生物种类不同,遗传物质传递方式和机制也不同。真核生物的雌雄个体通过减数分裂产生雌、雄生殖细胞,两者结合产生后代,遗传物质通过有性配子传给后代,这种繁殖方式叫做有性生殖。而原核生物细菌的遗传物质传递方式有三种:接合、转化和转导。

1接合

细菌的接合是指通过细菌细胞的直接接触,遗传物质从供体单向转移到受体中的过程。细菌细胞接合的供体细胞称为雄性细胞,受体细胞称为雌性细胞。而这种“雌雄性别”的差异是根据它们是否具有F质粒而确定的。含有F质粒的细菌,称为雄性菌株,标为F十菌株;不含有F质粒的细菌为雌性菌株,标为F一菌株。F质粒亦称可育质粒,它是细菌染色体DNA以外的、能自主复制的、小的环状DNA分子,结构由自主复制区、重组区和转移区三部分组成。自主复制区包含转移的起点和2个复制起点(“iT和oriV),前者是在染色体转移进行滚环复制时的复制起点,后者是在营养时期和独立复制时的复制起点;重组区含有插人序列,可以是F因子整合到宿主染色体DNA的不同位点;转移区主要含有合成性伞毛的操纵子川。F质粒在细菌细胞内的存在方式有游离态和结合态两种,存在方式不同,遗传物质传递的机制也不同[2〕。

1.1游离态F质粒

游离态F质粒是独立存在于染色体DNA外且可自主复制的细菌质粒,含有这种质粒的细菌称为F+细菌,也称F十菌株[z]。若F十菌株与F一受体细菌以高浓度混合培养,两种细菌细胞相互接触,F+菌株的性伞毛便与F一菌株细胞膜上的受体蛋白形成接合管,F质粒DNA的一条链也从起点处断开,从接合管进人到F一细菌细胞中,并以此单链为模板合成双链,形成完整的F质粒,F,细菌也就变成了F十细菌。这种混合培养持续lh,便有约95%的F一细菌变成F十细菌。但是F十细菌染色体DNA进人F一细菌中,并形成重组子的频率很低,不到百万分之一。这说明F十细菌染色体DNA并没有随同F质粒一同进人到F一细菌中。

1.2结合态F质粒

若使F因子整合到F十细菌染色体DNA分子中,F十细菌便含有了结合态F质粒。若将含有结合态F质粒的F+细菌与F一细菌进行杂交,两种细菌染色体DNA分子之间的重组频率比仅含游离态F质粒的F+细菌与F一细菌进行的杂交约高1000倍。这种含有结合态F因子的菌株称之为高频重组菌株,简称Ilfr菌株。当Hfr细菌与F一细菌杂交时,1五r细菌的性伞毛与F一细菌表面的受体蛋白结合形成接合管,结合态的F质粒DNA的一条链从原点处打开一个缺口,打开的链从5’一Po4单链先进人F一细菌。由于整合后控制合成性伞毛的基因位于DNA环的末端,一般尚未进人受体细胞,接合管就可能断裂,转移中断,进人F一细菌的Hfr细菌的遗传物质只能是一个DNA片段,这样的F一细菌叫做部分二倍体。由此可见J价细菌中质粒DNA与染色体DNA完整进人F一细菌中的机会是极少的。.所以,在Hfr细菌与F一细菌的杂交中,F一细菌很少能够转变成F+细菌。只有当F因子的转移区最终也进人F一细菌中时,F一细菌才可能转变成F+细菌。

l.3F’质拉

F’质粒是游离态的F质粒的一种特殊形式,是携带细菌染色体DNA片段的F质粒[s]。在Hfr菌株中,F质粒可以从细菌染色体DNA中切除出来,回复成游离态F质粒,通常这种切除是很准确的。但是如果F质粒从细菌染色体DNA切除时出现错误,即没有准确地将F质粒切除,而是留下了F质粒的部分片段,并带走细菌染色体DNA?的个别基因,这样形成的游离态质粒称为F’质粒。F’质粒虽然失去部分片段,但不影响F质粒的功能。含有F’质粒的细菌与F一细菌杂交时,F’质粒通过接合管进人F一细菌。这样,既转移了F质粒又转移了供体菌的个别基因。这种通过F’质粒将供体菌染色体DNA的基因导人受体细菌,使受体细菌构成部分二倍体的过程,叫做性导[3]。例如,当携带供体细菌染色体DNA半乳糖发酵基因(lac斗)的F’质粒,通过细菌的有性接合进入F一受体细菌(la。一)中时,既转移了F质粒,又转移了供体菌的la。+基因。F’质粒进入F一受体细菌后,可为游离态,也可插人到F一细菌染色体DNA中。只有F’质粒插入到F-细菌染色体DNA中,受体细菌的lac基因才会由单倍体变成为二倍体,即由F一lac一变成为F+lac’/lac十,供体基因lac+才能表达。

