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1、微生物的遗传和变异微生物的遗传和变异Microbial Genetics and Variation 第二第二节节 微生物的微生物的变变异异一、变异的实质一、变异的实质基因突变基因突变二、突变的类型二、突变的类型三、基因突变的特点三、基因突变的特点四、突变的机制四、突变的机制n突变突变(mutation)：遗传物质核酸：遗传物质核酸(DNA或或RNA)中的核中的核苷酸顺序突然发生了稳定的可遗传的变化。苷酸顺序突然发生了稳定的可遗传的变化。n突变包括突变包括基因突变基因突变(gene mutation，又称点突变，又称点突变)和和染色染色体畸变体畸变(chromosomal aberration
2、)两类。两类。n基因突变是由于基因突变是由于DNA链上的一对或少数几对碱基发生改链上的一对或少数几对碱基发生改变而引起的。变而引起的。n染色体畸变则是染色体畸变则是DNA的大段变化（损伤）现象，表现为的大段变化（损伤）现象，表现为染色体的染色体的插入插入(insertion)、缺失缺失(deletion)、重复重复(duplication)、易位易位(translocation)和和倒位倒位(inversion)。n突变几率一般在突变几率一般在10-6 10-9范围内。范围内。n重组或附加体等外源遗传物质的整合而引起的重组或附加体等外源遗传物质的整合而引起的DNA改变，改变，不属突变的范围。不
3、属突变的范围。一、变异的实质一、变异的实质基因突变基因突变二、突变类型二、突变类型n n依据表型改变分为依据表型改变分为依据表型改变分为依据表型改变分为1.1.形态突变型：发生细胞形态变化或引起菌落形态改变形态突变型：发生细胞形态变化或引起菌落形态改变形态突变型：发生细胞形态变化或引起菌落形态改变形态突变型：发生细胞形态变化或引起菌落形态改变的突变型。的突变型。的突变型。的突变型。2.2.生化突变型：一类发生代谢途径变异但无明显形态变生化突变型：一类发生代谢途径变异但无明显形态变生化突变型：一类发生代谢途径变异但无明显形态变生化突变型：一类发生代谢途径变异但无明显形态变化的突变型。化的突变型。
4、化的突变型。化的突变型。3.3.致死突变型：造成个体死亡或生活力下降的突变型致死突变型：造成个体死亡或生活力下降的突变型致死突变型：造成个体死亡或生活力下降的突变型致死突变型：造成个体死亡或生活力下降的突变型（半致死突变型）。（半致死突变型）。（半致死突变型）。（半致死突变型）。4.4.条件致死突变型：在某一条件下具致死效应，而在另条件致死突变型：在某一条件下具致死效应，而在另条件致死突变型：在某一条件下具致死效应，而在另条件致死突变型：在某一条件下具致死效应，而在另一条件下无致死效应的突变型。如某些突变体的大肠一条件下无致死效应的突变型。如某些突变体的大肠一条件下无致死效应的突变型。如某些突
5、变体的大肠一条件下无致死效应的突变型。如某些突变体的大肠杆菌在杆菌在杆菌在杆菌在4040时不能生长，而在时不能生长，而在时不能生长，而在时不能生长，而在37 37 则可以生长。则可以生长。则可以生长。则可以生长。形态突变型形态突变型(morphological mutant)枯草杆菌产蛋白酶缺陷突变株枯草杆菌产蛋白酶缺陷突变株枯草杆菌产蛋白酶缺陷突变株枯草杆菌产蛋白酶缺陷突变株生化突变型生化突变型菌落颜色变化（变异成橙色）菌落颜色变化（变异成橙色）菌落颜色变化（变异成橙色）菌落颜色变化（变异成橙色）n根据生化突变型分为根据生化突变型分为 1.营养突变型：由基因突变而引起代谢过程中某酶合成营养突
6、变型：由基因突变而引起代谢过程中某酶合成 能力丧失的突变型，它们必须在培养基中添加相应的能力丧失的突变型，它们必须在培养基中添加相应的 营养成分才能正常生长。营养成分才能正常生长。2.抗性突变型：一类能抵抗有害理化因素的突变型。根抗性突变型：一类能抵抗有害理化因素的突变型。根 据其抵抗对象可分为抗药性、抗紫外线或抗噬菌体等据其抵抗对象可分为抗药性、抗紫外线或抗噬菌体等 突变类型。突变类型。3.抗原突变型：指细胞成分尤其是细胞表面成分（细胞抗原突变型：指细胞成分尤其是细胞表面成分（细胞 壁、荚膜、鞭毛）的细微变异而引起抗原性变化的突壁、荚膜、鞭毛）的细微变异而引起抗原性变化的突 变型。变型。原养
