质粒与降解质粒

二、质粒与降解质粒

1.质粒

质粒(plasmid)是细胞中独立于染色体，能进行自主复制的细胞质遗传因子，主要存在于各种微生物细胞中。质粒通常以共价闭合环状(covalently closed circle)的超螺旋双链DNA分子存在于细胞中。这种构型称为ccc型，此外还有oc型(open circular form)和L型(linear form)。近年来还在疏螺旋体、链霉菌和酵母菌中发现线型双链DNA和RNA质粒。质粒分子的大小范围从1kb左右到1000kb。

图8-4　自养白色杆菌降解1，2-二氯乙烷的途径，降解基因分别定位在质粒和染色体上

它们最基本的特性是能寄生在宿主细胞中，并和宿主细胞进行同步复制，在细胞分裂时，能保持恒定地传给子代细胞。一般来说，质粒的存在对宿主细胞并不是必需的，没有它细胞照样生存。在某些特殊情况下，质粒能赋予宿主细胞特殊的机能，从而使宿主细胞得到生长的优势。例如，抗药性质粒和降解质粒就能使宿主细胞在具有相应药物或化学毒物的环境中生存和发展。由于质粒携带细胞编码多种遗传性状的基因，它们是细菌进化的一个重要因子，因为要使宿主细胞迅速适应改变的环境条件，基因就得扩增，从而进行种内和种间的转移。

根据质粒所编码的功能和赋予宿主的表型效应，质粒被分为不同的类型。

(1)致育因子(fertility factor，F因子)

致育因子又称F质粒，F质粒在大肠杆菌的接合作用(conjugation)中起主要作用。

(2)抗性因子(resistance factor，R因子)

抗性因子又称为R质粒，主要包括抗药性和抗重金属。带有抗药性因子的细菌对多种抗生素和其他药物呈现抗性。如R1质粒(94kb)可使宿主具有对氯霉素、磺胺等的抗药性，另外一些R质粒能抗碲、砷、汞、钴、银、镉的毒性。

(3)col质粒

col质粒因首先见于大肠杆菌而得名，其含有编码大肠菌素的基因，大肠菌素是一种细菌蛋白，只杀死近缘且不含col质粒的菌株，而宿主不受其产生的细菌素影响。

(4)毒性质粒

许多致病菌的致病性是由其所携带的质粒引起的，质粒具有编码毒素的基因。例如苏云金杆菌含有编码δ内毒素(伴孢晶体)的质粒，此外Ti质粒也属于此类。

(5)代谢质粒

代谢质粒含能编码降解酶的基因，也称为降解性质粒。另外一些能编码固氮功能的质粒也属代谢质粒范围。

(6)隐秘质粒

隐秘质粒是不显示任何表型效应的质粒，但它们的存在可以通过物理的方法检测。

质粒的功能极为多样，上述的质粒分类并不能包括全部的质粒表型，表8-2列出了细菌质粒赋予细胞表型的例子。

表8-2　　　　　　　　　　细菌质粒赋予细胞表型的例子

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2.降解性质粒

降解性质粒是质粒中特别重要的一类，许多难降解化合物的降解酶类是由质粒上的基因编码的，这类质粒被称为降解性质粒(catabolic plasmid)。当然质粒编码的酶也可参与生物物质的降解。降解性质粒的分子量较大，一般为50×10⁶～200×10⁶U。细菌中的降解性质粒和分离细菌所处环境污染程度密切相关，从污染地分离到的细菌50%以上含有质粒，与从清洁区分离的细菌质粒相比，不但数量多，其体积也大(信息量大)。

自从1972年美国学者Chakrabarty发现降解水杨酸盐的SAL质粒以来，研究人员相继在假单胞菌、黄杆菌、气单胞菌等菌株中发现许多降解性质粒。到目前为止，从自然界分离的菌株中发现的天然降解性质粒共约有50多种。其中666、氯苯、木质素、烷基苯磺酸、SDS、P-羟基苯甲酸、3，5-二甲苯酚、2，6-二氯甲苯等化合物的降解，都是由降解性质粒控制的。被广泛深入研究的部分质粒列于表8-3。

表8-3　　　　　　　　　　部分降解性质粒及其降解底物

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注:nd表示未测定。质粒命名:每一个新分离到的质粒都给予一个编号，一般是小写字母p代表质粒，大写字母表示分离命名实验室的缩写，阿拉伯数字表示序号，如pXy1234。降解质粒也有以降解基质缩写(大写)命名的，如OCT。