原核微生物的基因重

  1.基因重组

原核微生物的基因重组形式很多，机制较为原始，有三个主要特点：一是片段性，仅有一小段DNA序列参与重组过程；二是单向性，遗传物质往往是从供体菌向受体菌作单方向转移；三是转移机制独特而多样，如接合、转化和转导等。

1．1接合

接合是指两个性别不同的微生物细胞之间接触，遗传物质转移、交换．形成一个新个体。当两个不同菌株接合时，遗传物质是单向转移，并不相互交换。通过接合而获得的新遗传性状的受体细胞．称为接合子。由于在细菌和放线菌等原核生物中出现基因重组的机会极为罕见(如大肠杆菌K12约为10^-6)，所以关于细菌接合现象直至1946年J．Lederberg等采用大肠杆菌(Escherichia coli)K12菌株的营养缺陷型等形态指标进行研究后才开始逐步了解。

根据对接合行为的研究，发现大肠杆菌是有性别分化的。决定它们性别的因子称为F因子(即致育因子或称性质粒)，这是一种在染色体外的小型独立的环状DNA单位，一般呈超螺旋状态，它具有自主的与染色体进行同步复制和转移到其他细胞中去的能力，还带有一些对其生命活动关系较小的基因。在大肠杆菌中，F因子约由6×10⁴对核苷酸组成，相对分子质量为5×10⁷，F因子的I)NA含量约占总染色体含量的2％。每个细胞含有1～4个F因子。F因子既可脱离染色体在细胞内独立存在，也可插入(即整合)到染色体上；同时．它既可经过接合作用而获得，也可通过一些理化因素(如吖啶橙、Ni 2⁺ 、Co ²⁺ 、丝裂霉素C、硫酸十二酯钠、亚硝基胍、利福平、澳化乙锭、环己亚胺和加热等)的处理，使其DNA复制受抑制后而从细胞中消失。

凡有F因子的菌株，其细胞表面就会产生1～4条中空而细长的丝状物，称为性毛(sexpill，或性菌毛)。它的功能是在接合过程中转移DNA，转移机制还不甚清楚。根据F因子在细胞中的有无和存在方式的不同，可把大肠杆菌分成以下4种类型。①F⁺ (“雄性”)菌株：在这种细胞中存在着游离的F因子，在细胞表面还有与F’因子数目相当的性毛，能与F^一菌株发生接合，是供体菌。②F^一 (“雌性”)菌株：在这种细胞中没有F因子，表面也不具性毛，但可以作为受体细胞接受外源F因子。有人统计，从自然界分离的大肠杆菌菌株中，F^一菌株约占30％。③Hfr[高频重组(high frequency recombination)]菌株：在这种细胞中，存在着F因子，但它是与染色体特定位点整台在一起的(产生频率约10^-5)，细胞表面存在性毛，能与F^一菌株发生接合，且接合后重组频率远远高于F⁺菌株，是供体菌。④Fˊ菌株：在这种细胞中含有Fˊ因子，Fˊ因子是指当Hfr菌株内的F因子因不正常切割而脱离其染色体时所形成游离的但携带一小段(最多可携带三分之一段染色体组)染色体基因的F因子。携带有F’因子的细胞即是F^-菌株，它既获得了F因子，又获得了来自所携带的游离染色体的遗传性状。能与F菌株发生接合，是供体菌。

大肠杆菌这4种菌株类型的产生主要是由F因子在不同细胞中转移的结果，F因子的转移方式主要有以下几类。

(1)F⁺接合 F⁺接合仅将供体细胞的F因子转移到受体细胞，供体细胞的染色体DNA并不发生转移。F⁺接合传递过程主要为：F因子上的一条DNA单链在特定的位置上首先发生断裂．断裂的单链逐渐解开，同时以留下的另一条状单链作模板，通过模板的旋转，一方面将解开的一条单链通过性毛而推人F^一中；另一方面，又在供体细胞内重新合成一条新的环状单链，以取代解开的单链，此即称为“滚环复制”。在F一细胞中，外来的供体DNA单链上也合成了一条互补的新DNA链，并随之恢复成一条环状的双链F因子，因此，F^一就变成了F⁺ ，能形成性菌毛(见图5．1)。