7、型（野生型）原养型（野生型）原养型（野生型）原养型（野生型）缺陷性（变异型）缺陷性（变异型）缺陷性（变异型）缺陷性（变异型）苏氨酸原养型苏氨酸原养型苏氨酸原养型苏氨酸原养型 thrthr+、亮氨酸原养型、亮氨酸原养型、亮氨酸原养型、亮氨酸原养型 leuleu+苏氨酸缺陷性苏氨酸缺陷性苏氨酸缺陷性苏氨酸缺陷性 thrthr-、亮氨酸缺陷性、亮氨酸缺陷性、亮氨酸缺陷性、亮氨酸缺陷性 leuleu-敏感株敏感株敏感株敏感株 (Sensitive)(Sensitive)S S 耐性株耐性株耐性株耐性株 (Resistant)(Resistant)R R T T1 1噬菌体敏感株噬菌体敏感株噬菌体敏感株
8、噬菌体敏感株 T T1 1S S、链霉素敏感株、链霉素敏感株、链霉素敏感株、链霉素敏感株 strstrS S T T1 1噬菌体耐性株噬菌体耐性株噬菌体耐性株噬菌体耐性株 T T1 1R R、链霉素耐性株、链霉素耐性株、链霉素耐性株、链霉素耐性株 strstrR Rn 根据遗传物质结构的改变分为根据遗传物质结构的改变分为碱基置换，移码，碱基置换，移码，DNA片段的缺失和插入片段的缺失和插入n 根据突变引起的遗传信息的改变分为根据突变引起的遗传信息的改变分为 同义突变，错义突变和无义突变同义突变，错义突变和无义突变同义突变同义突变同义突变同义突变：微生物结构基因中编码某一氨基酸的密码子发：微生物
9、结构基因中编码某一氨基酸的密码子发：微生物结构基因中编码某一氨基酸的密码子发：微生物结构基因中编码某一氨基酸的密码子发生的位点突变。其突变的密码子与原密码子编码的氨基生的位点突变。其突变的密码子与原密码子编码的氨基生的位点突变。其突变的密码子与原密码子编码的氨基生的位点突变。其突变的密码子与原密码子编码的氨基酸相同，而不影响微生物的表型。酸相同，而不影响微生物的表型。酸相同，而不影响微生物的表型。酸相同，而不影响微生物的表型。leucine CUA,CUCleucine CUA,CUC错义突变错义突变错义突变错义突变：编码某种氨基酸的密码子经碱基替换以后，变：编码某种氨基酸的密码子经碱基替换以
10、后，变：编码某种氨基酸的密码子经碱基替换以后，变：编码某种氨基酸的密码子经碱基替换以后，变成编码另一种氨基酸的密码子，从而使多肽链的氨基酸成编码另一种氨基酸的密码子，从而使多肽链的氨基酸成编码另一种氨基酸的密码子，从而使多肽链的氨基酸成编码另一种氨基酸的密码子，从而使多肽链的氨基酸种类和序列发生改变。种类和序列发生改变。种类和序列发生改变。种类和序列发生改变。leucine CUA,valine GUAleucine CUA,valine GUA 无义突变无义突变无义突变无义突变：编码某一氨基酸的三联体密码经碱基替换后，：编码某一氨基酸的三联体密码经碱基替换后，：编码某一氨基酸的三联体密码经碱
11、基替换后，：编码某一氨基酸的三联体密码经碱基替换后，变成不编码任何氨基酸的终止密码变成不编码任何氨基酸的终止密码变成不编码任何氨基酸的终止密码变成不编码任何氨基酸的终止密码UAA,UAGUAA,UAG或或或或UGAUGA。虽然无义突变并不引起氨基酸编码的错误，但由于终止虽然无义突变并不引起氨基酸编码的错误，但由于终止虽然无义突变并不引起氨基酸编码的错误，但由于终止虽然无义突变并不引起氨基酸编码的错误，但由于终止密码出现在一条密码出现在一条密码出现在一条密码出现在一条mRNAmRNA的中间部位，就使翻译时多肽链的中间部位，就使翻译时多肽链的中间部位，就使翻译时多肽链的中间部位，就使翻译时多肽链的
12、终止就此终止，形成一条不完整的多肽链。的终止就此终止，形成一条不完整的多肽链。的终止就此终止，形成一条不完整的多肽链。的终止就此终止，形成一条不完整的多肽链。点突变的类型（以点突变的类型（以酪氨酸酪氨酸的密码子为例）的密码子为例）无义突变同义突变错义突变DNADNA TAC TAC TAA,TAGTAA,TAG RNARNA UACUACUAGUAG aaaa酪酪酪酪终止终止终止终止 终止终止终止终止TAC TAC TATTAT UACUAC 酪酪酪酪酪酪酪酪TAC TAC TCCTCC UACUAC 酪酪酪酪丝丝丝丝UCCUCCUAUUAUUAAUAA影响翻译的一种无义突变影响翻译的一种无义
