微生物的遗传和变异

这是一个关于微生物的遗传和变异的思维导图。导图从微生物 遗传和变异的物质基础、噬菌体及其对细菌遗传性的影响、微生物变异的常见类型、微生物变异的机制及其修复几个方面的内容。

微生物的遗传和变异

• 微生物遗传和变异的物质基础
  • 微生物的主要遗传物质
    • 病毒的核酸
      • 遗传物质是DNA或RNA。病毒的遗传物质包含着一套基因，由此决定病毒的感染特征和病毒蛋白质的特性。 两种复制方式：滚环复制（δ）和θ复制
    • 原核细胞型微生物的染色体
      • 遗传物质包括染色体（存在于拟核）和质粒 染色体为一段共价闭合环状的（covalently closed circular，CCC）双链DNA，在细胞中紧密缠绕成较致密的不规则小体，称为拟核。 复制过程：从染色体的复制起始点开始，同时向两个方向进行复制
    • 真核细胞型微生物的染色体
      • 存在形式：细胞分裂间期的染色质和细胞分裂期的染色体，主要化学组成是线状双链DNA分子和蛋白质，主要是组蛋白（染色体基本结构蛋白，呈碱性，可与酸性DNA紧密结合）。染色质的结构单位叫核小体，每个核小体大约由200bp的DNA和五种组蛋白构成。 复制过程：通常含有多条染色体，并且每条染色体含有许多个复制起点，可同时进行复制
  • 质粒和转座因子
    • 质粒的基本特性
      • 质粒（plasmid）是一种染色体外DNA遗传物质，呈双链、超螺旋、闭环状，能进行自主复制，主要游离于细菌细胞质中。现发现一些质粒也可整合入宿主细胞染色体中，随染色体复制而复制，这种质粒又叫做附加体。
      • 绝大多数质粒是CCC双链闭合环状DNA。质粒大多有三种构型，即CCC型、OC（open circular form)型和L型（linear form线型）
      • 质粒可独立于宿主染色体外自主复制，复制后在细胞分裂时能随染色体一起分配至子细胞，继续存在并保持固有的拷贝数。拷贝数少的为严紧型质粒，染色体与质粒拷贝数的比例一般为1:1-2，其复制与染色体的复制同步，如F质粒。拷贝数多的为松弛型质粒，正常情况下染色体与质粒拷贝数的比例为1:10-30，其复制与染色体的复制不相关，如ColE1质粒。
      • 质粒基因常赋予宿主细胞某些特性，如致育性、对抗生素和重金属的抗性
      • 质粒能从宿主细胞自发消除
      • 质粒可通过接合、转化或转导等方式在细菌间转移
      • 质粒具有相容性或不相容性。两种不同类型的质粒若能稳定地共存于一个宿主细胞内，即多次传代后，每个子细胞仍同时含有两类质粒，被成为质粒的相容性。相反，若两种质粒不能稳定地共存于一个细胞内，就叫做质粒的不相容性
    • 常见的质粒类型
      • F质粒
        • F的含义是致育性（fertility） F质粒具有编码性菌毛的能力。 含游离F质粒的菌株为F+（雄性菌株），反之为F-（雌性菌株） F质粒与接合作用相关，严紧型
      • R质粒
        • R质粒（drug-resistance plasmid）即耐药质粒。分为接合型和非接合型 耐药质粒的危害性在于能使宿主菌具有抗药性
      • Col质粒
        • Col质粒（Col plassmid）是编码大肠菌素的质粒
      • 代谢质粒
        • 代谢质粒的是携带有能降解某些基质的酶的基因，含有这类质粒的细菌，能将复杂的有机化合物降解成能被其作为碳源和能源利用的简单形式。
    • 转座与转座因子
      • 转座因子
        • 插入序列
          • 最简单的转座因子，通常是比较短的一段DNAtest序列
        • 转座子
          • 是一类分子量较大的转座因子
        • 温和噬菌体和转座噬菌体
          • 温和噬菌体一般整合到宿主染色体一定位置上，而转座噬菌体是具有转座功能的一类可引起突变的温和噬菌体。
        • 是指细胞基因组中能从一个位置转移到另一个位置的一段DNAtest序列，又称跳跃基因。
      • 转座
