噬菌體細(xì)菌的遺傳與變異

噬菌體是感染細(xì)菌、真菌、放線菌和螺旋體等微生物的病毒，特異性寄生于易感宿主菌體內(nèi)以復(fù)制的方式增殖。一、生物學(xué)特性1.基本形態(tài)有蝌蚪形、微球形和細(xì)桿形。2.大多為蝌蚪狀，由頭部和尾部組成。頭部核酸+蛋白質(zhì)衣殼。尾部尾須、尾領(lǐng)、尾髓、尾鞘、尾板、尾刺、尾絲等。（或RNA）

二、噬菌體的種類根據(jù)噬菌體與宿主菌的相互關(guān)系，可將噬菌體分為兩種類型——毒性噬菌體、溫和噬菌體。毒性噬菌體（溶菌性噬菌體）是感染宿主菌后只會使宿主菌裂解死亡，即一種能“吃”細(xì)菌的病毒，噬菌體因此而得名。溫和噬菌體（溶原性噬菌體）是可以不裂解宿主菌，與宿主菌同步繁殖；又能裂解宿主菌的病毒。三、毒性噬菌體（溶菌性噬菌體）

在易感菌內(nèi)以復(fù)制方式進行增殖，增殖過程包括吸附、穿入、生物合成、成熟和釋放幾個階段。從噬菌體吸附至細(xì)菌溶解放出子代噬菌體，稱為噬菌體的復(fù)制周期或溶菌周期。

吸附穿入生物合成成熟、釋放毒性噬菌體的溶菌周期

毒性噬菌體：只有溶菌性周期

噬菌體感染宿主菌增殖產(chǎn)生大量子代噬菌體宿主菌溶解再感染其他敏感細(xì)胞溶菌周期噬菌體菌液（混濁）菌液（變澄清）噬菌體在液體培養(yǎng)基中的噬菌現(xiàn)象噬菌體在固體培養(yǎng)基上的噬菌現(xiàn)象熒光假單胞菌+熒光假單胞菌噬菌體噬斑熒光假單胞菌四、溫和性噬菌體（溶原性噬菌體）

——有溶原性周期及溶菌性周期噬菌體感染細(xì)菌核酸整合到細(xì)菌染色體隨細(xì)菌分裂而分配至子代細(xì)菌染色體中溫和性噬菌體的溶原性周期溫和噬菌體的溶原性周期

噬菌體核酸前噬菌體溶原性細(xì)菌

傳代前噬菌體前噬菌體前噬菌體：整合在細(xì)菌染色體的噬菌體核酸，能與細(xì)菌染色體一起復(fù)制，當(dāng)細(xì)菌分裂時又能傳至子代細(xì)菌。——溶原性周期溶原性細(xì)菌：染色體上帶有前噬菌體的細(xì)菌。溶原性：溫和噬菌體具有產(chǎn)生成熟子代噬菌體顆粒和裂解宿主菌的潛在能力?！芫灾芷谌齻€概念

溫和噬菌體有三種存在狀態(tài)：①細(xì)胞外具有感染性的噬菌體顆粒；②宿主菌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)類似質(zhì)粒形式的噬菌體核酸；③前噬菌體。①②③自發(fā)或誘導(dǎo)溶原性周期溶菌性周期1.有些前噬菌體可導(dǎo)致溶原性細(xì)菌獲得新的特性。2.溶原性細(xì)菌對其同源噬菌體具有“免疫性”，即同源噬菌體可再進入細(xì)胞，但不能增殖。溶原性細(xì)菌的特性：無毒白喉桿菌產(chǎn)毒白喉桿菌β棒狀桿菌噬菌體（攜帶tox基因）溶原性轉(zhuǎn)換1.用于細(xì)菌的鑒定和分型

由于噬菌體的吸附作用具有高度的種、型特異性，即一種噬菌體只能進入并裂解與它相應(yīng)的該種細(xì)菌的某一型，因此可用于細(xì)菌鑒定。五、噬菌體在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用2.