13、突变赖氨酸赖氨酸 终止因子终止因子tRNA的抑癌基因的无义突变的抑癌基因的无义突变错义突变的机制错义突变的机制 vv细菌的大小和形态细菌的大小和形态细菌的大小和形态细菌的大小和形态在不同的生长时期可不同，生长过在不同的生长时期可不同，生长过在不同的生长时期可不同，生长过在不同的生长时期可不同，生长过程中受外界环境的影响也可发生变异。如：程中受外界环境的影响也可发生变异。如：程中受外界环境的影响也可发生变异。如：程中受外界环境的影响也可发生变异。如：炭疽芽孢炭疽芽孢炭疽芽孢炭疽芽孢杆菌杆菌杆菌杆菌含微量含微量含微量含微量青霉素青霉素青霉素青霉素培养基上，发生形态变异。培养基上，发生形态变异。培养
14、基上，发生形态变异。培养基上，发生形态变异。vv细菌的特殊结构细菌的特殊结构细菌的特殊结构细菌的特殊结构如：荚膜（肺炎双球菌）、芽胞（炭如：荚膜（肺炎双球菌）、芽胞（炭如：荚膜（肺炎双球菌）、芽胞（炭如：荚膜（肺炎双球菌）、芽胞（炭疽芽孢杆菌）、鞭毛（变形杆菌疽芽孢杆菌）、鞭毛（变形杆菌疽芽孢杆菌）、鞭毛（变形杆菌疽芽孢杆菌）、鞭毛（变形杆菌H-OH-O变异）也可发生变异）也可发生变异）也可发生变异）也可发生变异。变异。变异。变异。形态结构的变异形态结构的变异 在含微量青霉素培在含微量青霉素培在含微量青霉素培在含微量青霉素培养基上，发生形态变养基上，发生形态变养基上，发生形态变养基上，发生形态
15、变异，为大而均匀圆球异，为大而均匀圆球异，为大而均匀圆球异，为大而均匀圆球形，呈串珠状（与其形，呈串珠状（与其形，呈串珠状（与其形，呈串珠状（与其它芽胞杆菌的区别）它芽胞杆菌的区别）它芽胞杆菌的区别）它芽胞杆菌的区别）一般形态为两端平一般形态为两端平一般形态为两端平一般形态为两端平齐，呈竹节状排列齐，呈竹节状排列齐，呈竹节状排列齐，呈竹节状排列毒力增强毒力增强：无毒力的：无毒力的白喉棒状杆菌白喉棒状杆菌常寄居在咽喉部，常寄居在咽喉部，不致病；当感染了不致病；当感染了-棒状噬菌体后变成溶原性细菌，棒状噬菌体后变成溶原性细菌，则获得产生白喉毒素的能力，引起白喉。则获得产生白喉毒素的能力，引起白喉。
16、毒力减弱毒力减弱：有毒菌株长期在人工培养基上传代培养，：有毒菌株长期在人工培养基上传代培养，可是细菌的毒力减弱或消失。可是细菌的毒力减弱或消失。卡介苗卡介苗(BCG)是有毒的是有毒的牛分枝杆菌在含有胆汁的甘油、马铃薯培养基上，经牛分枝杆菌在含有胆汁的甘油、马铃薯培养基上，经过过13年，连续穿年，连续穿230代，获得的一株毒力减弱但仍保持代，获得的一株毒力减弱但仍保持免疫原性的变异株。免疫原性的变异株。毒力变异毒力变异v耐药性变异耐药性变异：细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐药的：细菌对某种抗菌药物由敏感变为耐药的变异。有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药物，即变异。有些细菌还表现为同时耐受多种抗菌药
17、物，即多重耐药性。多重耐药性。v从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的不断增从抗生素广泛应用以来，细菌对抗生素耐药的不断增长是世界范围内的普遍趋势，给临床治疗带来很大的长是世界范围内的普遍趋势，给临床治疗带来很大的困难，并成为当今医学上的重要问题。困难，并成为当今医学上的重要问题。耐药性变异耐药性变异细菌的菌落主要有细菌的菌落主要有光滑光滑(smooth,S)型和型和粗糙粗糙(rough,R)型两种。型两种。S型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐。经型菌落表面光滑、湿润、边缘整齐。经人工培养多次传代后菌落表面边为粗糙、干燥、边缘人工培养多次传代后菌落表面边为粗糙、干燥、边缘不整齐，称不整齐，称S-
18、R变异。变异。S-R变异常见于肠道杆菌，是由于失去变异常见于肠道杆菌，是由于失去LPS(脂多糖脂多糖)的的特异性寡糖重复单位而引起的。特异性寡糖重复单位而引起的。变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其它性状变异时不仅菌落的特征发生改变，且细菌的其它性状也发生了变化。也发生了变化。S型菌的致病性强，但有少数型菌的致病性强，但有少数R型菌的致病性强，如结型菌的致病性强，如结核分枝杆菌。核分枝杆菌。菌落变异菌落变异n1.不对应性不对应性 突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系。例如细菌在有青霉素的环境下，出现了抗青霉素的突变体，例如细菌在有青霉素
