微生物检验细菌的遗传与变异

第六章细菌的遗传与变异

本章考点：

1.遗传变异的物质基础

（1）微生物遗传物质组成结构特点

（2）细菌染色体

（3）细菌质粒

（4）细菌转位因子

2.微生物变异的现象

（1）概念与分类

（2）形态与结构变异

（3）培养特性变异

（4）毒力变异

（5）耐药性变异

3.微生物变异的机制

（1）概念

（2）突变

（3）基因物质的转移与重组

（4）病毒基因的相互作用

4.遗传变异研究的实际意义

（1）在临床疾病诊断和治疗中的意义

（2）在细菌和疫苗研究中的意义

一、概述

遗传使微生物的性状保持其种属的稳定性，变异是微生物进化的基础。

二、遗传变异的物质基础

（一）遗传物质组成结构特点

微生物的遗传物质是DNA。细菌遗传的物质基础存在于染色体、质粒和转位因子中。

（二）细菌染色体

1.细菌染色体特点为：一环状双螺旋DNA长链。细菌的基因结构呈连续性、无内含子（与其他生物细胞的染色体相区别），因此，转录后的DNA不需加工剪切即可产生成熟的mRNA。

2.细菌DNA复制和表达：大多数细菌的基因组中只有一个起始点顺序，复制时成团的DNA解开成环状，然后按DNA复制半不连续模式进行复制：即3’→5’链（先导链）复制的新生链是连续的，而与先导链互补的5’→3’链（随从链）复制的DNA是不连续的，以5’→3’方向先合成冈崎片段，再通过DNA连接酶共价连接成完整的一条链。由DNA经过RNA到多肽链的过程，即基因表达的过程。目前研究表明调控部位、调节蛋白和效应物分子是影响基因表达的主要调节因素。

（三）细菌质粒

1.质粒：是细菌体内染色体外的环状双股DNA，有时也可呈线状或超螺旋状。

2.质粒的基本特性：

①质粒DNA的复制为不依赖细菌染色体而自主复制；

②不相容性，两种结构相似，密切相关的质粒不能稳定的存在于一个菌细胞；

③转移性；

④指令宿主菌编码某些特殊功能蛋白质而赋于宿主菌众多的生物学特性。

3.质粒分类：按质粒编码的生物学性状一些重要的质粒有：

4.耐药性质粒的分类及其特征：

（四）细菌转位因子

1.转位因子：为存在于细菌染色体或质粒上的一段特异的核苷酸序列重复，它可在DNA分子中移动，不断改变它们在基因组内的位置，从一个基因组移动到另一个基因组中。

2.分类及特点：转位因子主要有三类：插入序列、转座子、转座噬菌体。

①插入序列由两末端为反向重复顺序和转座有关的基因组成，不携带其他任何已知和插入功能无关的基因区域，是最小的转位因子。

②转座子除携带与转位有关的基因外，还携带一些结构基因，能整合到受体DNA的多个“热点”上。

③转座噬菌体是一些具有转座功能的溶原性噬菌体。

三、微生物变异的现象

微生物变异现象可见于微生物的各种性状，表现为形态、结构、菌落、抗原性、毒力、酶活性、耐药性、空斑、宿主范围等的变异。可分为非遗传型变异和遗传型变异。微生物在一定的环境条件下发生的变异，不能稳定地传给子代，当环境条件改变，可能恢复原来性状，称为非遗传型变异；微生物的基因型发生改变，变异的性状能稳定地传给子代，并且不可逆转，称为遗传型变异。

四、微生物变异的机制

微生物变异分遗传型变异和非遗传型变异，后一类型的变异在细菌中颇为常见。引起遗传型变异的机制包括微生物遗传物质的突变及基因的转移和重组。

（一）突变

突变是细菌遗传物质结构发生突然而稳定的改变，这种改变可传于后代。在细菌生长繁殖过程中突变经常发生。根据细菌种类不同其突变率差别很大。突变率是由复制的准确度、DNA损伤的发生机会及对损伤DNA修复程度三方面综合决定。一般在l06～109中发生一次。

1.基因突变的规律

（1）自发突变和诱导：每个细菌都可自发突变，但频率很低。当加入诱导剂（紫外线、X线、烷化剂、亚硝酸盐等）后可使突变率提高l0～1000倍。

（2）随机突变和选择：突变是随机和不定向的，Luria与Delbruck所做的彷徨实验和Lederberg设计的影印实验证实。

（3）突变和回复突变：某种细菌在自然环境下大多数所具有的表型菌株称为野生型菌株，发生突变后的菌株则称为突变型株。经过再次突变又可成为与野生型相同表型的过程称为回复突变。

2.突变的类型和机制：按DNA分子碱基对的变化可分碱基的置换、碱基的插入和缺失，以及转位因子的插入。

（1）碱基的置换：在DNA链上一个或几个碱基可以发生置换。置换可以是一个嘌呤碱置换另一个嘌呤

碱（A+G）或一个嘧啶碱置换另一个嘧啶碱（T+C），称为置换；当以嘌呤置换嘧啶或反之则称颠换。碱基的突变影响到密码的组成，改变所编码的氨基酸而影响蛋白质功能。

（2）碱基的插入和缺失：当核苷酸序列上插入或缺失一个碱基，则使插入或缺失部位以后的序列中的碱基发生移码突变。

（3）转位因子的插入：DNA链上大段核苷酸序列的插入、缺失可导致大的突变。

（二）基因物质的转移和重组

1.转化：是受体菌直接摄取供体菌提供的游离DNA片段整合重组，使受体菌的性状发生变异的过程。

基因的转化需要一定的条件：①细菌在摄取外源性DNA时需处于感受状态；②细菌的种类与能否摄入外源性的DNA有关，除链球菌属、嗜血杆菌属及芽胞梭菌属外，大多数细菌不能自然摄入外源性DNA。革兰阳性菌和革兰阴性菌的转化方式不同。革兰阳性菌的感受态是由称为感受态因子（CF）的胞外信号诱导的，菌细胞上的特异受体和CF结合诱导新的蛋白质产生参与转化。革兰阴性菌的感受态产生不需CF诱导，必须是亲缘关系近的细菌DNA才能和受体菌整合。

2.转导：是以噬菌体为媒介，将供体菌的基因转移到受体菌内，导致受体菌基因改变的过程。分为普遍性转导和局限性转导。

在偶然条件下，细菌的DNA片段或小质粒可被错误的包装在噬菌体头部，成为一个转导性噬菌体。由于这种错误包装是随机的，可将细菌染色体任何部位基因包装入噬菌体头部，因而这种噬菌体引起的转导称普遍性转导。

噬菌体DNA脱离宿主染色体时发生偏差，把自身一段DNA留在染色体上，而将细菌染色体上原整合部位两侧的基因带走。此错位切割的噬菌体是缺陷型噬菌体，这种只转导噬菌体整合位置相邻的个别特定基因的转导称为局限性转导。

3.接合：是受体菌和供体菌直接接触，供体菌通过性菌毛将所带有的F质粒或类似遗传物质转移至受体菌的过程。主要见于革兰阴性菌。带有F质粒的细菌可形成性菌毛，称F+（雄菌），无F质粒的细菌无性菌毛，称F-（雌菌）。F质粒的接合分三种类型：①F+与F-接合，使F-转变为F+，原来的F+仍为F+。这一过程仅涉及F质粒的传递，不涉及细菌染色体的转移。②Hfr（高频重组菌）与F-接合，使F-获得供菌染色体的部分DNA片段，而F质粒几乎不可能进入受体菌。③F’质粒与F-接合，F’质粒是从染色体上脱离下