細(xì)菌的遺傳與變異 (2)

1、第六章 細(xì)菌的遺傳變異 主要內(nèi)容：一、細(xì)菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)二、基因突變?nèi)?、基因的轉(zhuǎn)移與重組四、研究細(xì)菌遺傳變異的實(shí)際意義1第一節(jié) 細(xì)菌遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)1、 基因組 (genome) 細(xì)菌的基因組位于核體，是遺傳的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。核體又稱染色體(chromosome)是由兩條環(huán)狀雙螺旋DNA長(zhǎng)鏈組成，含細(xì)菌的遺傳基因，控制細(xì)菌的遺傳與變異。細(xì)菌染色體DNA以半保留方式進(jìn)行復(fù)制。故子代寫親代細(xì)菌的性狀相同。倘若在DNA復(fù)制中，子代DNA發(fā)生改變，便會(huì)出現(xiàn)變異。22、質(zhì)粒 (Plasmid) 質(zhì)粒是細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì)，多為環(huán)狀雙螺旋DNA分子。質(zhì)?？梢宰陨韽?fù)制，隨宿主菌分裂傳到子代菌體。在一定條件下，

2、質(zhì)?？梢赞D(zhuǎn)移，也可丟失。質(zhì)粒是自行復(fù)制單位，有的需與核質(zhì)染色體的復(fù)制同步，稱為嚴(yán)緊型復(fù)制。編碼細(xì)菌各種重要的生物學(xué)性狀。31 F質(zhì)粒：編碼性菌毛的質(zhì)粒稱致育質(zhì)?；騀質(zhì)粒 ，具有F質(zhì)粒的細(xì)菌有性菌毛，為雄性細(xì)菌；無(wú)F質(zhì)粒的細(xì)菌無(wú)性菌毛，為雌性細(xì)菌，該質(zhì)粒與細(xì)菌的有性結(jié)合有關(guān)。2 毒力質(zhì)粒：編碼細(xì)菌各種毒力因子的質(zhì)粒統(tǒng)稱毒力質(zhì)?；騐i質(zhì)粒 。如致病性大腸桿菌在黏膜上定居及產(chǎn)生毒素的能力可由不同質(zhì)粒編碼，其中K質(zhì)粒編碼對(duì)黏膜具有黏附活性的菌毛，ST質(zhì)粒與LT質(zhì)粒分別編碼耐熱腸毒素和不耐熱腸毒素。細(xì)菌對(duì)抗菌藥物或重金屬鹽類的抗性則由R質(zhì)粒所決定。一個(gè)質(zhì)?？赏瑫r(shí)具有幾種編碼功能。 4質(zhì)?？梢栽诩?xì)菌間轉(zhuǎn)移

3、，當(dāng)質(zhì)粒從一個(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移至另一個(gè)細(xì)菌時(shí)，攜帶的性狀也隨之轉(zhuǎn)移。質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移不僅可以發(fā)生花同種、同屬的細(xì)菌之間，有的甚至還可以在不同種屬的細(xì)菌間進(jìn)行。按其轉(zhuǎn)移的特性時(shí)將質(zhì)粒分為二類:接合性質(zhì)粒與非接合性質(zhì)粒。52、穿梭載體 是一類特殊的質(zhì)粒，可在某種屬關(guān)系差異較大的微生物中轉(zhuǎn)移，例如在大腸桿菌與酵母之間。利用它可攜帶質(zhì)核或真核微生物的外源序列。3、轉(zhuǎn)座因子 (transposable element) 近年來(lái)發(fā)現(xiàn)微生物的某些DNA片段作為一個(gè)獨(dú)立單位可在染色體上移動(dòng)，此種移動(dòng)甚至可發(fā)生在不同種細(xì)胞之間。這種可移動(dòng)的DNA片段稱之為轉(zhuǎn)座因子。細(xì)菌的轉(zhuǎn)座因子有三種類型:插入序列（IS）、轉(zhuǎn)座子(Tn)以

