细菌变异的机制

第三节　细菌变异的机制

细菌的遗传性变异是由于基因结构发生改变所致，主要通过基因突变、基因转移与重组两种方式实现。

一、突变

突变（mutation）是指细菌的遗传基因发生突然而稳定的改变，导致细菌性状的遗传性变异。若细菌DNA上核苷酸序列的改变仅为1个或几个碱基的置换、插入或丢失，出现的突变只影响到一个或几个基因，引起较少的性状变异，称为基因突变；若涉及大段的DNA发生易位、缺失、倒位或重复等变化，称为染色体突变。它常导致细菌死亡。细菌的突变也可分为自发突变（spontaneousmutation）和人工诱变（inducedrrmtation）。自发突变是在未经人工改变的外界条件下，自然发生的突变，它经常发生，但发生的概率（突变率）很低，通常仅为10^－9～10^－6。人工诱变是在应用诱变因素的影响下而发生的突变，其突变率常高于自然突变。许多物理和化学因素，如X射线、紫外光、亚硝酸、烷化剂和碱基结构类似物等均可作为细菌的诱变剂，提高细菌的突变率。

在细菌生长繁殖过程中，突变经常自然发生，但自然突变率极低。如果用细菌的诱变剂去诱导细菌突变，可使诱导突变率提高10～1　000倍。突变与选择突变是随机的，不定向的。发生突变的细菌只是大量菌群中的个别菌，要从大量细菌中找出该突变菌，必须将菌群放在一个有利于突变菌而不利于其他菌生长的环境中，才能将其选择出来。耐药菌株首先是自发产生的，然后由抗生素将其选择出来是通过影印培养法来证明的。此实验证明突变是自发的、随机的；突变发生在接触抗生素之前，抗生素在细菌突变过程中只是起选择作用而不是诱导作用。这个实验的基本步骤是：首先把少量金黄色葡萄球菌涂布在琼脂平板上培养一定时间，观察平板有分散的单个菌落后，再把一块包有无菌丝绒的压模，轻轻按在琼脂平板表面上，这时丝绒表面就沾有细菌菌落的印迹。接着把此丝绒压模按印在另一个含有涂布有青霉素的琼脂平板表面后培养一定时间，可观察到有青霉素的琼脂平板表面上有一些耐药菌菌落生长。将含青霉素平板上耐药菌菌落的位置，与在原来无青霉素平板上的菌落作对比，可找出相应菌落（图18－3）。

二、基因的转移与重组

遗传物质由供体菌进入受体菌体内的过程称为基因转移。转移的基因与受体菌DNA整合在一起，称为重组。在基因转移中，提供遗传物质的细菌称供体菌；接受遗传物质的细菌称受体菌。外源性遗传物质包括细菌染色体DNA片段，质粒DNA及噬菌体基因等。细菌通过某种方式获得外源基因并与自身基因重组，导致自身遗传性状改变是细菌遗传性变异的另一种方式。基因转移与重组的方式有转化、接合、转导和溶原性转换四种。

图18－3　影印培养示意图

（一）转化

受体菌直接从周围摄取供体菌游离的DNA片段，与自身基因重组后获得新遗传性状的过程称为转化（transformation）。转化的DNA可以是细菌溶解后释放的，也可用人工方法抽提而获得。转化首先在1928年由Griffith在肺炎球菌中发现，以后在葡萄球菌、嗜血杆菌也先后被发现。肺炎链球菌的转化是经典范例，其方法是将致死小鼠肺炎链球菌杀灭后，加入非致死小鼠的肺炎链球菌培养物中，能够使后者变为致死小鼠的肺炎链球菌。细菌发生转化影响因素有：①在转化过程中，转化的DNA片段称为转化因子（transforming principle）。相对分子质量小于1×10⁷，最多不超过20个基因。②供体菌与受体菌的DNA应具有同源性，亲缘关系愈近，转化率愈高。③受体菌只有处于感受态（competence）时，才能摄取转化因子。细菌处于感受态是因为其表面有一种吸附DNA的受体。感受态一般出现在细菌对数生长期的后期，保持时间短，仅数分钟至4h。加用Ca^2＋与Mg^2＋处理，可增加感受细胞摄取DNA的能力。在转化时，转化因子首先吸附在受体菌表面受体上，然后再被摄入。在摄入前，供体菌的双链DNA片段被受体菌表面的核酸内切酶切开，其中一链进入受体菌，另一链为进入提供能量。进入的供体菌DNA片段与受体菌相应DNA进行重组，重组后受体菌两DNA序列不完全一样。当重组菌繁殖，DNA复制时，与原型菌一样的DNA序列链仍保持原来的性状，而比原型菌多一段外来的供体菌DNA序列链的则获得新的性状，成为转化菌突变株（图18－4）。

