質(zhì)粒
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質(zhì)粒(plasmid)，染色體外能進(jìn)行自主復(fù)制的遺傳單位。包括共生生物、真核生物的細(xì)胞器和細(xì)菌細(xì)胞中染色體以外的單純的脫氧核糖核酸(DNA)分子。這個(gè)名詞是 J.萊德伯格在1952年提出的，不過(guò)現(xiàn)在習(xí)慣上已用來(lái)專(zhuān)指細(xì)菌、酵母菌和放線(xiàn)菌等生物中染色體以外的單純的 DNA分子。某些既能獨(dú)立地存在于細(xì)胞質(zhì)中又能整合在染色體上的質(zhì)粒稱(chēng)為附加體。
質(zhì)粒在遺傳工程研究中被用作基因的載體。質(zhì)粒的研究也涉及基因重組、DNA 復(fù)制、生物進(jìn)化等重要理論課題。此外，由于抗藥性質(zhì)粒能在致病菌中傳播，又使質(zhì)粒研究成為流行病學(xué)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(fā)現(xiàn)的一種質(zhì)粒。它決定細(xì)菌的性別，具有 F因子的大腸桿菌(F+)相當(dāng)于雄性，不具有 F因子的大腸桿菌(F-)相當(dāng)于雌性（見(jiàn)細(xì)菌接合）。
大腸桿菌素是某些大腸桿菌菌株所產(chǎn)生的一種能殺死另一些大腸桿菌敏感菌株的物質(zhì)。它雖然在1926年前已被發(fā)現(xiàn)，可是在 F因子被發(fā)現(xiàn)以后，才認(rèn)識(shí)到細(xì)菌產(chǎn)生大腸桿菌素這一特性也為一種質(zhì)粒所決定。
抗藥性因子 (R因子)是1967年日本痢疾流行時(shí)從痢疾患者的腸道細(xì)菌中首先分離到的一種質(zhì)粒。由于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(dāng)時(shí)設(shè)想細(xì)菌的抗藥性和某種物質(zhì)的傳播有關(guān)，接著在實(shí)驗(yàn)室中完成了多種藥物抗性的轉(zhuǎn)移，從而證明了抗藥性質(zhì)粒的存在?？顾幮再|(zhì)粒不僅可以在種間轉(zhuǎn)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(xì)菌之間轉(zhuǎn)移?？顾幮再|(zhì)粒不僅分布在人體的若干致病菌中，在牛、羊、雞、魚(yú)等動(dòng)物的非致病腸道細(xì)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(zhì)粒的細(xì)菌。
在對(duì)細(xì)菌質(zhì)粒廣泛研究的影響下，在天藍(lán)色鏈霉菌(Streptomyces coelicolar)中發(fā)現(xiàn)了具有性因子作用并決定次甲基霉素產(chǎn)生的質(zhì)粒SCPI。接著發(fā)現(xiàn)許多種和抗菌素合成有關(guān)的質(zhì)粒。后來(lái)又在酵母菌中發(fā)現(xiàn)2μDNA等質(zhì)粒。
已發(fā)現(xiàn)有質(zhì)粒的細(xì)菌有幾百種。已知的絕大多數(shù)的細(xì)菌質(zhì)粒都是共價(jià)閉合環(huán)狀DNA分子(簡(jiǎn)稱(chēng)cccDNA)(見(jiàn)彩圖)。細(xì)菌質(zhì)粒的分子量一般較小，約為細(xì)菌染色體的0.5～3％。根據(jù)分子量的大小，大致上可以把質(zhì)粒分成大小兩類(lèi)。較大的一類(lèi)的分子量是40×106以上，較小的一類(lèi)的分子量是10×106以下，少數(shù)質(zhì)粒的分子量介于兩者之間。每個(gè)細(xì)胞中的質(zhì)粒數(shù)主要決定于質(zhì)粒本身的復(fù)制特性。按復(fù)制性質(zhì)，可以把質(zhì)粒分為兩類(lèi)：一類(lèi)是嚴(yán)緊型質(zhì)粒，當(dāng)細(xì)胞染色體復(fù)制一次時(shí)質(zhì)粒也復(fù)制一次，在每一個(gè)細(xì)胞內(nèi)只有1～2個(gè)；另一類(lèi)是松弛型質(zhì)粒，當(dāng)染色體復(fù)制停止后仍能繼續(xù)復(fù)制，每一個(gè)細(xì)胞內(nèi)一般有20個(gè)左右。一般分子量較大的質(zhì)粒屬?lài)?yán)緊型，分子量較小的質(zhì)粒屬松弛型。質(zhì)粒的復(fù)制有時(shí)和它們的宿主細(xì)胞有關(guān)。某些質(zhì)粒在大腸桿菌內(nèi)的復(fù)制屬?lài)?yán)緊型，而在變形桿菌內(nèi)屬松弛型，或者相反。按照接合轉(zhuǎn)移能力，可以把質(zhì)粒分為兩類(lèi)，即能夠通過(guò)細(xì)菌接合而轉(zhuǎn)移的和不能通過(guò)接合而轉(zhuǎn)移的。多數(shù)質(zhì)?？梢酝ㄟ^(guò)吖啶類(lèi)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(xì)胞中消除。
