细菌和其他微生物一样具有遗传性和变异性，细菌的形态、结构、新陈代谢、抗原性、毒力以及对药物的敏感性等嘉是由细菌的遗传物质 所决定的。在一定的培养条件下这些性状在代与子代间表现为相同为传性。然而也可出现亲代与子代间的弯如里细菌的变景是由于 细菌所处外界环境条件的作用，引起细菌的基因表达调控变化而出现的差异，则称为表亚变异。表型变 因为并未发生细菌基因型的改变，不 能速传，所以是是非传变异。遗传使细菌保持种属的相对稳定性，而基因型变异则使细第产生变种与新种，有利于细菌的生存及进化】 第一节细菌的变异现等 在细菌的生长繁殖过程中观察到为数众多的变异现象。在形态变异方面，细菌的大小可发生变异；有时细菌可失去英膜，芽胞或硬 的细 出现 有 核杆舍在含有 汗的日 但保持 目前称 卡介苗 用于人工接 有 发的 光滑型 证 缘整齐，变异 开多 天的脂多糖蛋白质复合物中，失去了未 生化反应亦随之改 细菌的变异 画过对速传物压的分析以及传代后才能区别 如属表型变异 境 境变化而变化 表51基因型与表型变异的比材 1.基因结构 2.可逆性 不或极 可逆 3受环境影响 不受影响 受影响 4稳足性 相当稳定，经传代后不回复 环境条件改变后回复，不稳定 5涉及细菌数 个别 全体 第二节细菌的遗传物质 一、细菌染色体 细作为原核型微生物，虽没有完整的核结构，但却有核区（或核质）。在电镜下观察，核区有盘旋堆积的NA纤维。自大肠杆菌提取的 的 A链，分子量为2,4k109 dalton 仅为人体跑 A量的 古计 大肠杆菌 个其因 几千种乡 物细孢染色体不同， 前者不含有组蛋白 因是连的 无内含子 A的 能与直 能相同 二、质粒 细菌的DΛ除大部分集中于核质（染色体）内，尚有少部分（约1一2%）存在于染色体外，称为质粒，质粒与染色体的相似处为：质粒亦 为双值环形DA,不过其分子量远比染色体为小，仅为细菌染色体DNA的0.5~3%。质粒亦可携带遗传信息，可决定细菌的一些生物学特性. 然而质粒却有一些与染色体DNA不同的特性。 质粒并非细菌生存所必不可少的遗传物质。细菌如失去染色体，则不能生存：然而细菌失去质粒后仍能生存。这是由于染色体DNA胡 带的基因所偏码的产物，在细菌新陈代谢中是生存所必须者：而质粒携带的基因所偏码的产物并非细菌的生存所必须者。因此质粒可以在细菌 间传递与丢失. 2。因粒的传递（转移）是细菌遗传物质转移的一个重要方式。有些质粒本身即具有转移装置，如耐药性质粒(R质粒)；而有些质粒本身 无转移装置，需要通过媒介（如噬菌体）转移或随有转移装置的质粒一起转移。获得质粒的细菌可随之而获得一些生物学特性，如耐药性或产 生细菌素的能力等， 3。质粒可自行失去或经人工处理而消失。在细菌培养传代过程中，有些质粒可自行从宿主细菌中失去。这种丢失不像染色体突变发生率很 低，而是较易发生。用紫外线、旷啶类染料及其他可以作用于DA的物理、化学因子处理后，可以使一部分质粒消失，称为消除。目前学者们 感兴超的是如何通过人工处理消除耐药质粒或与致病性有关的质拉。 4.质粒可以独立复制。质粒为DNA,有复制的能力，质粒的复制可不依赖于染色体，而在细菌胞浆内进行，这一待性在基因工程中需扩 增质粒时很有用处，因可使细菌停止繁殖而质粒仍可继续复制，从而可获得大量的质粒。 了.可有几种质粒同时共存在于一个细菌内。因质粒可独立复制，又能转移入细菌和白然失去，因此就有机会出现几种质拉的共存。但是并 非任何质粒均可共存，因发现在有些情况下，两种以上的质粒能稳定地共存于一个苗体内，而有些质粒侧则不能共存。 目前已在很多种细菌中发现质粒。比较重要者有决定性菌毛的F因子，决定耐药性的R因子以及决定产大肠杆菌素的C因子等。耐药性质 粒的分子量相对较小，而与致性有关的质粒则为大质粒。革兰氏阴性菌一般都带有质粒。某些革兰氏阳性菌如萄萄球菌也有质粒
细菌和其他微生物一样,具有遗传性和变异性.。细菌的形态、结构、新陈代谢、抗原性、毒力以及对药物的敏感性等翥是由细菌的遗传物质 所决定的。在一定的培养条件下这些性状在亲代与子代间表现为相同，为遗传性。然而也可出现亲代与子代间的变异。如果细菌的变异是由于 细菌所处外界环境条件的作用，引起细菌的基因表达调控变化而出现的差异，则称为表型变异。表型变异因为并未发生细菌基因型的改变，不 能遗传，所以是是非遗传变异。遗传使细菌保持种属的相对稳定性，而基因型变异则使细菌产生变种与新种，有利于细菌的生存及进化。 第一节 细菌的变异现象 在细菌的生长繁殖过程中观察到为数众多的变异现象。在形态变异方面，细菌的大小可发生变异；有时细菌可失去荚膜，芽胞或鞭毛；有 的细菌出现了细胞壁缺陷的L型细菌。细菌的毒力变异可表现为毒力增强或减弱。卡介二氏（Calmette-Guerin）将有毒力的结核杆菌在含有胆 汗的甘油马铃薯培养基上连续传代，经13年230代获得了减毒但保持疫原性的菌株，目前称为卡介苗，用于人工接种以预防结核病。肠道杆菌 中如沙门氏菌属、志贺氏菌属中常发生鞭毛抗原以及菌体抗原的变异。变异后，细菌的抗原性消失或发生改变，从而不能被特异的抗体所凝 集。有些细菌的酶活性发生变异，以致出现异常的生化反应，例如大肠杆菌原可以发酵乳糖，但发生酶变异后可失去发酵糖的能力，从而与一 些不发酵的肠道致病菌难以区别。有些细菌的变异表现为菌落的变异如S（光滑型）与R（粗糙型）变异。菌落由光滑、湿泣、边缘整齐，变异 为表面粗糙、干皱，边缘整齐。