19、的环境下，出现了抗青霉素的突变体，经经变量试验变量试验、涂布试验涂布试验和和影印试验影印试验等典型遗传学实验证明，等典型遗传学实验证明，这类性状都可通过自发的和其他任何诱变因子诱发而得，这类性状都可通过自发的和其他任何诱变因子诱发而得，青霉素等因素仅是起了淘汰原有非突变型（敏感性）个体青霉素等因素仅是起了淘汰原有非突变型（敏感性）个体的作用。的作用。三、基因突变的特点三、基因突变的特点基因突变的自发性和基因突变的自发性和不对应性的证明实验不对应性的证明实验 在各种基因突变中，抗性突变最为常见。但在过去相当在各种基因突变中，抗性突变最为常见。但在过去相当长时间内对这种抗性产生的原因争论十分激烈。
20、长时间内对这种抗性产生的原因争论十分激烈。n观点一：突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由观点一：突变是通过适应而发生的，即各种抗性是由其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变其环境（指其中所含的抵抗对象）诱发出来的，突变的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是的原因和突变的性状间是相对应的，并认为这就是“定向变异定向变异”，也有人称它为，也有人称它为“驯化驯化”或或“驯养驯养”。n观点二：突变是自发的，且与环境是不相对的。由于观点二：突变是自发的，且与环境是不相对的。由于其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多其中有自发突变、诱发突变、诱变剂与选择条件等多种因素错综在一起，所
21、以难以探究问题的实质。种因素错综在一起，所以难以探究问题的实质。经严密的科学实验证明：经严密的科学实验证明：突变的性状与引起突变的突变的性状与引起突变的原因间无直接的对应关系原因间无直接的对应关系。如：在紫外线诱变下可以。如：在紫外线诱变下可以出现抗紫外线菌株，通过自发或其它诱发因素也可以出现抗紫外线菌株，通过自发或其它诱发因素也可以获得同样的抗紫外线菌株；紫外线诱发的突变菌株也获得同样的抗紫外线菌株；紫外线诱发的突变菌株也有不抗紫外线的，也可以是抗青霉素的，或是出现其有不抗紫外线的，也可以是抗青霉素的，或是出现其它任何变异性状的突变。它任何变异性状的突变。最著名的实验有：最著名的实验有：变量
22、试验变量试验、涂布试验涂布试验、影印培养影印培养试验试验。1943年，年，鲁里亚鲁里亚(S.E.Luria)和和德尔波留克德尔波留克(M.Delbruck)首先设计。首先设计。要点要点：先将大肠杆菌液分成等量的两部分。一部分装在大：先将大肠杆菌液分成等量的两部分。一部分装在大试管里，另一部分装在试管里，另一部分装在50支小试管里，将大小试管里的大支小试管里，将大小试管里的大肠杆菌放在恒温箱里培养，经过肠杆菌放在恒温箱里培养，经过24到到60小时后分别接种到小时后分别接种到固体培养基上。一只大试管分接固体培养基上。一只大试管分接50副培养皿，而副培养皿，而50支小试支小试管，每支接一副培养皿。每
23、皿固体培养基里有等量的管，每支接一副培养皿。每皿固体培养基里有等量的噬菌噬菌体体，能生长的大肠杆菌是，能生长的大肠杆菌是抗噬菌体的突变体抗噬菌体的突变体。结果结果：从一支大试管里长出来的菌落（抗噬菌体的）数量：从一支大试管里长出来的菌落（抗噬菌体的）数量比较一致，即使有差异，也仅仅是实验上的误差。而由比较一致，即使有差异，也仅仅是实验上的误差。而由50支小试管长出来的抗噬菌体菌落，在数量上的差异较大。支小试管长出来的抗噬菌体菌落，在数量上的差异较大。变量实验变量实验(fluctuation analysis)Salvador Luria and Max Delbruck(1943)来自同一个大
24、瓶的来自同一个大瓶的5050个培养个培养皿皿tontonr r细胞数相对平均细胞数相对平均分别来自分别来自5050支小试管的支小试管的5050个个培养皿培养皿tontonr r细胞数波动很大细胞数波动很大同时保温同时保温2436h培养前先分成培养前先分成50支小试管支小试管各培养皿中等量的各培养皿中等量的T1噬菌体噬菌体同一支大试同一支大试管整体培养管整体培养 将对将对T1噬菌体敏感的噬菌体敏感的E.coli对数期对数期培养物稀释至培养物稀释至103/mL，然后分两组，然后分两组，各各10 mL。根据这个根据这个变量实验变量实验，将会出现两个可能：将会出现两个可能：(A)如果突变是被诱导的，如