4、及某些特殊的噬菌體，例如Mu是促變噬菌體的簡(jiǎn)稱。64、毒力島(pathogenicity island，PAI) 是20世紀(jì)90年代提出的一個(gè)新概念。PAI是指病原菌的某個(gè)或某些毒力基因群，分子結(jié)構(gòu)與功能有別于細(xì)菌染色體，但位于細(xì)菌染色體之內(nèi)，因此稱之為“島”。PAI雖然是染色體的DNA片段，但兩端往往具有重復(fù)序列與插入元件，其G+Cmol%及密碼使用與細(xì)菌染色體有明顯差異，分子量較大，多為3040kb，也有達(dá)100kb者。7遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)證明核酸是微生物遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)噬菌體感染實(shí)驗(yàn)植物病毒的重建實(shí)驗(yàn)8殺死 無(wú)菌落生長(zhǎng) 體外培養(yǎng) 活菌 體外培養(yǎng) 菌落 菌落多菌落少 體外混合培

5、養(yǎng)殺死 活菌 轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（2）細(xì)菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)9大量R菌落活R菌S菌無(wú)細(xì)胞抽提液+活R菌+S菌DNAS菌落轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)（3）S型菌無(wú)細(xì)胞抽提液試驗(yàn)S菌PrS菌多糖R菌落活R菌+Cncnc-micro101112 植物病毒蛋白質(zhì)和RNA可以人為地分開(kāi),同時(shí)又可把它們重新組合成具感染性的病毒.植物病毒的重建實(shí)驗(yàn) 甲乙r 感染癥狀同甲病毒；分離得到甲病毒 乙甲r 感染癥狀同乙病毒；分離得到乙病毒 Cncnc-micro13TMVHRV（TMV變種）HRVTMV原始株 拆開(kāi) 重建 感染 分離純化 植物病毒的重建實(shí)驗(yàn) 14染色體基因基因DNA基因是一段DNA1516第二節(jié) 基因突變一、基因突變的概念及種類：1、概

6、念：基因突變簡(jiǎn)稱突變，是變異的一種，指生物細(xì)胞遺傳物質(zhì)DNA分子結(jié)構(gòu)突然發(fā)生了穩(wěn)定的可遺傳的變化。它是生物進(jìn)化的一個(gè)重要因素。2、種類：細(xì)菌與一般生物細(xì)胞一樣可發(fā)生突變，其突變也可按發(fā)生改變的范圍大小，分為染色體畸變和點(diǎn)突變。17二、細(xì)菌常見(jiàn)的變異現(xiàn)象1、菌落形態(tài)變異 分為兩種類型，即菌落表面光滑、濕潤(rùn)，邊緣整齊的光滑型（S型）和菌落表面粗糙、枯干，邊緣不整齊的粗糙型(R型)。在一定條件下，光滑型菌落可變?yōu)榇植谛?，稱為SR變異。SR變異，經(jīng)常伴隨著S型抗原的喪失和病原菌毒力由強(qiáng)變?nèi)醯刃誀畹母淖?。18 2、形態(tài)結(jié)構(gòu)變異 常見(jiàn)的有細(xì)胞壁缺陷變異 (細(xì)菌L型等)、莢膜變異或鞭毛變異等。 3-6%食