S-R变异多见于肠道杆菌，其变异的物质基础为革兰氏阴性菌细胞壁外膜的脂多糖蛋白质复合物中，失去了末 端的特异寡糖，从而暴露了非特异的核心多糖。因此失去相应的O特异性抗体，毒力及生化反应亦随之改变。 细菌的变异现象可能属遗传变异，也可能属表型变异。判断究竟是何种型别的变异必须通过对遗传物质的分析以及传代后才能区别。一般 如属表型变异，培养环境条件改变后也会发生改变；如属基因型变异则不易随环境变化而变化。 表5-1 基因型与表型变异的比较 基因型 表型 1.基因结构 2.可逆性 3.受环境影响 4.稳定性 5.涉及细菌数 变化 不或极少 不受影响 相当稳定，经传代后不回复 个别 未变 可逆 受影响 环境条件改变后回复，不稳定 全体 第二节 细菌的遗传物质 一、细菌染色体 细菌作为原核型微生物，虽没有完整的核结构，但却有核区（或核质）。在电镜下观察，核区有盘旋堆积的DNA纤维。自大肠杆菌提取的 DNA是一条完整的DNA链，分子量为2.4×109daltons,仅为人体胞DNA量的0.1%。细胞的DNA含量决定存在的基因数。如按每个基因由平均为 1000个碱基对估计，大肠杆菌的DNA约为4×106个碱基对，因此约有4000个基因，可编码几千种多肽。细菌染色体DNA与其他生物相同，由互 补的双链核苷酸组成。细菌的染色体与生物细胞染色体不同，前者不含有组蛋白，基因是连续的，无内含子。由于细菌核区DNA的功能与真核 细胞染色体的功能相同，因此又称其为细菌染色体。 二、质粒 细菌的DNA除大部分集中于核质（染色体）内，尚有少部分（约1～2%）存在于染色体外，称为质粒。质粒与染色体的相似处为：质粒亦 为双链环形DNA，不过其分子量远比染色体为小，仅为细菌染色体DNA的0.5～3%。质粒亦可携带遗传信息，可决定细菌的一些生物学特性。 然而质粒却有一些与染色体DNA不同的特性。 1．质粒并非细菌生存所必不可少的遗传物质。细菌如失去染色体，则不能生存；然而细菌失去质粒后仍能生存。这是由于染色体DNA携 带的基因所编码的产物，在细菌新陈代谢中是生存所必须者；而质粒携带的基因所编码的产物并非细菌的生存所必须者。因此质粒可以在细菌 间传递与丢失。 2．质粒的传递（转移）是细菌遗传物质转移的一个重要方式。有些质粒本身即具有转移装置，如耐药性质粒（R质粒）；而有些质粒本身 无转移装置，需要通过媒介（如噬菌体）转移或随有转移装置的质粒一起转移。获得质粒的细菌可随之而获得一些生物学特性，如耐药性或产 生细菌素的能力等。 3．质粒可自行失去或经人工处理而消失。在细菌培养传代过程中，有些质粒可自行从宿主细菌中失去。这种丢失不像染色体突变发生率很 低，而是较易发生。用紫外线、吖啶类染料及其他可以作用于DNA的物理、化学因子处理后，可以使一部分质粒消失，称为消除。目前学者们 感兴趣的是如何通过人工处理消除耐药质粒或与致病性有关的质粒。 4．质粒可以独立复制。质粒为DNA，有复制的能力，质粒的复制可不依赖于染色体，而在细菌胞浆内进行。这一特性在基因工程中需扩 增质粒时很有用处，因可使细菌停止繁殖而质粒仍可继续复制，从而可获得大量的质粒。 5．可有几种质粒同时共存在于一个细菌内。因质粒可独立复制，又能转移入细菌和自然失去，因此就有机会出现几种质粒的共存。但是并 非任何质粒均可共存，因发现在有些情况下，两种以上的质粒能稳定地共存于一个菌体内，而有些质粒则不能共存。 目前已在很多种细菌中发现质粒。比较重要者有决定性菌毛的F因子，决定耐药性的R因子以及决定产大肠杆菌素的Col因子等。耐药性质 粒的分子量相对较小，而与致性有关的质粒则为大质粒。革兰氏阴性菌一般都带有质粒。某些革兰氏阳性菌如葡萄球菌也有质粒
三、噬菌体(Bacteriophage) 噬菌体是寄生于细菌的病毒，有宿主细胞的特异性，即某种菌的噬菌体仅能在该种菌内复制，在敏感菌中增殖并裂解细菌的噬菌体称为毒 性噬菌体，另有一类称为温和噬菌体。这类喘菌体感染细菌后，有两种后果，即或裂解细菌或形成溶原状态(Ly50gcy)。温和黛菌体裂解细 菌的过程与毒性噬菌体相同，而形成溶原状态则为噬菌体的基因组整合于细菌的染色体上，并随细菌的繁殖传至子代。带有噬菌体基因组的细 菌称为溶原性细苗，而整合于细苗染色体上的噬苗体则称为前噬菌体(Pr0 phage。)(壁苗体的参见图4-2)。 有些温和壁萄体携带的基因在细萄染色体上，可相当于遗传物质，也能决定细菌的某些特性。由噬菌体基因决定细首的某些生物学特性称 为溶原性转移。例如，以那棒状杆菌噬菌体感染无毒的白喉杆菌后，可发生溶原性转换，形成产生外毒素的白喉杆菌。此外，溶血性链球菌产 生红袋毒素的能力，以及沙门氏杆菌有特异性0抗原等，均通过溶原性转换获得。当各细菌失去相应噬菌体后，则失去产生毒素或表达特异抗 原特性。 第三节细菌的突变 选传型变异中常见的一种为突变(Mutatior),即细菌的基因结构发生偶然的改变。一般突变会导致所编码蛋重白质的改变，从而使细菌出 现新的特性或失去原有的某些特性。细菌的自然突变率与其生物的自然突变相同，每106~108次细胞分裂发生一次由于细菌每20~30分钟分 有800-1400基对的插入，称为插入顺字seI0n 细菌中点突较多见，但在 布菌的 色体中曾发现 一、突变与选择 由于细菌的突变所发生的表型变异 一定外界 下境下才表现出来，因此对外界环境在突变中的作用曾发生过争 ,曾有学者认为细 与其他生物 一样，需经过突变与外界环 条件选择而出现 突变株 然而也有学者认为细菌生长繁殖迅速 外界环境可直接作用诱导出变异 这一争论直到1943年Luria与Delbrucki进行了有名的变异试验(FIuc st)后才初步获得解决。