細(xì)菌性疾病診斷可將已知噬菌體加入被檢材料中共同孵育，如果出現(xiàn)噬菌體效價增長或噬菌現(xiàn)象，就證實材料中有相應(yīng)的細(xì)菌存在。已知噬菌體3.

細(xì)菌性疾病的治療有些創(chuàng)傷感染時，細(xì)菌對多種抗生素都產(chǎn)生了耐藥性的情況下，最有效地辦法就是采用相應(yīng)噬菌體來治療。但由于噬菌體過于專一，限制了其在臨床上的廣泛應(yīng)用。我國著名醫(yī)學(xué)微生物學(xué)家余賀曾在1958年利用噬菌體成功治療了綠膿桿菌對燒傷病人的感染。4.分子生物學(xué)與基因工程研究的重要工具：由于噬菌體的結(jié)構(gòu)簡單，基因數(shù)較少，可作為基因的運載體。細(xì)菌的遺傳與變異遺傳：子代與親代的生物學(xué)性狀基本相同，且代代相傳。變異：子代與親代以及子代與子代之間的生物學(xué)性狀出現(xiàn)差異。變異遺傳性變異基因型變異非遺傳性變異表型變異細(xì)菌的變異

遺傳性變異：是細(xì)菌的基因結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，故又稱基因型變異。其特點是在群體中以極低的幾率（一般為10-9～10-6/代）出現(xiàn)，常發(fā)生于個別細(xì)菌；不易受環(huán)境因素影響，變異發(fā)生后一般是不可逆的，產(chǎn)生的新性狀可穩(wěn)定地遺傳給后代；性狀變化的幅度大。細(xì)菌的變異

非遺傳性變異：指不涉及遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變而只發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、翻譯水平上的基因表達發(fā)生的改變，稱為表型變異。其特點是易受環(huán)境因素的影響，凡在此環(huán)境因素作用下的整個群體中幾乎所有細(xì)菌都發(fā)生同樣變化；當(dāng)環(huán)境中的影響因素去除后，變異的性狀又可復(fù)原。性狀變化的幅度小。目前對非遺傳性變異的發(fā)生機理不十分清楚。遺傳性變異非遺傳性變異基因改變+-遺傳+-可逆性+外界環(huán)境+變異范圍個別細(xì)胞群體±±變異的類型及特點一、細(xì)菌遺傳變異的物質(zhì)基礎(chǔ)（一）細(xì)菌染色體：是一條環(huán)狀雙螺旋DNA長鏈，按一定構(gòu)型反復(fù)回旋成松散網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，附著在中介體或細(xì)胞膜上。特點：無組蛋白；無核膜包被；無內(nèi)含子。功能：細(xì)菌的主要遺傳物質(zhì)。（二）質(zhì)粒（plasmid）1.定義：細(xì)菌染色體外的遺傳物質(zhì)，環(huán)狀閉合雙股DNA，位于細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，能自我復(fù)制、控制著細(xì)菌的某些生物學(xué)性狀。（1）可自我復(fù)制（2）編碼細(xì)菌某些特定的生物學(xué)性狀（3）與細(xì)菌繁殖代謝無關(guān)，非細(xì)菌生活所必需：可自行或經(jīng)人工處理而消失（4）轉(zhuǎn)移性：可通過接合/轉(zhuǎn)化/轉(zhuǎn)導(dǎo)方式轉(zhuǎn)移（5）相容性與不相容性

2.質(zhì)粒的特征3.質(zhì)粒的種類⑴F質(zhì)粒（致育質(zhì)粒）：編碼性菌毛有性菌毛：雄性菌（F+）無性菌毛：雌性菌（F-）⑵R質(zhì)粒（耐藥性質(zhì)粒）：編碼耐藥性接合性R質(zhì)粒：通過性菌毛轉(zhuǎn)移非接合性R質(zhì)粒：通過噬菌體轉(zhuǎn)移⑶Vi質(zhì)粒（毒力質(zhì)粒）：編碼毒力因子例如，K質(zhì)粒：編碼粘附結(jié)構(gòu)