2转化

2.1转化的概念

转化是指受体菌由于直接吸收了供体菌的遗传物质(DNA或RNA)而表现出供体菌的部分遗传性状或发生遗传性状改变的现象。转化的关键在于受体菌吸收外源遗传物质的能力,能进行转化的细菌必须是感受态的。所谓感受态是指受体细胞最易接受外源遗传物质的生理状态。转化分自然转化和人工转化两种类型川。自然转化是指在自然条件下,细菌能够吸收外源DNA而进行遗传转化的现象。在自然状态下,不是所有的细菌都能发生转化,只有在细胞膜上具有DNA移位酶的那些细菌才有可能发生转化现象。如肺炎双球菌、枯草杆菌和流感嗜血杆菌等细菌不是在它们的任何生长时期都能发生转化的,而是在某一特定时期才能被转化。人工转化是指通过改变细菌的生理特性,使细菌能够摄取外源遗传物质而进行转化的现象,如野生型E.coli一般不易转化,原因是野生型E.co“产生一种能迅速降解进人的外源遗传物质的酶。但是,可以通过化学法用高浓度的钙离子诱导细胞增加其通透性或用电穿孔法来实现转化。促进转化作用的酶或蛋白质分子称为感受态因子。

2.2细菌转化的过程

转化时,供体菌的遗传物质断裂成小片段,长度约为2万bp,进人受体后形成部分二倍体,有可能发生重组,使受体细胞发生稳定性的遗传转化,具体过程包括以下几个连续的阶段:①供体双链DNA分子与受体细胞表面的受体蛋白进行可逆性结合,这种受体蛋白又称DNA移位酶;②供体双链DNA片段被吸人受体细胞,并要防止受体DNA酶的破坏;③供体双链DNA分子中的一条链被受体细胞内的核酸酶降解成单链DNA;④未被降解的单链DNA分子部分或整个插人受体细胞的DNA链中,与同源区段形成杂合的DNA分子;⑤杂合DNA经复制、分离以后,形成一个受体亲本类型的DNA和一个由供体DNA与受体DNA结合而成的杂种双链DNA,从而导致基因重组并形成各种类型的转化子。转化现象的发现,证实了遗传物质基础是DNA,从而开创了分子生物学这门崭新的学科,也为基因工程奠定了基础。

3转导

3.1转导的概念

转导是指以噬菌体为媒介,将第一宿主菌的染色体DNA片段或基因转移到第二宿主细菌体内,使第二宿主细菌获得新的遗传性状的过程。

3.2转导的类型

由于噬菌体DNA在细菌体内存在的方式不同,噬菌体对细菌遗传物质的传递方式也不同,可以分为普通转导和特定转导两类。普通转导,又叫做随机转导,是指能转导细菌染色体DNA上的任何基因的现象川。普通转导的错误包裹模型指出,当噬菌体侵染宿主细菌后,噬菌体DNA在宿主细菌体内立即复制增殖,并使宿主细菌染色体DNA断裂成碎片。当在噬菌体蛋白质外壳包裹噬菌体DNA形成子代噬菌体时,会错误地把宿主细菌染色体DNA的碎片随机地装人蛋白质外壳内,每包裹105一107个子代噬菌体会出现一个错误。当子代噬茵体成熟后,再侵染与原宿主细菌基因型不同的第二宿主细菌时,第一宿主细菌的基因被导人到第二宿主细菌体内,使第二宿主细菌成为部分二倍体,经过交换重组,形成转导子。随机性转导的频率为l/105一l/107。特定转导,又叫局限转导,是指咙菌体只能转导细菌染色体DNA某些基因的现象。

1962年坎贝尔(carnpbell)[3〕对特定转导实验结果提出了假设。他认为,入温和噬菌体的DNA插人K12菌株染色体DNA的位点不是随机的,在K12菌株染色体.DNA的半乳糖分解基因(咧+)旁,有一个专供入温和噬菌体DNA结合的序列,称之为附着位点,而入噬菌体DNA上也有一段同源互补的序列,这两个序列的配对重组,就使入噬菌体DNA擂人到了K12菌株染色体DNA的则+基因旁;结合态的入噬菌体DNA从K12菌株染色体DNA上切除时偶尔也会出错,即会留下自己的基因,带走K12菌株的基因,形成缺陷型半乳糖转导噬菌体(入电己+);缺陷型半乳糖转导噬菌体侵染半乳糖缺陷型(则一)的大肠杆菌K12菌株时,半乳糖分解基因(卿+)被插人到受体细菌染色体DNA的半乳糖缺陷型(叨一)基因旁,使K12菌株染色体同时带有州一和州+两个基因;由于半乳糖分解基因_(脚+)位于附着位点附近,转导频率比普遍转导频率高千倍以上。由此可知,细菌遗传物质的存在方式不同,传递方式也不同。