(2)Hfr接合(Hfr与F^一的杂交) 在Hfr菌株与F^一菌株的杂交过程中，Hfr菌株的染色体中的某一条链在F因子内的某点(原点O)打开，由环状变成线状，边复制边进入F^一细胞中，这样F因子的一部分就作为头部先进入F^一细胞，由于断裂发生在F因子中，听以必然要等Hfr的整条染色体组全部转移完成后，另一部分F因子则作为尾部最后才能进入细胞。由于Hfr的染色体要完全进入F^一细胞所需要的时间较长(约2h)，常会因某些随机的干扰而使杂交过程中断，因此完成整个F因子传递的概率极小。但越在线状染色体前端的基因，进入的机会就越多，故在F中出现重组子的时间就越早，频率也高(图5．2)。这就是Hfr与F^一接舍的结果重组频率虽高．却不能形成Hfr或F⁺子代的原因。

通过人为地控制杂交时间，例如在杂交一定时间后用组织摇碎器搅拌以使正在接合的细胞分开，就可以测出各种基因进入F菌株的顺序，从而进一步得到大肠杆菌的遗传图。这就是所谓的中断杂交实验。

Hfr细胞和F^一细胞杂交过程可以看出，Hfr细胞以部分基因组与F^一细胞以整套基因组连行杂交，因此杂交后只产生部分结合子。在繁殖过程中，部分结合子中两亲本的染色体进行单交换或双交换，其中单交换多产生不稳定的部分二倍线性染色体(无活性)，而双交换则产生较稳定的有活性的重组体和部分片段染色体。

(3)F因子转导Fˊ菌株与F^一菌株的接合，可以使后者转变成Fˊ菌株。这时．受体菌的染色体和由Fˊ因子所携带来的细菌基因间，可通过同源染色体区(即双倍体区)的交换，实现基因重组。在新产生的Fˊ群体中，大约有10％的Fˊ因子重新整合到染色体组上，恢复或Hfr菌，如图5．3．故该群体显示出来的特征介于F⁺和Hfr供体菌之间。由于这一重组是由F因子完成的，而且与转导过程类似，因此称为F因子转导，也称性因子转导。

除F因子接合现象外．细菌中还存在着耐药性质粒接合。耐药性质粒编码多重抗生素抗性和性伞毛。耐药性质粒接合的机理与F⁺接合相似。在接合过程中仅将供体细胞的耐药性质粒转移到受体细胞，耐药性质粒的一条链留在供体细胞内．另一条链进入受体细胞。每一条链合成互补链。这样，受体细胞变成多重抗生素抗性细胞以及雄性细胞，能将耐药性质粒转移给其他细菌。目前已知，由大肠杆菌(E．coli)、变形菌属(Proteus)、克雷伯氏菌(Klebsiella)、Enterobacter、沙雷氏菌(Serratia)和假单胞菌(Pseudomonas)等革兰氏阴性菌引起的尿路感染、伤口感染、肺炎、败血病及由沙门氏菌(Salmonella)和志贺氏菌(Shigella)引起的肠道感染中．耐药性质粒接合是一个非常严重的问题。

目前已知，接合转移现象主要在原核微生物的细菌和放线菌类群中存在。在细菌中，G^一细菌尤为普遍．如E．foli、沙门氏菌属(Salmonella)、志贺氏菌属(Shigella)、克雷伯氏菌属(Klebsiella)、沙雷氏菌属(Serratia)、弧菌属(Vibrio)、固氮菌属(Azotobacter)和假单胞菌属(PsPudomonas)等；在放线菌中，以链霉菌属(Streptomyces)和诺卡氏菌属(No~’nrdia)最为常见，其中研究得最为清楚的是天蓝色链霉菌(S．coelicolor)。此外，接合转移还可以发生在不同属的一些物种间，如E．coli与Salmonella typhimurium(鼠伤寒沙门氏菌)间或，Salmclnella与Shigella dyjPnteriae(痢疾志贺氏菌)间。这说明接合作用具有一定的普遍性。但并不是什么细菌都可以接合，而且同一菌种的不同菌株有时也不一定会发生接合。

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