图18－4　细菌转化示意图

（二）转导

以温和噬菌体为媒介，把供体菌的DNA小片段携带到受体菌中，通过交换与整合，使受体菌获得供体菌的部分遗传性状，称为转导（transduction）。获得新遗传性状的受体菌细胞，称为转导子（transductant）。根据转导基因片段的范围可分为普遍性转导和局限性转导两种转导。普遍性转导与温和噬菌体的裂解期有关；局限性转导与温和噬菌体的溶原期有关。

1．普遍性传导（general transduction）　当温和噬菌体终止溶原周期变为毒性噬菌体时，前噬菌体从溶原性细菌染色体上脱离，进行增殖，在裂解期的后期，噬菌体的DNA已大量复制，在噬菌体DNA装入外壳蛋白组成新的噬菌体时，在10⁵～10⁷次装配中会发生一次装配错误，误将细菌的DNA片段装入噬菌体的头部，成为一个转导噬菌体。转导噬菌体能以正常方式感染另一宿主菌，并将其头部的染色体注入受体菌内。因被包装的DNA可以是供体菌染色体上的任何部分，故称为普遍性转导（图18－5）。普遍性转导也能转导质粒，金黄色葡萄球菌中R质粒的转导在医学上具有重要意义。

图18－5　普遍性转导模式图

2．局限性转导（restricted transduction）　温和噬菌体感染细菌的溶源状态终止时，前噬菌体脱离宿主菌DNA时发生脱离位置偏差，使得宿主菌DNA与噬菌体DNA相连接的片段也脱离，并随噬菌体感染新的宿主菌时进入受体菌。由于供体菌DNA片段只有与前噬菌体附着位点相连的部分才有可能进入受体菌，因此称为局限性转导。如大肠埃希菌K12的λ噬菌体在溶原期整合在细菌染色体的半乳糖基因（gal）和生物素基因（bio）之间，当前噬菌体终止溶原周期从细菌染色体脱离时发生偏差，可连同gal和（或）bio一起脱离染色体，这样的噬菌体进入并整合到新宿主菌中，可使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。如志贺菌感染此种噬菌体后，可获得发酵半乳糖的能力。由于这种转导只限于供体菌DNA上个别的特定基因［gal和（或）bio］，故称为局限性转导（图18－6）。

图18－6　局限性转导示意图

（三）接合

接合是（conjugation）供体菌（F＋菌）通过性菌毛与受体菌（F－菌）接触并将自身DNA片段（通常是质粒）传递给受体菌使其获得新的遗传性状（图18－7）。接合性质粒主要有F质粒、R质粒等。

图18－7　接合时F质粒的转移与复制

（四）溶原性转换

溶原性转换（lysogenic conversion）是某些温和噬菌体感染敏感菌后，其基因片段可整合于宿主菌染色体中，使宿主菌的基因型发生改变而获得新的遗传性状的现象。如无毒性的白喉棒状杆菌、产气荚膜梭菌、肉毒梭菌、A族溶血性链球菌均可因噬菌体感染呈溶原状态时产生外毒素。应当注意转导与溶源性转换两者的差别。当噬菌体在寄主中消失时，通过噬菌体转换而获得的性状也同时丧失。