啥是质粒?从生物武器到转基因食物都跟它相关

作者:admin    文章来源:未知    点击数:    更新时间:2020-01-14 10:12

  来源:返朴       ID:fanpu2019

  质粒到底是什么?病毒?生物武器?万恶之源?在它身上到底有何稀奇与微妙之处?

  撰文 | 贺文辉(陆军军医大学基础医学院生逝世学与分子生物学教研室)

  DNA蓄积着世代相传的遗传新闻,被誉为“生命的暗号”。从沃森和克里克发现DNA双螺旋结构的那一刻首,DNA的“魔幻之盒”被掀开,越来越众分别类型的DNA分子被解密。钻研发现,大众数DNA分子呈线性结构,例如人的染色体DNA,倘若将单个体细胞中的DNA分子通盘打开,长度可达2-3米。然而有一类存在于细菌中的DNA分子却呈环状,穿梭在众多的DNA分子宇宙。固然它的大幼只有细菌染色体的千分之一,却魔力无穷——它就是微妙的“质粒”(plasmid)。

左:细菌染色体DNA的线性结构;右:质粒的环状结构左:细菌染色体DNA的线性结构;右:质粒的环状结构

  似病毒而非病毒

  20世纪40年代,炭疽炎横走美洲。这是一栽人畜共患的急性传染病,首初通走于美国德克萨斯州的鹿群,造成大批鹿群死亡亡。随后在人群中发现了同样的症状:皮肤坏死亡、溃疡、焦痂、毒血和结构普及水肿……终极,感染者因展现肺、肠和脑膜的急性感染而丧命[1]。

  科学家们试图议定追求感染源来占有这一传染病。他们发现,真恶是炭疽杆菌中的一栽毒性物质。并且,他们认为这栽物质为病毒,议定迅速滋生而感染宿主细胞,引发动物或人生病。直到1950年,美国生物学家乔治·莱德伯格(Joshua Lederberg)才证实这栽物质并非病毒,并于1952年将其命名为“质粒”。

  质粒是一栽大幼在1-200kb不等的环状DNA分子,自力于细菌染色体之外,并且具有自吾复制能力。细菌中的质粒含量最为雄厚,螺旋体、放线菌和酵母等微生物中也有发现。电镜下的质粒是共价、闭相符、环状、幼型的双链超螺旋DNA分子,形似“麻花”[2]。因为发现质粒和其在细菌基因重组中的功能,莱德伯格斩获了1958年的诺贝尔心理学和医学奖。那么,质粒与病毒到底有何异同,为何能疑心科学家如此之久?最先,质粒与病毒相通,都能进走自吾复制,迅速滋生;其次,它们都能授予宿主肯定的外型,引发性状转折。但两者的分别也很清晰:病毒是由一个核酸分子(DNA或RNA)与蛋白质构成的非细胞形式黄大仙精准一句解码诗,是寄生于生命体甚至非生命体的侵犯有机物栽。清淡的病毒都有两到三个构成成分:RNA或DNA黄大仙精准一句解码诗,蛋白质黄大仙精准一句解码诗,脂质(片面病毒异国)。而质粒只有一栽成分,即DNA,并且质粒照样细胞的构成片面。

  固然病毒和质粒并不相通,但存在千丝万缕的相关。2017年,澳大利亚新南威尔士大学的钻研团队在南极考察时,在古细菌体内发现了一栽稀奇的质粒,它的外外和走为都很像病毒,却欠缺外明其是病毒的基因。能够说,这是一栽带有病毒属性的质粒。钻研团队据此推想,最早展现的病毒能够就是从云云的质粒进化而来的[3]。

  不守纪的独走侠

  质粒DNA如同“暗客”清淡,能够脱离宿主染色体DNA复制调控编制的奴役,自力“编程”自立复制。这主要归功于质粒DNA上的复制首首位点,能够开启自身的复制,还有响答的调控基因,能够限制复制的频率。这意味着质粒能够转折宿主细菌的特性,从而发挥效力。

  此外,质粒还具有可迁移性。在天然条件下,借助细菌的接配相符用,绝大众数野生型质粒能够从一个宿主细胞迁移至另一个宿主细胞,甚至还能够进入亲缘相关较近的分别栽宿主菌中。这一过程倚赖于质粒迁移相关基因——mob基因的外达产物与其他蛋白因子的相互作用:mob基因编码移动相关蛋白,在tra迁移蛋白的结配相符用下,将质粒迁移到新宿主细胞的nic缺口位点,质粒即可议定缺口进入到新的新宿主细胞中[4]。然而,一山不容二虎,倘若两栽质粒具有相通或相通的复制子结构及调控模式,它们就不及安详地存在于联相符宿主细胞内,这栽形象称为质粒的不相容性。