变异试验是根据统计学原理设计的（图5 1)。将一瓶对大肠杆菌噬菌体T1敏感的细菌培养后，稀释至1 000细m,分别分至试管系列。 一仪将细密接种至 支大管培乔 一时间培养后，分别接种于数个平板 如果出规体装群的突受图则在该平上应出现指】以 选耐噬菌体的突变株菌落。另一套试验 菌分别接种于数支小试管的培养基，经过一段时间后自每支试管吸取菌液各涂布接利 个加入 菌体的平板，然后计数发生的突变耐体株落数，如果出现耐宝体留株是因授触体而诱导产生的，两套平权上出现的耐体 菌落数。如果出耐喘菌体菌株是接触凉体而诱导产生的，两套平权上出现的噬菌体菌落数应大体相等。如果系细菌自发突变则两套平板上的面 硅菌体菌落数应有显著不同，因为在后 一情况下，细菌分别在各支试管中各自在生长繁殖周期或早或迟可发生突变。突变发生早的突变株繁殖 后出现的子代数必然多于突变株发生晚者，因此各平板上的菌落有的很多，有的则缺如。实验结果证明两音平板上耐噬菌体菌落数差异很大 从万里证实细菌已自身发生为，而外界是条件仅起选择作用。 件 8 图51细苗的变异试 仍有学者对上达实验 的统计学意义特异议.。1952年Lederbergi设计了影印培养(Replica plating)(见图5-2) ,这一试验证明细菌耐药 突变不是由抗菌药物诱导师 而在末接抗药物丽已生药突变 万法为将对链莓敏的大房 培养后细菌在培养基上均匀日 然后用火 上轻轻影F 使细图溶全部转移到丝绒 另取含有做霉素的琼脂培 将丝绒面再印在其 通过比较，可从原始平板的相应部位刮 取菌苔转种至液体培养基 重复制备原始平板与影印平板。经过数次重复后，则可获得 完全没有接触过链霉素的高度耐拉毒素的突变株，表现为原始平板上全部菌落与含链霉素平板上的菌落物合，这一实验雄辩地证明了链霉素仅 起选择作用。 二、基因突变类型
三、噬菌体（Bacteriophage） 噬菌体是寄生于细菌的病毒，有宿主细胞的特异性，即某种菌的噬菌体仅能在该种菌内复制。在敏感菌中增殖并裂解细菌的噬菌体称为毒 性噬菌体。另有一类称为温和噬菌体。这类噬菌体感染细菌后，有两种后果，即或裂解细菌或形成溶原状态（Lysogeny）。温和噬菌体裂解细 菌的过程与毒性噬菌体相同，而形成溶原状态则为噬菌体的基因组整合于细菌的染色体上，并随细菌的繁殖传至子代。带有噬菌体基因组的细 菌称为溶原性细菌，而整合于细菌染色体上的噬菌体则称为前噬菌体(Prophage)。（噬菌体的参见图4-2）。 有些温和噬菌体携带的基因在细菌染色体上，可相当于遗传物质，也能决定细菌的某些特性。由噬菌体基因决定细菌的某些生物学特性称 为溶原性转移。例如，以β棒状杆菌噬菌体感染无毒的白喉杆菌后，可发生溶原性转换，形成产生外毒素的白喉杆菌。此外，溶血性链球菌产 生红疹毒素的能力，以及沙门氏杆菌有特异性O抗原等，均通过溶原性转换获得。当各细菌失去相应噬菌体后，则失去产生毒素或表达特异抗 原特性。 第三节 细菌的突变 遗传型变异中常见的一种为突变（Mutation），即细菌的基因结构发生偶然的改变。一般突变会导致所编码蛋白质的改变，从而使细菌出 现新的特性或失去原有的某些特性。细菌的自然突变率与其生物的自然突变相同，每106～108次细胞分裂发生一次。由于细菌每20～30分钟分 裂一代，故突变株相对较多。当突变发生在DNA一对或少数几对碱基引起改变时，称为点突变。这类突变涉及碱基对的置换、增加或缺失。另 一种类型的突变涉及大段DNA的改变如插入或缺失几百个碱基对，称为染色体畸变。在细菌中点突变较多见，但在大肠杆菌的染色体中曾发现 有800～1400碱基对的插入，称为插入顺序(Insertion sequences)。 一、突变与选择 由于细菌的突变所发生的表型变异必须在一定外界环境下才表现出来，因此对外界环境在突变中的作用曾发生过争议。曾有学者认为细菌 与其他生物一样，需经过突变与外界环境条件选择而出现突变株；然而也有学者认为细菌生长繁殖迅速，外界环境可直接作用诱导出变异株。 这一争论直到1943年Luria与Delbruck进行了有名的变异试验(Fluctuation test)后才初步获得解决。变异试验是根据统计学原理设计的（图5- 1）。将一瓶对大肠杆菌噬菌体T1敏感的细菌培养后，稀释至1，000细菌/ml,分别分至两套试管系列。一套仅将细菌接种至一支大管培养基 中，经一段时间培养后，分别接种于数个平板。在平板中加入噬菌体，（如果出现耐噬菌体裂解的突变细菌株则在该平板上应出现菌落）以筛 选耐噬菌体的突变株菌落。另一套试验为将细菌分别接种于数支小试管的培养基，经过一段时间后自每支试管吸取菌液各涂布接种一个加入噬 菌体的平板，然后计数发生的突变耐噬菌体菌株菌落数。如果出现耐噬菌体菌株是因接触噬体而诱导产生的，两套平权上出现的耐噬菌体菌株 菌落数。如果出耐噬菌体菌株是接触噬体而诱导产生的，两套平权上出现的噬菌体菌落数应大体相等。如果系细菌自发突变则两套平板上的耐 噬菌体菌落数应有显著不同，因为在后一情况下，细菌分别在各支试管中各自在生长繁殖周期或早或迟可发生突变。