醫學微生物學/基因的轉稱與重組

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醫學微生物學

細菌的遺傳與變異
- 細菌的變異現象
- 細菌的遺傳物質
- 細菌的突變
- 基因的轉稱與重組
- 變異在醫學中的實際應用

遺傳型變異還可通過兩個不同性質細菌之間發生遺傳物質的轉移和重組而實現.在基因轉移中,提供DNA的細菌為供體,而接受DNA的細菌是受體。基因轉移后獲得重組的子代，即具有供體與受體菌二者的主要特性。實現基因轉移需要兩個基本條件：一是全部或部分供體菌的基因相應進入受體菌；二是在受體菌中形成重組（雜交）的基因組。一般在親緣關系相近，供、受體菌間容易發生重組，而無親緣性的細菌間因基因組缺乏同源序列，不能或不易發生重組。重組子代菌產生的率很低，因此一般需要有選擇條件使重組子代菌生長繁殖基因轉移的方式和機理有幾種不同形式。兩個細菌細胞間可通過暫時的溝通（如接合）；也可根本不接觸，通過供體菌釋放的DNA片段進入受體菌（如轉化）；也可通過噬菌體作媒介將供體菌的DNA片段包裹在其頭部轉移至受體菌（轉導）。

一、轉化

轉化是受體菌直接攝取供體菌游離的DNA片段，通過與染色體重組，獲得了供體菌的部分遺傳特性。轉化的DNA可以是細菌溶解后釋放的，也可用人工方法抽提而獲得。

轉化首先在1928年由Griffith在肺炎球菌中發現，以后在葡萄球菌、嗜血桿菌也先后被發現。Griffith 的實驗為：以無毒的Ⅱ型粗糙型（無莢膜）肺炎球菌注入小白鼠，并不引起動物死亡；以有毒力的Ⅲ型光滑型（有莢膜）肺

細菌間的基因轉移、轉化、轉導、接合

圖5-4 細菌間的基因轉移、轉化、轉導、接合

炎球菌注入小白鼠后，動物則死于全身性感染，以加熱殺死的Ⅲ型光滑型肺炎雙球菌注入小白鼠后，動物不死亡，亦分離不到Ⅲ型光滑型肺炎雙球菌。如果將活的Ⅱ型粗糙型肺炎球菌與殺死的Ⅲ型光滑型肺炎球菌混合后注入小白鼠，結果動物發生全身性感染而死亡，自動物體內可分離到活的Ⅲ型光滑型肺炎球菌。以后直到1944年Avery才證實轉化的物質是DNA，因可被DNA酶所破壞。以后的試管內培養條件下進行實驗，發現細菌在攝取外源DNA時，需處于感受態(Competence)。肺炎球菌的感受態是在對數生長后期，約持續40分鐘。進入受體菌的DNA片段需有與受體菌染色體上的同源核酸片段才能發生重組。當上述實驗中Ⅲ型光滑型肺炎球菌產生莢膜的DNA片段與Ⅱ型粗糙型肺炎球菌的染色體DNA發生重組后，后者即可分裂產生具有Ⅲ型莢膜的光滑型有毒力的肺炎球菌子代。在自然條件下細菌通過轉化獲得外源性DNA發生遺傳型變異的機會是存在的，但不一定多見。

二、轉導

以噬菌體為媒介，把供細菌的基因轉移到受體菌內，導致后者基因改變的過程稱為轉導。

當噬菌體在細菌中增殖并裂解細菌時，某些DNA噬菌體（稱為普遍性轉導噬菌體）可在罕見的情況下（約105～107次包裝中發生一次），將細菌的DNA誤作為噬菌體本身的DNA包入頭部蛋白衣殼內。當裂解細菌后，釋放出來的噬菌體通過感染易感細菌則可將供體菌的DNA攜帶進入受體菌內。如發生重組則受體菌獲得了噬菌體媒介轉移的供體菌DNA片段。這一過程稱為普遍性轉導。質粒也有可能被包入衣殼進行轉導。不具有轉移裝置的質粒依賴噬菌體媒介進行轉移，轉導可轉移比轉化更大片段的DNA，轉移DNA的效率較轉化為高。

另一種轉導稱為局限性轉導，指僅為特殊局限的一部分細菌DNA能被轉導。只有溫和噬菌體可進行局限性轉導。當溫和噬菌體進入溶原期時，則以前噬菌體形式整合于細菌染色體的一個部位。當其受激活或自發進入裂解期時，如果該噬菌體DNA在脫離細菌染色體時發生偏離，則僅為與前噬菌體鄰近的細菌染色體DNA有可能被包裝入噬菌體蛋白質衣殼內。因此局限性轉導噬菌體所攜帶的細菌基因只限于插入部位附近的基因。由于局限性轉導噬菌體常缺少噬菌體正常所需的基因，因此常需與野生型噬菌體共同感染細菌后的細菌中復制，這樣才能將攜帶的基因轉移至受體菌，并獲得該段基因所決定的新特性的表達。