7、鹽鼠疫桿菌多形態(tài)性(衰殘型)。 瓊脂培基19形態(tài)結(jié)構(gòu)變異 青霉素、溶菌酶正常形態(tài)細(xì)菌 L型變異 抗體或補(bǔ)體 (部分或完全失去胞壁)正?；魜y弧菌霍亂弧菌L型20形態(tài)結(jié)構(gòu)變異 特殊結(jié)構(gòu)的變異 42-43炭疽桿菌失去形成芽胞能力, 毒性 10-20天 降低 變形桿菌（H） 1%石炭酸 （O） 遷徙生長(zhǎng) 單個(gè)菌落鞭毛變異213、抗原變異 由于細(xì)菌基因突變而引起其抗原結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的變異類型。 常見(jiàn)的抗原變異有： 菌體抗原變異 鞭毛抗原變異 （H-O變異） 莢膜抗原變異224、抗性變異 是對(duì)某種化學(xué)藥物或致死物理因子抗性的變異。如耐藥性的產(chǎn)生、對(duì)多種物理因素的抗性增強(qiáng)等。5、營(yíng)養(yǎng)型變異 主要引起營(yíng)養(yǎng)缺陷型

8、變異，即細(xì)菌喪失合成一種或幾種生長(zhǎng)因子的能力，無(wú)法在基本培養(yǎng)基上正常生長(zhǎng)繁殖的變異類型。這種突變對(duì)研究細(xì)菌代謝產(chǎn)物的生物合成途徑很有用處。此外，營(yíng)養(yǎng)型變異菌株可作為雜交、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)和原生質(zhì)體融合等研究中的標(biāo)記菌種。 236、毒力變異：毒力增強(qiáng)或減弱毒力是病原菌特有的一種生物學(xué)性狀。在自然條件下，不僅不同菌株的毒力有所不同，就是同一菌株在不同條件下也表現(xiàn)出不同的毒力。在某種傳染病的發(fā)病初期，從患病動(dòng)物體內(nèi)分離出來(lái)的菌株毒力較強(qiáng)，然而在流行末期分離到的細(xì)菌毒力大為減弱。毒力強(qiáng)的菌株在體外連續(xù)傳代改變培養(yǎng)條件后，毒力往往減弱，而通過(guò)易感動(dòng)物又能便毒力減弱的菌株恢復(fù)毒力。 24細(xì)菌毒力減弱的方法 （1

9、）長(zhǎng)時(shí)間在體外連續(xù)培養(yǎng)傳代 病原菌在體外人工培養(yǎng)基上連續(xù)多次傳代后，毒力一般都能逐漸減弱乃至失毒力。 （2）在高于最適生長(zhǎng)溫度條件下培養(yǎng) 例如炭疽I型和號(hào)疫苗，均是將炭疽桿菌強(qiáng)毒株在4243培養(yǎng)傳代育成。25 （3）在含有特殊化學(xué)物質(zhì)的培養(yǎng)基中培養(yǎng) 如廣為采用的結(jié)核病卡介苗 (BCG)，系將牛型結(jié)核桿菌在含有膽汁的馬鈴薯培養(yǎng)基上每15天傳1代，持續(xù)傳代13年后育成。 （4）在特殊氣體條件下培養(yǎng) 如無(wú)莢膜炭疽芽孢苗是半強(qiáng)毒菌株在含50%動(dòng)物血清的培養(yǎng)基上，在50%CO2的條件下選育的。26（5）通過(guò)非易感動(dòng)物 如豬丹毒弱毒苗 (GC42 )系將強(qiáng)致病菌和株通過(guò)豚鼠370代后，又通過(guò)雞42代選育而

10、成。（6）通過(guò)基因工程的方法 去除毒力基因或用點(diǎn)突變的方法使毒力基因失活，可獲得無(wú)毒力菌株或弱毒菌株。但對(duì)多基因調(diào)控的毒力因子較難奏效。27 細(xì)菌毒力增強(qiáng)的方法在自然條件下，回歸易感動(dòng)物是增強(qiáng)細(xì)菌毒力的最佳方法。易感動(dòng)物既可是本動(dòng)物，也可是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。特別是易感實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，已廣泛用于增強(qiáng)細(xì)菌的毒力，如多殺性巴氏桿菌通過(guò)小鼠，豬丹毒桿菌通過(guò)鴿子等。 28 三、誘發(fā)細(xì)菌變異的方法 誘發(fā)突變是應(yīng)用人工方法使細(xì)菌增殖和復(fù)制DNA時(shí)出現(xiàn) “錯(cuò)誤”， 從而育成人類需要的細(xì)菌變異品系。如下介紹常用的誘變方法及其致突變的機(jī)制。 29（一） 物理方法 包括溫度及各種射線 。1、溫度：溫度誘發(fā)基因突變的機(jī)制似乎是專一

