界条件下自然发生的突变 它经常发生 但发生的几率 突变率 很低 通常仅1 106 1 109 人工诱变是在应用诱变因素的影响下而发生的突变 其突变率常高于自然突变 许多物理和化学因素 如X射线 紫外光 亚硝酸 吖啶橙类染料 烷化剂和碱基结构类似物等均可诱发细菌的突变 影印试验 replicaplating 耐药性菌株在接触药物前已出现 抗菌药物的作用只是选择耐药株 基因转移 transgenosis 供体细菌间接或直接地将部分遗传物质单向传递给受体细菌 从而导致受体细菌发生基因重组的现象 称为基因转移 细菌的基因转移主要形式有转化 转导 接合 原生质体融合和转染 转化 transformation 供体菌裂解游离的DNA片段被受体菌直接摄取 使受体菌获得新的遗传性状的过程称为转化 肺炎链球菌的转化试验 转化试验 转导 transduction 以温和噬菌体为媒介 把供体菌的DNA小片段携带到受体菌中 通过交换与整合使受体菌获得供体菌的部分遗传性状称为转导 细菌的转导又可分为普遍性转导和局限性转导 噬菌体吸附大肠杆菌示意图 噬菌体裂解大肠杆菌示意图 溶菌性周期毒性噬菌体溶原性周期前噬菌体溶原性细菌温和噬菌体 噬菌体感染细菌的结果 普遍性转导 完全转导和流产转导普遍性转导模式图 局限性转导 普遍转导 装配错误局限转导 脱落错误 当噬菌体感染细菌时 宿主菌染色体中获得了噬菌体的DNA片段 使其成为溶原状态时 而使细菌获得新的性状 溶原性转换 lysogenicconversion 接合 conjugation 是两个完整的细菌细胞通过性菌毛直接接触 由供体细菌将质粒DNA转移给受体细菌的过程 接合性质粒主要有F质粒与R质粒 F质粒 fertilityplasmid 雄性菌 F 雌性菌 F 高频重组株 Hfr F质粒如整合到细菌染色体