2-微生物的变异1

微生物的遗传和变异MicrobialGeneticsandVariation第二节微生物的变异一、变异的实质——基因突变二、突变的类型三、基因突变的特点四、突变的机制黑猩猩与人类ChimpanzeesHumans6~8millionyears原始人或古人类突变(mutation)：遗传物质核酸(DNA或RNA)中的核苷酸顺序突然发生了稳定的可遗传的变化。突变包括基因突变(genemutation，又称点突变)和染色体畸变(chromosomalaberration)两类。基因突变是由于DNA链上的一对或少数几对碱基发生改变而引起的。染色体畸变则是DNA的大段变化（损伤）现象，表现为染色体的插入(insertion)、缺失(deletion)、重复(duplication)、易位(translocation)和倒位(inversion)。突变几率一般在10-6~10-9范围内。重组或附加体等外源遗传物质的整合而引起的DNA改变，不属突变的范围。一、变异的实质——基因突变二、突变类型依据表型改变分为1.形态突变型：发生细胞形态变化或引起菌落形态改变的突变型。2.生化突变型：一类发生代谢途径变异但无明显形态变化的突变型。3.致死突变型：造成个体死亡或生活力下降的突变型（半致死突变型）。4.条件致死突变型：在某一条件下具致死效应，而在另一条件下无致死效应的突变型。如某些突变体的大肠杆菌在40℃时不能生长，而在37℃则可以生长。形态突变型(morphologicalmutant)枯草杆菌产蛋白酶缺陷突变株生化突变型菌落颜色变化（变异成橙色）β半乳糖苷酶基因的插入失活，使重组子菌落为白色而与兰色的非重组子分开。根据生化突变型分为1.营养突变型：由基因突变而引起代谢过程中某酶合成能力丧失的突变型，它们必须在培养基中添加相应的营养成分才能正常生长。2.抗性突变型：一类能抵抗有害理化因素的突变型。根据其抵抗对象可分为抗药性、抗紫外线或抗噬菌体等突变类型。3.抗原突变型：指细胞成分尤其是细胞表面成分（细胞壁、荚膜、鞭毛）的细微变异而引起抗原性变化的突变型。原养型（野生型）＋缺陷性（变异型）－苏氨酸原养型thr+、亮氨酸原养型leu+苏氨酸缺陷性thr-、亮氨酸缺陷性leu-敏感株(Sensitive)S耐性株(Resistant)RT1噬菌体敏感株T1S、链霉素敏感株strST1噬菌体耐性株T1R、链霉素耐性株strR根据遗传物质结构的改变分为碱基置换，移码，DNA片段的缺失和插入根据突变引起的遗传信息的改变分为同义突变，错义突变和无义突变同义突变：微生物结构基因中编码某一氨基酸的密码子发生的位点突变。其突变的密码子与原密码子编码的氨基酸相同，而不影响微生物的表型。leucineCUA,CUC错义突变：编码某种氨基酸的密码子经碱基替换以后，变成编码另一种氨基酸的密码子，从而使多肽链的氨基酸种类和序列发生改变。leucineCUA,valineGUA无义突变：编码某一氨基酸的三联体密码经碱基替换后，变成不编码任何氨基酸的终止密码UAA,UAG或UGA。虽然无义突变并不引起氨基酸编码的错误，但由于终止密码出现在一条mRNA的中间部位，就使翻译时多肽链的终止就此终止，形成一条不完整的多肽链。点突变的类型（以酪氨酸的密码子为例）无义突变同义突变错义突变DNATAC→TAA,TAG↓↓↓↓RNAUACUAG↓↓↓↓aa酪终止终止TAC→TAT↓↓UAC↓↓酪酪TAC→TCC↓↓UAC↓↓酪丝UCCUAUUAA影响翻译的一种无义突变赖氨酸终止因子细菌的大小和形态在不同的生长时期可不同，生长过程中受外界环境的影响也可发生变异。如：炭疽芽孢杆菌含微量青霉素培养基上，发生形态变异。细菌的特殊结构如：荚膜（肺炎双球菌）、芽胞（炭疽芽孢杆菌）、鞭毛（变形杆菌H-O变异）也可发生变异。形态结构的变异在含微量青霉素培养基上，发生形态变异，为大而均匀圆球形，呈串珠状（与其它芽胞杆菌的区别）一般形态为两端平齐，呈竹节状排列毒力增强：无毒力的白喉棒状杆菌常寄居在咽喉部，不致病；当感染了β-棒状噬菌体后变成溶原性细菌，则获得产生白喉毒素的能力，引起白喉。毒力减弱：有毒菌株长期在人工培养基上传代培养，可是细菌的毒力减弱或消失。