ST或LT質(zhì)粒：編碼腸毒素⑷Col質(zhì)粒（細(xì)菌素質(zhì)粒）：編碼細(xì)菌素例如，大腸桿菌Col質(zhì)粒：編碼大腸菌素⑸代謝質(zhì)粒：編碼代謝酶無毒白喉桿菌產(chǎn)毒白喉桿菌β棒狀桿菌噬菌體（攜帶tox基因）（三）噬菌體是侵襲細(xì)菌、真菌等微生物的病毒。溫和噬菌體感染細(xì)菌細(xì)胞后整合到細(xì)菌基因組中，成為細(xì)菌基因組的一部分。當(dāng)細(xì)菌處于溶原期，某些前噬菌體攜帶的外源性基因會在細(xì)菌內(nèi)表達，從而改變細(xì)菌的某些生物學(xué)性狀，稱為溶原性轉(zhuǎn)換。溶原性轉(zhuǎn)換（四）轉(zhuǎn)座元件⒈概念：是一類可在細(xì)菌染色體、質(zhì)?；蚴删w之間自行移動的一段特異的具有轉(zhuǎn)位特性的核苷酸片段——可移動遺傳元件，又稱移動基因、跳躍基因。

2.造成結(jié)果：改變原有核苷酸序列影響插入點附近基因的表達本身所攜帶的一定的基因序列表達

3.轉(zhuǎn)座元件的種類：（1）插入序列（insertionsequence，IS）＜2kb，最小的轉(zhuǎn)座元件，不攜帶任何與插入功能無關(guān)的基因。與插入點附近的序列共同起作用，可能是原細(xì)胞正常代謝的調(diào)節(jié)開關(guān)之一。

（2）轉(zhuǎn)座子（transposon，Tn）＞2kb，除了兩端的IS和攜帶與轉(zhuǎn)位有關(guān)的基因外，還攜帶耐藥性基因、毒力基因等。稱之為耐藥性島、毒力島等。Tn毒力島

是指一個分子量很大（20～100Kb）、載有毒力基因的不穩(wěn)定DNA片段，兩側(cè)與IS和/或tRNA相連。

特點

1.毒力島載有編碼許多毒力相關(guān)基因，產(chǎn)物多為分泌性蛋白、細(xì)胞表面蛋白、細(xì)菌的分泌系統(tǒng)等，如溶血素、菌毛、Ⅲ型分泌系統(tǒng)。

2.毒力島可在細(xì)菌的不同菌株甚至不同菌種之間進行DNA重組，若非致病菌株通過基因重組獲得了毒力島則具備了致病性。細(xì)菌毒力島毒力島的功能沙門菌SPI-1編碼一個Ⅲ型分泌系統(tǒng)SPI-2編碼另一個Ⅲ型分泌系統(tǒng)SPI-3與巨噬細(xì)胞內(nèi)存活和在鎂離子不足的條件下存活有關(guān)SPI-4與Ⅰ型分泌系統(tǒng)及在巨噬細(xì)胞內(nèi)存活有關(guān)大腸桿菌EPECLEE編碼III型分泌系統(tǒng)，介導(dǎo)AE損傷葡萄球菌Tst編碼TSST部分病原菌的毒力島二、細(xì)菌變異的機制（一）基因突變：是DNA在復(fù)制過程中發(fā)生差錯導(dǎo)致基因組內(nèi)核苷酸序列的改變，發(fā)生了可遺傳的變化。狹義：專指點突變廣義：點突變+染色體畸變（二）基因的轉(zhuǎn)移與重組

