第三节  细菌的遗传分析
     
    细菌细胞由一层或多层膜和壁所包围，每个细胞中多数只含有1条染色体或DNA，每个染色体附着在细胞膜上的一定区域，但没有核膜包裹，因此称为拟核（nucleoid）。在拟核区以外的细胞质中含有大量的核糖体和其他成分，但没有真核细胞所特有的细胞器。
    在适合的条件下，繁殖速度惊人，代谢旺盛，故可用于精细结构的分析。
    
    一、细菌的遗传物质
    
    1．细菌的染色体
    细菌的染色体大都是环状裸露的双链DNA分子，其长度约为250μm~3500μm，DNA不象真核生物那样与组蛋白和其他蛋白质结合，也不形成核小体结构，因此它们比较易于接受带有相同或不同物种的基因的DNA片段的插入（表7-4）。
    
    表 7-4    一些细菌的基因组结构
    
    
    

 
    E.coli染色体长约为1100μm，需经多次折叠或螺旋才组装入细胞内。有实验证实，在DNA分子螺旋时，有RNA分子参与。如300μm的环状DNA是通过RNA分子的连接作用将DNA片段结合起来而形成环（loop），从而导致DNA长度缩小，大肠杆菌基因组约有100个这样的环（图7-9）。每个环内DNA进一步螺旋，使DNA长度进一步缩短为1.5μm，而形成更高级结构的染色体。
    2．细菌基因组的特点
    （1）不具备明显的核结构，只有DNA的集中区，为拟核。
    （2）基因组较小，只有一条环状染色体，一个复制起点，一个基因组就是一个复制子。
    （3）染色体不与组蛋白结合。
    （4）基因的结构简练，重复序列和不编码序列很少，大部分为功能基因；无断裂基因，不含内含子。现已知越简单的生物，基因数越接近用DNA分子量所估计的基因数。如MS₂ 和λ噬菌体，它们每一个基因平均约含1300bp。如果扣除基因中的不编码功能区，如附着点attP，复制起点、粘着末端、启动区、操纵基因等，几乎就没有不编码的DNA区段了。
    （5）基因调控方式多种多样。
    （6）功能密切相关的基因常高度集中，越是简单的生物，集中程度越高。如λ噬菌体7个头部基因A~F和12个尾部基因Z~J 都各自相互邻接，而头部和尾部基因又相邻接。又如有关DNA复制基因O、P；整合和切离基因int、xis；重组基因redα、redβ；调控基因N、cI、cⅡ、cⅢ、cro也集中在一个区域，而且和各自有关的结构基因邻近。这种集中现象在真核生物是极少见的。
    （7）存在转录单元。在DNA序列中功能相关的RNA 或蛋白质基因往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成一功能单位或转录单元，可被一起转录含多个基因的mRNA分子，即多顺反子mRNA。如乳糖操纵子就含有3个结构基因，组氨酸操纵子含有7个结构基因。
    （8）常通过接合方式传递遗传物质。
    在自然界，细菌种类繁多，常用于遗传学实验的有大肠杆菌、沙门氏菌、枯草杆菌等。由于大肠杆菌对人类毒性小，利于培养，故研究价值很大。
    
