微生物学：细菌的遗传与变异

重点阐述了细菌的基因组、及细菌基因的转移与重组，可与分子生物学部分结合学习。

细菌的遗传与变异

• 细菌的变异现象
  • 遗传变异
    • 少数个体、遗传物质改变、稳定遗传、利于进化
  • 表型变异
    • 表型：特定外界环境中，细菌在生长中所表现的形态和生理特征等性状的总和
    • 外界因素导致大多数个体、遗传物质不改变、变异可逆，不能遗传
• 细菌基因组
  • 细菌基因组的主要组成
    • 细菌染色体
      • dsDNA（单条环状双螺旋双链DNA），单倍体，无组蛋白，无内含子
      • 大多数基因为单拷贝，而rRNA基因则为多拷贝，以操纵子为转录单位
      • 代谢岛、毒力岛的G+C百分比和密码子使用偏向性与细菌染色体有明显差异（外源DNA）
    • 噬菌体
      • 温和型噬菌体的基因组整合在宿主菌的染色体上，也叫前噬菌体
    • 质粒
      • 特点
        • 双股闭合环状DNA分子
        • 自主复制
        • 编码某些生物学表型
        • 可丢失和转移，与细菌生命无关
      • 类型
        • 是否可通过细菌的接合作用（性菌毛）传递
          • 接合性质粒、非接合性质粒
        • 宿主菌中的拷贝数是否与染色同步
          • 严紧型质粒、松弛型质粒
        • 质粒是否能在同一宿主菌共存
          • 相容性质粒、不相容性质粒
        • 编码的生物学形状
          • F 质粒： 致育性质粒，编码细菌的性菌毛
          • R 质粒： 耐药质粒，决定细菌耐药性形成的一种重要遗传物质
          • Vi质粒： 与细菌毒力有关
          • Col 质粒：编码大肠埃希菌的大肠菌素
  • 细菌基因组中的主要特殊结构
    • 插入序列
      • 两端的反向重复序列为重组酶的识别位点
      • 中心序列编码转座酶及转录有关的调节蛋白
      • 不携带任何与转位功能无关的基因
    • 转座子
      • 两端为插入序列
      • 中间区域为功能基因（主要为耐药基因等）
    • 整合子
      • 定位于细菌染色体、质粒或转座子上，能捕获和整合外源性基因，使之转变为功能性基因
      • 基本结构：两端为保守末端，中间为可变区，含一个或多个基因盒
      • 整合子含有3个功能元件：特异性重组位点、整合酶基因、启动子
      • 通过转座子或接合性质粒，使多种耐药基因在细菌中进行水平传播
• 细菌基因突变
  • 基因的自发突变是自然发生的（彷徨实验）
    • 噬菌体仅起筛选作用，不诱导突变
  • 基因的诱发突变（物理化学因素，可用于检查环境因子对人类的致癌潜在作用
  • 突变的发生是随机，不定向的（影印培养实验）
  • 回复突变与抑制突变
    • 野生型（wild type）: 从自然界分离的未发生突变的菌株
    • 突变型（mutant type）: 相对于野生型菌株发生某一性状的改变
    • 正向突变（forward mutation）: 细菌由野生型变为突变型
    • 回复突变（reverse mutation）: 突变株经过第二次突变可恢复野生型的性状
      • 基因型回复突变 （genotypic reversion），机率很低
      • 表型回复突变（phenotypic reversion），一般是抑制性突变
• 基因的转移和重组
  • 转化
    • 概念
      • 受体菌主动摄取外源性DNA
    • 影响因素
      • 供、受体菌的亲缘关系越近，基因型越相似，转化率越高
      • 受体菌只有在感受态才能摄入外源DNA片段（感受态细胞表面带正电荷，通透性增高）
      • Ca2+、Mg2+、cAMP可维持DNA稳定性，促进转化作用
    • 举例
      • 肺炎双球菌转化实验
  • 接合
    • 概念
      • 通过性菌毛将供体菌DNA转给受体菌，使受体菌获得供体菌的生物学性状
    • 类型
      • F质粒
        • 高频重组菌株
          • 细菌染色体转移频率高，F质粒转移的频率低（结合桥不稳定，随时发生中断）
      • R质粒
        • 耐药传递因子（r-det）：决定菌株耐药性，含有转座子
        • 耐药决定子（RTF）：编码性菌毛，决定质粒的复制、结合、转移
  • 转导
    • 概念
      • 由噬菌体介导，将供体菌DNA片段转入受体菌
    • 类型
      • 普遍性转导
        • 特点
          • 温和噬菌体、毒性噬菌体均可介导
          • 可转导任何部位细菌DNA片段（装配错误引起）
        • 结果
          • 完全转导：同源重组，稳定复制
          • 流产转导：不能复制，不能传代
      • 局限性转导
        • 特点
          • 温和噬菌体介导
          • 有片段特异性，前噬菌体及两边的细菌DNA
          • 只发生在同种细菌之间
        • 溶原性转换
          • 温和噬菌体感染宿主菌后，以前噬菌体形式与细菌基因组整合，使宿主菌成为溶原性细菌，从而获得由噬菌体基因编码的某些生物学性状，如白喉杆菌产生白喉毒素
  • 总结与比较
• 细菌的遗传变异在医学上的意义
  • 细菌形态结构的变异与细菌学诊断
    • 需充分了解细菌的变异现象和规律，才能正确诊断细菌性感染疾病
  • 细菌的耐药变异与控制
    • 耐药变异及耐药基因的水平传递，导致出现多种耐药菌株，治疗时要做药物敏感实验
  • 细菌毒力变异与疫苗研制
    • 制备减毒活疫苗
  • 流行病学分析方面的应用
    • 做分子生物学分析，有助于确定感染流行菌株或基因的来源
  • 致癌物物质检测中的应用
    • Ames实验
      • 将含有可疑诱变剂平板与无诱变剂平板上的菌落数进行比较，凡能提高突变率、使试验平板的诱导菌落数高出对照组一倍时，即为Ames试验阳性，提示被检物具有致癌潜能
  • 基因工程方面的应用