普通遗传学-第22章
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⒚秆Х治觥⒀逖Х治鲆约吧锘钗锛ǖ确矫嬷な盗宋尴赴嵛镏幸鸱窝姿蚓阅ぷ淖蜃邮荄NA。研究表明，这是由于死亡后的细菌裂解，其DNA遗留在培养基上，被其他细胞所摄取并使之发生转化。这一试验第一次为遗传物质是DNA而不是蛋白质提供了直接的证据。到目前为止，已经在多种细菌中报道了转化现象。转化的研究不但在理论上有重要意义，而且在基因工程中是将质粒或病毒载体引入宿主细胞的一种重要手段。用除去蛋白质外壳的病毒核酸感染细胞或原生质体的过程则称为转染（transfection），这是转化的一种特殊形式。
5。4。2。2 转化过程
转化因子的吸附 外源DNA首先必须吸附在细菌胞表面的一些接受位点上，然后才能进入受体细胞内，受体细胞的生理状态与转化效率有关。细菌能够吸收外源DNA时的生理状态称为感受态（petence）。感受态和非感受态的细胞都能吸附DNA，但是只有前者所吸附的DNA才不能被洗去，是稳定的。许多细菌的感受态都在对数生长期的后期迅速出现。有人认为感受态是处于DNA合成刚刚停止，蛋白质合成继续活跃的时期。一定浓度的钙离子能够提高细菌的转化效率。细菌细胞能吸附的DNA主要是双链状态的。转化效率还取决于感觉态细胞的浓度和供体DNA浓度。供体DNA结合到受体细胞表面开始是可逆的，这主要与细菌细胞表面的吸附位点有关。据估计一个细菌细胞表面大约有50个吸附位点。吸附位点饱和后，就阻止其他双链DNA的结合，而处于不可逆状态。此时供体DNA不再受培养基中DNA酶的破坏。肺炎双球菌和枯草杆菌对于DNA的吸附没有专一性，甚至对鱼的DNA也能吸附。
吸收 细菌细胞表面的2种DNA酶在转化中起重要作用。细菌细胞壁上的一种核酸核酶内切吸附着的DNA切成大约14kb的片段。然后细胞膜上另一种核酸酶把一条单链切除，使另一条单链进入细胞。
整合 供体的单链DNA片段一旦进入细菌细胞，转化因子的单链DNA和受体染色体的某一部分联会，并进一步置换受体的对应染色体区段，稳定地整合到受体DNA中（图5…27）。DNA的同源性是转化效率高低的一个重要因素，一般亲缘关系越远，转化的可能性越小。
5。4。2。3 转化在遗传分析中的应用
转化因子是平均大小为20000bp的DNA片段，可能带有若干个原因。如果供体的两个基因紧密连锁在一条DNA片段上，它们同时转化的效率就很高即所谓双转化（double transformation）。
图5…27 细菌的转化
单交换使细胞染色体形成线状分子，细胞不能成活，只有双交换才能产生能成活的转化体
2个不连锁基因的2个DNA片段也可以为同一个细菌所吸收。在转化DNA浓度较低时，紧密连锁基因的双转化效率要比不连锁的或相隔一定距离的基因双转化效率高得多。假定A和B基因是连锁的，当DNA浓度下降时，AB转化频率的下降和A或B的转化频率的下降相同。假如A和B并不连锁，即AB转化频率的下降将远远超过A或B的转化频率的下降（图5…28）。
图5…28 连锁的和不连锁的两个基因同时转化的效率
（a）A或B的转化 （b）AB同时转化，A和B在同一DNA片段上 （c）A和B不在同一DNA片段上
