第三节  基因突变及其分子机制

遗传(heredity) 指生物世代间子代与亲代各种性状的稳定性，如亲代与子代之间性状出现差异则称为变异 (variation)。遗传与变异是所有生物的共同生命特征，微生物亦不例外；遗传使微生物的物种保持相对稳定，微生物的形态、结构、新陈代谢、抗原性、毒力以及对药物的敏感性等是由细菌的遗传物质所决定的。变异可使微生物丧失一些固有性状或出现一些新性状，甚至变种与新种或死亡。

一、突变的概念及机制

突变(mutation)是细菌遗传物质的结构发生突然的可遗传的改变，导致细菌性状的变异。突变一般分为自发突变和诱导突变。自发突变是在没有任何已知诱变剂的条件下，子代产生一定比例的突变体，最后导致表型变异；细菌自发突变率一般在10^-6～10^-9。诱导突变则是利用不同的物理（如紫外线、X射线等）或化学诱变剂（如烷化剂、亚硝酸盐等）处理，提高群体突变率（可使突变率提高10～1000倍），诱导子代出现特定的突变类型。

若细菌的DNA上核苷酸序列的改变仅为一个或几个碱基的置换、插入或丢失，出现的突变只影响到一个或几个基因，引起较少的性状变异，称为小突变或点突变(point mutation)；若涉及大段的DNA发生改变，称为大突变或染色体畸变(chromosome aberration)。

突变是随机的、无定向的，如耐药性突变是随机发生的，并非是细菌在药物环境中逐渐适应而成为耐药菌。耐药菌株日见增多，实际是由于使用药物造成对药物敏感的细菌均被抑制而不能生长所致，药物在此过程中起筛选作用。微生物DNA的突变产生性状的变异，也可能再经一次突变使变异的性状又恢复成原先的表型，这称回复突变。

二、基因的转移与重组

供体细胞的DNA转入某受体细胞内的过程称为基因转移(gene transfer)，转移的基因与受体细胞DNA整合在一起并能进行复制，称为基因的重组(recombination)。

基因的转移与重组可通过转化、转导、细胞融合和导入等途径进行，现代基因工程中利用其改变生物性状。基因转移和重组在某些生物，如细菌中常自然发生，常见的方式如下。

(一)转化(transformation)

为感受态的受体菌（表面有吸附DNA的受体）摄取供体菌裂解游离出的DNA片段（一般仅限于很小一段染色体片段或少数几个连锁的基因），并将其整合到自己的基因组中，使受体菌获得供体菌的某些遗传性状。天然转化现象可见于肺炎链球菌、葡萄球菌、流感嗜血杆菌等。

(二)接合(conjugation)

为供体菌和受体菌通过细胞与细胞的暂时沟通，遗传物质自供体菌转入受体菌，使后者获得供体菌的部分遗传性状。细菌的接合作用与供体菌中所含的接合质粒有关。

最早发现的接合质粒是F质粒。带有F质粒的细菌有性菌毛，相当于雄性菌(F⁺)，无F质粒的细菌，相当于雌性菌(F^-)；当F⁺菌与F^-菌杂交时，F⁺菌的性菌毛末端与 F^-菌表面受体接合，使两菌靠近并形成通道，F质粒DNA中的一条链断开并通过性菌毛通道进入F^-菌内，出现的单股DNA链均以滚环式进行复制，可在杂交的两菌中各自形成完整的F质粒（见图1-6-10）；F^-菌获得F质粒后长出性菌毛，也成为F⁺菌。

在细菌中还有另一些质粒，如Col质粒和某些R质粒及毒力质粒也具有结合功能。很多细菌的耐药（尤其是多重耐药）性与R质粒的接合转移有关：R质粒由耐药传递因子和耐药决定因子组成，R质粒的危害性在于他们能赋予宿主菌耐药性，并通过它们的自主复制，将耐药性传给下一代，还可因其致育性，使耐药性在相同或不同种属间转移，从而导致耐药菌株的大量增加，给临床治疗工作带来困难。

天然接合现象较广泛地存在于多种革兰阴性菌，近年来发现某些革兰阳性菌也存在接合系统。

(三)溶原性转换(1ysogenic conversion)与转导(transduction)

溶原性转换指温和噬菌体感染宿主细菌时，以前噬菌体形式整合入宿主菌，可使宿主菌获得噬菌体基因编码的某些遗传性状，如编码毒素基因的β-棒状噬菌体感染白喉棒状杆菌后，使无毒的白喉棒状杆菌获得产生白喉毒素的能力。有时前噬菌体由细菌染色体分离时，可携带供体菌的一段DNA，成为转移遗传物质的载体，把供体菌的部分遗传性状转移到受体菌内，此过程称转导。

