第五章 细菌的遗传和变异

第5章细菌的遗传和变异遗传：亲代与子代相似变异：亲代与子代、子代间不同个体不完全相同遗传（inheritance）和变异（variation）是生命的最本质特性之一遗传型：表型（表现型）：生物的全部遗传因子及基因具有一定遗传型的个体，在特定环境条件下通过生长发育所表现出来的形态等生物学特征的总和。表型是由遗传型所决定，但也和环境有关。遗传性变异（基因型变异）非遗传性变异（表型变异）遗传性变异非遗传性变异基因改变+-遗传+-可逆性-+外界环境-+变异幅度个别细胞群体表型的差异只与环境有关特点：暂时性、不可遗传性、表现为全部个体的行为橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳。遗传型变异（基因变异、基因突变）遗传物质改变，导致表型改变特点：遗传性、群体中极少数个体的行为（自发突变频率通常为10-6-10-9）非遗传性变异第一节细菌的变异现象形态、结构变异毒力变异耐药性变异菌落变异形态结构变异3-6%食盐鼠疫耶氏菌多形态性陈旧培基物青霉素、溶菌酶正常形态细菌L型变异抗体或补体(部分或完全失去胞壁)细菌L型（bacterialLform）概念：某些药物作用于细菌，可抑制的肽聚糖的合成或破坏细胞壁的结构，在高渗环境下，细菌仍可存活，成为细胞壁缺陷型形成条件：溶菌酶、青霉素、胆汁、溶葡萄球菌素、抗体、补体等生物学特性：多形性、革兰阴性、高渗培养、生长缓慢、荷包蛋样菌落、可回复L－型细菌油煎蛋菌落特殊结构的变异42-43℃炭疽杆菌失去形成芽胞能力,毒性降低10-20天变形杆菌0.1%石炭酸迁徙生长（H）点状生长、单个菌落（O）鞭毛变异毒力变异增强β棒状噬菌体(溶源性转换)白喉棒状杆菌获得白喉毒素减弱胆汁、甘油、马铃薯培养基牛分枝杆菌卡介苗13年(230代)耐药性变异细菌对某种抗菌药物有敏感变成耐药的变异称为耐药性变异。金黄色葡萄球菌有些细菌还同时耐受多种抗菌药物，即多重耐药性，甚至产生药物依赖性。含链霉素培基痢疾杆菌赖链霉素株长期培养菌落变异在陈旧培养基中长期培养光滑型菌落粗糙型菌落SR原因：失去LPS的特异多糖革兰阴性菌外膜（outermembrane）–脂蛋白–脂质双层–脂多糖LPSLIPIDBILAYER脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）（1）脂质A（lipidA）为一种糖磷脂，由D-氨基葡萄糖双糖组成的基本骨架，不同细菌骨架一致。内毒素毒性与生物学活性成分无种属特异性（2）核心多糖（corepolysaccharide）位于脂质A的外层有属特异性，同一属细菌相同（3）特异多糖（specificpolysaccharide）最外层，由数个至数十个低聚糖（3~5个单糖）重复单位所构成的多糖链。是革兰阴性菌的菌体抗原（O抗原），具有种特异性缺失，细菌变为粗糙型细菌酶活性变异细菌的形态结构、代谢活动以及毒力和抗原性等,都是以生化活动为基础的,而生化活动又主要是通过一系列酶实现的。因此,从某种意义上讲,细菌的大多数变异都是生化变异或酶活性变异。在微生物遗传学和生化遗传学研究中,经常使用的营养缺陷型也是一种酶活性发生了变异株。如有的细菌通过紫外线照射或化学诱变剂处理后成为营养缺陷型株,由原来能自行合成某种氨基酸、维生素等营养物质原营养型发生变异,成为不能合成某种营养物质的缺陷型株。第二节细菌遗传变异的物质基础基因组：染色体和染色体外遗传物质质粒转位因子原核生物只有原始的无核膜包裹的呈松散状态存在的核区，其中的DNA呈环状双链结构，不与任何蛋白质相结合。(一)、细菌转化实验1.基础知识野生型肺炎双球菌菌落为光滑型，一种突变型为粗糙型，两者根本差异在于荚膜形成荚膜的主要成分是多糖，具特殊的抗原性不同抗原型是遗传的、稳定的，一般情况下不发生互变荚膜菌落毒性类型光滑型S发达光滑有I,II,III粗糙型R无粗糙无I,IIGriffith转化研究(1928)Griffith对其试验结论及发展根据上述研究结果Griffith认为：–(有毒)死细菌中的某种物质转移到(无毒)活细菌中，并使之具有毒性，导致小家鼠死亡–将这种细菌遗传类型的转变称为转化，并将引起转化的物质称为转化因子(tranformingprinciple)–但是当时的化学与生化分析技术还无法鉴定杀死细菌中的确切成分，因而不能确定转化因子为何物以后一些研究者重复上述试验，并且加入了体外培养试验，即：将加热杀死的SIII细菌与无毒RII细菌混合培养，然后注入小家鼠体内，同样导致家鼠死亡。表明：–细菌在培养条件下也能够实现遗传类型间的定向转化（二）阿维利(Avery)等的转化实验(1944)实验结论上述实验结果表明：来源于加热杀死的SIII细菌，并使RII细菌转化成为SIII型细菌的转化因子是DNA正是在这一认识的基础上，将转化定义为：–某一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一基因型的DNA而使它的基因型和表现型发生相应变化的现象Avery等人的实验实际上也表明：决定细菌遗传类型的物质是DNA，即证明了DNA就是遗传物质–但由于他们采用的实验方法当时不被人们广泛接受，而且得出的结论与当时人们的传统观念(认为蛋白质是遗传物质)不符合，而长期没有得到人们的承认Micrographofabacteriumshowingthenucleoidregion(green)withinthecytoplasmwherethebacterialchromosomeoccursRangeofgenomesizesinvirousgroupsoforganismsandtheorganellesofeukaryaThebacterialchromosomeandsupercoiling:ExampleofE.colicell•Thereareover50supercoileddomainintheE.colichromosome.•ThetotalamountofDNAisabout4600kb.•IfthetotalDNAisopenedandlinearized,itwouldbe1mminlength.