细菌的遗传与变异

下图介绍了细菌的遗传与变异，包含细菌染色体、染色体外的遗传物质、细菌的变异现象、细菌的变异类别、细菌的变异机制。

细菌的遗传与变异

• （1） 细菌的遗传物质
  • 细菌遗传物质（细菌基因组）
    • 细菌染色体
      • 环状螺旋双链DNA（dsDNA），超螺旋结构
      • *特点
        • 1||| 功能相关基因串联排列，具有操纵子结构
        • 2||| 大部分DNA用于编码蛋白质
        • 3||| 结构基因单拷贝（rRNA多拷贝)
        • 4||| 具有各种功能的识别区域-复制起始区OriC、转录启动区和中止区等 该类区域往往具有特殊的顺序
    • 染色体外的遗传物质
      • 质粒
        • 分类
          • 1. 根据质粒的不同特性
            • 1||| 接合性质粒和非接合性质粒：是否可通过细菌的性菌毛传递； 接合性质粒带有与接合传递有关的基因 如F质粒和R质粒； ‚非接合性质粒不能通过结合方式传递
            • 2||| 严紧型质粒和松弛型质粒：在宿主菌中的拷贝数，质粒拷贝数是指每个细菌内 所含有相同质粒的数量； 严紧型质粒的复制与染色体同步，拷贝数低，仅为数个， 分子量较大； ‚松弛型质粒的复制与染色体不同步，分子量小，拷贝数高
            • 3||| 不相容性质粒和相容性质粒：质粒的相容性； 相关的质粒不能稳定地共存于同一宿主菌中的现象称 为不相容性，反之则称为相容性
          • 2. 根据质粒基因编码的生物学性状
            • 1||| 致育质粒（F质粒）：编码性菌毛介导细菌间质粒的接合传递
            • 2||| 耐药性质粒：其编码产物与多种抗菌药物的抗性相关 可通过接合方式进行基因传递的称接合性耐药质粒/R质粒，革兰阴性菌 中多见； ‚不能通过细菌接合传递的质粒称非接合性质粒/r质粒
            • 3||| 毒力质粒（Vi质粒）：编码与细菌致病性相关的毒力因子
            • 4||| 细菌素质粒：编码各类细菌素
            • 5||| 代谢质粒：编码与代谢相关的酶类
      • 噬菌体基因组
      • 可移动元件
        • 1||| 插入序列：最简单的转座因子，具有末端重复序列， 仅携带与转座有关的基因，编码转位酶
        • 2||| 转座子：基因组中一段能改变自身位置的DNA序列，可在细菌染色体、质粒或噬菌体之间自行移动
        • 3||| 整合子：一种运动性的DNA分子，可捕获和整合外源基因， 使之成为功能性基因的表达单位
• （2） 细菌的变异
  • 1. 细菌的变异现象
    • 1||| 形态结构变异
      • a. 正常形态细菌¾¾¾¾®L型细菌 青霉素/溶菌霉 抗体/补体
      • b. 炭疽芽胞杆菌¾¾¾¾¾®失去形成芽胞能力，毒力降低 42°C，10-20d
      • c. 有鞭毛的变形杆菌，迁徙现象，H菌落¾¾¾®失去鞭毛，单个菌落，O菌落 1%石炭酸 H-O变异
    • 2||| 毒力变异
      • 无毒力白喉棒状杆菌¾¾¾®有毒力 b棒状噬菌体
        • 溶原性转换
      • 牛型结核杆菌¾¾¾¾®卡介苗 13年(230代）
    • 3||| 菌落变异
      • 光滑型菌落（S）¾¾¾¾®粗糙型菌落（R） 多次传代培养
    • 4||| 其他变异：生理性、抗原性、耐药性变异
  • 2. 细菌的变异类别
    • 遗传性变异（基因型变异）
    • 非遗传性变异（表型变异）
  • 3. 细菌的变异机制
    • 1||| 基因突变
      • a. 彷徨实验
        • 实验过程
          • 将{10}^3/ml对噬菌体敏感的细菌培养液接种到多个试管内培养，分别从各管取一定量的菌液接种在含噬菌体的琼脂平板上，结果各个平板上有不同数量的菌落；再从同一试管分次取出的同样菌液接种在多个含噬菌体的琼脂平板上，结果各个琼脂平板上的抗性菌落数相差不大，而取自不同试管的菌液所含抗性菌落数则相差悬殊
        • 实验结论
          • 变异是自发的、随机的，发生在接触噬菌体之前，噬菌体仅起了筛选作用，而不是诱导作用
      • b. 影印实验
        • 实验过程
          • 将对抗生素敏感的细菌接种在不含抗生素的平板上，待生长出单个菌落后，取包裹无菌丝绒的压模，轻轻按印在琼脂平板表面，再将菌落压模印迹平行按压到含有抗生素的琼脂平板上，培养后平板上的敏感菌被抑制，耐药菌生长，将对应于无抗生素平板上相应位置的菌落找出，移种到含抗生素的肉汤中培养，，培养液混浊，可见耐药细菌生长