三、微生物遗传变异与意义

（一）细菌的变异现象与意义

细菌的变异可形成一些非典型的细菌，一方面可对临床诊断、疾病治疗可造成严重干扰，另一方面也可利用作为预防或生产生物制剂的工具（参阅第九章），因此了解有关变异现象有重要意义。常见变异情况有下述类型，但需指出的是细菌的有关变异并不仅限于单一特征的改变，可混合出现。

1、形态、结构及菌落的变异：细菌的形态、大小、结构及菌落可因外界环境条件的影响而出现变异，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。

许多细菌在青霉素、抗体与补体或溶菌酶等作用下，细胞壁合成受阻或丧失，可变成L型（因在法国Luister研究所首先发现而得名）细胞壁缺陷细菌。此变异可影响细菌的形态、大小、菌落特点、抗原性、染色特性以及对抗生素的敏感性等。

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。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。又如肠道杆菌经人工培养多次传代后常可见S—R变异：菌落由光滑（smooth，S型）、湿泣、边缘整齐，变异为表面粗糙（rugh，R型）、干皱，边缘整齐；S-R变异的物质基础为革兰氏阴性菌细胞壁外膜的脂多糖（LPS）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，毒力及生化反应亦可随之改变。

细菌的特殊结构荚膜、鞭毛、芽孢等也可发生变异。如变异的肺炎链球菌可失去荚膜，有鞭毛的伤寒沙门菌可发生失去鞭毛的变异（通常称为H—O变异，意为因动力丧失菌落由弥散薄膜变为无薄膜的点状），炭疽杆菌在42℃培养时可失去形成芽孢的能力等。这些可影响细菌的对应特性和鉴定。

2、细菌的毒力变异： 细菌的毒力变异包括毒力的减弱和增强。强毒株长期在人工培养基上传代或加入特殊的不利于细菌生长的物质，可使细菌的毒力减弱或消失；如卡介苗（BCG）就是Calmette和Guérin二氏耗时13年，将有毒的牛型结核分枝杆菌在含胆汁的甘油马铃薯培养基上经230代连续培养，获得的毒力减弱而保留其免疫原性的变异株。无毒株也可向有毒方向变异，如白喉棒状杆菌感染β-棒状杆菌噬菌体后，获得产生白喉毒素的能力，由无毒株变成了有毒株。

3、细菌耐药性变异：细菌的耐药性可分为固有耐药性(intrinsic resistance)和获得耐药性(acquired resistance)。前者亦称为天然耐药性，指细菌对某些抗菌药物的天然不敏感性，通常是由细菌自身的特殊结构、功能等决定的，例如，铜绿假单胞菌，由于其细胞壁结构复杂，使多种抗菌药物难以渗入，或缺乏帮助转运有关药物的膜孔蛋白，阻碍了抗生素进入，造成对多种抗菌药物的耐药性。后者指由于细菌DNA的改变导致其获得了耐药性的表型，细菌染色体的突变和质粒介导的耐药性是形成获得耐药性的主要机制。

细菌对某种抗菌药物由敏感变成耐药的变异，称为耐药性变异，变异后的细菌称耐药菌株。获得耐药性的细菌对抗菌药物产生耐药性可有多种表现，一般常见以下情况：

耐药性（resistance）  是指细菌与药物多次接触后，对药物的敏感性下降甚至消失，致使药物对耐药菌的疗效降低或无效。

多重耐药性(multiple drug resistance，MDR)  是指某一细菌可同时对两种以上作用机制不同的药物所产生的耐药性。

交叉耐药性(cross drug resistance)  是细菌对结构或作用机制相似的抗生素均有耐药性的现象。

有的细菌变异后甚至可产生对药物的依赖性，如痢疾志贺菌链霉素依赖株，离开链霉素就无法生长。细菌对抗菌药物的敏感程度，可以通过测定抗菌药物在体外对某种细菌有无抑制作用的方法，即药物敏感试验来确定。

（二）病毒遗传变异与意义

由于病毒没有细胞结构，其遗传物质极易受外界环境及细胞内环境的影响而发生改变，它与其它生物相比，其遗传具有更大的变异性；加之病毒基因组较简单，仅有一种DNA或RNA，增殖速度极快，因此病毒本身一直也是研究分子遗传学的重要工具。

病毒的遗传变异源于其基因组的突变和重组。不同病毒在突变频率上有较大的差别（如DNA病毒比RNA病毒稳定），重组情况也类似（如基因分节段的RNA病毒有很高的重组频率）。

1、病毒突变：病毒突变十分常见，在一种病毒群体中经常同时存在基因组略有不同的病毒体。一般因基因改变而发生某些生物特性改变的毒株称突变株，当该突变株能较稳定地存在，并可在相应的宿主或细胞中传代与存活，则称为变异株（variant）。