基因轉(zhuǎn)移：外源性遺傳物質(zhì)由供體轉(zhuǎn)入受體菌細(xì)胞內(nèi)的過程?；蛑亟M：轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA發(fā)生整合。（一）細(xì)菌的基因突變野生型：首次從自然界分離到的菌株一般稱野生型菌株，簡稱野生型。即具有原始性狀的生物或沒有突變的生物。突變型：野生型經(jīng)突變后形成的帶有新性狀的菌株，稱突變型菌株，又稱突變型或突變體。

自發(fā)性：突變可以隨機的自然發(fā)生。不對應(yīng)性：突變是不定向的，結(jié)果與原因不對應(yīng)。稀有性：自發(fā)突變率極低，約10-9~10-6/代?？烧T變性：突變率可因誘變劑影響提高10～1000倍?？赡嫘裕阂吧屯蛔冃鸵吧图?xì)菌基因突變的主要特點1.基因突變的自發(fā)性與不對應(yīng)性二個經(jīng)典實驗:

（1）彷徨實驗

（2）影印實驗上述二個實驗可以證明細(xì)菌的基因突變可以在沒有人為誘變因素的情況下自發(fā)地發(fā)生，且是隨機發(fā)生、不定向的，與環(huán)境不相對應(yīng)。兩種觀點細(xì)菌接觸某種物質(zhì)后使其定向變異。細(xì)菌自發(fā)、隨機變異，環(huán)境淘汰敏感菌。

很久以前，人們對抗性突變產(chǎn)生的原因爭論十分激烈。一種觀點認(rèn)為，突變的原因和突變的性狀是相對應(yīng)的，即定向變異，也有人稱它為“馴化”或“馴養(yǎng)”。另一種觀點則認(rèn)為，基因突變可以是自發(fā)的，隨機發(fā)生、不定向的，與環(huán)境不相對應(yīng)。

（1）彷徨實驗：又稱波動實驗或變量實驗。1943年，魯里亞（Luria）和德爾波留克（Delbrück）據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理設(shè)計，證明了突變的自發(fā)性與不對應(yīng)性的存在。發(fā)現(xiàn)病毒的復(fù)制機制和基本結(jié)構(gòu)實驗要點:①取對噬菌體敏感的大腸桿菌配制成約103/ml的細(xì)菌懸液，在2個試管中各加入10ml。彷徨實驗②把A管的菌液先分裝在小試管中培養(yǎng)24h，然后再分別將菌液涂在含噬菌體的平板上再培養(yǎng)24h。接種多管培養(yǎng)基培養(yǎng)24hA分別取各管菌液至含噬菌體的平板培養(yǎng)24h平板間抗性菌落數(shù)波動很大③B管中的菌液不經(jīng)分裝先整管培養(yǎng)24h；然后才分別涂到同樣含噬菌體的平板上再培養(yǎng)24h。B整管培養(yǎng)24hA接種多管培養(yǎng)基培養(yǎng)24h分別取各管菌液至含噬菌體的平板培養(yǎng)24h

至含噬菌體平板培養(yǎng)24h各平板抗性菌落數(shù)基本相同平板間抗性菌落數(shù)波動很大

同一時間接觸噬菌體

（2）影印實驗：1952年，Lederberg等設(shè)計了一種比彷徨實驗更為巧妙的能證明細(xì)菌抗性突變的自發(fā)性與不對應(yīng)性的實驗?！?xì)菌未接觸過鏈霉素而具有對鏈霉素的抗性。

包有滅菌絲絨布的木圓柱“印章”

實驗要點：把對鏈霉素敏感的大腸桿菌涂布在不含鏈霉素的培養(yǎng)基平板表面，待其長出菌落后，用影印法接種到——①不含鏈霉素的培養(yǎng)基平板；②含有鏈霉素的選擇性培養(yǎng)基平板。該培養(yǎng)基平板表面生長的菌落從未接觸過鏈霉素鏈霉素敏感的大腸桿菌接種不含鏈霉素的培養(yǎng)基①②①無鏈霉素平板