        • 是指转座因子从染色体的一个位置转移到另一个位置，或者在质粒与染色体之间转移的过程，即转座因子改变其在DNA分子上位置的过程
• 噬菌体及其对细菌遗传性的影响
  • 噬菌体(phage）是感染细菌、放线菌、螺旋体或真菌等微生物的病毒，因为噬菌体能引起宿主细胞的裂解，故称为噬菌体。 噬菌体具有一般病毒的一些共同特征，如只有一种核酸类型，能通过细菌滤器，无独立代谢酶系，必须在宿主细胞内才能生长和增殖。不同的是噬菌体的宿主细胞是细菌等微生物，具有严格的宿主特异性。
  • 噬菌体的生物学性状
    • 形态与结构
      • 蝌蚪形态与、微球形和细杆型，多数为蝌蚪形 头部呈球形，为二十面体立体对称，尾部是管状结构，呈螺旋对称 尾板、尾丝和尾刺是噬菌体与宿主菌接触的部位，与吸附宿主相关
    • 化学组成
      • 主要由核酸和蛋白质组成。 大多数噬菌体是双链DNA，少数为单链DNA或RNA。某些噬菌体含稀有碱基，特殊碱基成为噬菌体DNA的天然标记。 蛋白质组成噬菌体的头部外壳和尾部结构，对核酸起保护作用，还参与识别宿主菌表面的噬菌体受体并与之结合
    • 抗原性
      • 能刺激动物产生抗噬菌体抗体，该抗体与相应噬菌体结合后能使噬菌体丧失感染宿主菌的能力
    • 抵抗力
      • 噬菌体抵抗力比一般细菌强，70℃30分钟仍不失活，噬菌体能在低温下长期保存活力，在0.5％苯酚中3-7天不丧失活性
  • 噬菌体与宿主菌的关系
    • 毒性噬菌体的增殖和溶菌
      • 噬菌体在宿主菌细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终使宿主菌细胞裂解，称为毒性噬菌体 从吸附到宿主菌细胞裂解释放子代噬菌体的过程，称为噬菌体的复制周期或溶菌周期
    • 温和噬菌体的溶原和溶菌
      • 温和噬菌体感染宿主菌后不立即增殖，而是将其基因组整合到宿主菌的核酸中，并随宿主菌核酸的复制而复制，且伴随宿主菌分裂而分配到两个子代菌细胞中，即为溶原状态。 带有温和噬菌体基因组的细菌称为溶原性细菌，整合在宿主菌核酸中的噬菌体基因组称为前噬菌体。某些溶原性细菌可同时伴有相应性状的改变，称为溶原性转换。 溶原状态通常十分稳定，能经历许多代，但有时也会自发终止，即前噬菌体脱离宿主菌的核酸，并在宿主菌体内进行增殖，产生成熟的子代噬菌体，导致宿主菌细胞裂解。 所以温和噬菌体既有溶原周期，又有溶菌周期，而毒性噬菌体只有溶菌周期。
  • 噬菌体在医药学中的应用
    • 用于细菌的鉴定和分型
    • 耐药性细菌感染的治疗
    • 作为分子生物学研究工具
    • 遗传工程
• 微生物变异的常见类型
  • 高产突变株
    • 经不断地自然选育或人工诱变处理，选出高产突变株，以供生产的需要
  • 抗性突变株
    • 包括噬菌体突变株和抗药突变株
  • 条件致死突变株
    • 在许可条件下，突变株表达出野生型的表型，而在限制条件下致死
  • 营养缺陷型突变株
    • 微生物经突变后失去对某种生长因素的合成能力，必须依靠外界供应才能生长，这种突变株称为营养缺陷型突变株，其在没有相应生长因素的培养基上不能生长
  • 毒力突变株
    • 微生物长期培养于加有特殊化学成分的培养基或长期通过不同的动物传代，其毒力能够降低，可应用于弱毒活疫苗的制备
• 微生物变异的机制及其修复
  • 遗传性变异是由微生物细胞内遗传物质的结构发生改变而致，已变异的性状可稳定地遗传给后代，又称基因型变异； 非遗传性变异常由于外界环境的作用而引起，已变异的性状并不遗传至后代，是暂时的，又称表型变异。 发生遗传性变异的机制包括基因突变以及基因的转移和重组。
  • 基因突变及其分子机制
    • 基因突变的特性
      • 自发性和稀少性
        • 微生物各种性状的突变，可以在没有人为的诱变因素的情况下自发地产生，称为自发突变。 自发突变率很低。
      • 不对应性
        • 不对应性是指突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系
      • 可诱发性
