所有细菌都含有质粒吗？

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简介

在 20 世纪 40 年代，当科学家发现负责抗体抗性的非染色体 DNA 时，他们用几个名称来称呼它。附加体、胞质基因、质基因和生物胚是科学家们用来称呼它们的一些术语。

1952 年，诺贝尔奖获得者约书亚·莱德伯格首次创造了“质粒”一词，它是将细胞质和“id”组合而成。质粒主要存在于细菌和一些真核生物（多细胞生物）中。

什么是质粒？

质粒是存在于细菌中、能够在不受染色体 DNA 影响的情况下自我复制的小型环状 DNA 片段。基因组包含数百万甚至数十亿个 DNA 碱基对，而质粒仅包含几千个。质粒体积小，与其他 DNA 相比相对稳定，并且易于复制。

质粒的存在使细菌能够抵抗抗生素和其他毒物，并帮助它们在恶劣环境中生存。质粒在许多方面帮助生命科学工程师和生物技术学家。实验室制造的质粒称为构建体或载体。

质粒的组成部分

复制起点告诉质粒从哪里开始复制过程。

• 抗生素抗性基因天然存在于质粒中，通过提供对抗生素的抗性，对细菌有利。在实验室研究中，该基因帮助科学家识别含有该基因的细菌与不含该基因的其他细胞。

• 借助可选择标记，可以通过将外源 DNA 引入质粒序列来轻松地对 DNA 进行工程改造。

• 启动子位点是 RNA 聚合酶附着到基因上并通过转录产生 mRNA 的位置。

• 限制性位点是质粒中用途广泛的区域，允许根据科学家的需要对任何基因进行工程改造。

基因是如何表达的？

多克隆位点位于 DNA 中的限制性位点，以短片段的形式存在，具有灵活性，可以允许克隆过程。

限制性位点处的酶允许使用分子剪刀切割该特定区域的基因。科学家可以去除原始基因，并用他们选择的基因替换它，并在启动子位点的帮助下，通过转录表达基因序列以产生 mRNA。现在，基因序列可以被剪切以用于其他地方。

因此，在实验室中产生的基因可以以多种方式使用。这种剪切的基因可以插入其他细菌中以研究它们的特性。以这种方式产生的基因可用于追踪群体中特定的一组细菌。

水平基因转移

遗传密码从一个生物体转移到另一个生物体的过程称为水平基因转移 (HGT)。该过程自然发生，并且也决定了细菌对抗生素的毒力和抗性程度。有四种不同的方法可以将不同的 DNA 或 RNA 插入细菌细胞或真核生物细胞中，即转化、转导、接合和转染。

虽然前三种类型的 DNA 引入细菌细胞的方式是通过自然界使用 HGT 进行的，但后一种（转染）只能在实验室中进行。

转化

当细菌的细胞质（外部）膜受到外部条件的破坏或影响时，质粒往往会从细胞壁泄漏出来，使其在裂解的细菌外部很容易获得。当邻近的细菌从环境中摄取质粒时，称为转化。特定物质的存在或细胞生长的不同阶段会自然地诱导细菌中的转化过程。

并非所有细菌的细胞壁都具有足够的通透性以发生转化；因此，它们没有足够的潜能来摄取游离质粒。为了使细胞壁具有足够的通透性，科学家使用氯化钙来帮助细菌吞噬质粒。其他方法，如施加电荷和电穿孔，用于增加细胞壁的通透性，从而提高转化的效率。

转导

使用病毒或病毒载体，将外源 DNA/RNA 引入细菌时，称为转导。

那些只能在细菌内部复制的病毒称为噬菌体或噬菌体。此类噬菌体粘附在细菌膜上并将遗传物质注入其中。一旦遗传物质被注入，它就可以在细菌内部执行以下任何一个生命周期——溶源性或裂解性。

在裂解周期中，病毒基因组控制细菌的宿主系统并产生自身副本。细菌细胞裂解释放病毒物质的副本以影响其他细菌。

在溶源性周期中，病毒基因组使用特定的整合位点附着到细菌的基因组上。现在，噬菌体必须等到裂解周期被触发才能执行该过程。

这两个生命周期都为细菌 DNA 在新产生的噬菌体（病毒）中无意中转移铺平了道路。当这种复制的 DNA 转移到其他细胞时，称为转导。在受感染的细菌内部，这种转移的 DNA 可以以质粒的形式存在（在染色体外部），或者可以作为同源或定点重组以整合形式存在于细菌宿主基因组中。

科学家使用同时具有噬菌体和质粒特性的噬菌粒来执行转导，以将 DNA 序列引入细菌。

接合

当遗传密码从供体直接接触转移到受体细菌时，称为接合。生育因子 (F 因子) 是供体细菌中存在的 DNA 序列。附加体是长的 DNA 序列片段，只要母系菌株保持存在，它就可以附着到细菌染色体上并与之同步复制自身。

存在于附加体中的 F 因子会形成一个称为性菌毛的小桥状结构，以将受体细菌拉近。一旦接触，质粒就会转移到受体。

转染

与其他三个过程不同，转染只能在实验室中进行，并且只能在真核细胞上进行，使用物理和化学方法。通过非病毒方法，转染是通过将外源 DNA 引入真核细胞来进行的。使用磷酸钙和二乙氨乙基 (DEAE) 等化学物质使 DNA 分子中和或赋予正电荷，以使其能够穿过带负电的细胞壁。请参阅图 1.6。电穿孔涉及使用细胞膜中的电脉冲产生瞬时孔，以让 DNA 通过。当遗传物质被注射到细胞膜中时，使用细针称为显微注射。

由于质粒的多功能性、成本效益、灵活性以及安全性，它被广泛用于操纵基因。细菌可以更快地繁殖，并且其中的质粒可以很容易地生长、修饰并用于各种目的。

常见问题

问题 1. 什么是水平基因转移 (HGT)？

回答。遗传密码从一个生物体转移到另一个生物体的过程称为水平基因转移 (HGT)。该过程自然发生，并且也决定了细菌对抗生素的毒力和抗性程度。

问题 2. 什么是转化？

回答。当细菌的细胞质（外部）膜受到外部条件的破坏或影响时，质粒往往会从细胞壁泄漏出来，使其在裂解的细菌外部很容易获得。当邻近的细菌从环境中摄取质粒时，称为转化。

问题 3. 什么是转导？

回答。使用病毒或病毒载体，将外源 DNA/RNA 引入细菌时，称为转导。

问题 4. 什么是接合？

回答。当遗传物质从供体直接接触转移到受体细菌时，称为接合。

问题 5. 什么是转染，它可以在哪里进行？

答：通过非病毒方法，转染是将外源 DNA 导入真核细胞的过程。转染只能在实验室进行，并且只能在真核细胞上进行。

问 6. 电穿孔和显微注射是什么意思？

答：DNA 分子被中和或通过使用磷酸钙和二乙氨乙基（DEAE）-葡聚糖等化学物质赋予正电荷，使它们能够穿过带负电荷的细胞壁。电穿孔涉及使用电脉冲在细胞膜上产生瞬时孔隙，以让 DNA 通过。使用细针将遗传物质注入细胞膜，称为显微注射。