•Thethecellisonlyabout2-3umlong.SotopackagethismuchDNAintothecellrequiresthattheDNAbehighlysupercoiled.ElectronmicrographofanisolatednucleoidreleasedfromE.coli.Chromosomecopynumber•Bacteriathatreproduceasexuallyaretypicallyhaploidingeneticcomplement.•Rapidlygrowingcellscontainmorethan1copyofthechromosome,andonlywhencellgrowthhasceaseddoesthechromosomenumberapproachonepercell.Reproductionofabacterialcellrequiresthereplicationofthebacterialchromosome.ThemicrographshowsthesequenceofsynthesisofnewcircularloopsofdoublehelicalDNA.Bacterianormallyreproducebybinaryfission.Theinwardgrowthoftheseptumdividestheparentcelltoproducetwoequal-sizedprogenycells.质粒PlasmidProkaryoticcellshavesmallextra-chromosomalgeneticelementscalledplasmids.Plasmidsdon’tcontainthegeneticinformationfortheessentialmetabolicactivitiesofthecell,buttheygenerallydocontaingeneticinformationforspecialfeatures质粒（plasmid）：一种独立于染色体外，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。转座因子（transposableelement）：位于染色体或质粒上的一段能改变自身位置的DNA序列，广泛分布于原核和真核细胞中。质粒和转座因子是细胞中除染色体以外的另外二类遗传因子质粒的主要类型高拷贝数(highcopynumber)质粒（每个宿主细胞中可以有10-100个拷贝）———————松弛型质粒(relaxedplasmid)低拷贝数(lowcopynumber)质粒（每个宿主细胞中可以有1-4个拷贝,其复制与染色体复制同步）———————严谨型质粒(stringentplasmid)窄宿主范围质粒(narrowhostrangeplasmid)（只能在一种特定的宿主细胞中复制）广宿主范围质粒(broadhostrangeplasmid)（可以在许多种细菌中复制）质粒（plasmid）细菌染色体外的遗传物质，是环状闭合的双链DNA。带有遗传信息，能自行复制，随细菌分裂转移到子代细胞，并非细菌生长所必需。可编码许多生物学性状。大质粒可含几百个基因，约占染色体1%—10%；小质粒可含10—20个基因，约占染色体的0.1%。特征–自我复制能力–编码基因产物赋予细菌某些性状特征–可自行丢失与消除–转移性–相容性和不相容性质粒的主要类型质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应致育因子（Fertilityfactor，F因子）抗性因子（Resistancefactor，R因子）产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）毒性质粒（virulenceplasmid）代谢质粒（Metabolicplasmid）隐秘质粒（crypticplasmid）质粒的不亲和性质粒之间的不亲和性、以及质粒拷贝数的多少、能适应的宿主范围的宽窄等特性均与质粒的复制控制类型有关几种重要的质粒–致育质粒（F质粒）–耐药质粒–毒力质粒（Vi质粒）–细菌素质粒–代谢质粒有的质粒可同时决定几个功能：F质粒除决定致育性功能外，还能提供辅助质粒转移的能力；某些耐药性质粒带有编码毒力的基因，该菌不仅获得耐药性，致病性也得到了增强。致育因子(Fertilityfactor，F因子)又称F质粒，其大小约100kb，这是最早发现的一种与大肠杆菌的有性生殖现象（接合作用）有关的质粒。携带F质粒的菌株称为F+菌株（相当于雄性），无F质粒的菌株称为F-菌株（相当于雌性）。F因子能以游离状态(F+)和以与染色体相结合的状态(Hfr)存在于细胞中，所以又称之为附加体(episome)。有关内容在讲细菌的接合作用（conjugation）时具体介绍抗性因子（Resistancefactor，R因子）包括抗药性和抗重金属二大类，简称R质粒。抗性质粒在细菌间的传递是细菌产生抗药性的重要原因之一。质粒的主要类型产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）细菌素一般根据产生菌的种类进行命名：大肠杆菌（E.coli）产生的细菌素为colicins（大肠杆菌素），而质粒被称为Col质粒。由G+细菌产生的细菌素或与细菌素类似的因子与colicins有所不同，但通常也是由质粒基因编码，有些甚至有商业价值，例如一种乳酸细菌产生的细菌素NisinA能强烈抑制某些G+细菌的生长，而被用于食品工业的保藏。细菌素抗生素抑制或杀死近缘，甚至同种不同株的细菌较广的抗菌谱通过核糖体直接合成的多肽类物质一般是次级代谢产物编码细菌素的结构基因及相关的基因一般位于质粒或转座子上一般无直接的结构基因，相关酶的基因多在染色体上产细菌素的质粒（Bacteriocinproductionplasmid）细菌素结构基因、涉及细菌素运输及发挥作用（processing）的蛋白质的基因、赋予宿主对该细菌素具有“免