卡介苗(BCG)是有毒的牛分枝杆菌在含有胆汁的甘油、马铃薯培养基上，经过13年，连续穿230代，获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异株。毒力变异耐药性变异：细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐药的变异。有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性。从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的不断增长是世界范围内的普遍趋势，给临床治疗带来很大的困难，并成为当今医学上的重要问题。耐药性变异细菌的菌落主要有光滑(smooth,S)型和粗糙(rough,R)型两种。S型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐。经人工培养多次传代后菌落表面边为粗糙、干燥、边缘不整齐，称S-R变异。S-R变异常见于肠道杆菌，是由于失去LPS(脂多糖)的特异性寡糖重复单位而引起的。变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其它性状也发生了变化。S型菌的致病性强，但有少数R型菌的致病性强，如结核分枝杆菌。菌落变异细菌的菌落形态R型实际上是S型肺炎双球菌的突变类型StypeRtype1.不对应性突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。例如细菌在有青霉素的环境下，出现了抗青霉素的突变体，经变量试验、涂布试验和影印试验等典型遗传学实验证明，这类性状都可通过自发的和其他任何诱变因子诱发而得，青霉素等因素仅是起了淘汰原有非突变型（敏感性）个体的作用。三、基因突变的特点基因突变的自发性和不对应性的证明实验在各种基因突变中，抗性突变最为常见。但在过去相当长时间内对这种抗性产生的原因争论十分激烈。观点一：突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是“定向变异”，也有人称它为“驯化”或“驯养”。观点二：突变是自发的，且与环境是不相对的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起，所以难以探究问题的实质。经严密的科学实验证明：突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。如：在紫外线诱变下可以出现抗紫外线菌株，通过自发或其它诱发因素也可以获得同样的抗紫外线菌株；紫外线诱发的突变菌株也有不抗紫外线的，也可以是抗青霉素的，或是出现其它任何变异性状的突变。最著名的实验有：变量试验、涂布试验、影印培养试验。1943年，鲁里亚(S.E.Luria)和德尔波留克(M.Delbruck)首先设计。要点：先将大肠杆菌液分成等量的两部分。一部分装在大试管里，另一部分装在50支小试管里，将大小试管里的大肠杆菌放在恒温箱里培养，经过24到60小时后分别接种到固体培养基上。一只大试管分接50副培养皿，而50支小试管，每支接一副培养皿。每皿固体培养基里有等量的噬菌体，能生长的大肠杆菌是抗噬菌体的突变体。所得结果是，从一支大试管里长出来的菌落，也就是抗噬菌体的数量比较一致，即使有差异，也仅仅是实验上的误差。而由50支小试管长出来的抗噬菌体菌落，在数量上的差异较大。变量实验(fluctuationanalysis)SalvadorLuriaandMaxDelbruck(1943)来自同一个大瓶的50个培养皿tonr细胞数相对平均分别来自50支小试管的50个培养皿tonr细胞数波动很大同时保温24~36h培养前先分成50支小试管各培养皿中等量的T1噬菌体同一支大试管整体培养将对T1噬菌体敏感的E.coli对数期培养物稀释至103/mL，然后分两组，各10mL。解释：这说明大肠杆菌抗噬菌体性状突变，不是由于环境因素——噬菌体诱导出来的，而是在它们接触噬菌体前，在某一次细胞分裂过程中随机地自发产生的。