临床执医-医学微生物学-006细菌的遗传与变异

临床执医-医学微生物学-006细菌的遗传与变异主要介绍了细菌基因组与细菌基因突变、基因的转移和重组以及细菌的遗传与变异

六、细菌的遗传与变异

• 《医学微生物学》- 1 细菌基因组与细菌基因突变
  • 概述
    • 细菌的全部遗传信息构成了细菌基因型，决定细菌的生物学性状。细菌在特定外界环境生长所表现的形态和生理特征等性状的总和，称为表型。细菌的变异可分为两类，遗传变异与表型变异。遗传变异只发生在少数个体，但可稳定传给子代，产生变种或新种，有利于物种的进化；表型变异则因外界因素所致，常波及同一环境中的大多数个体，因遗传物质的结构未改变，其变化为可逆，且变异不能遗传。
    • 细菌基因组为单倍体，一旦基因发生变异，相应的表型也会很快发生改变，加之细菌的新陈代谢与生长繁殖迅速，在短期内即可观察到生物特性的变异。
  • 一、细菌基因组的主要组成
    • 细菌的遗传物质是DNA，细菌基因组包括染色体、质粒和整合在染色体中的噬菌体基因组。
    • 1.细菌染色体
      • 细菌基因主要位于染色体，细菌的染色体为单倍体。细菌基因组中大多数基因为单拷贝，而rRNA基因则为多拷贝，以满足细菌迅速生长繁殖的需要。与真核细胞不同，细菌基因组中非编码序列较少；无内含子，转录后的RNA无需剪接加工。在细菌基因组中可发现一些外源DNA片段，片段中间所带的基因与细菌的耐药性、致病性或某些代谢有关，分别称之为耐药岛、致病岛或代谢岛。
    • 2.质粒
      • 质粒是细菌染色体外具有独立复制能力的遗传物质，存在于细胞质中，为环状闭合或线性dsDNA，游离或整台在细菌染色体上。质粒携带有与细菌生命活动非必需的基因，其遗传信息可赋予宿主菌某些特定生物学性状。
    • 3.噬菌体基因组
      • 噬菌体是侵袭细菌的病毒，其基因组所携带的遗传信息可赋予宿主菌某些生物学性状。
  • 二、细菌基因组中主要的特殊结构
    • 在细菌基因组中存在插入序列和转座子等可移动元件。可移动遗传元件的移动方式称为转位，因此又称转座元件。转座元件是一类不依赖于同源重组即可在细菌或其他生物的基因组中改变自身位置的独特DNA序列，又称为跳跃基因，可导致基因的不稳定和高突变率。
    • 转座元件的转移可发生在同一染色体上，也可发生在染色体之间，质粒之间，或染色体和质粒之间。已证实所有生物均有可转移元件。
    • 转座元件可通过位置移动改变遗传物质的核苷酸序列。因此，转座元件在促进细菌生物学性状改变以及进化过程中的作用不可忽视。
  • 三、细菌基因突变
    • 基因突变是指DNA碱基对的置换、插入或缺失所致的基因结构的变化。插入或缺失突变通常指较长的碱基序列减少或增加，可导致移码突变。细菌突变可以是自发的，亦可通过理化因子诱导突变。
    • 1.基因的自发突变
      • 细菌在生长繁殖过程中，经常发生突变。
    • 2.基因的诱发突变
      • 通过人工诱导可提高细菌的突变率，称为诱发突变。许多理化因子，如X线、紫外线、电离辐射、亚硝酸盐、烷化剂及等都具有诱变活性，直接损伤DNA分子。利用细菌诱变试验，可筛查环境因子对人类致癌的潜在作用。
    • 3.突变与选择
      • 突变的发生是随机和不定向的，在细菌群体中仅少数细菌发生突变。如果拟从大量细菌中鉴定出个别突变株，必须将菌群放在有利于突变菌而不利于其他菌生长的环境中。
    • 4.回复突变与抑制突变
      • 从自然界分离的未发生突变的菌株称为野生型；相对于野生型菌株发生某一性状改变的，称为突变型。细菌由野生型变为突变型是正向突变；有时突变株经过第二次突变可恢复野生型的性状，称为回复突变。野生型DNA序列的回复突变往往是表型回复突变，即第二次突变没有改变正向突变的序列，只是在其他位点发生突变，从而抑制了第一次突变的效应，称为抑制突变。