突变发生早的突变株繁殖 后出现的子代数必然多于突变株发生晚者，因此各平板上的菌落有的很多，有的则缺如。实验结果证明两套平板上耐噬菌体菌落数差异很大， 从万里证实细菌已自身发生为，而外界是条件仅起选择作用。 图5-1 细菌的变异试验 然而，仍有学者对上述实验的统计学意义特异议。1952年Lederberg设计了影印培养(Replica plating)（见图5-2），这一试验证明细菌耐药 突变不是由抗菌药物诱导师产生，而在未接触抗菌药物前已产生耐药突变。其方法为将对链霉素敏感的大肠杆菌大量接种于营养琼脂平板上， 培养后细菌在培养基上均匀的长出菌苔层，然后用灭菌的丝绒复盖在一块与平皿同样大小的木块上轻轻影印，使细菌菌落全部转移到丝绒面 上。另取含有链霉素的琼脂培养平板，将丝绒面再印在其上，从而获得与原始平板完全相同的复制平板。将此平板培养，耐药的菌落出现后， 通过比较，可从原始平板的相应部位刮取菌苔转种至液体培养基中，增菌后，重复制备原始平板与影印平板。经过数次重复后，则可获得一株 完全没有接触过链霉素的高度耐链毒素的突变株，表现为原始平板上全部菌落与含链霉素平板上的菌落吻合。这一实验雄辩地证明了链霉素仅 起选择作用。 二、基因突变类型
在明确了细菌培养环境条件仅起透择作用后，学者们采用了一些选择方法以获得突变株，这些突变株的应用对研究遗传变异及开展有基因 工程都很有帮助。大从数利用的突变型均为大肠杆菌或風伤寒沙门氏菌，因这两种细菌营养要求不高，仅需盐、微量金属离子及有限的氨、碳 来源即可生长繁殖 未发生突变的菌株称为野生型， 而发生突变的菌株则根据选择条件可分为： ,营养缺陷型：突变后因某种酶的缺失需麦外添加某种宫养成份方能生长繁殖者， 般用“+“代表能利用自然存在的某种成份或能合成 某种成份的中间体，而一代表不能合成该成份的菌株，如hs则代表组氨酸缺陷型，需在培养基中加入组氨酸。 2抗性突变型 一般以S代表对化学药物或抗生索敏感.代表有抵抗力。如s8代表该菌株对链莓素敏感，在有链霉素存在时不能生长。这类 突变型最易获得，应用亦广 3.发酵阴性突变型：突变后失去发酵某种桔的能力但仍能利用其他糖做为碳源。这是由于突变后失去能分解该糖的确由于乳糖发醇可用 指示剂根据pH改变而显示，故可La©：（乳糖发酵阴性）突变株作为研究工月】 1 图5,2细菌影印培养试验 培养基上将上长的，用丝城印至含谁森培养基上，耐菌经不多 4. 东的 具有致死效应，突变株不能生长 在 一没有致效 ,最常用者为混 420 降低了的抗热性。因此在较高温 下不能生存 三、基因突变的分子生物学基础 细菌的基因结构发生改变的机制包括 1.碱基置换(Substitution):包括两种类型：转换(Transition)是由原岭置换嘌哈或密啶置换密啶。颠换(Transversion)是指嘌哈置换密啶 或废啶置换嘌岭。如碱基置换发生于编码多肽的区，则因可影响密码子而使转录、翻译遗传信息发生变化，因此可以出现一种氨基酸取代原有 的某一种氨基酸。也可能出现了终止密码而使多肽链合成中断，不能形成原有的重白质而完全失去某种生物学活性. 2.碱基的减少.增加与倒置：三种情况都可造成对密码的错误阅读。如DNA原有碱基项序为AAG,GAA,CGC,TGA,如失去第一个 A,则成为AGG,AAC,GCT,GA,使原来编码押肽由亮一组一丙一苏氨酸改为半胱：亮精亮氨酸。这种突变导致的是密码意义的错误，称 为移码突变，移码突变的影响范围自突变点起直到末线黎条结构基因的转录与翻译，引起基因产物的变化比较严重，对生物活性的影响也较显 若。 3.碱基的互变异构：四种碱基中的任何一种均可发生互变异构，在作为模板时可引起互补碱基的改变。如当胸腺嘧定以正常形式（即酮基 型)为模板时，配对的互补碱基为像原哈：当前者变为烯醇型结构时，通过氢键配对的碱基可变为鸟漂吟，（图53） N-H-- 图5-3碱基的互变异构 细菌自发突变的发生原因可能是宇宙间普遍存在的短波辐射、热及自然界存在的一些具有致突变作用的物质。人工应用理化因素可诱发突 变者称为诱变剂。化学诱变剂包括核苷酸碱基的类似物如分子结构类似陶腺嘘啶的5溴尿嘘啶。烷化剂可改变碱基的化学结构也是诱变剂。吖
在明确了细菌培养环境条件仅起选择作用后，学者们采用了一些选择方法以获得突变株，这些突变株的应用对研究遗传变异及开展有基因 工程都很有帮助。大从数利用的突变型均为大肠杆菌或鼠伤寒沙门氏菌，因这两种细菌营养要求不高，仅需盐、微量金属离子及有限的氮、碳 来源即可生长繁殖。未发生突变的菌株称为野生型，而发生突变的菌株则根据选择条件可分为： 1．营养缺陷型：突变后因某种酶的缺失需要额外添加某种营养成份方能生长繁殖者。一般用“+”代表能利用自然存在的某种成份或能合成 某种成份的中间体，而“—代表不能合成该成份的菌株。如his-则代表组氨酸缺陷型，需在培养基中加入组氨酸。 2.抗性突变型:一般以S代表对化学药物或抗生素敏感,r代表有抵抗力。如str8代表该菌株对链霉素敏感，在有链霉素存在时不能生长。这类 突变型最易获得，应用亦广。 3．发酵阴性突变型：突变后失去发酵某种糖的能力但仍能利用其他糖做为碳源。这是由于突变后失去能分解该糖的酶。由于乳糖发酵可用 指示剂根据pH改变而显示，故可Lac-（乳糖发酵阴性）突变株作为研究工具。 图5－2 细菌影印培养试验 1．从普通培养基上将皿上长的细菌，用丝绒影印至含链霉素培养基上，耐菌细菌不多。 