質(zhì)粒的表型效應(yīng)除了前面提到的決定抗藥性、產(chǎn)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(zhì)作為碳源而生活的能力是由于它們具有一些分解性質(zhì)粒的緣故，這些質(zhì)粒上帶有分解有關(guān)物質(zhì)的酶的基因；致瘤農(nóng)桿菌 (Agrobacterium tumefaciens)的致瘤特性是由于它帶有一種致瘤的質(zhì)粒的緣故。此外還有編碼限制性?xún)?nèi)切酶或其他多種酶的質(zhì)粒。在許多細(xì)菌中還可以發(fā)現(xiàn)一些沒(méi)有明顯的表型效應(yīng)的質(zhì)粒，它們被稱(chēng)為隱蔽性質(zhì)粒。
兩種不同質(zhì)粒能否在同一細(xì)胞中穩(wěn)定地共存與質(zhì)粒的不親和性有關(guān)。按照這種特性，可以把質(zhì)粒分成許多不親和群。屬于同一不親和群的質(zhì)粒不能在同一細(xì)菌內(nèi)穩(wěn)定地共存，它們的質(zhì)粒DNA具有相當(dāng)程度的同源性；屬于不同不親和群的質(zhì)?？梢苑€(wěn)定地共存于同一細(xì)菌中，它們的DNA缺少同源性。
每一個(gè)質(zhì)粒都有必不可少的一個(gè)部分，即和它的自主復(fù)制有關(guān)的區(qū)域，復(fù)制從一個(gè)特定起動(dòng)位點(diǎn)開(kāi)始，然后按一個(gè)或兩個(gè)方向進(jìn)行。
可轉(zhuǎn)移的質(zhì)粒具有與轉(zhuǎn)移有關(guān)的基因。例如大腸桿菌的 F因子的接合轉(zhuǎn)移和對(duì)于染色體的誘動(dòng)轉(zhuǎn)移都和細(xì)菌表面的性傘毛有關(guān)，而編碼性傘毛蛋白的基因以及其他與轉(zhuǎn)移有關(guān)的基因traI-traJ都緊密連鎖，占去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(guò)這些序列和大腸桿菌染色體上相應(yīng)序列的聯(lián)會(huì)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(zhì)粒除了有關(guān)復(fù)制、轉(zhuǎn)移和重組等基本功能的基因以外，還有各種有關(guān)特殊功能的基因，例如在抗藥性質(zhì)粒上的編碼 β-內(nèi)酰胺酶的青霉素抗性基因等等。在某些抗藥性質(zhì)粒上還有一種稱(chēng)為轉(zhuǎn)座子的結(jié)構(gòu)。它是能夠轉(zhuǎn)移位置的 DNA序列，許多轉(zhuǎn)座子由一個(gè)或若干個(gè)抗藥性基因和兩端兩個(gè)重復(fù)序列組成(見(jiàn)轉(zhuǎn)座因子)。每一個(gè)質(zhì)粒 DNA分子上還有以特定的序列排列著的許多限制性核酸內(nèi)切酶的識(shí)別位點(diǎn)。
一個(gè)質(zhì)粒是染色體外能獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制的單位即一個(gè)復(fù)制子，如果把一種生物的 DNA片段和某一細(xì)菌質(zhì)粒連接起來(lái)并把它引入一個(gè)細(xì)菌，那么這一 DNA片段上的基因便隨著質(zhì)粒的復(fù)制而復(fù)制，并且隨著細(xì)菌的分裂而大量擴(kuò)增。因此不難通過(guò)這一方法取得某一基因 DNA的純制品，并進(jìn)一步對(duì)它進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)等方面的研究，這是遺傳工程手段在分子遺傳學(xué)基礎(chǔ)理論方面的應(yīng)用。此外如果該一 DNA片段上的基因能在細(xì)菌中表達(dá)，那么就可以通過(guò)發(fā)酵方式取得這一基因的產(chǎn)物。這是遺傳工程手段在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用。在這些研究中質(zhì)粒都起著基因載體的作用。 近年來(lái)根據(jù)重組DNA技術(shù)和遺傳工程的需要，大量組建了有利于基因的運(yùn)載、擴(kuò)增和表達(dá)的各種質(zhì)粒，例如pBR322是比較常用的基因載體中的一種，它的許多特征都符合基因載體的基本條件（圖1、圖2）。又如穿梭質(zhì)粒，這是用重組DNA技術(shù)將兩種宿主細(xì)胞的質(zhì)粒連接而成的嵌合質(zhì)粒，它能分別在兩種宿主細(xì)胞中引入外源 DNA并進(jìn)行復(fù)制。對(duì)質(zhì)粒結(jié)構(gòu)和功能的深入研究會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)它的利用和改造。
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