25、果突变是被诱导的，出现在每个培养皿上的出现在每个培养皿上的突变菌落数量应大体相突变菌落数量应大体相同。同。(B)如果突变是自发的，如果突变是自发的，产生在细胞分裂过程中，产生在细胞分裂过程中，每个培养皿的突变每个培养皿的突变菌落菌落数量数量将出现大的波动。将出现大的波动。(A)被诱发突变被诱发突变(B)自发的突变自发的突变在不含在不含T1噬菌体的培噬菌体的培养基中培养大肠杆菌养基中培养大肠杆菌涂布在含涂布在含T1噬菌体的培养皿中噬菌体的培养皿中tonr菌落数分布相对均匀菌落数分布相对均匀 细菌没发细菌没发生自发突变生自发突变 在涂布在涂布T1噬噬菌体之前突变菌体之前突变随机的发生随机的发生 在
26、涂布在涂布T1噬噬菌体之后暴露菌体之后暴露导致突变导致突变tonr菌落数分布波动大菌落数分布波动大 在曝露在曝露T1之前的之前的早期发生大量突变早期发生大量突变解释解释：这说明大肠杆菌抗噬菌体性状突变，不是由于环境：这说明大肠杆菌抗噬菌体性状突变，不是由于环境因素因素噬菌体诱导出来的，而是在它们接触噬菌体前，噬菌体诱导出来的，而是在它们接触噬菌体前，在某一次细胞分裂过程中随机地自发产生的。这一自发突在某一次细胞分裂过程中随机地自发产生的。这一自发突变发生得越早，则抗噬菌体菌落出现得越多，反之越少。变发生得越早，则抗噬菌体菌落出现得越多，反之越少。噬菌体在这里仅起到淘汰原始的未突变的敏感菌和甄别
27、抗噬菌体在这里仅起到淘汰原始的未突变的敏感菌和甄别抗噬菌体突变型的作用。噬菌体突变型的作用。鲁里亚鲁里亚 Salvador LuriaSalvador Luria德尔波留克德尔波留克Max DelbruckMax DelbruckThe Nobel Prize in Physiology or Medicine 1969 1949年，年，纽康姆纽康姆(Newcombe)设计的试验。设计的试验。要点要点：在：在12个培养皿上各涂数目相等个培养皿上各涂数目相等(5104)的对的对T1噬菌噬菌体敏感的大肠杆菌体敏感的大肠杆菌，经，经5小时的培养，约繁殖小时的培养，约繁殖12.3代，在皿代，在皿上长出
28、大量的微菌落（这时每一菌落约含上长出大量的微菌落（这时每一菌落约含5100个细胞）。个细胞）。取其中取其中6皿直接喷上皿直接喷上T1噬菌体噬菌体，另，另6皿则先用灭菌玻棒把微皿则先用灭菌玻棒把微菌落重新均匀涂布一次，然后同样喷上相应的菌落重新均匀涂布一次，然后同样喷上相应的T1。结果结果：在涂布过的一组中，共有抗性菌落：在涂布过的一组中，共有抗性菌落353个，要比未个，要比未经涂布过的（仅经涂布过的（仅28个菌落）高得多。个菌落）高得多。解释解释：这说明大肠杆菌对：这说明大肠杆菌对T1噬菌体的抗性突变发生在未接噬菌体的抗性突变发生在未接触噬菌体前。噬菌体的加入只起甄别这类突变是否发生的触噬菌体
29、前。噬菌体的加入只起甄别这类突变是否发生的作用，而不是诱导突变的因素。作用，而不是诱导突变的因素。涂布实验涂布实验(Newcombe experiment)Newcombe(1949)获得免疫性假说获得免疫性假说在未喷在未喷T1噬噬菌体前没有菌体前没有突变细胞突变细胞涂布后喷入涂布后喷入T1噬菌体噬菌体直接喷入直接喷入T1噬菌体噬菌体自发突变假说自发突变假说小菌落在生小菌落在生长时产生抗长时产生抗噬菌体突变噬菌体突变涂布后喷入涂布后喷入T1噬菌体噬菌体直接喷入直接喷入T1噬菌体噬菌体 选用对选用对T1噬菌体敏噬菌体敏感的感的E.coli，以相等数，以相等数目涂布于目涂布于12个平板上个平板上
30、保温保温5 5小时小时,约繁殖了约繁殖了12.312.3代代3个小菌落个小菌落 每个小菌落中的抗噬菌每个小菌落中的抗噬菌体细胞都会形成一个菌落体细胞都会形成一个菌落 两组培养皿菌数相两组培养皿菌数相同抗噬菌体菌落相同同抗噬菌体菌落相同约含约含5100个细胞个细胞 影印培养法是使在一系列培养皿的相同位置上能出现影印培养法是使在一系列培养皿的相同位置上能出现相同菌落的一种接种培养方法。相同菌落的一种接种培养方法。1952年年黎德伯格黎德伯格(J.Lederberg)夫妇首先进行的实验。夫妇首先进行的实验。要点要点：包有灭菌丝绒布的木质圆柱（直径略小于培养皿：包有灭菌丝绒布的木质圆柱（直径略小于培养