  生物武器暗历史

  质粒的宿主细菌很众,有吾们熟知的大肠杆菌、枯草杆菌,还有令人闻风勇敢的炭疽炎芽孢杆菌(炭疽杆菌)。依托这一菌栽研制的生物武器——炭疽弹,是人类最先意识病原菌后研发的第一个生物武器。

  1870年,科学家罗伯特·科赫(Robert Koch)别离出炭疽杆菌。他发现这栽细菌生命力极强、易培育、安详性高,体外保存六个月仍能保持有余的毒性和感染性。然而,科赫那时并不清新炭疽杆菌致命的真实因为。直到19世纪末,科学家才发现炭疽杆菌毒力因子的来源是pXO1和pXO2两个质粒。其中质粒pXO1含有编码产毒基因,能够产生毒力因子和各栽毒素,质粒pXO2含有编码细菌荚膜蛋白相符成所必须的基因。两个毒性质粒彼此依存,任何一个质粒缺失都将降矮炭疽杆菌的毒性,产生减毒株[5]。

 炭疽杆菌电镜不都雅察图(来源:美国CDC - Janice Haney Carr) 炭疽杆菌电镜不都雅察图(来源:美国CDC - Janice Haney Carr)

  第一次世界大战期间,德国间谍部分将炭疽杆菌装入可消化试管,包埋于饲料当中,以毒杀中立国的军马,拉开了当代细菌战的帷幕。1928年,苏联生物武器之父雅科夫·费什曼(Jacov Fishman)发现炭疽杆菌有很高的强度和韧性,能承受爆炸冲击和干燥处理,所以能够装入炸弹、炮弹和导弹,实现武器化,异日能够成为对人类胁迫最大的一栽生物战剂[6]。1939年,污名昭著的日本731部队在吾国华中浙、赣地区大量培育炭疽杆菌,并用活人进走细菌试验及细菌武器效能试验,致使吾国军民大批死亡亡。其中HA型炸弹(哈弹)即为炭疽杆菌炸弹,外型酷似清淡的钢壳炸弹,而内含的榴霰弹一旦爆炸,炭疽杆菌就会议定伤口感染杀伤现在标,同时造成可一连数十年的地面污浊。1942年,英国征用了苏格兰的一个幼岛——格林亚德岛进走炭疽杆菌试验,计划向德国牧场投放炭疽弹杀死亡大批牲畜,以堵截肉食供答(所以该计划又称“素食走动”),同时制造全国性的炭疽炎爆发,以除失踪希特勒的纳粹政权。二战终结后,美国一向隐秘进走炭疽战剂的研发,如R-400型炸弹。然而,美国在2001年遭遇了史无前例的生物恐怖进攻,被称为“美国炭疽事件”。这一事件引首了全球周围的军事逆思,各国一连最先实走《不准生物武器公约》,生物武器的研发方针从抨击转为退守。炭疽杆菌的钻研厉格限于实验室内进走,包括炭疽杆菌的基因改造以及疫苗的研发。现在,包括吾国在内的很众国家已经研制出炭疽杆菌疫苗。

炭疽杆菌疫苗(来源:疫苗生产商Emergent BioSolutions)炭疽杆菌疫苗(来源:疫苗生产商Emergent BioSolutions)

  亦魔也亦佛

  天然,质粒并不是万恶之源。20世纪70年代,科学家最先对天然野生型的质粒进走改造,并行使于基因工程技术,开启了基因工程新的大门。在保留天然质粒上风的基础上,人造改造的质粒增补了抗性标记,人们能够根据需求筛选分别的菌株。同时,质粒上还能够设计众克隆位点,行使相关的酶将质粒分子掀开,接入外源DNA,行使质粒自吾自力复制的特性,将外源DNA的新闻传递给宿主细菌,从而实现性状的改造。