        • 通过人为的理化因素的处理，可以提高上述自发突变的概率，称之为诱变。 凡能显著提高突变率的理化因素称为诱变剂。
      • 独立性
        • 突变的发生一般是独立的，即在某一群体中可以发生任何性状的突变。
      • 可逆性
        • 通常将从自然界获得的未发生突变的原始菌株称为野生型菌株，经突变后性状改变了的菌株称为突变株。 野生型菌株经突变称为突变型菌株后，经再一次突变，有时突变株又获得了野生型的表型，这第二次突变称为回复突变。
      • 可遗传性
        • 由于基因突变的实质是遗传物质发生改变的结果，因此突变型的基因和野生型的基因一样，具有相对稳定的结构，也可以遗传给后代
      • 突变是指生物体遗传物质的核苷酸序列发生了稳定可遗传的变化。 广义的突变包括基因突变和染色体畸变。 基因突变是指一个基因内部由于一对或少数几对碱基的置换、缺失或插入而引起的突变，其涉及的变化范围很小，所有又称点突变。 染色体畸变是指大段染色体的缺失、重复、易位和倒位，即较大范围内遗传物质结构的改变。
    • 基因突变的分子机制
      • 自发突变机制
      • 诱变机制
      • RNA基因组的改变
  • 基因的转移和重组
    • 基因转移：遗传物质由供体菌转移至受体菌。
    • 转化
      • 转化的前提条件
        • 转化成功与否与供体DNA片段大小、性质以及受体菌的生理状态有关。 受体菌表面的DNA结合位点只能与双链DNA结合，而不与单链DNA结合。
      • 感受态
        • 感受态是指受体菌能够从周围环境中吸收外源DNA分子进行转化的生理状态。 并不是所有种类的细菌都能自然出现感受态，能自然出现感受态的细菌也只在生长周期的某一特定时期出现感受态，一般是在对数生长期的后期。 人工诱导的感受态通过人为诱导的方法，包括CaCl2处理、电穿孔等，使细胞具有摄取DNA的能力
      • 转化的过程
      • 转化是指受体菌直接从周围环境中吸收供体菌游离的DNA，从而获得了供体菌部分遗传性状的过程。 被转化的DNA片段称为转化因子。 经转化后，稳定地表达供体菌部分遗传性状的重组子叫做转化子。
    • 接合
      • 接合指供体菌（F+）和受体菌（F-）通过性菌毛直接接触，遗传物质自供体菌转移入受体菌。
    • 转导
      • 普遍转导
        • 完全转导
          • 通过完全缺陷噬菌体将供体菌任何DNA片段转移至受体菌的转导现象，称为普遍转导。
          • 当噬菌体的DNA装配入衣壳时，偶尔装配错误，装入与噬菌体DNA大小相似的供体菌DNA片段，形成转导噬菌体。这种噬菌体不含噬菌体的DNA，是完全缺陷的噬菌体。
        • 流产转导
          • 经普遍转导进入受体菌的供体菌基因，如若不能重组整合入受体菌基因组和复制，也不迅速消失，而仅能表达，这在遗传上是不稳定的。
      • 局限转导
        • 是指通过部分缺陷的温和噬菌体，将供体菌少数特定的基因转移给受体菌，使后者获得前者特定表型的转导现象。
      • 转导是以噬菌体为媒介，将供体菌的遗传物质转移入受体菌，通过交换重组而使受体菌获得供体菌的部分遗传性状的过程。
    • 噬菌体转变
      • 噬菌体转变是由于温和噬菌体的感染，前噬菌体整合入宿主菌的染色体而使其溶原化的同时，使得宿主菌的表型特征也发生改变的这一过程，也称为溶原性转换。当宿主丧失这一噬菌体时，通过噬菌体转变而获得的新性状也就同时消失。
    • 原生质体融合
      • 原生质体融合是指将两种细菌经处理失去细胞壁成为原生质体后相互融合的过程。
    • 重组
      • 重组或遗传重组是指两个或两个以上不同的核酸分子进行重排，产生新的核苷酸排列顺序的过程。
• 生物可通过无性繁殖或有性繁殖的方式繁殖后代，并使子代与亲代相似。这种子代与亲代相似的现象就是遗传性。但是生物的子代与亲代，以及子代不同个体之间在性状上又存在某些差异，这就是变异性。 遗传性保证子代基本特征的相对稳定，变异性则使生物进化