枯草杆菌中不存在像大肠杆菌的细胞接合系统，其遗传学分析主要依靠转化和转导。转化作图的原理与结合的重组作图相似，这里用trp和tyr标记的连锁测定对转化作图加以说明。trp…和try…缺陷型菌株是不能在没有色氨酸和酪氨酸的基本培养基上生长的，用2条具一个原养型基因DNA分子（trp＋2yr…1和trp…2 tyr＋1）和一条双原养型基因的DNA分子（trp＋2tyr＋1）分别转化trp…tyr… 双突变菌株。结果见表5…4。2个转化DNA分子产生的结果中，双转化类型极少，这是由于2个分离的转化DNA片段同时与受体重组是很困难的。而在trp＋tyr＋供体的转化中，双转化子的效率就明显增加，因为这2个基因是连锁的。2个基因标记相距越远，就越容易获得单转化；2个基因位置越近，获得双转化的可能性就越大。trp2和tyr1基因间的重组率应是196＋328/（196＋328＋367）×100％=58。8％。这个数值称为q值，表示转化连锁距离。它与其他方法测定的重组率有差异，可能是由于初级误差造成的。
表5…4 枯草杆菌trp…2、tyr…1细胞转化的单、双转化子类型
供体DNA 受体细胞 转化子类型 转化子数
trp＋tyr… trp＋tyr… 190
trp…tyr＋ trp…tyr… trp…tyr＋ 256
trp＋tyr＋ 2
trp＋tyr… 196
trp＋tyr＋ trp…tyr… trp…tyr＋ 328
trp＋tyr＋ 367
5。4。3 性异
F因子整合到染色体上是一种可逆过程（图5…29），能够低频率地被切除。如果是正常切除，F因子又重新离开细菌染色体，形成F＋细胞。但是切除中往往发生错误，分离出一个携带F因子和部分染色体基因的遗传因子，这种带有染色体基因的附加体称为F′因子。这种细胞在接合时，由F′因子所携带的外源DNA便整合到细菌染色体上，这一过程称为性异（sexduction）。Ｆ′因子可分成两类：
整合到Hfr染色体上的F质粒环出时带有宿主的一部分染色体DNA，包括与其相邻的lac
第一类F′因子包括了染色体一个区段和不完全的Ｆ因子，Ｆ因子缺失的那部分还留在细菌染色体上。只要Ｆ因子保留了复制和接合所需的基因，就能和野生型一样转移进Ｆ－细胞，同时将附带的细菌染色体基因传递过去。第二类F′因子带有完整的Ｆ因子和位于Ｆ因子两端的染色体基因，它在环出过程中，造成染色体的这两部分基因的缺失，但它却能同时将这两部分基因通过接合异入到Ｆ 细菌。
第一类F′因子一般携带的基因是在Ｈfr的末端。它们在Hfr×F…时是低频率转移的，而在F′×F…时却是高频转移的。如Ｈfr2转移基因顺序是Ｏ…pro＋…leu＋…gal＋…lac＋…F；杂交后很难选择到lac＋的重体组，从Hfr2中分离到F′lac＋strs和Ｆ－lac…strr菌的杂交就很容易得到lac＋细菌。因为宿主染色体上具有F′因子的lac同源ＤＮＡ序列，二者可以很快进行同源重组，而且重组的座位是相对固定的。
F′因子的主要用途之一是构建部分二倍体菌株，用于研究基因的相互作用。例如；Ｆ－lac是载有lac基因的F′因子，当载有Ｆ－lac的Ｆ＋细胞与Ｆ－lac…细胞结合时，就可使受体转变成F…lac＋。尽管受体染色体上仍然保留了突变的lac基因，但F…lac质粒上的野生型基因为其提供了丢失的酶。F…lac质粒在宿主细胞中独立复制，无须与染色体进行重组。此外，由于F因子的整合位置几乎复盖了全部染色体区，因此，可以从不同Hfr菌株分离到一个带有任何特殊染色体基因的F′菌，从而利用F′因子上2个以上的染色体基因进行重组作图。这样通过计算2个位点间重组频率就可以获得每个片段的连锁群。
比较F′是细胞与F＋、Hfr的关系可以看出：
（1）F′是细胞质因子。Hfr通过环出可以形成带有部分细菌染色体的F′因子，而F′因子又可通过交换整合到细菌染色体的原来位置上，回复到原来的Hfr状态。
（2）在F＋×F…中，F因子由供体进入F…细胞，使受体细胞成为F＋细胞，但供体染色体很少转移。
（3）在Hfr×F…中，Hfr能以高频率把细菌染色体转移到F…细菌中，而F因子位于Hfr转移到染色体的最后端，极少进入受体细胞。F′因子和F因子很容易转移到F…细胞中，但供体染色体的转移率很低。