11、對(duì)GC堿基對(duì)的作用。包括使C脫氨基轉(zhuǎn)換為尿嘧啶 (U)，在復(fù)制中造成GG AT轉(zhuǎn)換;以及引起G-脫氧核糖鍵的移動(dòng)，從而在DNA復(fù)制過(guò)程中出現(xiàn)包括兩個(gè)G的堿基對(duì)，在再一次復(fù)制中造成GG CG顛換。302、輻射：輻射的誘變作用一般認(rèn)為有直接作用和間接作用兩個(gè)方面。前者是指輻射直接作用于染色體，包括引起DNA骨架斷裂所造成的染色體畸變和引起復(fù)制差錯(cuò)。間接作用是使染色體以外的細(xì)胞物質(zhì)發(fā)生變化，再由這些物質(zhì)作用于染色體引起突變;它包括堿基類似物的形成及其突變誘發(fā)作用，和電離輻射引起過(guò)氧化氫和游離基的產(chǎn)生以及它們誘發(fā)突變。31（二）化學(xué)方法 常用的化學(xué)誘變劑有5溴脫氧尿苷（ UBr ）、5-氟脫氧尿苷、2

12、-氨基嘌呤、8-氮鳥(niǎo)嘌呤、亞硝酸、羥胺、烷化劑（B丙酸內(nèi)酯和芥子氣等）、亞硝基胍、丫啶橙染料 (丫啶黃、丫啶橙、原黃素等)、一系列烷化劑和丫啶類結(jié)合的化合物、溴化乙錠等。它們的作用機(jī)制復(fù)雜而各有差異，總的說(shuō)來(lái)主要有以下幾方面。 321.取代堿基參入DNA，從而使DNA的某些堿基對(duì)發(fā)生置換。例如UBr是T的結(jié)構(gòu)類似物，它通常以酮式出現(xiàn)，能代替T與A形成氫鍵而配對(duì)。2. 使堿基發(fā)生化學(xué)變構(gòu)，從而引起DNA的某些堿基對(duì)發(fā)生置換。例如亞硝酸對(duì)堿基有氧化脫氨基作用，可以便C成為U與A配對(duì)，或A成為次黃嘌呤(H)與C配對(duì)，從而引起DNA的某些堿基對(duì)發(fā)生置換突變。 333.插入DNA相鄰的堿基之間，引起移碼

13、突變。在鄰近的兩個(gè)嘌呤堿基之間插入丫啶染料分子，可引起DNA復(fù)制時(shí)堿基增添或缺失的錯(cuò)誤，造成密碼子的移碼，出現(xiàn)基因突變。 4.引起DNA分子斷裂而誘發(fā)染色體畸變。例如許多烷化劑 (氮芥、硫芥、環(huán)氧乙烷等)除能誘發(fā)點(diǎn)突變以外，還能誘發(fā)染色體畸變。 34（三）生物學(xué)方法利用各種生物學(xué)的方法可誘使微生物發(fā)生變異，使細(xì)菌發(fā)生毒力等性狀的改變，獲得性能良好的菌株。1、增強(qiáng)毒力 連續(xù)通過(guò)易感動(dòng)物，可使病原菌毒力增強(qiáng)。有的細(xì)菌與其他微生物共生，或被溫和噬菌體感染，也可增強(qiáng)毒力。例如產(chǎn)氣莢膜梭菌與八疊球菌共生時(shí)毒力增強(qiáng);肉毒梭菌當(dāng)被溫和噬菌體感染時(shí)，方產(chǎn)生毒素。 352、減弱毒力 病原菌毒力自發(fā)減弱的現(xiàn)象，常

