第三章细菌遗传与变异

第三章细菌的遗传与变异

温州医学院附属二院微生物室杨锦红

细菌和其他生物一样，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。

细菌变异包括遗传型变异和非遗传型变异。遗传型变异使细菌产生变种与新种，可稳定遗传给子代。非遗传型变异的发生是受到环境因素的影响，基因结构没有发生改变，不能遗传给子代，第一节细菌的遗传物质染色体细菌主要的遗传物质质粒染色体外的遗传物质噬菌体寄生于其他微生物的病毒转座因子可位于染色体、质粒或噬菌体上一、细菌染色体细菌染色体为一环状双股DNA链，呈超螺旋形式缠绕成团，构成核质，内含细菌主要的遗传信息。革兰阳性菌核质连接在中介体上革兰阴性菌核质连接在细胞膜某一点上目前，已完成约80种细菌全基因序列测定，对深入研究细菌致病机制及进化有重要意义。二、质粒质粒为细菌染色体外的遗传物质，环状双股DNA。质粒携带有遗传信息，控制某些特定的遗传性状，可独立复制，与细菌的遗传变异有关。1．质粒的结构和功能：共价、闭合、环状、超螺旋DNA分子，分子大小为1kb到1000kb左右。质粒编码多种蛋白质，赋于宿主菌多种生物功能，如毒力因子、致育性、耐药性、解降酶、限制酶和修饰酶。现也已分离出不表现任何功能的质粒，称为隐蔽性质粒。2．质粒的特性不相容性可转移性自主复制细胞内不同质粒的拷贝数不同，取决于质粒复制的控制机制。

大质粒：严密型质粒，严紧型控制，1-3个拷贝

小质粒：松驰型质粒，松驰型控制，40个拷贝质粒可自然丢失或用人工方法消除。3．质粒的分类按照质粒编码的生物学性状分类如耐药性质粒（resistanceplasmid，R质粒）、致育因子（fertilityplasmid，F质粒）。2、Novick命名法用三个英文字母表示，第一个字母一律是小写p（表示质粒），后两个缩写字母用大写，表示发现者、实验室名称、表型性状或其他特征；字母后的编号为阿拉伯数字，区分同一类型的不同质粒。第二节突变与诱变

突变（mutation）是遗传型变异中常见的一种类型，是细胞中DNA核苷酸序列发生了稳定的可遗传的改变。具有某种突变型的个体或细胞称为突变体（mutant）。细菌自发突变的频率很低（10-6-10-8），诱变剂可增加细菌的突变率。一、基因型与表型基因型（genotype）－细菌所含有的遗传信息，即DNA中的核苷酸序列。表型（phenotype）－基因型的具体表现。野生型（wild-type）－某一个菌种最普遍的形态。

基因型：用表示该基因英文单词的头三个小写字母表示，第四个用大写字母表示所涉及的特定基因，如trp表示色氨酸基因，trpA和trpB表示不同的色氨酸基因。突变基因：在基因符号的右上角加－，如组氨酸缺陷型表示为his-；耐药基因在基因符号的右上角加r表示耐药，加s表示敏感，如四环素耐药基因表示为tetr。表型：以相应基因单词的头三个缩写正体字母表示，第一个字母用大写。＋或－标在右上角，区别野生型或缺陷型，如Phe-表示没有合成苯丙氨酸的能力，Lac+表示能利用乳糖作为碳源。

二、突变

（一）突变的类型和机制自发突变－细菌在正常生长条件下和生命活动中所发生的突变。基因组中发生突变的位点称为热点。点突变与多位点突变点突变与多位点突变点突变－DNA序列上单个碱基的改变。

多位点突变－大范围碱基序列发生了改变，可影响多个基因。包括DNA碱基序列的缺失、插入、倒位、置换、重复、重组或转座。转换（transition）：一个嘌呤变为另一个嘌呤或一个嘧啶变为另一个嘧啶。颠换（transversion）：嘌呤变为嘧啶和嘧啶变为嘌呤。点突变结果