31、皿底）为印章，用不具抗性环境（如不加抗生素等）的完底）为印章，用不具抗性环境（如不加抗生素等）的完全培养基进行培养，以印章轻轻粘取菌落，然后再一一全培养基进行培养，以印章轻轻粘取菌落，然后再一一接种到不同的选择培养基（如含有不同抗生素等）上，接种到不同的选择培养基（如含有不同抗生素等）上，培养后，对各培养皿相同位置上的菌落作比较，便可选培养后，对各培养皿相同位置上的菌落作比较，便可选出相应的突变型菌落。出相应的突变型菌落。影印实验影印实验(replica plating)Joshua Lederberg and Esther Lederberg(1952)首先把大量对链霉素敏感的首先把大量对链
32、霉素敏感的大肠杆菌大肠杆菌K12涂布在涂布在不含链霉不含链霉素素的平板的平板(1)的表面，待其长出密集的小菌落后，用影印法的表面，待其长出密集的小菌落后，用影印法接种到接种到不含链霉素不含链霉素的培养基平板的培养基平板(2)上，随即再影印到上，随即再影印到含链含链霉素霉素的选择性培养基平板的选择性培养基平板(3)上。上。经培养后，在平板经培养后，在平板(3)上出现了个别抗链霉素的菌落。对上出现了个别抗链霉素的菌落。对培养皿培养皿(2)和和(3)进行比较，就可在平板进行比较，就可在平板(2)的相应位置上找到的相应位置上找到平板平板(3)上那几个抗性菌落的上那几个抗性菌落的“孪生兄弟孪生兄弟”。然
33、后把平板然后把平板(2)中最明显的一个部位上的菌落（实际上是中最明显的一个部位上的菌落（实际上是许多菌落）挑至不含链霉素的培养液许多菌落）挑至不含链霉素的培养液(4)中，经培养后，再中，经培养后，再涂布在平板涂布在平板(5)上，并重复以上各步骤。上，并重复以上各步骤。上述过程几经重复后，只要涂上越来越少的原菌液至相上述过程几经重复后，只要涂上越来越少的原菌液至相当于平板当于平板(1)的培养皿的培养皿(5)和和(9)中，就可出现越来越多的抗性中，就可出现越来越多的抗性菌落，最后甚至可以得到完全纯的抗性菌群体。菌落，最后甚至可以得到完全纯的抗性菌群体。解释解释：原始的链霉素敏感菌株只通过：原始的链
34、霉素敏感菌株只通过(1)(2)(4)(5)(6)(8)(9)(10)(12)的移种和选择序列，就可在根本未接的移种和选择序列，就可在根本未接触链霉素的情况下，筛选出大量的抗链霉素的菌株。微生触链霉素的情况下，筛选出大量的抗链霉素的菌株。微生物抗药性是自发产生的，并与相应的环境因素毫不相干。物抗药性是自发产生的，并与相应的环境因素毫不相干。含链霉素培养皿含链霉素培养皿不含链霉素培养皿不含链霉素培养皿原始原始敏感株敏感株replica plating影印的作用可保证这影印的作用可保证这3个平板上所生长的菌落的亲缘和相对位置保持严格的对应性个平板上所生长的菌落的亲缘和相对位置保持严格的对应性影印培养
35、技术影印培养技术影印培养技术影印培养技术突变发生在曝露青霉素之前突变发生在曝露青霉素之前突变发生在曝露青霉素之前突变发生在曝露青霉素之前Screening for phenotypes by replica plating黎德伯格黎德伯格J.LederbergJ.Lederberg is awarded the Noble Prize in Medicine and Physiology in 1958 以上三个实验充分说明了抗性突变是菌体接触所抗以上三个实验充分说明了抗性突变是菌体接触所抗物质以前就已经自发产生了，药物并不是诱变因素，物质以前就已经自发产生了，药物并不是诱变因素，含药物的环境
36、只起筛选和鉴别抗性菌株的作用。即使含药物的环境只起筛选和鉴别抗性菌株的作用。即使不存在链霉素，抗链霉素的突变株仍然存在。不存在链霉素，抗链霉素的突变株仍然存在。艰难梭菌艰难梭菌 (Clostridium difficile)，属厌氧性细菌，属厌氧性细菌，一般寄生在人的肠道内。如果过度服用某些抗生素，一般寄生在人的肠道内。如果过度服用某些抗生素，艰难梭菌的菌群生长速度加快，影响肠道中其他细艰难梭菌的菌群生长速度加快，影响肠道中其他细菌，引发炎症。菌，引发炎症。n2.自发性自发性 各种性状的改变，可以在没有人为诱变因素处理下各种性状的改变，可以在没有人为诱变因素处理下自发的发生。自发的发生。n3.
