第七章 微生物的遗传与变异.docx

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第七章微生物的遗传与变异

第七章微生物的遗传与变异

内容提要：

本章介绍微生物与任何其它生物一样具有遗传与变异特性，微生物遗传的物质也是DNA和RNA，具有一样的分子结构与功能，但微生物的遗传物质较其它生物的遗传物质具有多样性，不仅存在于其细胞染色体，而且在真核微生物中的细胞器中，染色体外的质粒，RNA病毒的RNA核酸，和无核酸的朊蛋白等都有遗传信息物质存在。

比较了三域微生物遗传物质的特性及其差异。

微生物DNA同样以半保留方式复制，以生物遗传表达的中心法则，即以DNA作模板转录为RNA,再由RNA翻译为蛋白质，并在酶量和酶活性两个层次上进行遗传表达的调控。

微生物可发生变异，这些变异是由于微生物的基因发生变异所引起的，基因发生突变的类型及其诱发因素是多样的。

同样，微生物具有对DNA损伤进行多种方式修复的能力。

人们可以利用这种微生物基因的突变进行定向的筛选育种。

细菌可通过结合、转导、转化等方式，真核微生物可通过有性杂交、丝状真菌的准性生殖和酵母的2mm质粒进行基因重组。

微生物与其他任何生物一样具有遗传性（inheritance）和变异性（variation）。

遗传性是指生物的亲代传递给其子代一套遗传信息的特性。

生物体所携带的全部基因的总称，即遗传型（genotype）。

具有一定遗传型的个体，在特定的外界环境中，通过生长和发育所表现出的种种形态和生理特征的总和，即为其表型（phenotype）。

相同遗传型的生物，在不同的外界条件下，会呈现不同的表型，称为饰度（modification）。

但这不是真正的变异，因为在这种个体中，其遗传物质结构并未发生变化。

只有遗传性的改变，即生物体遗传物质结构上发生的变化，才称为变异。

在群体中，自然发生变异的机率极低，但一旦发生后，却是稳定的和可遗传的。

第一节微生物的遗传

一、微生物遗传的物质基础

遗传必需有物质基础，也即遗传信息必须由某些物质作为携带和传递的载体。

现已肯定这个物质基础在绝大多数生物体中就是脱氧核糖核酸（DNA）。

（一）遗传物质DNA的分子结构及其多样性

一般认为DNA的双螺旋分子结构则是一律的（见图6-1），是由4种脱氧核糖核酸变化排列组成的大分子。

但各种生物DNA的4种碱基（base）含量往往是不均等的，而且在各种生物中这4种碱基的含量之比反映着种的特性。

表6-1表明了几种微生物的碱基成分，从表可见各种DNA分子碱基含量的差异和共同点。

各种微生物中的A=T，G=C。

A为腺嘌呤核苷（adenosine），T为胸腺嘧啶核苷（thymidine），G为鸟嘌呤核苷（guanosine），C为胞嘧啶核苷（cytidine）。

但G+C/A+T则随着微生物的种类不同而不同，这数值小到0.45，大到2.73。

表6-1几种微生物的DNA碱基含量比较

微生物名称

碱基含量（moles）

碱基含量比

G

A

C

T

Pu/Py

G+T

A+C

G+C

A+T

产气荚膜杆菌

（Clostridiumperfringens）

15.8

34.1

15.1

35.0

1.00

1.03

0.45

金黄色葡萄球菌

（Staphylococcusaureus）

17.3

32.3

17.4

33.0

0.98

1.01

0.53

大肠杆菌（Escherichiacoli）

26.0

23.9

26.2

23.9

1.00

1.00

1.09

摩氏变形杆菌

（Proteusmorganii）

26.3

23.7

26.7

23.3

1.00

0.98

1.13

粪产碱杆菌

（Alcaligenesfaecalis）

33.9

16.5

32.8

16.8

0.98

1.03

2.00

绿脓杆菌

（Pseudomonasaeruginosa）

33.0

16.8

34.0

16.2

0.99

0.97

2.03

灰色链霉菌

（Streptomycesgriseus）

36.1

13.4

37.1

13.4

0.98

0.98

2.73

按照沃森-克里克（Watson-Crick）DNA分子结构模型，碱基含量比值的这些特点说明：

（1）

图6-1DNA分子的化学结构组成

DNA两个单链的相对位置上的碱基有严格的配对关系，一条单链上嘌呤的相对位置上必定是嘧啶，一条单链上嘧啶的相对位置上必定是嘌呤；

（2）A的相对位置上必定是T，G的相对位置上必定是C；（3）DNA链上的碱基对（bp,basepair）排列则没有一定规律。

例如在表4-1中的第1、2两种细菌的DNA分子中，AT碱基对多于GC碱基对约一倍；第3、4两种细菌中，两者几乎相等；第5、6两种细菌中则GC碱基对多于AT碱基对约一倍。