2．从不接触链霉素的平皿上，按影印显示耐链霉素菌落区挑取细菌增菌。 3．将102细菌接种普通培养基上再作影印，再按耐链霉素平皿上相应菌落处接种增菌。 4．未接触链霉素的平皿上，全部细菌均耐链霉素。 4．条件致死性突变型：在某一条件下具有致死效应，突变株不能生长，但在另一没有致死效应的条件下仍可生长。最常用者为温度敏感性 突变型。它们在亲代能生长的温度范围内特别是较高湿度（42℃）不能生长，但在较低温度（25℃）则能生长。这种菌株称为ts株。其发生的 原因是某些酶的肽链结构发生改变后，降低了酶的抗热性。因此在较高温度下不能生存。这种用温度筛选突变株的方法比较简便，应用较多。 三、基因突变的分子生物学基础 细菌的基因结构发生改变的机制包括： 1．碱基置换（Substitution）：包括两种类型：转换(Transition)是由嘌呤置换嘌呤或嘧啶置换嘧啶。颠换(Transversion)是指嘌呤置换嘧啶 或嘧啶置换嘌呤。如碱基置换发生于编码多肽的区，则因可影响密码子而使转录、翻译遗传信息发生变化，因此可以出现一种氨基酸取代原有 的某一种氨基酸。也可能出现了终止密码而使多肽链合成中断，不能形成原有的蛋白质而完全失去某种生物学活性。 2．碱基的减少、增加与倒置：三种情况都可造成对密码的错误阅读。如DNA原有碱基顺序为AAG，GAA，CGC，TGA，如失去第一个 A，则成为AGG，AAC，GCT，GA，使原来编码押肽由亮一组一丙一苏氨酸改为半胱-亮-精-亮氨酸。这种突变导致的是密码意义的错误，称 为移码突变。移码突变的影响范围自突变点起直到末端整条结构基因的转录与翻译，引起基因产物的变化比较严重，对生物活性的影响也较显 著。 3．碱基的互变异构：四种碱基中的任何一种均可发生互变异构，在作为模板时可引起互补碱基的改变。如当胸腺嘧啶以正常形式（即酮基 型）为模板时，配对的互补碱基为腺嘌呤；当前者变为烯醇型结构时，通过氢键配对的碱基可变为鸟嘌呤。（图5-3） 图5-3 碱基的互变异构 细菌自发突变的发生原因可能是宇宙间普遍存在的短波辐射、热及自然界存在的一些具有致突变作用的物质。人工应用理化因素可诱发突 变者称为诱变剂。化学诱变剂包括核苷酸碱基的类似物如分子结构类似胸腺嘧啶的5-溴尿嘧啶。烷化剂可改变碱基的化学结构也是诱变剂。吖
定类染料可蝥合入DNA的碱基对之间，引起DNA在复制过程中出现碱基对的插入或缺失。紫外线与X线是常用的物理诱变剂。紫外线可使邻近 的陶原密啶构成双体，引起DNA结构的变化而致突变。 第四节基因的转称与重组 速传型变异还可通过两个不同性质细菌之间发生遗传物质的转移和重组而实现在基因转移中，提供DNA的细菌为供体，而接受DNA的细菌是 受体，基因转移后获得重组的子代，即具有供体与受体菌二者的主要特性。实现基因转移需要两个基本条件：一是全部或部分供体菌的基因相 应进入受体菌：二是在受体菌中形成重组（杂交）的基因组。一般在亲缘关系相近，供。受体菌间容易发生重组，而无亲缘性的细菌间因基因 组缺乏同源序列，不能或不易发生重组。重组子代菌产生的率很低，因此一般需要有选择条件使重组子代菌生长繁殖基因转移的方式和机理有 几种不同形式。两个细菌细胞间可通过暂时的沟通（如接合）；也可根本不接触，通过供体菌释放的DA片段进入受体菌（如转化）；也可通 过噬菌体作媒介将供体菌的DNΛ片段包表在其头部转移至受体菌（转导）。 一、转化 转化是受体菌直接摄取供体菌游离的DN片段，通过与染色体重组，获得了供体萄的部分传特性。转化的DNA可以是细萄溶解后释放 的，也可用人工方法抽提 务，兮先在128年由Cb在肺类球菌中发现，以后在葡萄球菌、嗜血杆苗也完后 G的实验为：以无毒的型粗随型（无 并不引起动物死亡； 以有毒力的型光滑型（有英膜）肺 DNA片发 “包 体 图严间一周“包 图54细菌间的基因转移、转化，转导、接合 炎球菌注入小白鼠后，动物则死于全身性感染，以加热杀死的皿型光滑型肺炎双球苗注入小白显后，动物不死亡，亦分离不到皿型光滑型 肺炎双球菌。如果将活的川型相糙型肺炎球萄与杀死的Ⅲ型光滑型肺炎球菌混合后注入小白鼠，结果动物发生全身性感染而死亡，自动物体内 可分离到活的型光滑型肺炎球菌。以后直到1944年Avcy才证实转化的物质是DNA,因可被DNA酶所破坏以后的试管内培养条件下进行实 发细菌在取外酒NA时重处王成受本C。 C,肺炎球菌的感受态是在对数生长后蝴，约持续4O分钟。进入受体菌的DNA片 段需有与受体菌染色体上的同源核酸片段才能发生重组。当上迷实验中Ⅲ型光滑型肺炎球菌产生莫膜的DNA片段与Ⅱ型粗糙型肺炎球菌的染色 体DNA发生组后，后者即可分裂产生只有型英膜的光滑型有毒力的肺炎球菌子代。在自然条件下细菌通过转化获得外源性DNA发生遇传型 变是的机会导存在的但不一定多见 二、转导 以菌体为媒介 把供细菌的基因转移到受体菌内 号致后者基因改变的过程称为转写 当体在细苗中增殖 细茵时 ,(称为吉碧性 体)可在罕见的情况下（约105~107次包装中发生一次） 日菌的DNA误作为噬苗体本身的 A包入头部 释放出来的壁体通过 染易感细菌则可将供体菌的DNA携带 进人 受体菌内 如发生重组则受体菌 得了感菌体媒介转移的供体菌D 普遍性转导，质粒也有可能被包入衣壳进行转 导。 不具有转移装置的质粒依赖菌体煤介进行转移，转导可转移比转化更大片段的DNA,转移DNA的效率较转化为高， 种转导称为局限性转导，指仅为特殊局限的一部分细茵D A能被转导，只有温和噬菌体可进行局限性转导，当温和噬菌体进入溶原斯 时，则以前噬菌体形式整合于细菌染色体的 个位。 当其受数活或目发进入裂样明时，如果该图体DNA在离细图染色体时发生偏，则 仅为与前菌体邻近的细菌染色体DNΛ有可能被包装入菌体蛋白质衣壳内因此局限性转导噬菌体所携带的细基因只限于插入部位附近的 基因。由于局限性转导噬菌体常缺少噬菌体正常所需的基因，因此常需与野生型噬菌体共同感染细菌后的细菌中复制，这样才能将携带的基因 转移至受体菌，并获得该段基因所决定的新特性的表达