目前在研究中常提及突变体类型主要有无效突变、温度敏感突变、蚀斑突变、宿主范围突变、耐药性突变、致病性减弱突变、抗原突变、回复突变体等，它们均有容易检测与识别生物学特性：如温度敏感（temperature sensitive，ts）变异株是指在28～35℃的温度下可以复制，但当温度升至37～40℃则不能复制的毒株；宿主范围变异株指的是改变宿主范围的变异株。

病毒的变异株使临床病毒感染及处理增加了复杂性，如临床上在应用针对病毒酶的药物后，有时病毒经短暂被抑制后又重新复制，就与病毒酶基因编码区的变异有关。有关变异也可利用帮助解决有关问题或提供线索，如已知ts变异株常伴有毒力减弱，我国学者将甲型肝炎病毒感染细胞置于相对低的温度下连续传代，筛选制备了减毒的甲肝病毒疫苗；在狂犬病病毒基因分析发现编码病毒G蛋白第333位氨基酸若由精氨酸变为谷氨酰胺或异亮氨酸，则病毒在神经细胞中的增殖及扩散力将大大降低等。

2、病毒重组：病毒重组（recombination）一般涉及分子内重组、拷贝选择和基因重配三种机制。分子内重组为核酸分子的断裂及其它核酸分子的再连接；拷贝选择则不涉及核酸分子的共价键断裂；基因重配（reassortment）为具分段基因组病毒之间核酸片段交换，基因组各片段在子代病毒中随机分配。

病毒重组机制不同，其重组频率有很大差别，如对于基因分节段的RNA病毒，如流感病毒、轮状病毒等，重配发生的机率极高，造成的重组率可高达50%；流感大流行经常反复出现就于此有关。病毒重组还可构建表达特定外源基因的重组病毒，可使灭活病毒经交叉感染或重复感染得以复活。病毒重组在有关研究和利用上也具有重要意义，如利用重配来研究流感病毒的分子流行病学和开发疫苗正的工作正在进行中，如在了解了甲型流感病毒8个节段编码的蛋白功能基础上，不仅可对其编码的血凝素抗原进行测序分析，而且有助于及时发现带有非人来源（如禽、猪）流感毒株。

3、表型混合：由于病毒增殖过程中，核酸复制与转录、转译合成的病毒蛋白分别在细胞的不同部位进行，因此有时两株病毒共同感染时，虽未发生核酸的交换，但当一种病毒核酸被另一种病毒核酸所编码的蛋白衣壳包裹后，也会发生一些生物学特征（如耐药性，嗜细胞性）的改变。这种改变不是遗传型的改变而是表型的混合，经再次传代后，子代病毒的特性将由病毒体的核酸所决定。因此在获得有新生物学特性的病毒株时，应通过传代，考验新特性的稳定性，以区别重组体与表型混合。病毒的同源干扰、缺陷干扰及缺陷病毒的存在也会对病毒表型变化产生影响。

研究病毒遗传和变异的主要目的之一还在于建立病毒生物学研究的有效方法，利用重组病毒构建重要疾病基因治疗载体。如重组技术在目前研制以痘苗病毒为载体的多重新型疫苗中一直被采用；由于一些病毒可以感染动物和人类的特异组织细胞，利用这些病毒构建表达外源基因载体，用于人类一些特殊疾病（如遗传病）的基因治疗。

（三）真菌遗传变异与意义

真菌为真核细胞生物，其遗传变异除与突变有关外，尚与繁殖方式有关。真菌的繁殖方式包括无性生殖、有性生殖和准性生殖，有性生殖其中后两者涉及基因重组。真菌有性生殖形式多样，有的真菌在质配后立即进行核配，而有的真菌不是立即进行核配，因此出现一个双核阶段（一个细胞里含有两个没有结合的核），可持续到细胞多次分裂后，这是真菌特有的现象。这两个核最终会配合（核配）并发生减数分裂，遗传性的重组并使染色体的数目减为单倍，最后形成各种有性孢子。

准性生殖（parasexual reproduction）是1952年在丝状真菌中发现的一种导致基因重组的特殊机制。在这种机制中，来自不同菌丝细胞的细胞质融合，但核不融合，形成异核体（hetrokargon），异核体可以低频率发生核融合，形成杂合二倍体，在其后进行有丝分裂过程中，会发生染色体交换与变化，导致形成含某些基因重组的二倍或单倍分离子。准性生殖的特点为重组体细胞不产生在特殊的器官中，无减数分裂，不产生有性孢子；染色体的交换和减少是不规则的。准性生殖对于无有性生殖或有性生殖不常见的真菌，是遗传分析的一种重要手段，在育种工作中也常被采用，以改变菌种的遗传特性。准性生殖与有性生殖可共存，有的真菌（如构巢曲霉）既发生有性生殖也发生准性生殖。