可见DNA分子中四种碱基的排列决不是单调重复，DNA结构的变化是无穷无尽的，具有高度多样性。

（二）遗传物质在微生物中的存在

1.遗传物质在微生物中存在的主要形式——染色体

染色体是所有生物（真核微生物和原核微生物）遗传物质DNA的主要存在形式。

但是不同生物的DNA分子量、碱基对数、长度等很不相同（见表6-2），总趋势是越是低等的生物，其DNA分子量、碱基对数和长度越小，相反则越长，即染色体DNA的含量，真核生物高于原核生物，高等动植物高于真核微生物。

而且真核微生物和原核微生物的染色体有着明显的如下区别：

（1）真核生物的遗传物质是DNA，原核生物的遗传物质是DNA或RNA；

（2）真核生物的染色体由DNA及蛋白质（组蛋白）构成，原核生物的染色体是单纯的DNA或RNA；（3）真核生物的染色体不止一个，呈线形，而原核微生物的染色体往往只有一个，呈环形；（4）真核生物的多条染色体形成核仁并为核膜所包被，膜上有孔，而原核微生物的染色体外无膜包围。

图6-2椰毒假单胞菌（Pseudomonascocovenenans）的拟核染色体（A，B）和质粒（B，箭头所指）

表6-2一些真核生物和原核生物的染色体DNA

生物

分子量（Da）

碱基对约数

长度（mm）

蛙

—

2.3×1010

6700

人

—

3×109

870

果蝇

—

8×107

24

脉孢菌

2.8×1010

4.5×107

—

大肠杆菌

2.5×109

3×106

1.0

噬菌体T2

1.3×108

3×105

0.056

λ噬菌体

3.2×107

5×104

0.016

多瘤病毒

3×106

—

—

注：

真核生物的染色体DNA按单倍体计。

2.真核微生物中染色体外的遗传物质——细胞器DNA

细胞器DNA是真核微生物中除染色体外遗传物质存在的另一种重要形式。

真核微生物具有的细胞器包括叶绿体（chloroplast）、线粒体（mitochondrion）、中心粒（central）、毛基体（kinetosome）等。

这些细胞器都有自己的独立于染色体的DNA。

这些DNA与其他物质一起构成具有特定形态的细胞器结构，并且携带有编码相应酶的基因，如线粒体DNA携带有编码呼吸酶的基因，叶绿体DNA携带有编码光合作用酶系的基因。

这些细胞器及其DNA具有某些共同特征：

（1）结构复杂而多样。

各种真核生物的染色体或者同一生物的各个染色体虽然在长短大小上常不相同，但是其结构都基本相同。

细胞器则具有复杂而多样化的结构，叶绿体和线粒体具有复杂的膜结构，中心粒和毛基体都具有微管或微纤丝结构。

（2）不仅功能不一，而且对于生命活动常是不可缺少。

叶绿体为依靠光合作用生活的生物所必需，线粒体为细胞呼吸所必需，中心粒为细胞分裂所必需。

（3）数目多少不一。

每一细胞中有两个中心粒，光合微生物细胞中叶绿体数目不等，同样，线粒体数目在各种微生物中也很不相同。

（4）自体复制。

线粒体DNA和叶绿体DNA都可进行半保留复制。

除此以外，许多实验和观察结果表明这些细胞器通过分裂产生。

（5）一旦消失以后，后代细胞中不再出现。

细胞器中的DNA常呈环状，数量只占染色体DNA的1%以下。

与细胞器中的70SrRNA、tRNA和其它功能蛋白形成必要组分，构成一整套蛋白质合成的完全机制。

但是细胞器中的许多蛋白不是细胞器DNA编码，而是由染色体DNA编码。

3.微生物中染色体外DNA存在的另一形式——质粒

质粒（plasmid）是微生物染色体外或附加于染色体的携带有某种特异性遗传信息的DNA分子片段，见图6-2B。

目前仅发现于原核微生物和真核微生物的酵母菌。

微生物质粒DNA于染色体DNA差别在于：

①宿主细胞染色体DNA分子量明显大于细胞所含质粒DNA分子量，如大肠杆菌（Escherichiacoli）染色体的DNA分子为4.6×103kb左右，而通常用于基因工程中的载体一般均小于10kb，1~100×106Da（Dalton,道尔顿）。