37、稀有性稀有性 自发突变的频率是较低和稳定的，一般在自发突变的频率是较低和稳定的，一般在10-6 10-9间间，转座突变率为转座突变率为转座突变率为转座突变率为10101010-4-4-4-4。突变率：每一细胞每一世代中发生突变的概率，也突变率：每一细胞每一世代中发生突变的概率，也有用每单位群体在繁殖一代过程中所形成突变体的数有用每单位群体在繁殖一代过程中所形成突变体的数目来表示的。目来表示的。n4.独立性独立性 两个基因发生突变是各不相关的两个事件。突变两个基因发生突变是各不相关的两个事件。突变的发生不仅对于细胞来讲是随机的，对于基因来讲的发生不仅对于细胞来讲是随机的，对于基因来讲也是随机的。
38、也是随机的。抗某种药物的突变型往往并不抗另一种药物，某抗某种药物的突变型往往并不抗另一种药物，某一基因的突变既不提高也不降低其它基因的突变率。一基因的突变既不提高也不降低其它基因的突变率。n5.诱发性诱发性 通过诱变剂的作用，可提高自发突变的频率，一般可通过诱变剂的作用，可提高自发突变的频率，一般可提高提高10105倍。倍。n6.稳定性稳定性 由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化，由于突变的根源是遗传物质结构上发生了稳定的变化，所以产生的新性状也是稳定的，可遗传的。所以产生的新性状也是稳定的，可遗传的。n7.可逆性可逆性 任何性状既有野生型变为突变型的正向突变，也可发任何性状既有野生
39、型变为突变型的正向突变，也可发生回复突变，即突变型回复到野生型。生回复突变，即突变型回复到野生型。在一组雄性大鼠进行腹腔注射芳香族化合物如多氯在一组雄性大鼠进行腹腔注射芳香族化合物如多氯联苯油溶液等。以诱导大鼠肝脏酶系的活性，联苯油溶液等。以诱导大鼠肝脏酶系的活性，4天后杀天后杀鼠取肝，捣碎后离心制备成肝酶鼠取肝，捣碎后离心制备成肝酶(S9)的悬液，然后将的悬液，然后将待测物和待测物和S9以及沙门氏菌的突变株以及沙门氏菌的突变株(his-)（点突变或移（点突变或移码突变）混合后倒平板，若能产生回复突变的待测物码突变）混合后倒平板，若能产生回复突变的待测物则可判定为诱变物。在此实验中还有一组对照
40、实验，则可判定为诱变物。在此实验中还有一组对照实验，即只加即只加S9和沙门氏菌的突变品系，而不加待测物，若和沙门氏菌的突变品系，而不加待测物，若也有回复突变产生表明是自发的突变，可以作为对照也有回复突变产生表明是自发的突变，可以作为对照来进行比较。来进行比较。Ames方法的特点是快速简便，也较为准方法的特点是快速简便，也较为准确。经对几百种物质进行测试表明约确。经对几百种物质进行测试表明约90%致癌物具有致癌物具有诱变作用。诱变作用。Ames试验试验美国加利福尼亚大学美国加利福尼亚大学Ames教授教授1975 S 9:S 9:大鼠肝脏酶大鼠肝脏酶大鼠肝脏酶大鼠肝脏酶Strain 2:Strai
41、n 2:移码突变移码突变移码突变移码突变Strain 1:Strain 1:碱基置换突变碱基置换突变碱基置换突变碱基置换突变Ames B N,Mccann J,Yamasaki E.Methods for detecting carcinogens and mutagens with the Salmonella/mammalian-microsome mutagenicity testJ.DNA Repair.1975.31(6):347-363.生物化学统一性法则生物化学统一性法则 人和细菌在人和细菌在人和细菌在人和细菌在DNADNA的结构及特性方面是一致的，能的结构及特性方面是一致的，能
42、的结构及特性方面是一致的，能的结构及特性方面是一致的，能使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的使微生物发生突变的诱变剂必然也会作用于人的DNADNA，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的，使其发生突变，最后造成癌变或其他不良的后果。后果。后果。后果。诱变剂的共性原则诱变剂的共性原则 超过超过超过超过95%95%的致癌物质对微生物有诱变作用，的致癌物质对微生物有诱变作用，的致癌物质对微生物有诱变作用，的致癌物质对微生物有诱变作用
43、，90%90%以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用。以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用。以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用。以上的非致癌物质对微生物没有诱变作用。化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性化学药剂对细菌的诱变率与其对动物的致癌性成正比。成正比。成正比。成正比。Ames法的原理法的原理(1)化学物质引起的诱变往往不是直接的，它要经过生物化学物质引起的诱变往往不是直接的，它要经过生物的消化、吸收、特别是高等生物肝脏中的有关酶的作的消化、吸收、特别是高等生物肝脏中的有关酶的作用以后再起作用。也它本来是可