啶类染料可螯合入DNA的碱基对之间，引起DNA在复制过程中出现碱基对的插入或缺失。紫外线与X线是常用的物理诱变剂。紫外线可使邻近 的胸原嘧啶构成双体，引起DNA结构的变化而致突变。 第四节 基因的转称与重组 遗传型变异还可通过两个不同性质细菌之间发生遗传物质的转移和重组而实现.在基因转移中,提供DNA的细菌为供体,而接受DNA的细菌是 受体。基因转移后获得重组的子代，即具有供体与受体菌二者的主要特性。实现基因转移需要两个基本条件：一是全部或部分供体菌的基因相 应进入受体菌；二是在受体菌中形成重组（杂交）的基因组。一般在亲缘关系相近，供、受体菌间容易发生重组，而无亲缘性的细菌间因基因 组缺乏同源序列，不能或不易发生重组。重组子代菌产生的率很低，因此一般需要有选择条件使重组子代菌生长繁殖基因转移的方式和机理有 几种不同形式。两个细菌细胞间可通过暂时的沟通（如接合）；也可根本不接触，通过供体菌释放的DNA片段进入受体菌（如转化）；也可通 过噬菌体作媒介将供体菌的DNA片段包裹在其头部转移至受体菌（转导）。 一、转化 转化是受体菌直接摄取供体菌游离的DNA片段，通过与染色体重组，获得了供体菌的部分遗传特性。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。Griffith 的实验为：以无毒的Ⅱ型粗糙型（无 荚膜）肺炎球菌注入小白鼠，并不引起动物死亡；以有毒力的Ⅲ型光滑型（有荚膜）肺 图5-4 细菌间的基因转移、转化、转导、接合 炎球菌注入小白鼠后，动物则死于全身性感染，以加热杀死的Ⅲ型光滑型肺炎双球菌注入小白鼠后，动物不死亡，亦分离不到Ⅲ型光滑型 肺炎双球菌。如果将活的Ⅱ型粗糙型肺炎球菌与杀死的Ⅲ型光滑型肺炎球菌混合后注入小白鼠，结果动物发生全身性感染而死亡，自动物体内 可分离到活的Ⅲ型光滑型肺炎球菌。以后直到1944年Avery才证实转化的物质是DNA，因可被DNA酶所破坏。以后的试管内培养条件下进行实 验，发现细菌在摄取外源DNA时，需处于感受态(Competence)。肺炎球菌的感受态是在对数生长后期，约持续40分钟。进入受体菌的DNA片 段需有与受体菌染色体上的同源核酸片段才能发生重组。当上述实验中Ⅲ型光滑型肺炎球菌产生荚膜的DNA片段与Ⅱ型粗糙型肺炎球菌的染色 体DNA发生重组后，后者即可分裂产生具有Ⅲ型荚膜的光滑型有毒力的肺炎球菌子代。在自然条件下细菌通过转化获得外源性DNA发生遗传型 变异的机会是存在的，但不一定多见。 二、转导 以噬菌体为媒介，把供细菌的基因转移到受体菌内，导致后者基因改变的过程称为转导。 当噬菌体在细菌中增殖并裂解细菌时，某些DNA噬菌体（称为普遍性转导噬菌体）可在罕见的情况下（约105～107次包装中发生一次）， 将细菌的DNA误作为噬菌体本身的DNA包入头部蛋白衣壳内。当裂解细菌后，释放出来的噬菌体通过感染易感细菌则可将供体菌的DNA携带 进入受体菌内。如发生重组则受体菌获得了噬菌体媒介转移的供体菌DNA片段。这一过程称为普遍性转导。质粒也有可能被包入衣壳进行转 导。不具有转移装置的质粒依赖噬菌体媒介进行转移，转导可转移比转化更大片段的DNA，转移DNA的效率较转化为高。 另一种转导称为局限性转导，指仅为特殊局限的一部分细菌DNA能被转导。只有温和噬菌体可进行局限性转导。当温和噬菌体进入溶原期 时，则以前噬菌体形式整合于细菌染色体的一个部位。当其受激活或自发进入裂解期时，如果该噬菌体DNA在脱离细菌染色体时发生偏离，则 仅为与前噬菌体邻近的细菌染色体DNA有可能被包装入噬菌体蛋白质衣壳内。因此局限性转导噬菌体所携带的细菌基因只限于插入部位附近的 基因。由于局限性转导噬菌体常缺少噬菌体正常所需的基因，因此常需与野生型噬菌体共同感染细菌后的细菌中复制，这样才能将携带的基因 转移至受体菌，并获得该段基因所决定的新特性的表达
三、接合 两个通过直接接触，在暂时的沟通中进行甚因转移的过程为接合。这一过程不是在所有细菌之间均可发生，只有那些具有F因子或类似F因 子传递装苦的细菌才能接合。接合中，有下因子的细菌相当于性性菌。因此接合看作是细菌的有性生殖过程，又称为细菌杂交。 细菌的接合最早在大肠杆菌中发现，以后在其他菌中也观察到，主要见于革兰氏阴性菌。在电镜下可现察到细菌间借伸长的性菌毛进行接 合。细菌能在接合中作为基因传递供体取决于致育因子(Fertility factor)又称F因子。这是最早发现的一种质粒，F因子编码在细菌表面产生 性菌毛。F因子的特性为可以促进供体萄向受体菌传递色体D八A或质粒。F因子决定编码的性菌毛可在供体与受体菌间形成交通通连接结构，从 而可使两个杂交细菌间形成胞浆内连接桥。