②大肠杆菌染色体质粒DNA较宿主细胞染色体DNA更为耐碱性。

③质粒所携带的遗传信息量较少。

由于质粒DNA的分子量较小，因此所携带的遗传信息远较宿主细胞染色体所携带的遗传信息为小，而且各携带的遗传信息所控制的细胞生命代谢活动很不相同。

一般来说，细胞染色体所携带的遗传信息控制其关系到其生死存亡的初级代谢及某些次级代谢，而质粒所携带的遗传信息，一般只与宿主细胞的某些次要特性有关，而并不是细胞生死存亡之所必需。

某些细菌中的质粒还具有①可转移性。

即某些质粒可以细胞间的接合作用或其它途径从供体细胞向受体细胞转移。

如具有抗青霉素质粒的细胞可以水平地将抗青霉素质粒转移到其它种类细胞中，而使后者获得抗青霉素特性。

②可整合性。

在某种特定条件下，质粒DNA可以可逆性地整合到宿主细胞染色体上，并可以重新脱离。

③可重组性。

不同来源的质粒之间，质粒与宿主细胞染色体之间的基因可以发生重组，形成新的重组质粒，从而使宿主细胞具有新的表现性状。

④可消除性。

经某些理化因素处理如加热、或加入丫啶橙或丝裂霉素C，溴化乙锭等，质粒可以被消除，但不会影响宿主细胞的生存与生命活动，只是宿主细胞失去由质粒携带的遗传信息所控制的某些表现型性状。

质粒也可以原因不明的自行消失。

细菌质粒游有3种不同的构型，见图6-3。

图6-3细菌质粒的3种不同构型

细菌质粒和真核生物细胞器DNA的相同点是：

①都可自体复制；②一旦消失以后，后代细胞中不再出现；③它们的DNA只占染色体DNA的一小部分。

不同之处主要是：

①成分和结构简单，一般都是较小的环状DNA分子，并不和其他物质一起构成一些复杂结构；②它们的功能比自体复制的细胞器更为多样化，可一般并不是必需的。

它们的消失并不影响宿主细菌的生存；③许多细菌质粒能通过细胞接触而自动地从一个细菌转移到另一个细菌，使两个细菌都成为带有这种质粒的细菌。

表6-3大肠杆菌中的染色体DNA和三种常见质粒DNA的形状比较

特性

染色体

R100-1

ColEI

F

表现型

—

抗某些抗生素

产生肠杆菌素EI

F性纤毛

分子量（×106）

2.7×109

55

4.2

62.5

碱基对（4对）

4.1×103

88

6.4

94.5

基因数

4288

90

6

100

长度（μm）

1100

28

6

30

每个细胞中的个数

1~2

1~2

10~15

1~2

自我转移能力

—

有

无

有

根据质粒所携带的遗传信息表达后的表型特征可将质粒的分类如下：

（1）、抗药性质粒（耐药性质粒R因子，resistantplasmid）携带有分解某种抗生素或药物酶系的基因的质粒，可以赋予宿主细胞耐或抗或分解或失活某种抗生素或药物的性能。

某些抗性质粒携带有可以抗重金属如Te6+，Hg2+，Ni2+，Co2+，Ag+，Cd2+，As3+等毒性的基因。

有些质粒还具有对紫外线、X射线具有抗性的基因。

多数R因子是由相连的2个DNA片段组成。

其一称RTF质粒（resistancetransferfactor，抗性转移因子），它含有调节DNA复制和拷贝数的基因及转移基因，有时还有四环素抗性基因（tet）。

RTF的分子量为11×106Da。

其二为抗性决定质粒（r-determinant），大小不很固定，从几百万直至100×106Da以上。

其上含有其他抗生素的抗性基因，例如抗青霉素（Pen）、安比西林（Amp）、氯霉素（Cam）、链霉素（Str）、卡那霉素（Kan）和磺胺（Sul）等基因。

R因子在细胞内的拷贝数可从1~2个到几十个，分属严紧型和松弛型复制控制。

后者经氯霉素处理后，拷贝数甚至可达到2000~3000个。

因为R因子对多种抗生素有抗性，因此可作为筛选时的理想标记，也可用作基因载体。

（2）、抗生素产生质粒携带有合成某种抗生素的酶系基因的质粒，赋予宿主细胞合成某种抗生素的性能。

（3）、芳香族化合物降解质粒（degradativeplasmid）携带有分解或降解某种芳香族化合物为简单化合物或无机物的酶系基因的质粒，赋予宿主细胞降解某种芳香族化合物的能力。

