1、第四章 基因克隆的质粒载体在大肠杆菌的各种菌体中找到了许多种不同类型的质粒，其中已经作了比较详尽研究的主要有F 质粒、R 质粒和 Col 质粒。 F 质粒 又叫 F 因子或性质粒（sex plasmid） 。它们能够使寄主染色体上的基因和 F 质粒一道转移到原先不存在该质粒的受体细胞中去。 R 质粒 通称抗药性因子。它们编码有一种或数种抗菌素抗性基因，并且通常能够将此种抗性转移到缺管该质粒的适宜的受体细胞，使后者也获得同样的抗菌素抗性能力。 Col 质粒 即所谓产生大肠杆菌素因子。它们编码有控制大肠杆菌素合成的基因。大肠杆菌是一类可以使不带有 Col 质粒的亲缘关系密切的细菌菌株致死的蛋白质。
2、第一节 质粒的一般生物学特性一质粒 DNA细菌质粒是存在于细胞质中的一类独立于染色体的自主复制的遗传成份。绝大多数的质粒都是由环形双 DNA 组成的复制子 （ 图 4-1） 。质粒 DNA 分子可以持续稳定地处于染色体外的游离状，但在一定的条件下又可逆地整合到寄主染色体上，随着染色体的复制而复制，并通过细胞分裂传递到后代。环形双链的质粒 DNA 分子具有三种不同的构型：1当其两条多核苷酸链均保持着完整的环形结构时，称之为共价闭合环形 DNA（cccDNA） ，这样的 DNA 通常呈现超螺旋的 SC 构型；2如果两条多核苷酸链中只有一条保持着完整的环形结构，另一条链出现有一至数个缺口时，称之为开
3、环 DNA（ocDNA） ，此即 OC 构型；3若质粒 DNA 经过适当的核酸内切限制酶切割之后，发生双链断裂形成线性分子（IDNA ） ，通称 L 构型 （ 见 图 4-2） 。在琼脂糖凝胶电泳中，不同构型的同一种质粒 DNA，尽管分子量相同，仍具有不同的电泳迁移就绪。其中走在最前沿的是 SC DNA，其后依次是 L DNA 和 OC DNA（ 图 4-3） 。凡经改建而适于作为基因克隆载体的所有质粒 DNA 分子，都必定包括如下三种共同的组成部分，即复制基因（replicator） 、选择性记和克隆位点。二质粒 DNA 编码的表型质粒 DNA 仅占细胞染色体组的1%3% 左右，但却编码着一
4、些重要的非染色体控制的遗传性状。其中对抗菌素的抗性最质粒的最重要的编码特性之一。三质粒 DNA 的转移（1）质粒的类型格兰氏阴性细菌的质粒可以分成接合型和非接合型的两种类群。接合型的质粒（conjugative plasmid） ，又叫自我转移的质粒。它们除了具有自主复制所必须的遗传信息之外，还带有一套控制细菌配对和质粒接合转移的基因。非接合型的质粒（non-conjugative plasmid） ，亦叫不能自我转移的质粒。它们虽然具有自主复制的遗传信息，但失去了控制细胞配骊和接合转移的基因，因此是不能够从一个细胞自我转移到另一个细胞。（2）F 质粒又叫 F 因子，即致育因子（fertili
5、ty factor）的简称，是在某些大肠杆菌细胞中发现的一种最有代表性的单拷贝的接合型质粒。F 质粒有三种不同的存在方式：（i）F+细胞 ：以染色体外环形双链质粒 DNA 形式存在，其上不带有任何来自寄主染色体的基因或 DNA 区段。（ii）F细胞 ：以染色体外环形双链质粒 DNA 形式存在，同时在其上还携带着细菌的染色体基因或 DN 区段。（iii）Hfr 细胞（高频重组细胞） ：以线性 DNA 形式从不同位点整合到寄主染色体。F 因子是雄性决定因子，所以 F+细胞又叫雄性细胞，与此相应的 F-细胞则叫做雌性细胞。F+细胞的表面可以形成一种叫做性须（pilus）的结构，它促进雄性细胞同雌性细
6、胞进行配对。在合适的条件下，将雄性细胞和雌性细胞混合培养，由于性须的作用，就会形成雌-雄细胞配对。我们称这种过种为细菌的接合作用（conjugation） 。配对之后 F-受体细胞获得了 F 因子，也变成为 F+细胞。由 F 因子整合到染色体而成的 Hfr 细胞，就可能相发寄主染色体发生高频转移。这是一种可逆的过程，在一定的条件下，Hfr 细胞又可重新变参展 F+或 F细胞。质粒的主要类型见 表 4-1。（3）质粒 DNA 的接合转移 细胞交配对的形成 雄性细胞的性须顶端与受体细胞表面接触之后，便会迅速收缩，把给体细胞与受体细胞拉在一起。因此，性须在确立配对细胞表面间的紧密接触方面，起着至关重