②含鏈霉素平板標(biāo)記點耐藥菌株

影印后絲絨布上對應(yīng)菌落含鏈霉素培養(yǎng)管

（細(xì)菌生長混濁）

含鏈霉素培養(yǎng)管（細(xì)菌不生長澄清）

根據(jù)耐藥菌落在平板②出現(xiàn)的位置，從平板①找出相應(yīng)的菌落并轉(zhuǎn)種至含鏈霉素的液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)，可見細(xì)菌生長。在整個試驗過程中，該菌落未接觸過鏈霉素，但已具有對鏈霉素的抗性?！蛔兊淖园l(fā)性、不對應(yīng)性

彷徨試驗和影印試驗也證明：自發(fā)突變率極低，發(fā)生突變的細(xì)菌只是大量菌群中的個別菌。若環(huán)境中存在利于突變菌而不利于野生型細(xì)菌生長的因素時，就會淘汰大量敏感菌，使突變菌獲得生長繁殖而成為優(yōu)勢菌群，才能將突變株選擇出來。無抗生素的平板含抗生素的平板耐藥菌落細(xì)菌培養(yǎng)瓶2.基因突變的稀有性與選擇耐藥菌落3.可誘發(fā)性——誘發(fā)突變

在細(xì)菌生長繁殖過程中，突變可以自然發(fā)生，也可以誘發(fā)發(fā)生。如果用高溫、紫外線、X射線、烷化劑、亞硝酸鹽等理化因素去誘發(fā)細(xì)菌突變，可使突變率提高10～1000倍，這些理化因素稱為誘變劑。第一次突變正向突變突變株第二次突變回復(fù)突變表現(xiàn)野生株性狀的突變株野生株4.基因突變的可逆性——回復(fù)突變與抑制突變細(xì)菌由野生型變?yōu)橥蛔冃褪钦蛲蛔兺蛔冎杲?jīng)過又一次突變恢復(fù)為野生型的性狀，這種第二次突變稱為回復(fù)突變?；貜?fù)突變可自發(fā)或誘發(fā)發(fā)生。一般來說，回復(fù)突變率<<正向突變率。（1）原位回復(fù)突變：基因第二次突變時，在第一次突變位點上恢復(fù)了原來的堿基，糾正了正向突變的DNA序列，是真正意義上的回復(fù)突變，但幾率很小。正向突變：A→a；原位回復(fù)突變:a→A。（2）抑制突變：基因第二次突變時，抑制了第一次突變的表型效應(yīng)，沒有糾正正向突變的DNA序列，只是使突變體表型恢復(fù)為野生型。回復(fù)突變野生型+-第一次突變第二次突變-同點抑制突變-異點抑制突變有活性的突變體++++失活抑制突變①基因內(nèi)抑制突變：抑制基因突變發(fā)生在同一基因內(nèi)。野生型酶蛋白第一次突變失活酶蛋白有活性突變體的酶蛋白它們成了同工酶②基因間抑制突變：抑制基因突變發(fā)生在不同基因。抑制突變回復(fù)突變（二）基因轉(zhuǎn)移與基因重組的方式基因轉(zhuǎn)移：外源性遺傳物質(zhì)由供體轉(zhuǎn)入受體菌細(xì)胞內(nèi)的過程。基因重組：轉(zhuǎn)移的基因與受體菌DNA發(fā)生整合。方式：1.轉(zhuǎn)化；2.接合；3.轉(zhuǎn)導(dǎo)；4.溶原性轉(zhuǎn)換；5.原生質(zhì)體融合。1.轉(zhuǎn)化（transformation）①概念：受體菌直接攝取供體菌裂解后游離的DNA片段而獲得新性狀。轉(zhuǎn)化因子：在轉(zhuǎn)化過程中轉(zhuǎn)化的DNA片段。分子量＜1×107,≯10～20個基因。②實驗依據(jù)：肺炎鏈球菌莢膜S型菌落R型菌落毒力ⅢS型菌＋＋－＋ⅡR型菌－－＋－1928年Griffith的小鼠體內(nèi)肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗

