自然条件下原核微生物基因重组的方式有哪些类型?各有什么特点?

Question

自然条件下原核微生物基因重组的方式有哪些类型?各有什么特点?

Answer 1

原核微生物的基因重组
（一）转化 (transformation)
转化是细菌中最早被发现的遗传物质转移形式. l928 年 Griffith 用肺炎链球菌对小鼠的感染实验以及 10 多年后 Avery 等体外转化过程的实现,转化因子 DNA 的证实,是现代生命科学发展的重要起点.
1 ．几个概念
转化 受体菌直接吸收了来自供体菌的 DNA 片段,通过交换把它整合到自己的基因组中,从而获得了新的遗传特性的现象.
转化子（ transformant ） 受体细胞经复制分裂后出现了供体性状的子代.
感受态 (competence) 细菌能够从周围环境中吸收 DNA 分子进行转化的生理状态.
（二) 转导 (transduction)
1952 年 Zinder 和 Lederberg 在验证鼠伤寒沙门氏菌是否也存在接合现象时发现了转导现象.
通过完全缺陷或部分缺陷噬菌体为媒介,把供体细胞的 DNA 片段携带到受体细胞中,通过交换与整合,从而使后者获得前者部分遗传性状的现象,称为转导.获得新性状的受体细胞,称为转导子 (transductant) .携带供体部分遗传物质 (DNA 片段 ) 的噬菌体称为转导噬菌体.在噬菌体内仅含有供体菌 DNA 的称为完全缺陷噬茵体；在噬菌体内同时含有供体 DNA 和噬菌体 DNA 的称为部分缺陷噬菌体 ( 部分噬菌体 DNA 被供体 DNA 所替换 ) .
根据噬菌体和转导 DNA 产生途径的不同,可将转导分为普遍性转导和局限性转导.
1 ．普遍性转导 (general transduction)
通过完全缺陷噬菌体对供体菌任何 DNA 小片断的“误包”,而实现其遗传性状传递至受体菌的转导现象,称为普遍性转导.
普遍性转导的机制——“包裹选择模型”,当噬菌体侵染敏感细菌并在细菌内大量复制增殖时,亦把寄主 DNA 降解为许多小的片段,在装配时,少数噬菌体 (10 -6 一 10 -8 ) 错误地包装了宿主的 DNA 片段并能形成“噬菌体”,这种噬菌体称普遍性转导噬菌体 ( 为完全缺陷噬菌体 ) .随着细菌的裂解,转导噬菌体也被大量释放.当这些转导噬菌体再次侵染受体菌时,其中的供体 DNA 片段被注入受体菌. 如果该 DNA 片段能与受体菌 DNA 同源区段配对,通过遗传物质的双交换而进行基因重组并形成稳定的转导子,称完全普遍性转导.如鼠伤寒沙门氏菌的 P22 噬菌体、大肠杆菌的 P1 噬菌体和枯草芽孢杆菌的 PBS1 和 SP10 等噬菌体中都能进行完全转导. 如果该 DNA 片断不能与受体菌 DNA 进行交换、整合和复制,只以游离和稳定的状态存在,而仅进行转录、转译和性状表达,称流产转异.发生流产转导的细胞在其进行分裂后,只能将这段外源 DNA 分配给一个子细胞,而另一子细胞仅获得供体基因转录、转译而形成的少量产物 -- 酶,因此在表型上仍可出现轻微的供体菌特征,每经分裂一次,就受到一次“稀释”.所以能在选择培养基上形成微小菌落就成了流成转导子的特点.
2 ．局限性转导 (specialized transduction)
通过部分缺陷噬的温和噬菌体把供体菌的少数特定基因携带到受体菌中,并获得表达的转导现象）.转导后获得了供体部分遗传特性的重组受体细胞称为局限转导子.
