醫(yī)學(xué)微生物學(xué)/基因的轉(zhuǎn)稱與重組
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遺傳型變異還可通過兩個(gè)不同性質(zhì)細(xì)菌之間發(fā)生遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和重組而實(shí)現(xiàn).在基因轉(zhuǎn)移中,提供DNA的細(xì)菌為供體,而接受DNA的細(xì)菌是受體?；蜣D(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)基因轉(zhuǎn)移需要兩個(gè)基本條件：一是全部或部分供體菌的基因相應(yīng)進(jìn)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(guān)系相近，供、受體菌間容易發(fā)生重組，而無親緣性的細(xì)菌間因基因組缺乏同源序列，不能或不易發(fā)生重組。重組子代菌產(chǎn)生的率很低，因此一般需要有選擇條件使重組子代菌生長(zhǎng)繁殖基因轉(zhuǎn)移的方式和機(jī)理有幾種不同形式。兩個(gè)細(xì)菌細(xì)胞間可通過暫時(shí)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(jìn)入受體菌（如轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移至受體菌（轉(zhuǎn)導(dǎo)）。
一、轉(zhuǎn)化
轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化的DNA可以是細(xì)菌溶解后釋放的，也可用人工方法抽提而獲得。
轉(zhuǎn)化首先在1928年由Griffith在肺炎球菌中發(fā)現(xiàn)，以后在葡萄球菌、嗜血桿菌也先后被發(fā)現(xiàn)。Griffith 的實(shí)驗(yàn)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(dòng)物死亡；以有毒力的Ⅲ型光滑型（有莢膜）肺
圖5-4 細(xì)菌間的基因轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合
炎球菌注入小白鼠后，動(dòng)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(dòng)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(jié)果動(dòng)物發(fā)生全身性感染而死亡，自動(dòng)物體內(nèi)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(shí)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)是DNA，因可被DNA酶所破壞。以后的試管內(nèi)培養(yǎng)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌在攝取外源DNA時(shí)，需處于感受態(tài)(Competence)。肺炎球菌的感受態(tài)是在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期，約持續(xù)40分鐘。進(jìn)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(fā)生重組。當(dāng)上述實(shí)驗(yàn)中Ⅲ型光滑型肺炎球菌產(chǎn)生莢膜的DNA片段與Ⅱ型粗糙型肺炎球菌的染色體DNA發(fā)生重組后，后者即可分裂產(chǎn)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(xì)菌通過轉(zhuǎn)化獲得外源性DNA發(fā)生遺傳型變異的機(jī)會(huì)是存在的，但不一定多見。
二、轉(zhuǎn)導(dǎo)
以噬菌體為媒介，把供細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移到受體菌內(nèi)，導(dǎo)致后者基因改變的過程稱為轉(zhuǎn)導(dǎo)。
當(dāng)噬菌體在細(xì)菌中增殖并裂解細(xì)菌時(shí)，某些DNA噬菌體（稱為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體）可在罕見的情況下（約105～107次包裝中發(fā)生一次），將細(xì)菌的DNA誤作為噬菌體本身的DNA包入頭部蛋白衣殼內(nèi)。當(dāng)裂解細(xì)菌后，釋放出來的噬菌體通過感染易感細(xì)菌則可將供體菌的DNA攜帶進(jìn)入受體菌內(nèi)。如發(fā)生重組則受體菌獲得了噬菌體媒介轉(zhuǎn)移的供體菌DNA片段。這一過程稱為普遍性轉(zhuǎn)導(dǎo)。質(zhì)粒也有可能被包入衣殼進(jìn)行轉(zhuǎn)導(dǎo)。不具有轉(zhuǎn)移裝置的質(zhì)粒依賴噬菌體媒介進(jìn)行轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)導(dǎo)可轉(zhuǎn)移比轉(zhuǎn)化更大片段的DNA，轉(zhuǎn)移DNA的效率較轉(zhuǎn)化為高。
另一種轉(zhuǎn)導(dǎo)稱為局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)，指僅為特殊局限的一部分細(xì)菌DNA能被轉(zhuǎn)導(dǎo)。只有溫和噬菌體可進(jìn)行局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)。當(dāng)溫和噬菌體進(jìn)入溶原期時(shí)，則以前噬菌體形式整合于細(xì)菌染色體的一個(gè)部位。當(dāng)其受激活或自發(fā)進(jìn)入裂解期時(shí)，如果該噬菌體DNA在脫離細(xì)菌染色體時(shí)發(fā)生偏離，則僅為與前噬菌體鄰近的細(xì)菌染色體DNA有可能被包裝入噬菌體蛋白質(zhì)衣殼內(nèi)。因此局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)噬菌體所攜帶的細(xì)菌基因只限于插入部位附近的基因。由于局限性轉(zhuǎn)導(dǎo)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(xì)菌后的細(xì)菌中復(fù)制，這樣才能將攜帶的基因轉(zhuǎn)移至受體菌，并獲得該段基因所決定的新特性的表達(dá)。