1944年Avery的結(jié)論轉(zhuǎn)化AC供菌裂解釋放DNA片斷處于感受態(tài)的受菌直接攝取DNA片斷重組2.接合（conjugation）（1）概念：通過性菌毛連接溝通，將遺傳物質(zhì)（質(zhì)?；蛉旧wDNA)從供體菌轉(zhuǎn)移給受體菌的過程。（2）通過接合方式轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒稱為接合性質(zhì)粒。接合性質(zhì)粒：F質(zhì)粒、R質(zhì)粒、Col質(zhì)粒、Vi質(zhì)粒。非接合性質(zhì)粒

F+菌F-菌F+菌F-菌F+菌F+菌F質(zhì)粒的接合

F+菌F-菌F+菌（獲得F質(zhì)粒）接合3.轉(zhuǎn)導(dǎo)（Transduction）（1）概念：以噬菌體為載體，將供菌體的一段DNA轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)。（2）類型局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)——脫離錯誤普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)——裝配錯誤①普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)

毒性噬菌體和溫和噬菌體都能介導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。在噬菌體成熟裝配過程中，由于裝配錯誤，誤將宿主（供體菌）染色體片段或質(zhì)粒裝入噬菌體內(nèi)。當(dāng)該噬菌體感染受體菌時，則將供體菌DNA帶入受體菌內(nèi)。因供體菌染色體片段或質(zhì)粒的任何DNA片段都有可能被包裝轉(zhuǎn)導(dǎo)，則稱為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)菌被普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體感染細(xì)菌DNA（將供菌任意DNA裝配）噬菌體DNA未整合細(xì)菌裂解期整合完全轉(zhuǎn)導(dǎo)流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)中外源DNA的結(jié)果供體菌的DNA片段在受體菌內(nèi)重組，隨其一起復(fù)制，稱為完全轉(zhuǎn)導(dǎo)。供體菌的DNA片段不能與受體菌重組，其本身不具有獨立復(fù)制功能，轉(zhuǎn)導(dǎo)的片段只能隨細(xì)胞分裂沿單個細(xì)胞傳遞下去，稱為流產(chǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)。②局限性轉(zhuǎn)導(dǎo):噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)供體菌染色體上特定部位的DNA片段，發(fā)生于溶原期。

前噬菌體從宿主菌染色體脫離時發(fā)生偏差，將自身一段DNA留在供菌染色體上，卻將相鄰供菌的部分DNA帶給受菌并整合至其染色體上。局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)模式圖galbio正常脫離斷裂和再接galbio偏差脫離斷裂和再接galbiogalbio（半乳糖苷酶基因

）（生物素基因

）無毒白喉桿菌產(chǎn)毒白喉桿菌β棒狀桿菌噬菌體（攜帶tox基因）溶原性轉(zhuǎn)換宿主菌獲得感染它的溫和噬菌體的DNA片段而獲得新的遺傳性狀。4.溶原性轉(zhuǎn)換(lysogenicconversion)5.原生質(zhì)體融合（proptopastfusion）①概念：人工將兩種不同的細(xì)菌經(jīng)溶菌酶或青霉素等處理，失去細(xì)胞壁成為原生質(zhì)體后進行相互融合的過程。

②融合劑：PEG（聚乙二醇）

③應(yīng)用：基因轉(zhuǎn)輸、實驗工具。

3～6%Nacl

鼠疫耶氏菌從卵圓形桿狀多形態(tài)性

陳舊培基物

三、細(xì)菌的變異現(xiàn)象（一）形態(tài)、結(jié)構(gòu)的變異：形態(tài)的變異：結(jié)構(gòu)的變異：①細(xì)胞壁變異：有→無（L型變異）

②莢膜變異：有→無，如肺炎球菌③芽胞變異：有→無，如炭疽桿菌④鞭毛變異：有→無（H-O變異），如變形桿菌

42～43℃

炭疽桿菌失去形成芽胞能力，毒力降低。

10～20天