        • 实验结论
          • 变异是自发的、随机的，发生在接触抗生素之前，抗生素仅起了筛选作用，而不是诱导作用
      • 变异的特点
        • a. 自发或诱导发生-自发突变率{10}^{-9}~{10}^{-6} 诱变剂-c射线、g射线、紫外线、碱基类似物
        • b. 随机发生-两个基因突变各不相关
        • c. 突变与环境选择
    • 2||| 基因转移与重组
      • 供体菌-提供DNA 受体菌-获得DNA
      • 根据DNA片段来源及交换方式不同
        • 1||| 转化
          • 例子
            • 有荚膜肺炎链球菌IIIS型有毒力，无荚膜肺炎链球菌IIR型无毒力；用IIR型菌注射小鼠，小鼠存活；用IIIS型菌注射小鼠，小鼠死亡，从死亡的小鼠的心血中分离得到IIIS型纯培养；将热灭活的IIIS型菌注射小鼠，小鼠存活；将热灭活的IIIS型菌和活的IIR型菌混合后注射小鼠，小鼠死亡，从死亡的小鼠的心血中分离得到IIIS型的纯培养；用IIIS型菌的DNA与活的IIR型菌混合后注射小鼠，小鼠死亡，从死亡的小鼠的心血中分离得到IIIS型的纯培养
          • 转化是受体菌直接摄取供体的游离的DNA片段，从而获得新的性状
          • 特点
            • a. 转移片段可以是染色体DNA或质粒DNA
            • b. 供体菌游离DNA可由人工提取或细菌死亡后释出
            • c. 只有处于感受态的细菌才能摄取DNA
            • d. 受体菌摄取游离DNA片段后，经重组并整合于染色体基因组中
            • e. 摄取的质粒不整合
        • 2||| 接合
          • 供体菌DNA通过性菌毛或类似结构从供体菌转移到受体菌，使受体菌获得新的性状
          • 类型
            • F+菌含有编码性菌毛的F质粒，F-菌没有，将它们混合培养，F+性菌毛与F-菌表面受体接合形成通道，F质粒自orit位点开始传递，在orit切割形成单链缺口，单链DNA经性菌毛接合桥进入F-菌内，两个菌内的单链DNA进行复制，各自形成完整的双链F质粒，受体菌获得F质粒后成为F+菌，可形成性菌毛，获得了新的性状
            • F质粒可整合到细菌的染色体上，形成高频重组株，高频重组株也含有性菌毛，但在接合过程中，整合在染色体上的F质粒最后才进入受体菌，由于细菌间的接合桥不稳定，接合过程随时会中断，受体菌可含有不同长度的供体菌染色体片段
              • 1. F质粒可整合到细菌染色体上从而导致宿主菌染色体所含基因的高频转移，称为高频重组株。 2. 先行传递的基因呈高频转移，位于其后的基因转移频率则逐渐降低，F质粒位于染色体链的末端，最后进入受体菌，因此受体菌获得Hfr菌的完整F质粒DNA的概率很低，F质粒在Hfr菌株中的整合是可逆的，有时会从染色体上脱落，从而细菌终止Hfr状态
        • 3||| 转导
          • a. 以噬菌体为载体，将供体菌DNA转移到受体菌中，使其获得新的生物学性状
          • b. 普遍性传导：被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部位
            • 毒性噬菌体和温和噬菌体均可介导普遍性传导，在噬菌体成熟装配过程中，由于错配/装配错误，将宿主染色体片段或质粒装入噬菌体内，产生一个转导噬菌体，当转导噬菌体感染其他细菌时，便将供体菌DNA转入受体菌；供体菌DNA整合到受体菌染色体上称为完全转导，供体菌的DNA游离在细胞质中，不能自身复制，也不能传代，称为流产传导
          • c. 局限性传导：噬菌体DNA与宿主菌染色体切离时只能携带邻近的宿主菌DNA片段
            • 由温和噬菌体介导，前噬菌体从宿主菌染色体上脱落时发生偏差，带走邻近的宿主菌DNA片段，成为转导噬菌体，转导噬菌体再感染受体菌时将供体菌基因带入受体菌
          • d. 溶原性转换
            • 温和噬菌体感染宿主菌使之溶原化，噬菌体DNA整合于宿主菌染色体上，使宿主菌获得新性状
              • b棒状杆菌噬菌体（温和噬菌体）携带白喉毒素基因，当该噬菌体基因组整合于无毒白喉棒状杆菌基因组（溶原性转换），受体菌即可产生白喉毒素，成为有毒株
        • 4||| 原生质体融合
          • 失去细胞壁成为原生质体后进行相互融合 原生质体融合是一种人工基因转移系统