 构建重组质粒的步骤:1。 获取含有质粒的菌株;2。 挑取质粒并用响答的酶剪切质粒;3。 外源基因连接到剪切后的质粒,构建重组质粒;4。 重组质粒转入新的菌株;5。 新的菌株获得新的性状。(来源:http://eschool.iaspaper.net/what-is-genetic-modification/the-process-of-genetic-engineering/) 构建重组质粒的步骤:1。 获取含有质粒的菌株;2。 挑取质粒并用响答的酶剪切质粒;3。 外源基因连接到剪切后的质粒,构建重组质粒;4。 重组质粒转入新的菌株;5。 新的菌株获得新的性状。(来源:http://eschool.iaspaper.net/what-is-genetic-modification/the-process-of-genetic-engineering/)

  根癌农杆菌致瘤质粒(tumor-inducing plasmid,简称Ti质粒)的发现具有划时代意义,引导人类进入转基因技术时代。Ti质粒是存在于根癌农杆菌细胞拟核区之外的能自立复制的双链环状DNA分子。1977年,比利时分子生物学家马克·万·蒙塔古(Marc Van Montagu)和约瑟夫·弃尔(Jozef Schell)证实,这栽Ti质粒能将外源基因整相符到宿主植物的基因组中,产生拙劣性状,如抗病虫害、抗盐碱、耐除草剂、延迟果蔬贮存期等,行使这一过程还可生产药物、抗体、疫苗等。

  与Ti质粒相关的行使中,最引人注方针是转基因食品。从理论上讲,人类能够议定Ti质粒转化办法,听命本身的意愿改造植物,得到所必要的食品。原形上,自从1983年科学家异日自细菌的氯霉素抗性基因转入烟草中,并获得世界上第一例转基因植物最先,人类就异国休止转基因食品的研制。越来越众的转基因食品走出实验室,走进人们的生活,如转基因大豆、转基因马铃薯等。

  以转基因马铃薯为例,科学家将含有抗旱相关基因的DNA片段议定PCR技术进走体外扩添,相符成之后行使各类酶剪切DNA片段,再把产物拼接于Ti质粒众克隆位点处,得到重组质粒。重组后的质粒议定根癌农杆菌介导,侵染马铃薯愈伤结构,作物即可获得外源抗旱基因,从而外现出耐旱性。

转基因马铃薯培育步骤:1。 获取Ti质粒;2。 获取方针基因;3。 构建重组质粒;4。 根癌农杆菌介导转化侵染薯块;5。 形成愈伤结构;6。 愈伤结构发芽成苗;7。 试管苗结薯;8。 结成的幼薯栽入大田无性滋生;9。 形成具有方针性状的马铃薯。(作者制图)转基因马铃薯培育步骤:1。 获取Ti质粒;2。 获取方针基因;3。 构建重组质粒;4。 根癌农杆菌介导转化侵染薯块;5。 形成愈伤结构;6。 愈伤结构发芽成苗;7。 试管苗结薯;8。 结成的幼薯栽入大田无性滋生;9。 形成具有方针性状的马铃薯。(作者制图)

  争议与前景

  从诞生的一刻首,围绕转基因食品的争议就从未平息。固然还异国任何证据外明转基因食品会对人体健康造成危害,但是对于基因操作过程中能够发生的意料不到的转折,以及其对于健康和环境的永远影响,现在科学钻研还不足深入。所以,很众国家和地区,如美国、英国、法国、澳大利亚、新西兰等,都制定了响答的法律法规,对转基因食品进走标注和厉格管控。

  与此同时,随着克隆技术的不息发展,质粒的“魔力”也越发得以施展,人造构建的质粒DNA序列的克隆、扩添、外达及保存得到了普及的行使。2017年,世界上首对体细胞克隆猴“中中”“华华”诞生,标志着吾国在非人灵长类疾病动物模型钻研中处于国际领先地位。这栽依托质粒载体的无性克隆体系,添速了针对众栽脑疾病(阿尔茨海默病、自闭症等)以及免疫弱点、肿瘤、代谢性疾病的新药研发进程。

 体细胞克隆猴“中中”和“华华”平时生活状态(来源:中科院脑科学与智能技术不凡创新中间) 体细胞克隆猴“中中”和“华华”平时生活状态(来源:中科院脑科学与智能技术不凡创新中间)

  质粒固然是微生物细胞中的极为微弱的组分,但是在生物学的发展中具有相等主要的作用和广大的前景[7] 。它像一把钥匙,掀开了基因的“魔盒”,既为人类带来健康和福祉,又能够引发不幸与搏斗。在生物技术迅猛发展的今天,吾们只有行使益这把双刃剑,才能让质粒不息造福人类,推进社会的可赓续发展。

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