降解性质粒只在假单胞菌属（Pseudomonas）中发现。

这些质粒以其所分解的底物命名，例如有分解CAM（樟脑）、OCT（辛烷）质粒、XYL（二甲苯）、SAL（水杨酸）质粒、MDL（扁桃酸）、NAP（萘）和TOL（甲苯）质粒等。

（4）、大肠杆菌素质粒（Colplasmid，或称Col因子）携带有产生大肠杆菌素（colicin）酶系基因的质粒，赋予大肠杆菌产生大肠杆菌素的能力。

大肠杆菌素（colicin）是一种由E.coli的某些菌株所分泌的细菌素，具有通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死其他肠道细菌的功能，其分子量约4×104~8×104Da。

假单胞菌属（Pseudomonas）和巨大芽孢杆菌（Bacillusmegaterium）分别含有能决定产生绿脓杆菌素（pyocin）和巨杆菌素（megacin）等细菌素（bacteriocin）的质粒。

Col因子可分两类，分别以ColEl和ColIb为代表。

前者分子量小，约为5×106Da，无接合作用，是多拷贝的；后者分子量约为80×106Da，它与F因子相似，具有通过接合作用转移的功能，属严紧型控制，只有1~2个拷贝。

凡带Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。

ColE1已被广泛研究并应用于重组DNA和体外复制系统上。

（5）、性质粒（fertilityplasmid），又称F因子这是第一个从大肠杆菌细胞中被发现的质粒，携带有负责接合转移的基因（tragenes）即编码形成性纤毛的基因和DNA复制的基因。

是E.coli等细菌中决定性别的质粒。

它是一个分子量为62×106Da、94.5kb、约等于2%核染色体DNA的小型cccDNA。

它能足以为94个中等大小的多肽进行编码，而其中有1/3的基因（tra区）与接合作用（conjugation）有关。

F因子除在E.coli等肠道细菌中存在外，还存在于假单胞菌属（Pseudomonas）、嗜血杆菌属（Haemophilus）、奈瑟氏球菌属（Neisseria）和链球菌属（Streptococcus）等细菌中。

（6）、限制性核酸内切酶和修饰酶产生的质粒在这些质粒上携带有编码合成限制性核酸内切酶和修饰酶的基因。

（7）、致瘤性质粒（tumorinducingplasmid）a.T1质粒是存在于致病菌根癌农杆菌（Agrobacteriumtumefaciens）中的携带有可以导致许多双子叶植物根系产生冠瘿病（crowngalltumor）根癌基因的质粒。

当细菌侵入植物细胞中后，最后在其中溶解，把细菌的DNA释放致植物细胞中。

这时含有复制基因的Ti质粒的小片段与植物细胞中的核染色体组发生整合，破坏控制细胞分裂的激素调节系统，从而使它转变成癌细胞。

当前Ti质粒已成为植物遗传工程研究中的重要载体。

一些具有重要性状的外源基因可借DNA重组技术设法插入到Ti质粒中，并进一步使之整合到植物染色体上，以改变该植物的遗传性。

Ti质粒长200kb，是一大型质粒。

b.Sym质粒是某些快生型根瘤菌细胞中存在的携带有某种可以识别、侵染相应豆科植物根系与之形成共生根瘤的基因的质粒。

（8）、杀伤性质粒发现于真菌的酵母菌（yeast）和黑粉菌的致死颗粒（killerparticles），其性能如肠杆菌素质粒。

但致死颗粒的基因组都为双链RNA，不是双链DNA，且有蛋白质外壳包围，尤如双链RNA病毒。

（9）、已证实和可能与人类疾病有关的质粒在较少致病性的霍乱弧菌（Vibriocholera）的菌株中存在有质粒P（性因子，促进接合作用）和V（功能未知），而具有强力致病性的菌株中则没有这样的质粒。

质粒P和V被认为其产物可干扰肠毒素的生物合成和膜运输而减少引起霍乱的可能性。

致病的产气荚膜梭菌型C（ClostridiumperfringensTypeC）和引起牙齲的链球菌（Streptococcus）的突变株都含有质粒，前者的质粒可控制肠毒素的合成，后者的质粒可控制合成不溶性胞外多糖。