(1) 局限性转导的机制——“杂种形成模型” λ噬菌体的线状双链 DNA 分子的两端为 12 个核苷酸单链（粘性未端 cos 位点）,在溶源状态下,以前噬菌体状态存在于细胞染色体上.被诱导后,在裂解细菌时,其以粘性末端形成的环状分子通过滚环复制形成一个含多个基因组的 DNA 多联体,以 2 个 cos 位点之间的距离决定其包装片段的大小而进行切割、包装,最终形成转导噬菌体.在极少数情况下 ( 约 10 -5 ) ,在前噬菌体两端邻近位点上与细菌染色体发生错误的切割,使其重新形成的环状 DNA 中,同时失去前噬菌体的一部分 DNA 和增加了一段相应长度的细菌宿主染色体 DNA ,这样形成的杂合 DNA 可正常被包装、复制.形成的新转导噬菌体称为部分缺陷噬体.因为λ前噬菌体位点两端是细菌染色体的 gal + ( 发酵半乳糖基因 ) 和 bio + ( 利用生物素基因 ) ,故形成的转导噬菌体通常带有 gal + 或 bi0 + 基因,故这些部分缺陷噬菌体表示为λ dga1( 缺陷型半乳糖转导噬菌体 ) 或λ dbio( 缺陷性生物素转导噬菌体 ) .这些转导噬菌体可重新侵入受体菌,侵入后,噬菌体 DNA 与受体菌的 DNA 同源区段配对,通过双交换而整合到受体菌的染色体组上,使受体菌获得了供体的这部分遗传特性.
（ 2 ）局限性转导中的低频转导与高频转导 低频转导 (LFT) ：由于宿主染色体上进行不正常切离的频率极低,因而在裂解物中所含的部分缺陷噬菌体的比例是极低（ 10 -4 --10 -6 ）的,这种裂解物称为 LFT 裂解物. LFT 裂解物在低 m.o.i(multiplicity of infection) 情况下感染宿主,就可获得极少量的转导子.高频转导 (HFT) ：形成转导子的频率很高,理论上可达 50 ％,故称之为高频转导.其原因是因为供体菌为双重溶源菌,它同时有两种噬菌体整合在细菌的染色体上.例如,大肠杆菌 K12 株,其双重溶源菌为 E.coli K12( λ / λ dg), 即其前噬体体有λ和λ dg 为缺陷噬菌体,带有供体 gal + 基因,但丢失了部分噬菌体本身的 DNA ；而λ噬菌体为正常噬菌体,不带 gal 基因,但起辅助作用,称为辅助噬菌体,可弥补λ dg 的不足,使λ dg 也能成为“完整噬菌体”而释放.这样,一个细菌便可同时等量地释放出λ dg 和λ两种噬菌体,这时的裂解物称为 HFT 裂解物,当用低 m.o.i 的 HFT 裂解物去感染另一个 E.coligal - 受体菌,是可高频率的把它转化为能发酵乳糖的 E.coli gal + 转导子.这种方式称为高频转导.
当温和噬菌体感染其宿主而使之发生溶源化时,因噬菌体的基因整合到宿主的基因组,而使后者获得了除免疫以外的新性的现象,称为溶源转变.
( 三 ) 接合 (conjugation)
指供体菌和受体菌完整细胞间的直接接触,而实现大段的 DNA 传递现象.
Iederberg 和 Tatum 于 1946 年设计了一个有名的实验,才证明了原核生物的接合现象.他们筛选出了两种不同营养缺陷型的大肠杆菌 K12 突变株,其中 A 菌株是 met- 、 bio- , B 菌株是 thr- 、 Leu- ,将它们在完全培养基上混合培养后,再涂布于基本培养基上.结果发现,在基本培养基上出现了 met + 、 bi0 + 、 thr + 、 1eu + 的原养型菌落 ( 约为 10 -7 ) ,而分别涂布的两种亲本菌株对照组都不出现任何菌落.进一步的实验证实,上述遗传重组的形成,是两个亲本细胞接合以后发生基因重组的结果.在细菌中,接合现象发研究最清楚的是 E.coli ,研究发现 E.coli 是有性别分化的,决定性别的是一种质粒,即 F 因子.
（四）原生质体融合（ protoplast fusion ）
通过人为的方法,使遗传性状不同的两细胞的原生质体发生融合,并进而发生遗传重组以产生同时带有双亲性状的、遗传性稳定的融合子（ fusant ）的过程 . 能进行原生质体融合的细胞是极其广泛的,不仅包括原核生物,而且还包括各种真核细胞.