44、以直接起到诱变作用用以后再起作用。也它本来是可以直接起到诱变作用的，但经肝脏中的酶作用后失去了诱变能力；也许正的，但经肝脏中的酶作用后失去了诱变能力；也许正好相反，本来它并不具有诱变的能力，但经过酶的作好相反，本来它并不具有诱变的能力，但经过酶的作用后反而获得了诱变的能力。因此经肝脏中酶的作用用后反而获得了诱变的能力。因此经肝脏中酶的作用才能较真实地反应在动物活体中某种化学品的实际的才能较真实地反应在动物活体中某种化学品的实际的诱变能力。诱变能力。(2)诱变剂仅改变突变频率，而不影响突变方向，那么同诱变剂仅改变突变频率，而不影响突变方向，那么同样诱变剂也能导致回复突变。如果用正突变的话由于样诱
45、变剂也能导致回复突变。如果用正突变的话由于是多方向的，因此必需采用反向选择的方向才行，而是多方向的，因此必需采用反向选择的方向才行，而用回突变只需用基本培养基进行筛选即可，步骤就要用回突变只需用基本培养基进行筛选即可，步骤就要简单的多。简单的多。证明证明Ames试验重要性的应用实例试验重要性的应用实例 国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物国外曾开发了一种降低妇女妊娠反应的药物“反应停反应停”，由于其药效显著，在，由于其药效显著，在6070年代十分流行。年代十分流行。但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生但随后人们就发现畸形儿的出生率明显增高，而且生产畸形儿的妇女大多曾服用产畸形儿的妇
46、女大多曾服用“反应停反应停”，后来采用，后来采用Ames试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用，因此这试验发现这种物质的确具有很强的致突变作用，因此这种药物被禁止使用。种药物被禁止使用。如果能在这种药物上市之前就进行如果能在这种药物上市之前就进行Ames试验检测，这试验检测，这种大量出生畸形儿的悲剧就可以避免。种大量出生畸形儿的悲剧就可以避免。四、突变的机制四、突变的机制1.诱变机制诱变机制2.自发突变机制自发突变机制1.诱变机制诱变机制(1)碱基置换碱基置换(substitution)：也称点突变只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。也称点突变只涉及一对碱基被另一对碱基所置换。分为两个亚类：分
47、为两个亚类：转换转换(transition)DNA链中的一个嘌呤被另一链中的一个嘌呤被另一个嘌呤或一个嘧啶被另一个嘧啶所置换。个嘌呤或一个嘧啶被另一个嘧啶所置换。颠换颠换(transversion)一个嘌呤被一个嘧啶或一个嘌呤被一个嘧啶或一个嘧啶被一个嘌呤所置换。一个嘧啶被一个嘌呤所置换。转换转换出现的概率大约是出现的概率大约是颠换颠换的三倍。的三倍。替换替换CTGA转换转换(transition)甘氨酸甘氨酸丝氨酸丝氨酸TAAU颠换颠换(transversion)赖氨酸赖氨酸终止信号终止信号碱基替换突变类型碱基替换突变类型转换转换颠换颠换转换转换颠换颠换赖氨酸赖氨酸谷氨酸谷氨酸镰形红细胞贫血
48、病人的镰形红细胞贫血病人的Hb(HbS)与正常成人的与正常成人的Hb(HbA)比较比较GluVal 肽链第肽链第肽链第肽链第6 6位氨基酸位氨基酸位氨基酸位氨基酸GAGGUG mRNAmRNACTCCAC 基因模板链基因模板链基因模板链基因模板链HbAHbSn可直接与核酸碱基发生化学反应的诱变剂，不可直接与核酸碱基发生化学反应的诱变剂，不论在机体内或在离体条件下均有作用。论在机体内或在离体条件下均有作用。n主要包括：主要包括：亚硝酸亚硝酸；羟胺羟胺；各种各种烷化剂烷化剂（硫酸二乙酯、甲基磺酸乙脂、（硫酸二乙酯、甲基磺酸乙脂、N-甲基甲基-N-硝基硝基-N-亚硝基胍、亚硝基胍、N-甲基甲基-N-
49、亚硝基亚硝基脲、乙烯亚胺、环氧乙酸、氮芥等）。脲、乙烯亚胺、环氧乙酸、氮芥等）。a.直接置换诱变剂直接置换诱变剂 稀有稀有烯醇式烯醇式(Enol)与与亚氨基亚氨基(imino)碱基引起碱基引起自发突变自发突变亚氨基亚氨基烯醇式烯醇式互变异构效应互变异构效应亚硝酸诱变机制亚硝酸诱变机制羟胺与烷化剂诱变机制羟胺与烷化剂诱变机制烷化剂n能使一些碱基烷基化，比如使鸟苷酸甲基化，影响能使一些碱基烷基化，比如使鸟苷酸甲基化，影响mRNA的转录，从而使蛋白质的表达紊乱，使得蛋白的转录，从而使蛋白质的表达紊乱，使得蛋白质重组，而改变了性状。临床上应用此类物质作为抗质重组，而改变了性状。临床上应用此类物质作为抗
50、癌药物，具有强烈杀伤癌细胞的作用，应用时，要注癌药物，具有强烈杀伤癌细胞的作用，应用时，要注意强烈杀伤性。意强烈杀伤性。n甲基磺酸乙酯甲基磺酸乙酯(EMS)，诱变率很高。常用浓度，诱变率很高。常用浓度0.05 0.5mol/L，作用时间，作用时间560min。该物质具有强烈致癌性。该物质具有强烈致癌性和挥发性，可用和挥发性，可用5%硫代硫酸钠作为终止剂和解毒剂。硫代硫酸钠作为终止剂和解毒剂。n硫酸二乙酯硫酸二乙酯(DMS)，由于毒性太强，目前很少使用，由于毒性太强，目前很少使用，属于剧毒品，受公安局管治。属于剧毒品，受公安局管治。烷化剂n乙烯亚胺乙烯亚胺，生产的较少，很难买到。只要用于大量，生