• 《医学微生物学》- 2 基因的转移和重组
  • 概述
    • 细菌间基因的转移与重组是发生遗传性变异的重要原因之一。DNA可以从一种生物转移至另一生物，整合至染色体，改变其遗传信息的组成，这类基因转移的方式称之为基因水平转移。这类遗传物质的交流可发生在亲缘、远缘，甚至无亲缘关系的生物之间。根据DNA片段的来源及交换方式等不同，将基因转移和重组分为转化、转导、接合等方式。
  • 一、转化
    • 受体菌直接摄取供体菌(外源)DNA片段而获得新的遗传性状的过程称为转化。受体菌直接摄取环境中供体菌裂解的DNA片段时，取决于其对转化的感受态。DNA片段一旦进入受体菌，与染色体发生同源重组，即可遗传给子代。如果与受体菌基因组无同源性，摄入的DNA片段则发生降解。细菌的自然转化感受态不常见，只有某些菌在生长周期的特定期间，方可摄取外源性DNA发生转化，成为带有供体菌性状的转化型细菌。
  • 二、接合
    • 细菌通过性菌毛相互连接沟通，将遗传物质从供体菌传递给受体菌的方式称为接合。质粒是最常被转递的遗传物质，通过接合方式转移的质粒称为接合性质粒。通过接合可以传递包括耐药基因、毒力相关基因和代谢性基因等性状。
  • 三、转导
    • 转导是由噬菌体介导，将供体菌的DNA片段转入受体菌，重组后使受体菌获得供体菌的部分遗传性状。转导可分为普遍性转导和局限性转导。
    • 1.普遍性转导
      • 毒性噬菌体和温和噬菌体均可介导普遍性转导。在噬菌体成熟装配过程中，由于装配错误，误将供菌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。大约每10万~1000万次装配中会发生一次错误。普遍性转导可产生两种结果：一种是供体菌DNA片段通过同源重组整合至受体菌染色体，随染色体复制而稳定遗传，称为完全转导。另一种是供体菌的DNA游离在细胞质中，不能自身复制，也不能传代，称为流产转导。
    • 2.局限性转导
      • 由温和噬菌体介导。溶原期噬菌体DNA整合在细菌染色体上形成前噬菌体。前噬菌体从宿主菌染色体上脱离时发生偏差，带有宿主菌染色体基因的前噬菌体脱落后经复制、转录和翻译后组装成转导噬菌体。这种转导噬菌体再感染受体菌时，可将供体菌基因带入受体菌。
  • 四、溶原性转换
    • 局限性转导的一种形式。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，称为溶原性转换。
  • 五、细菌遗传变异在医学上的实际意义
    • 1.形态结构变异与细菌学诊断
      • 细菌的形态、大小和结构受外界环境因素或基因突变的影响可发生变异，失去其典型特性，如菌落形态、鞭毛和抗原性等发生变化。
    • 2.耐药性变异与防控
      • 由于耐药性变异及耐药基因的水平传递，加之临床和饲料使用抗生素的筛选作用，耐药性细菌不断增加，且出现耐多种抗菌药物的菌株。细菌的耐药性变异和播散给临床治疗带来很大的困难。
    • 3.毒力变异与疫苗研制变异
      • 包括毒力的增强与减弱。在疫苗研发方面，通过突变降低细菌的毒力保留免疫原性，制备减毒活疫苗株。
    • 4.致癌物质检测中的应用
      • 化学诱变剂可引起基因突变，凡能诱导细菌突变的物质也可能诱发人体细胞的突变，是潜在的致癌物质。
    • 5.基因工程方面的应用
      • 基因工程是DNA体外重组技术，利用人工方法将目的基因重组于载体后转入受体细胞，使受体细胞表达出目的基因的性状。
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