（10）、酵母菌中的2μm质粒和其他质粒存在于真核微生物酵母菌细胞核中但独立于染色体内的长度为2μm并与组蛋白相结合的DNA质粒。

酵母菌中还存在其他如编码细菌性纤维素酶的质粒。

4.可在染色体上不同部位之间移动的遗传物质——转座因子等

转座因子包括插入序列（insertionsequences，IS）、转座子（transposons，TN）和某些病毒如Mu噬菌体。

这在真核微生物和原核微生物中都有存在。

（1）、插入序列IS能在染色体上和质粒的许多位点上插入并改换位点，因此也称跳跃基因（jumpinggenes）。

（2）、转座子是能够插入染色体或质粒不同位点的一般DNA序列，大小为几个kb，具有转座功能，即可移动至不同位点上去，本身也可复制。

转座后在原来位置仍保留1份拷贝。

转座子两末端的DNA碱基序列为反向重复序列。

转座子上携带有编码某些细菌表型特征的基因，如抗卡那霉素和新霉素的基因，且本身也可自我复制。

另外，侵染微生物的某些DNA病毒、RNA病毒和噬菌体能自我复制，也可整合到染色体或质粒上，且可在微生物细胞之间进行转移而可看作为一类微生物染色体外的遗传物质。

5.RNA作为遗传物质

某些动植物病毒和微生物噬菌体是以RNA为遗传物质的。

如动物骨髓灰质炎病毒为单链RNA，锡兰豇豆花叶病毒为单链RNA，动物呼肠3型病毒为双链RNA，噬菌体MS2为单链RNA，φ6为双链RNA。

这些病毒和噬菌体中没有DNA。

Fraenkel-Conrat（1956）利用含RNA的烟草花叶病毒（Tobacomosaicvirus，TMV）所进行的分析与重建实验证明了杂种病毒的感染和蛋白质的特征是由它的RNA决定的，即遗传物质是RNA。

单链RNA噬菌体MS2很小，仅26nm长，二十面体，每个病毒颗粒有180个壳体蛋白。

RNA有3569个核苷酸长，组成的基因可直接感染大肠杆菌。

其RNA链可直接作为mRNA起作用。

编码成熟蛋白（maturationprotein）、壳体蛋白（coatprotein）、裂解蛋白（lysisprotein）和RNA复制酶（RNAreplicase）。

6.关于朊病毒的遗传物质问题

朊病毒（Virino）也即蛋白侵染因子（prion，proteinaceousinfectiousagents）是一种比病毒更小、仅含具有侵染性的疏水蛋白质分子，是一类能引起哺乳动物的亚急性海绵样脑病的病原因子。

近年引发世界尤其是欧洲国家恐慌的疯牛病即牛海绵状脑病（spongiformencephalopathy）、羊搔痒症（scrapie）等都是由此朊病毒引起的。

纯化的感染因子称为朊病毒蛋白（PrP）。

在正常的人和动物细胞的DNA中都有编码PrP的基因。

且无论受感染与否，宿主细胞中PrPmRNA水平保持稳定，即PrP是细胞组成型基因的表达产物，为一种膜糖蛋白，称为PrPc。

PrPc与引发羊瘙痒病的PrPsc是同分异构体，一级结构相同，但折叠程度不同，PrPsc的β折叠程度大为增加而导致溶解度降低，对蛋白酶的抗性增强。

有人认为PrPsc进入细胞后与PrPc的结合，形成PrPc-PrPsc复合体，使PrPc构型变化为PrPsc，即形成2个PrPsc分子，2个PrPsc分子再分别与2个PrPc分子结合，进入下一轮循环，PrPsc可呈指数增加。

尽管至今仍有人认为朊病毒含有很少量的核酸物质，但尚无确切证据表明PrPsc的增殖是由核酸控制的。

（三）染色体基因组的编码功能分配与遗传图谱

编码各种功能的基因大多位于微生物染色体上，尤其在原核微生物中。

而且编码某类功能的基因在整个染色体基因中的比例在同类微生物中较为相似，不同微生物处个别外椰大致相似，见表6-4。

表6-4染色体上编码各种功能的基因比例

注：

根据每个种的染色体大小和所含开放阅读框的数量计算。

（引自MT.Madiganetal.，BrockBiologyofMicroorganisms，10edition）

目前，已经对许多微生物的基因组进行了测序，并绘出了它们的染色体基因图谱，如大肠杆菌K12菌株（图