14、見(jiàn)于傳染病流行末期所分得的病原菌株。人工減弱病原微生物的毒力通常使用病原菌通過(guò)非易感動(dòng)物、雞胚等方法。如將禽霍亂強(qiáng)毒菌株通過(guò)琢鼠190代后，再經(jīng)雞胚傳40代，育成禽霍亂弱毒菌株。無(wú)論自然變異弱毒株或人工培育的變異弱毒株，均由于DNA上核甘酸堿基順序的改變的結(jié)果。36第三節(jié) 基因的轉(zhuǎn)移與重組細(xì)菌是單細(xì)胞生物，以二分裂方式進(jìn)行無(wú)性繁殖，子代只有從一個(gè)親代獲得遺傳物質(zhì)，在某種情況下，兩個(gè)不同性狀細(xì)菌的基因可以轉(zhuǎn)移到一起，經(jīng)過(guò)基因間的重組，形成新的遺傳型個(gè)體。細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移和重組的主要形式有轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合、原生質(zhì)體融合和轉(zhuǎn)染。 37轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化因子（transforming principle ）在轉(zhuǎn)化

15、過(guò)程中，轉(zhuǎn)化的DNA片段稱為轉(zhuǎn)化因子 ，分子量小于107，最多不超過(guò)1020個(gè)基因。感受態(tài)（competence）受體菌只有處于感受態(tài)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.38轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化因子吸附在受體菌表面受體上，然后再被攝入 。解鏈，一鏈進(jìn)入受體菌，另一鏈為進(jìn)入提供能量。重組。DNA復(fù)制重組菌繁殖后，獲得新的性狀的細(xì)菌稱為轉(zhuǎn)化菌的突變株。39轉(zhuǎn)化40接合（conjugation）接合是細(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。 接合性質(zhì)粒：能通過(guò)接合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒稱為接合性質(zhì)粒，F(xiàn)質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒和毒力質(zhì)粒。41E

16、. coli strains undergoing conjugation (TEM x27,700) 42接合F+F-F+F-F+F+F+F+DonorRecipient43接合R質(zhì)粒的接合日本首先分離到抗多種藥物的宋內(nèi)志賀菌多重耐藥株，多重耐藥性很難用基因突變解釋。健康人中大腸埃希菌30%-50%有R質(zhì)粒，而致病性大腸埃希菌90%有R質(zhì)粒。R質(zhì)粒與耐藥性有關(guān)，尤其與多重耐藥性有關(guān)。耐藥質(zhì)粒從一個(gè)細(xì)菌轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)菌中。44接合R質(zhì)粒 耐藥傳遞因子（resistance transfer factor,RTF）與F質(zhì)粒相似，編碼性菌毛的產(chǎn)生和通過(guò)接合轉(zhuǎn)移耐藥（r）決定子r-dir能編碼對(duì)抗菌

17、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。 45 轉(zhuǎn)導(dǎo)（transduction）轉(zhuǎn)導(dǎo)是以轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體為載體，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。 普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)（generalized transduction）局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)（restricted transduction）46 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105107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

18、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)47普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)48普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)完全轉(zhuǎn)導(dǎo)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) 流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)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) 49局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)或特異性轉(zhuǎn)導(dǎo)， 所轉(zhuǎn)導(dǎo)的只限于供體菌染色體上特定的基因。如噬菌體進(jìn)入大腸埃希菌。局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)50局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)galbiogalbiogalbiogalbiobiogal51第四節(jié) 細(xì)菌遺傳變異研究的實(shí)際意義1、理論意義：用細(xì)菌進(jìn)行的一系列遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅揭示了細(xì)菌本身許多遺傳變異的規(guī)律，而且推動(dòng)整個(gè)分子遺傳學(xué)的迅速發(fā)展。在微生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，細(xì)菌遺傳變異的研