同义突变：碱基的改变不能引起氨基酸的改变，表型无变化。错义突变：碱基的改变引起氨基酸的改变。无义突变：碱基序列改变为氨基酸终止密码子（UAA，UAG，UGA），导致氨基酸合成提前终止，形成一个截短的蛋白质。移码突变：DNA序列上插入或缺失1－2个核苷酸，引起突变后翻译读码框移位，形成一个完全改变的氨基酸序列。二、突变（二）突变的规律

随机性

稀有性独立性稳定性可逆性

随机性

突变是随机的和不定向的。表现在发生的时间、个体、位点和产生的效应等各方面。可通过以下两个著名的实验证实

彷徨试验（fluctuationtest）影印培养（replicaplating）

彷徨试验影印培养

2．稀有性指正常情况下，突变发生的频率很低。3．独立性基因突变是独立发生的，一个基因的突变与另一个基因的突变没有相关性，同一细胞中的不同基因其突变率不相同。4．稳定性基因突变的实质是遗传物质的改变，这种改变是可以稳定遗传的。5．可逆性突变效应可通过多种方法回复，称基因突变的可逆性。通常由野生型菌株变为突变型菌株的过程为正向突变，反之称为回复突变。（三）几种常见的突变株1、温度敏感突变株（TS株）：是一种典型的条件致死突变株。这种突变株在某一温度范围不能生长，但在另一温度下可生长。原因是某些酶的肽链结构发生改变后，降低了酶的抗热性。2、营养缺陷型突变株：发生了参与合成生长所必需的基本化合物的基因突变。3、耐药性突变株：对某种药物有一定抵抗力的突变株，临床较常见。4、发酵阴性突变株：突变后失去发酵某种糖的能力。原因是突变后失去了能分解该糖的酶。

（四）突变株的分离

要从大量的细菌中找到突变株，必须将整个菌群置于一个特殊的生长环境中，该环境可使突变株和其他菌株产生不同的生长表型。如通过影印培养法分离。三、诱变

人工利用理化因素等诱导产生的突变，可提高细菌的突变率。诱变的变异幅度往往高于自发突变。

能显著提高突变频率的这些理化因素称为诱变剂。诱变剂的诱变效果依赖培养基、PH、温度、基因型等多种因素。

常见的诱变剂

化学诱变剂碱基类似物烷化剂DNA分子嵌入剂修饰DNA分子的化学药品

物理诱变剂紫外线X射线。第三节基因水平转移一、转化转化（transformation）是细菌从周转环境吸取游离的DNA片段，整合到自身染色体基因组的过程，是基因转移的一种方式。转化现象在肺炎链球菌、葡萄球菌和流感嗜血杆菌等中被证实。

Griffith转化试验（一）细菌的转化机制

转化要求受体细胞需处于感受态。当外源DNA被受体细胞摄取，并能在其中复制，该受体细胞即称为转化子。1、感受态细菌细胞处于可被DNA转化的状态称为感受态。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附DNA的受体。感受态出现的时间和持续的时间因微生物物种的不同而有所不同，并与生长条件和周期有关。一些细菌的感受态可通过诱导产生。如大肠埃希菌在含有一定浓度的CaCl2的环境中可诱发感受态出现。2、革兰阳性菌的转化机制典型代表：肺炎链球菌（1）对数生长期的肺炎链球菌细胞向外分泌感受态因子，诱导细胞出现感受态。（2）双链DNA吸附在细胞表面特异性受体上。（3）核酸内切酶将双链DNA随机切割成长约4-5MD的片段，核酸外切酶将双链DNA片段的一条单链分解掉，另一单链与感受态－特异性蛋白结合进入细胞。（4）进入细胞的单链DNA与受体细菌染色体DNA的同源部分配对。（5）被取代的受体单链DNA被核酸酶分解。3、革兰阴性菌的转化机制典型代表：流感嗜杆菌（1）细菌在感受态细胞形成过程中，形成一种能结合双链DNA的膜结构，称转化小体。（2）转化小体将双链DNA吸收，外源性DNA以双链形式存在。（3）当DNA与受体染色体整合，变成单链。