7、要的作用。但是，大肠杆菌雄性细胞是不会同其它的亦带有 F 质粒的细胞发生配对作用的，因为 traS 和traT 编码的“表面排斥 ”蛋白质，使此种细胞无法成为接合作用的受体。这就决定了雄性细胞只能同不具 F 因子的雌性细胞配对的特异性。 质粒 DNA 的转移 F 质粒 DNA 的转移是从转移起点 oriT 开始的。当细胞交配对建立之后，TraY 和 TraI 蛋白质首先在 oriT 位点作单链切割，随后缺口链在其游离的5-端的引导下转移到受体细胞，并作为模板合成互补链，形成新的质粒分子。于是受体细胞便转变成为具有 F 因子的雄性细胞如 图 4-4。四质粒 DNA 的迁移作用非接合型的质粒，由于
8、分子小，不足以编码全部转移体系所需要的基因，因而不能够自多转移。但如果在其寄主细胞中存在着一种接合型的质粒，那么它们通常也是可以被转移的。这种由共存的接合型质粒引发的非接合型质粒的转移过程，叫做质粒的迁移作用（mobilization） 。ColE1是一种可以迁移但是属于非接合型的质粒。需要质粒自己编码的两种基因参与。一个是位于 ColE1 DNA 上的特异位点 bom；另一个是 ColE1质粒特有的弥散的基因产物，即 mob 基因（mobilization gene）编码的核酸酶。mob 基因和 bom 基因参与 ColE1质粒的迁移作用这个结论，是根据 图 4-5的实验结果作出的。相容性的
9、两种质粒 F 和 ColE1共存于同一细菌细胞中，F 质粒可以为 ColE1质粒提供经所缺乏的结合功能，这样使得 ColE1质粒也能够发生转移作用。图 4-5（a）表示位于 F-细胞中的 ColE1质粒的状，它的 mob 基因进行了转录，其产物使 bom 位点发生单链断裂而出现缺口，于是 ColE1 DNA 便从超盘旋的的结构转变成为缺口环状的构型。但 ColE1质粒缺乏形成性须的能力，无力进行结合配对，所以它的 DNA 也就不能从一个细胞转移到另一个细胞。正是由于不能够发生转移，这种从超盘旋到缺口环状的构型转变过程，就有可能被回复，所以就出现这两种构型之间的平衡状态。图4-5（b）中的细胞同
10、时含有 F 和 ColE1两种质粒。 F 因子能够导致性须的合成，为其 DNA转移提供了转移装置，因此 ColE1可以被转移。而在 F 质粒提供的这种转移装置被分离掉的情况下，ColE1的 mob-突变体便不能够转移。遗传分析证明，mob-突变是隐性的，mob 基因编码一种蛋白质。而且当这种突变体质粒被分离出来时，并不是以松弛复合物的形式存在。图4-5（c）所示，F质粒无力帮助 mob-突变体进行转移，其中 F 性须和转移装置虽已形成，但 ColE1 DNA 并没有发生缺口。图4-5（d）表示另一种具 mob+表型并带有一个顺式显性突变的 ColE1突变体，它缺失了bom 位点。在这样的寄主细
11、胞中，虽然能够合成 mob 蛋白质，但由于不能发生缺口，因此仍然不能够转移。五质粒 DNA 的复制类型根据寄主细胞所含的拷贝数的多少，可将质粒分成两种不同的复制型：一种是低拷贝数的质粒，每个寄主细胞中仅含有13份的拷贝，我们称这类质粒为“严紧型”复制控制的质粒（stringent plasmid） ；另一类是高拷贝数的质粒，每个寄主细胞中可高达1060份拷贝，这类质粒被称为“松弛型”复制控制的质粒（relaxed plasmid ） 。质粒拷贝数,是指生长在标准的培养基条件下，每个细菌细胞中所含有的质粒 DNA 分子的数目。表4-3列举了若干种通用的质粒复制基因的特性。 表 4-2列举了若干种
12、通用质粒复制基因的特性。六质粒的不亲和性（1）质粒的不亲和性现象所谓质粒的不亲和性（plasmid incompatibility） ，有时也称为不相容性，是指在没有选择压力的情况下，两种亲缘关系密切的不同质粒，不能够在同一个寄主细胞系中稳定地共存的现象。在细胞的增殖过程中，其中必有一种会被逐渐地排斥（稀释）掉。这样的两种质粒称为不亲和质粒 （ 图4-6） 。不亲和群（incompatibility group） ，指具有亲缘关系，但彼此之间是互不相容的质粒。（2）质粒不亲和性的分子基础质粒不亲和性的分子基础，主要是由于它们在复制功能之间的相互干扰造成的。大多数质粒都会产生出一种控制质粒复制的阻遏蛋白质，其浓度是与质粒的拷贝数成正比的。阻遏蛋白质通过同其靶序列间的相互作用，使双链 DNA 中的一条链断裂，从而导致质粒 DNA 复制的启动，并建立起一种调节质粒拷贝数的负反馈环（negative feedback loop） 。当质粒面临高拷贝数和高浓度的阻遏蛋白质时，其复制法动便被抑制了；而当质粒处于低拷贝和低浓度遏蛋白质的条条件下，它的复制反应便会继续进行。由于每一种质粒的复制速率拷贝数控制，都是由一对不相容质粒产生的阻遏蛋白质总浓度联合调控的，这种交叉抑制的结果，使细胞中质粒拷贝数，比其单独感染状态下的正常拷贝数减少许多。