三、接合
兩個(gè)通過直接接觸，在暫時(shí)的溝通中進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移的過程為接合。這一過程不是在所有細(xì)菌之間均可發(fā)生。只有那些具有F因子或類似F因子傳遞裝置的細(xì)菌才能接合。接合中，有F因子的細(xì)菌相當(dāng)于雌性菌。因此接合看作是細(xì)菌的有性生殖過程，又稱為細(xì)菌雜交。
細(xì)菌的接合最早在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)，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(xì)菌間借伸長(zhǎng)的性菌毛進(jìn)行接合。細(xì)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(fā)現(xiàn)的一種質(zhì)粒。F因子編碼在細(xì)菌表面產(chǎn)生性菌毛。F因子的特性為可以促進(jìn)供體菌向受體菌傳遞色體DNA或質(zhì)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(jié)構(gòu)，從而可使兩個(gè)雜交細(xì)菌間形成胞漿內(nèi)連接橋。F因子可以游離存大于胞漿內(nèi)，也可與細(xì)菌染色體整合。如果F因子游離存在于胞漿內(nèi)，接合時(shí)僅F因子DNA可通過胞漿的連接橋進(jìn)入受體菌。然而F因子轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)為，從一個(gè)起始點(diǎn)開始，僅有一條DNA鏈進(jìn)入受體菌，以后供體、受體菌分別以一條DNA鏈為模板，以滾環(huán)式復(fù)制另一條互補(bǔ)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(xì)菌質(zhì)粒一樣，在細(xì)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(fā)現(xiàn)耐質(zhì)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(xué)者所發(fā)現(xiàn)。他們對(duì)一批應(yīng)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(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌中有一種能同時(shí)耐幾種抗生素的基因。這種基因存在于細(xì)胞漿中，可通過類似F因子的方式在細(xì)菌間傳遞。以后發(fā)現(xiàn)這類質(zhì)粒中可通過接合轉(zhuǎn)移者除有決定耐藥性的r區(qū)段DNA外，還有傳遞區(qū)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(qū)段而無RTF區(qū)段則不能過接合傳遞。必須經(jīng)傳遞性質(zhì)粒帶動(dòng)、噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)或以轉(zhuǎn)化方式轉(zhuǎn)入受體菌。
R因子決定細(xì)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(jī)制，現(xiàn)已了解者為：1.質(zhì)?；蚩删幋a產(chǎn)生各種純化酶,如金黃色葡萄球菌耐藥性質(zhì)粒編碼青霉素酶,耐氨芐青霉素的腸道桿菌質(zhì)粒中編碼能使β內(nèi)酰胺環(huán)水解的酶。2.R因子通過控制一些細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性,使四環(huán)素不能進(jìn)入菌體。3.R因子通過阻止抗生素與細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的作用部位(靶)結(jié)合,使細(xì)菌耐藥。如紅霉素通過與細(xì)菌核蛋白體結(jié)合而阻止蛋白質(zhì)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(jié)霉素不能與之結(jié)合而失去作用。由于R因子可通過接合的種、屬不同的細(xì)菌間轉(zhuǎn)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(xué)者主張應(yīng)及時(shí)了解醫(yī)院內(nèi)細(xì)菌的R因子質(zhì)粒耐藥圖譜，輪流選用抗生素以達(dá)到較好的治療效果。
除了上述各種基因轉(zhuǎn)移的方式外，還發(fā)現(xiàn)了一類能在質(zhì)粒之間或質(zhì)粒與染色體之間自行轉(zhuǎn)移位置的核苷酸序列，稱為轉(zhuǎn)座因子（Trnasposible elements）。其中最簡(jiǎn)單者僅有1，000個(gè)堿基對(duì)。只具有編碼轉(zhuǎn)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(zhuǎn)座子。一般轉(zhuǎn)座的DNA鏈末端有互補(bǔ)及倒置重復(fù)序列，從而一條單鏈即可自己形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)座子插入細(xì)菌染色體后，因在插入部位影響了細(xì)菌染色體DNA的正常結(jié)構(gòu)，可致細(xì)菌失去某些功能。如耐藥基因。產(chǎn)生細(xì)菌霉素或某些酶的基因等。轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移。因此轉(zhuǎn)座子與質(zhì)粒一樣在構(gòu)成致病性、耐藥性菌中占有重要地位。
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