革兰阳性菌和革兰阴性菌转化机制的主要区别

革兰阳性菌革兰阴性菌DNA以单链形式进入

DNA以双链形式进入感受态因子介导、启动

形成转化小体DNA与蛋白质结合

DNA存在于转化小体任何来源的同源性DNA

相同物种或亲缘关系相近物种的同源性DNA二、人工转化

许多细菌无自然转化的能力，但经人工诱导可使其形成感受态，吸收外源DNA，称人工转化。化学转化（chemicaltransformation）电转化（electrotransformation）1、化学转化化学转化是指对数生长期的细菌培养物，经过钙化学物质的处理后成为感受细胞，具有摄取外源性DNA的能力。方法：Ca2+低渗休克处理、聚乙二醇（PEG）、二甲基亚砜（DMSO）影响转化效率的因素：

（1）必须是对数生长早期的细菌细胞。

（2）将细菌维持在冷的状态，避免剧烈混合。

（3）不同菌株的转化效率可明显不同。

（4）感受态细胞可在-70℃冻存。（5）不同方法制备的感受态细胞，冰冻对转化效率的影

响不同。2、电转化DNA电转化又称电穿孔试验，对化学转化不成功的许多细菌、真核细胞等，用电转化试验获得成功。原理：将细胞置于强电场中时，细胞膜被极性化，会产生跨膜电位差。当电位差超过阈值，在细胞膜上会暂时形成小孔，允许像DNA这样的外源性大分子进入。电击对细胞的杀伤作用与细菌的生长周期、细胞密度、电击缓冲液的种类以及电压、电击时间等因素有关。以大多数细菌而言，所用的电击条件必须将50%或50%以上的细菌细胞杀死，才能使整个群体具有摄取外源性DNA的能力。基因枪（Biolistic）转化

二、转导转导（transduction）是以噬菌体为载体，将供体菌的一段DNA转移到受体菌内，使受体菌获得新的生物性状。特点绝大多数细菌都有噬菌体，因此转导作用较普遍。噬菌体蛋白外壳可保护DNA不被外界的DNA水解酶破坏，较为稳定。（一）噬菌体

噬菌体（phage）是侵染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。个体微小，没有完整的细胞结构专性细胞内寄生，分布广泛与宿主菌的关系具有高度特异性，可用于未知菌的鉴定和分型在宿主菌中寄生和转移，引起基因的水平转移1、噬菌体的生物学性状形态与结构个体微小，结构简单，需用电子显微镜观察。头部：内含遗传物质核酸尾部：帮助遗传物质注入细胞尾髓：收缩功能，可使头部核酸注入宿主菌尾领：与头部装配有关尾板：内含裂解宿主菌细胞壁的溶菌酶尾丝：吸附结构，能识别宿主菌表面的特殊受体尾刺尾丝

尾领

尾鞘化学组成核酸基因组蛋白质衣壳保护遗传物质帮助侵染新的宿主具抗原性，可刺激机体产生特异性抗体抵抗力对理化因素的抵抗力比一般细菌的繁殖体强，加热70-80℃经30min仍不灭活。多数能抵抗乙醚、氯仿和乙醇，但对紫外线和X射线敏感，一般经紫外线照射10-15min即失活。在低温下能长期存活，反复冻融并不减弱其裂解能力。室温、4-8℃冰箱能保存6个月以上，在液氮中和冻干状态下能长时间保存。2、噬菌体的生活周期根据在宿主菌体内复制过程和生存状态的差异，分为毒性噬菌体（virulentphage）

温和噬菌体（temperatephage）（1）毒性噬菌体生活周期

吸附（adsorption）侵入（penetration）核酸复制（nucleicacidreplication）噬菌体装配（phageassembly）释放（release）（2）温和噬菌体生活周期

许多噬菌体感染细菌后，不进入裂解循环，而是将其基因组整合到宿主菌染色体上或像质粒存在于细胞质中，随细菌DNA复制而复制，并随细菌的分裂而传代，细菌并不裂解，被称为温和噬菌体或溶原性噬菌体（lysogenicphage）。整合在细菌基因组中的噬菌体基因组称为前噬菌体（prophage），带有前噬菌体的细菌称为溶原性细菌（lysogenicbacterium）。（二）转导类型普遍性转导（generalizedtransduction）局限性转导（specializedtransduction）1、普遍性转导