質體

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質體(plasmid),染色體外能進行自主複製的遺傳單位。包括共生生物真核生物細胞器細菌細胞中染色體以外的單純的脫氧核糖核酸(DNA)分子。這個名詞是 J.萊德伯格在1952年提出的,不過現在習慣上已用來專指細菌、酵母菌放線菌生物中染色體以外的單純的 DNA分子。某些既能獨立地存在於細胞質中又能整合在染色體上的質體稱為附加體

質體在遺傳工程研究中被用作基因的載體。質體的研究也涉及基因重組、DNA 複製、生物進化等重要理論課題。此外,由於抗藥性質體能在致病菌中傳播,又使質體研究成為流行病學的研究課題。

大腸桿菌的 F因子是1952~1953年間由萊德伯格等人最先發現的一種質體。它決定細菌的性別,具有 F因子的大腸桿菌(F+)相當於雄性,不具有 F因子的大腸桿菌(F-)相當於雌性(見細菌接合)。

大腸桿菌素是某些大腸桿菌菌株所產生的一種能殺死另一些大腸桿菌敏感菌株的物質。它雖然在1926年前已被發現,可是在 F因子被發現以後,才認識到細菌產生大腸桿菌素這一特性也為一種質體所決定。

抗藥性因子 (R因子)是1967年日本痢疾流行時從痢疾患者的腸道細菌中首先分離到的一種質體。由於從同一病人可以分離到敏感的和抗多種藥物的痢疾菌以及抗多種藥物的大腸桿菌,所以當時設想細菌的抗藥性和某種物質的傳播有關,接著在實驗室中完成了多種藥物抗性的轉移,從而證明了抗藥性質體的存在。抗藥性質體不僅可以在種間轉移,也可以在大腸桿菌(Escherichia)和痢疾志賀氏菌(Shigella)、變形桿菌 (Proteus)和傷寒桿菌Salmonella)等各屬細菌之間轉移。抗藥性質體不僅分布在人體的若干致病菌中,在牛、羊、雞、魚等動物的非致病腸道細菌中也可以找到。此外,在河流、土壤中也可以分離到攜帶抗藥性質體的細菌。

在對細菌質體廣泛研究的影響下,在天藍色鏈黴菌(Streptomyces coelicolar)中發現了具有性因子作用並決定次甲基黴素產生的質體SCPI。接著發現許多種和抗菌素合成有關的質體。後來又在酵母菌中發現2μDNA等質體。

已發現有質體的細菌有幾百種。已知的絕大多數的細菌質體都是共價閉合環狀DNA分子(簡稱cccDNA)(見彩圖)。細菌質體的分子量一般較小,約為細菌染色體的0.5~3%。根據分子量的大小,大致上可以把質體分成大小兩類。較大的一類的分子量是40×106以上,較小的一類的分子量是10×106以下,少數質體的分子量介於兩者之間。每個細胞中的質體數主要決定於質體本身的複製特性。按複製性質,可以把質體分為兩類:一類是嚴緊型質體,當細胞染色體複製一次時質體也複製一次,在每一個細胞內只有1~2個;另一類是鬆弛型質體,當染色體複製停止後仍能繼續複製,每一個細胞內一般有20個左右。一般分子量較大的質體屬嚴緊型,分子量較小的質體屬鬆弛型。質體的複製有時和它們的宿主細胞有關。某些質體在大腸桿菌內的複製屬嚴緊型,而在變形桿菌內屬鬆弛型,或者相反。按照接合轉移能力,可以把質體分為兩類,即能夠通過細菌接合而轉移的和不能通過接合而轉移的。多數質體可以通過吖啶類染料、溴化乙錠、十二烷基磺酸鈉利福平以及高溫處理而使它從細胞中消除。

質體的表型效應除了前面提到的決定抗藥性、產生大腸桿菌素、決定性別以及合成抗菌素以外,還有其他種種。例如假單孢菌 (Pseudomonas)所特有的利用樟腦、辛烷等物質作為碳源而生活的能力是由於它們具有一些分解性質體的緣故,這些質體上帶有分解有關物質的酶的基因;致瘤農桿菌 (Agrobacterium tumefaciens)的致瘤特性是由於它帶有一種致瘤的質體的緣故。此外還有編碼限制性內切酶或其他多種酶的質體。在許多細菌中還可以發現一些沒有明顯的表型效應的質體,它們被稱為隱蔽性質體。

兩種不同質體能否在同一細胞中穩定地共存與質體的不親和性有關。按照這種特性,可以把質體分成許多不親和群。屬於同一不親和群的質體不能在同一細菌內穩定地共存,它們的質體DNA具有相當程度的同源性;屬於不同不親和群的質體可以穩定地共存於同一細菌中,它們的DNA缺少同源性。

每一個質體都有必不可少的一個部分,即和它的自主複製有關的區域,複製從一個特定起動位點開始,然後按一個或兩個方向進行。

可轉移的質體具有與轉移有關的基因。例如大腸桿菌的 F因子的接合轉移和對於染色體的誘動轉移都和細菌表面的性傘毛有關,而編碼性傘毛蛋白的基因以及其他與轉移有關的基因traI-traJ都緊密連鎖,佔去F因子分子的大約三分之一。 F因子的另外一小部分包含一些插入序列 IS1、IS2、IS3等,通過這些序列和大腸桿菌染色體上相應序列的聯會和交換,便能使 F因子整合到染色體上,形成大腸桿菌的高頻重組菌株(Hfr)。

各種不同的質體除了有關複製、轉移和重組等基本功能的基因以外,還有各種有關特殊功能的基因,例如在抗藥性質體上的編碼 β-內醯胺酶的青黴素抗性基因等等。在某些抗藥性質體上還有一種稱為轉座子的結構。它是能夠轉移位置的 DNA序列,許多轉座子由一個或若干個抗藥性基因和兩端兩個重複序列組成(見轉座因子)。每一個質體 DNA分子上還有以特定的序列排列著的許多限制性核酸內切酶識別位點

一個質體是染色體外能獨立進行複製的單位即一個複製子,如果把一種生物的 DNA片段和某一細菌質體連接起來並把它引入一個細菌,那麼這一 DNA片段上的基因便隨著質體的複製而複製,並且隨著細菌的分裂而大量擴增。因此不難通過這一方法取得某一基因 DNA的純製品,並進一步對它進行分子結構等方面的研究,這是遺傳工程手段在分子遺傳學基礎理論方面的應用。此外如果該一 DNA片段上的基因能在細菌中表達,那麼就可以通過發酵方式取得這一基因的產物。這是遺傳工程手段在工業生產上的應用。在這些研究中質體都起著基因載體的作用。 近年來根據重組DNA技術和遺傳工程的需要,大量組建了有利於基因的運載、擴增和表達的各種質體,例如pBR322是比較常用的基因載體中的一種,它的許多特徵都符合基因載體的基本條件(圖1、圖2)。又如穿梭質體,這是用重組DNA技術將兩種宿主細胞的質體連接而成的嵌合質體,它能分別在兩種宿主細胞中引入外源 DNA並進行複製。對質體結構和功能的深入研究會進一步促進對它的利用和改造。

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