5。4。4 转导与细菌染色体作图
5。4。4。1 普遍性转导
1952年N。Zinder和J。Lederberg研究鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）遗传重组时发现，把2个营养缺陷型菌株LA2phe＋trp＋met…his…和LA22phe…trp…met＋his＋混合培养时，能获得原养型菌，分别培养则不能产生原养型菌。进一步研究也证明，将这2株沙门氏菌其他性状的突变型混合培养时，也能产生重组体。当他们将LA…2和LA…22分别培养在Davis U型管两侧时，仍得到了重组体，这一结果排除了2种细菌发生了接合的可能性。进一步研究证明LA…2和LA…22之间的遗传交换是一种由过滤性因子（FA）完成的。此外还证明
（1）FA不会因DNA酶处理而失去活性，说明它不是裸露的DNA片段，也就是说基因转移不是通过转化进行的。
（2）FA与从溶原细菌分离得到的噬菌体P22的质量大小相同。
（3）用抗P22的血清或加热处理，P22的感染性和过滤性因子FA功能失活的速率相同。
（4）抗噬菌体P22的沙门氏菌菌株对过滤性因子也表现为抗性。
这一结果证明：FA就是温和噬菌体P22，LA22菌株是溶原性的，LA2是非溶原性的，在培养过程中LA22自发释放出温和噬菌体P22，P22感染LA2细菌后，细菌染色体断裂成片段，在形成噬菌体颗粒时，偶尔错误地把细菌染色体片段包装在噬菌体蛋白质外壳内。这种假噬菌体称为转导颗粒（transducing particle）。当这些噬菌体再度感染LA22细菌时，便带着细菌基因进入细胞，形成一个部分二倍体。导入的基因经过重组，整合到宿主的染色体上（图5…30）。
图5…30 Salmonella typhimurium 的转导
噬菌体P22感染野生型（leu＋）菌株，细菌染色体断裂成片段。小段细菌染色
体组合到噬菌体头部。转导的颗粒然后感染陷型受体细胞（leu…，亮氨酸缺陷
型），注入野生型供体的染色体片段，形成部分二倍体。注入的染色体片段与
受体染色体的相应部分发生重组，把受体细胞转导为原养型（leu＋）。受体细
胞被一正常的P22颗粒感染后，受体细胞或者裂解，或者成为溶原菌
通过噬菌体作为媒介，把一个细菌的基因导入另一细菌的过程称为转导（transduciton）。转导又分为普遍性和局限性两类，由P1和P22这一类噬菌所进行的转导是普遍性转导（generalized transduction），这类噬菌体可以转移细菌染色体的很多不同部分。后来人们在其他种属细菌如大肠杆菌中都观察到通过转导使基因转移的现象。
普遍性转导也可以用来绘制细菌遗传图谱。P1、P22等噬菌体感染大肠杆菌后，可以随意包裹寄主DNA片段，只要这个片段包含的基因座位不超过大肠杆菌遗传图谱的2min距离，均可一起被转导。这是一般用接合和转化进行基因定位所难以实现的。2个基因一起被转导的现象称共转导或并发转导（cotransduction）。
P1是用于普遍性转导的最适宜噬菌体，其基因组通常只含有91。5kb的DNA，也就是说P1噬菌体的头部可以包裹高达91。5kb的供体DNA，约相当于大肠杆菌基因组的2。4％。按基因平均大小为1。0kb计算，P1足以包裹75个基因。
在受P1感染的细菌中，大约有0。3％的噬菌体，其余是正常的。由于一个转导颗粒至多能包裹2。4％的宿主基因组，一个噬菌体粒子随机包裹某一特写座位的概率就为0。024×0。003或7。2×10…5。
2个基因相距越近，它们进行并发转导的可能性也越大。2个基因并发转导的概率可用下式计算：
X=（1…d/L）3
其