这一自发突变发生得越早，则抗噬菌体菌落出现得越多，反之越少。噬菌体在这里仅起到淘汰原始的未突变的敏感菌和甄别抗噬菌体突变型的作用。在不含T1噬菌体的培养基中培养大肠杆菌涂布在含T1噬菌体的培养皿中tonr菌落数分布相对均匀细菌没发生自发突变在涂布T1噬菌体之前突变随机的发生在涂布T1噬菌体之后暴露导致突变tonr菌落数分布波动大在曝露T1之前的早期发生大量突变根据这个变量实验，将会出现两个可能：(A)如果突变是被诱导的，出现在每个培养皿上的突变菌落数量应大体相同。(B)如果突变是自发的，产生在细胞分裂过程中，每个培养皿的突变菌落数量将出现大的波动。(A)被诱发突变(B)自发的突变鲁里亚SalvadorLuria德尔波留克MaxDelbruckTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1969DelbrückmetSalvadorLuriaandAlfredHershey,whowerebothinterestedintheworkonphages.TogethertheyformedthePhageGroupin1943,tostudythenatureofthegene,viaresearchonphagesandsimilarorganisms.1949年，纽康姆(Newcombe)设计的试验。要点：在12个培养皿上各涂数目相等(5×104)的对T1噬菌体敏感的大肠杆菌，经5小时的培养，约繁殖12.3代，在皿上长出大量的微菌落（这时每一菌落约含5100个细胞）。取其中6皿直接喷上T1噬菌体，另6皿则先用灭菌玻棒把微菌落重新均匀涂布一次，然后同样喷上相应的T1。培养后发现，在涂布过的一组中，共有抗性菌落353个，要比未经涂布过的（仅28个菌落）高得多。解释：这说明大肠杆菌对T1噬菌体的抗性突变发生在未接触噬菌体前。噬菌体的加入只起甄别这类突变是否发生的作用，而不是诱导突变的因素。涂布实验(Newcombeexperiment)Newcombe(1949)获得免疫性假说在未喷T1噬菌体前没有突变细胞涂布后喷入T1噬菌体直接喷入T1噬菌体自发突变假说小菌落在生长时产生抗噬菌体突变涂布后喷入T1噬菌体直接喷入T1噬菌体选用对T1噬菌体敏感的E.coli，以相等数目涂布于12个平板上保温5小时,约繁殖了12.3代3个小菌落每个小菌落中的抗噬菌体细胞都会形成一个菌落两组培养皿菌数相同抗噬菌体菌落相同影印培养法是使在一系列培养皿的相同位置上能出现相同菌落的一种接种培养方法。1952年黎德伯格(J.Lederberg)夫妇首先进行的实验。要点：包有灭菌丝绒布的木质圆柱（直径略小于培养皿底）为印章，用不具抗性环境（如不加抗生素等）的完全培养基进行培养，以印章轻轻粘取菌落，然后再一一接种到不同的选择培养基（如含有不同抗生素等）上，培养后，对各培养皿相同位置上的菌落作比较，便可选出相应的突变型菌落。影印实验(replicaplating)JoshuaLederbergandEstherLederberg(1952)首先把大量对链霉素敏感的大肠杆菌K12涂布在不含链霉素的平板(1)的表面，待其长出密集的小菌落后，用影印法接种到不含链霉素的培养基平板(2)上，随即再影印到含有链霉素的选择性培养基平板(3)上。经培养后，在平板(3)上出现了个别抗链霉素的菌落。对培养皿(2)和(3)进行比较，就可在平板(2)的相应位置上找到平板(3)上那几个抗性菌落的“孪生兄弟”。然后把平板(2)中最明显的一个部位上的菌落（实际上是许多菌落）挑至不含链霉素的培养液(4)中，经培养后，再涂布在平板(5)上，并重复以上各步骤。上述过程几经重复后，只要涂上越来越少的原菌液至相当于平板(1)的培养皿(5)和(9)中，就可出现越来越多的抗性菌落，最后甚至可以得到完全纯的抗性菌群体。解释：原始的链霉素敏感菌株只通过(1)→(2)→(4)→(5)→(6)→(8)→(9)→(10)→(12)的移种和选择序列，就可在根本未接触链霉素的情况下，筛选出大量的抗链霉素的菌株。微生物抗药性是自发产生的，并与相应的环境因素毫不相