三、接合

兩個通過直接接觸，在暫時的溝通中進行基因轉移的過程為接合。這一過程不是在所有細菌之間均可發生。只有那些具有F因子或類似F因子傳遞裝置的細菌才能接合。接合中，有F因子的細菌相當于雌性菌。因此接合看作是細菌的有性生殖過程，又稱為細菌雜交。

細菌的接合最早在大腸桿菌中發現，以后在其他菌中也觀察到，主要見于革蘭氏陰性菌。在電鏡下可觀察到細菌間借伸長的性菌毛進行接合。細菌能在接合中作為基因傳遞供體取決于致育因子（Fertility factor）又稱F因子。這是最早發現的一種質粒。F因子編碼在細菌表面產生性菌毛。F因子的特性為可以促進供體菌向受體菌傳遞色體DNA或質粒。F因子決定編碼的性菌毛可在供體與受體菌間形成交通通連接結構，從而可使兩個雜交細菌間形成胞漿內連接橋。F因子可以游離存大于胞漿內，也可與細菌染色體整合。如果F因子游離存在于胞漿內，接合時僅F因子DNA可通過胞漿的連接橋進入受體菌。然而F因子轉移的特點為，從一個起始點開始，僅有一條DNA鏈進入受體菌，以后供體、受體菌分別以一條DNA鏈為模板，以滾環式復制另一條互補鏈，形成完整的雙鏈F因子。這一特性使F因子與其他能通過接合傳遞的細菌質粒一樣，在細菌群體中傳播，類似引起傳染，即原來的F+菌仍為F+，而F-受體菌可變成F-菌。

除F因子外，發現耐質粒R因子中有些亦可通過接合而傳遞，另一些則不能傳遞。R因子是1959年由日本學者所發現。他們對一批應用常用抗生素治療無效的痢疾患者糞便中分離到的痢疾桿菌進行分析，發現細菌中有一種能同時耐幾種抗生素的基因。這種基因存在于細胞漿中，可通過類似F因子的方式在細菌間傳遞。以后發現這類質粒中可通過接合轉移者除有決定耐藥性的r區段DNA外，還有傳遞區段(RTF,Resistance trarnsfer factor)。RTF決定性菌毛的形成，通過接合而傳遞。如果只有r區段而無RTF區段則不能過接合傳遞。必須經傳遞性質粒帶動、噬菌體轉導或以轉化方式轉入受體菌。

R因子決定細菌耐藥性的問題是臨床治療中的大問題。R因子決定耐藥性的機制，現已了解者為：1.質粒基因可編碼產生各種純化酶,如金黃色葡萄球菌耐藥性質粒編碼青霉素酶,耐氨芐青霉素的腸道桿菌質粒中編碼能使β內酰胺環水解的酶。2.R因子通過控制一些細菌細胞膜的通透性,使四環素不能進入菌體。3.R因子通過阻止抗生素與細菌細胞內的作用部位(靶)結合,使細菌耐藥。如紅霉素通過與細菌核蛋白體結合而阻止蛋白質合成。R因子編碼甲基酶,通過使核蛋白體上某些分子的甲基化,使結霉素不能與之結合而失去作用。由于R因子可通過接合的種、屬不同的細菌間轉移，因此有些痢疾桿菌即使未與藥物接觸過，但可自耐藥的大腸桿菌獲得R因子而耐藥。目前有學者主張應及時了解醫院內細菌的R因子質粒耐藥圖譜，輪流選用抗生素以達到較好的治療效果。

除了上述各種基因轉移的方式外，還發現了一類能在質粒之間或質粒與染色體之間自行轉移位置的核苷酸序列，稱為轉座因子（Trnasposible elements）。其中最簡單者僅有1，000個堿基對。只具有編碼轉移決定子的基因，稱為插入順序。還有一些分子量較大者為轉座子。一般轉座的DNA鏈末端有互補及倒置重復序列，從而一條單鏈即可自己形成環狀結構。轉座子插入細菌染色體后，因在插入部位影響了細菌染色體DNA的正常結構，可致細菌失去某些功能。如耐藥基因。產生細菌霉素或某些酶的基因等。轉座子攜帶的這些基因在即使與受體菌無核酸同源性的情況下仍可傳遞轉移。因此轉座子與質粒一樣在構成致病性、耐藥性菌中占有重要地位。