F因子可以游离存大于胞浆内，也可与细菌染色体整合。如果F因子游离存在于胞浆内，接合时仅 因子DA可通过胞浆的连接桥进入受体菌。然而F因子转移的特点为，从一个起始点开始，仅有一条DA链进入受体菌，以后供体。受体菌分 别以一条DN八链为模板，以滚环式复制另一条互补链，形成完整的双链F因子。这一待性使F因子与其他能通过接合传递的细菌质粒一样，在细 菌群体中传播，类似引起传染，即原来的F+菌仍为F+,而F受体菌可变成F菌。 除F因子外，发现耐质粒R因子中有些亦可通过接合而传递，另一些则不能传递。R因子是1959年由日本学者所发现。他们对一批应用常用 抗生素治疗无效的南疾患者粪便中分离到的南疾杆菌进行分析，发现细菌中有一种德同时耐几种抗生素的基因。这种基因存在于细胞浆中，可 通过类似F因子的方式在细菌间传递。以后发现这类质粒中可通过接合转移者除有决定耐药性的r区段DNA外，还有传递区段(RTF,Resistar©e trarnsfer factor).RT下决定性菌毛的形成，通过接合而传递。如果只有r区段而无RTF区段则不能过接合传递。必须经传递性质粒带动、噬菌体 转号或以转化方式转入受体菌。 R因子决定细萄耐药性的问题是临床治疗中的大问题。R因子决定耐药性的机制，现已了解者为：1.质粒基因可编码产生各种纯化确，如金黄 色葡萄球萄耐药性质粒编码青霉素确，耐氨苄吉霉素的肠道杆菌质拉中编码能使B内酰胺环水解的酶。2，R因子通过控制一些细菌细跑膜的通透 性.使四环素不能进入苗体。3.R因子通过阻止抗生素与细苗细跑内的作用部位（靶）结合，使细菌耐药。如红雷素通过与细苗核蛋白体结合而阻止 蛋白质合成。R因子偏码甲基酶，通过使核重白体上某些分子的甲基化，使结霉素不能与之结合而失去作用。由于R因子可通过接合的种、属不同 的细菌间转移，因此有些痢疾杆菌即使未与药物接触过，但可自耐药的大肠杆菌获得R因子而耐药。目前有学者主张应及时了解医院内细菌的 因子质拉耐药图造，轮流选用抗生素以达到较好的治疗效果。 除了上述各种基因转移的方式外，还发现了一类能在质之间或质与染色体之间自行转移位置的核苷酸序列称为转座因子 ()。其中最简单者仅有1，O00个碱基对。只只有编码转移决定子的基因，称为插入顺序，还有一些分子量较大者为转 一般转座的NA链末端有互补及倒置重复序列，从而一条单链即可自己形成环状结构。转座子插入细萄染色体后，因在插入部位影响了 细菌染色体D八NA的正常结构，可致细菌失去某些功能。如耐药基因。产生细菌霉素或某些酶的基因等。转密子携带的这些基因在即使与受体 无核酸同源性的情况下仍可传递转移。因此转密子与质粒一样在构成致病性、耐药性菌中占有重要地位 第五节变异在医学中的实际应用 、临床医学及预防 等方面已被广泛应用。近几十多年来，由分子透传学发展起来的速传工 物品系 产新的生物： 开辟了前乐 生化反应、抗 特异性。以及蕊菌体分型等进行 了细菌的 ,这些方法至今仍有实用价 型的差别程度 此外 即不同种的细 图DNA分子中所含的巴 急量 细菌DNA中G+C的含量(Mo%)相同 :关系远者则GC量相差较 ,还可以果用N分 杂交技术 比较两种细菌的DNA链核苷酸序列间有无同源性。如果为同一种细菌则同源性杂交率可为100%，因此，根据细菌基因组的相对艳 定性，可 的相互关系 常遇到一些变异菌株、其形态、毒力、生化反应或抗原性都不典型，给细菌鉴定带来困难。如在有些使用抗生素的志 者体内可分离到1型细菌。从而必须了解1型细菌培养的特点以及如何使其返祖而恢复其典型形态与菌落，作出正确的诊断。 三、在预防中的应月 减毒活疫苗有较好的预防效果。减毒活菌苗可以从自然界分离获得，也可用人工方法选择改变毒力的变异株，目前应用的减毒活苗如卡 介菌是十分成功的例子，此外还获得了预防鼠疫和布氏菌的活菌苗。 四、在治疗中的应用 抗生素的生产中常用紫外线照射以促突变，从而获得产生抗生素量高的菌种耐药性菌株的出现是临床上存在的大问题，通过了解产生耐 药性的原理，可采取有针对性的措施。临床上强调对细菌做抗生素敏感试验，从而选用敲感药物有效地治疗，可避免在使用抗生素中提供选挥 耐药性突变株的条件。 五、检查致德物质的作用 正常细胞发生遗传信息的改变可致肿箱。因此导致突变的条件因素均被认为是可疑的致缠因素。目前已被采用的八m©s试验是以细菌作为诱 变对家，以待测的化学因子作为诱变剂，将待测的化学物质作用于鼠伤寒沙门氏杆菌的组氨酸营养缺陷型细菌后，将此菌接种于无组氨酸的培 养基中。如果该化学物质有促变作用，则有少数细菌可回复突变而获得在无组氨酸培养基上生长的能力。这种以该菌株的回复突变作为检测致 癌因子指标的方法比较简便，可供参考。 六，在遗传工程方面的应用