    二、质粒
    1．质粒的概念和结构
    质粒（plasmid）是独立于细菌染色体外能进行自主复制的小型环状裸露的DNA分子。这个名词是J.Lederberg（1952）提出的，不过现在习惯上已用来专指细菌、酵母菌和放线菌等生物中染色体以外的单纯的DNA分子。某些既能独立地存在于细胞质中、又能整合在染色体上的DNA通称为附加体（episome）。质粒的结构大致可由3部分组成（图7-11）：
    （1）转移区（transfer region，tra）和转移起点ori：长约33kb，最少含有22个基因，位于质粒基因组的60~93kb之间。现已知基因的产物是所有转移基因的转录所必需的，而ori位点又直接调节结构基因的转录，所以ori大概是负责控制后面的多个基因区，而这些基因都决定着合成与转移有关的蛋白质。
    （2）自我复制区（rep）：由3个位点组成，即正常的复制起点oriV、复制基因frp、不亲合性基因 inc，该区域直接关系到质粒的自身复制。
    （3）插入区（insertion region）：由IS₂、IS₃、rs 等插入因子组成，其中IS₃ 是重复的，包们可直接与细菌染色体同源区段配对，发生重组，插入到细菌染色体中。
    2．质粒的种类
    大肠杆菌质粒按表型效应可分为3类：F因子、抗性因子和大肠杆菌素原因子。
    （1）致育因子（fertility factor, F因子）：这是一种能使细菌致育的质粒，它上面所带的基因能使细菌在表面产生一种性纤毛。带有F因子的细菌菌株称为F 菌株，而不带F因子的菌株为F^－菌株。
    F因子是一个小的共价闭合环状DNA，分子量为62×10⁸dolton，94.5kb，约为细菌染色体DNA的2%，足够编码94个中等大小的蛋白质，而其中的1/3基因（tra区）与细菌接合有关。接合作用是F因子的主要特征，它可以通过性纤毛从一个细菌细胞转移到另一个细胞，使原来的F^－菌株也带F因子，从而把某些遗传物质从一个菌株转移给另一个菌株。通常把提供遗传物质的菌株称为供体（donor），而接受遗传物质的菌株称为受体（receptor）。这就常把F 菌株看作雄性，F^－菌株这种受体菌看作雌性。
    在细菌细胞内，F因子能通过与细菌染色体配对、交换、整合到细菌染色体上。一旦F 因子整合到染色体后，由于F因子有转移起点，它能将细菌染色体快速地转移到其他菌株中去，这时受体菌的重组频率大大提高。故这种通过F因子配对、交换、整合到染色体后，使细菌能快速转移细菌染色体片段的菌株，称为高频重组菌株（high frequence recombination strain，即Hfr菌株），见图7-12。
    （2）R因子（抗性因子，抗性质粒）：包括抗药性及抗某些金属质粒，R因子几乎在所有细菌中都存在。它的大小从几kb 到几十个kb不等，拷贝数多少不一，有的少，仅1~2个，属于严紧型复制控制；有的多，可达几十个，属松弛型复制控制。松弛型质粒的复制需要寄主的DN A聚合酶I及RNA的合成，拷贝数可达2000~3000个。
    这类质粒对许多抗生素有抗性，可在基因工程中用作外源基因载体，便于筛选。另外，多数R因子保持在染色体外自我复制，不整合进寄主染色体中。
    （3）大肠杆菌素原因子（col 因子）：大肠杆菌素（colicins）是从大肠杆菌的某些菌株分泌的，专门杀死其他肠道细菌。已知大肠杆菌素都是由质粒编码的。col因子有两类： 第一是colE₁因子，分子量小，不具接合作用，是多拷贝的；第二是colIb因子，与F因子相似，具有接合转移的功能，属严紧型质粒，只1~2个拷贝。col因子也与基因工程有关。
    3．质粒的性质
    （1）能与染色体的配对、结合、整合到细菌细胞的染色体内。
    （2）使带有该质粒的细菌具有免疫性：通常两个含有相同基因的质粒不能同时稳定地存在于同一个细胞里。如带有乳糖操纵子的质粒（F′ lac）就不能感染另一个带有半乳糖操纵子的质粒（F′ ga1）的细菌。即一个有质粒的细菌细胞表面可能发生改变，能排斥同基因的其他质粒对它的转移。
    （3）受外界环境影响质粒可自行消失：质粒有时在寄主细胞内会自行消失，而且这种现象还受环境因素的影响。如在培养基里含有溴化乙锭或抗生素时可能导致质粒的消失。
    （4）可自我快速复制：质粒是环形DNA，可自我复制。在质粒复制时，DNA必须附着在细胞膜上的某一接触点，由于仅含有一个复制位点，只能有一个质粒与它接触，所以难有两个质粒共存于一个细菌细胞内。
    4．F 菌株和Hfr菌株的差异
    F 菌株和Hfr菌株存在着许多相同点。如都含有F因子，细胞的表面有性纤毛；都能与F^－菌株杂交：即 F ×F^－ 、Hfr×F^－，F^－和F^－ 之间则不能杂交。但二者之间存在许多差异（图7-13），主要有：
    （1）F因子在细菌细胞内存在的状态不同：F 菌株中的F因子是独立于细菌染色体外，能自我复制，可以不依赖细菌染色体而存在；Hfr菌株的F因子整合在细菌染色体内同染色体一起复制和遗传。F 菌株和Hfr菌株可互相转化，F因子经交换整合入细菌染色体上后，也可原位交换从染色体上脱落下来。
    （2）与F^－ 菌株杂交的结果不同：在F ×F^－ 时，F因子经性纤毛转移到F^－ 细胞，在此过程中，F因子利用滚环式复制，很快转移到F^－ 细菌细胞中，使F^－变为F 菌株，试验发现：在F ×F^－ 时，经一小时培养后，约有95%的受体细胞转变为F ，但染色体基因重组频率却很低，常低于1/1000000。
    当Hfr×F^－时，两细菌的重组率相当高，但很少能使F^－菌变为F 细菌。这是因为F因子嵌入到细菌染色体后，转移起点之后就是细菌染色体DNA。当它转移时，先带着细菌染色体进入受体细胞，而致育基因却位于环状染色体的末端，除非所有的DNA都进入受体，才能使F^－ 变为F 。由于供体基因进入受体，使受体菌变为部分二倍体（partial diploid），即细菌细胞内既含有自身完整的基因组（内基因子endogenote），又含有外来的DNA片段（外基因子exogenote）。
    （3）理化因素处理的结果不同：Hfr菌株经理化因素（特别是吖啶橙）处理后细菌细胞变化不大；但F 若用吖啶橙（浓度大约为30微克/毫升，这浓度不足以抑制细胞繁殖）或紫外线处理后能转变为F^－细菌；这是因为F 菌株内的F因子独立存在，分子较小，对各种外界因素比较敏感。F 菌株偶尔也能自发地使质粒丢失变为F^－ 细菌。