三、接合 两个通过直接接触，在暂时的沟通中进行基因转移的过程为接合。这一过程不是在所有细菌之间均可发生。只有那些具有F因子或类似F因 子传递装置的细菌才能接合。接合中，有F因子的细菌相当于雌性菌。因此接合看作是细菌的有性生殖过程，又称为细菌杂交。 细菌的接合最早在大肠杆菌中发现，以后在其他菌中也观察到，主要见于革兰氏阴性菌。在电镜下可观察到细菌间借伸长的性菌毛进行接 合。细菌能在接合中作为基因传递供体取决于致育因子（Fertility factor）又称F因子。这是最早发现的一种质粒。F因子编码在细菌表面产生 性菌毛。F因子的特性为可以促进供体菌向受体菌传递色体DNA或质粒。F因子决定编码的性菌毛可在供体与受体菌间形成交通通连接结构，从 而可使两个杂交细菌间形成胞浆内连接桥。F因子可以游离存大于胞浆内，也可与细菌染色体整合。如果F因子游离存在于胞浆内，接合时仅F 因子DNA可通过胞浆的连接桥进入受体菌。然而F因子转移的特点为，从一个起始点开始，仅有一条DNA链进入受体菌，以后供体、受体菌分 别以一条DNA链为模板，以滚环式复制另一条互补链，形成完整的双链F因子。这一特性使F因子与其他能通过接合传递的细菌质粒一样，在细 菌群体中传播，类似引起传染，即原来的F+菌仍为F+，而F-受体菌可变成F-菌。 除F因子外，发现耐质粒R因子中有些亦可通过接合而传递，另一些则不能传递。R因子是1959年由日本学者所发现。他们对一批应用常用 抗生素治疗无效的痢疾患者粪便中分离到的痢疾杆菌进行分析，发现细菌中有一种能同时耐几种抗生素的基因。这种基因存在于细胞浆中，可 通过类似F因子的方式在细菌间传递。以后发现这类质粒中可通过接合转移者除有决定耐药性的r区段DNA外，还有传递区段(RTF,Resistance trarnsfer factor)。RTF决定性菌毛的形成，通过接合而传递。如果只有r区段而无RTF区段则不能过接合传递。必须经传递性质粒带动、噬菌体 转导或以转化方式转入受体菌。 R因子决定细菌耐药性的问题是临床治疗中的大问题。R因子决定耐药性的机制，现已了解者为：1.质粒基因可编码产生各种纯化酶,如金黄 色葡萄球菌耐药性质粒编码青霉素酶,耐氨苄青霉素的肠道杆菌质粒中编码能使β内酰胺环水解的酶。2.R因子通过控制一些细菌细胞膜的通透 性,使四环素不能进入菌体。3.R因子通过阻止抗生素与细菌细胞内的作用部位(靶)结合,使细菌耐药。如红霉素通过与细菌核蛋白体结合而阻止 蛋白质合成。R因子编码甲基酶,通过使核蛋白体上某些分子的甲基化,使结霉素不能与之结合而失去作用。由于R因子可通过接合的种、属不同 的细菌间转移，因此有些痢疾杆菌即使未与药物接触过，但可自耐药的大肠杆菌获得R因子而耐药。目前有学者主张应及时了解医院内细菌的R 因子质粒耐药图谱，轮流选用抗生素以达到较好的治疗效果。 除 了 上 述 各 种 基 因 转 移 的 方 式 外 ， 还 发 现 了 一 类 能 在 质 粒 之 间 或 质 粒 与 染 色 体 之 间 自 行 转 移 位 置 的 核 苷 酸 序 列 ， 称 为 转 座 因 子 （Trnasposible elements）。其中最简单者仅有1，000个碱基对。只具有编码转移决定子的基因，称为插入顺序。还有一些分子量较大者为转 座子。一般转座的DNA链末端有互补及倒置重复序列，从而一条单链即可自己形成环状结构。转座子插入细菌染色体后，因在插入部位影响了 细菌染色体DNA的正常结构，可致细菌失去某些功能。如耐药基因。产生细菌霉素或某些酶的基因等。转座子携带的这些基因在即使与受体菌 无核酸同源性的情况下仍可传递转移。因此转座子与质粒一样在构成致病性、耐药性菌中占有重要地位。 第五节 变异在医学中的实际应用 细菌变异的理论知识与技术在医学微生物学、临床医学及预防医学等方面已被广泛应用。近几十多年来，由分子遗传学发展起来的遗传工 程更为人类控制遗传特征，改造现有生物品系，生产新的生物制品开辟了前景。 一、在细菌分类上的应用 过去依靠细菌的形态、生化反应、抗原特异性、以及噬菌体分型等进行了细菌的分类。这些方法至今仍有实用价值。此外，还开展了细菌 DNA分子中的G+C分类：即不同种的细菌基因型的差别程度可用细菌DNA分子中所含的鸟嘌呤和胞嘧啶在四种碱基意量中所占的成分比所反 映。亲缘关系密切，细菌DNA中G+C的含量（Mol%）相同或很接近；关系远者则G+C量相差较大。除作G+C量测定外，还可以采用DNA分子 杂交技术来比较两种细菌的DNA链核苷酸序列间有无同源性。如果为同一种细菌则同源性杂交率可为100%。因此，根据细菌基因组的相对稳 定性，可鉴定出细菌间的相互关系。 二、在诊断中的应用 在实验诊断工作中，常遇到一些变异菌株、其形态、毒力、生化反应或抗原性都不典型，给细菌鉴定带来困难。如在有些使用抗生素的患 者体内可分离到L型细菌。从而必须了解L型细菌培养的特点以及如何使其返祖而恢复其典型形态与菌落，作出正确的诊断。 三、在预防中的应用 减毒活疫苗有较好的预防效果。减毒活菌苗可以从自然界分离获得，也可用人工方法选择改变毒力的变异株。目前应用的减毒活菌苗如卡 介苗是十分成功的例子，此外还获得了预防鼠疫和布氏菌的活菌苗。 四、在治疗中的应用 抗生素的生产中常用紫外线照射以促突变，从而获得产生抗生素量高的菌种。耐药性菌株的出现是临床上存在的大问题。通过了解产生耐 药性的原理，可采取有针对性的措施。临床上强调对细菌做抗生素敏感试验，从而选用敏感药物有效地治疗，可避免在使用抗生素中提供选择 耐药性突变株的条件。 五、检查致癌物质的作用 正常细胞发生遗传信息的改变可致肿瘤。因此导致突变的条件因素均被认为是可疑的致癌因素。目前已被采用的Ames试验是以细菌作为诱 变对象，以待测的化学因子作为诱变剂，将待测的化学物质作用于鼠伤寒沙门氏杆菌的组氨酸营养缺陷型细菌后，将此菌接种于无组氨酸的培 养基中。如果该化学物质有促变作用，则有少数细菌可回复突变而获得在无组氨酸培养基上生长的能力。这种以该菌株的回复突变作为检测致 癌因子指标的方法比较简便，可供参考。 六、在遗传工程方面的应用