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转化过程中供体DNA整合过程模式

  某一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一基因型的细胞的 DNA而使它的基因型和表型发生相应变化的现象。这现象首先发现于细菌,也是细菌间遗传物质转移的多种形式中最早发现的一种,它不同于通过噬菌体感染传递遗传物质的转导以及通过细菌细胞的接触而转移DNA的细菌接合

  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病毒载体引入宿主细胞的一种重要手段(见重组DNA技术)。 它也可能为育种和遗传性疾病的基因治疗提供新的途径。

  转化现象1928年英国学者F.格里菲思在肺炎双球菌中发现的。他把不产荚膜的无毒的粗糙型肺炎双球菌和加热杀死后的产荚膜的有毒的光滑型肺炎双球菌混合注射小鼠,发现小鼠意外地被感染致死,而且从小鼠的血液中分离出活的产荚膜的肺炎双球菌。不久又发现产荚膜细菌的无细胞抽提物同样能在试管中使不产荚膜的细菌变为产荚膜的细菌。1944年美国细菌学家O.T.埃弗里等从元素分析、酶学分析、血清学分析以及生物活性鉴定等方面证实了无细胞抽提物中引起肺炎双球菌荚膜转化的转化因子是脱氧核糖核酸(DNA),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,已经在流感嗜血杆菌(Hemophilus influenzae) 、链球菌(Streptococcus)、沙门氏菌(Salmonella) 、奈瑟氏菌(Neisseria)、根瘤菌(Rhizobium)、枯草杆菌(Bacillus subtilis) 、大肠杆菌(Escherichia coli)等几十种细菌中报道了转化现象,所转化的性状包括荚膜、抗药性、糖发酵特性、营养要求特性等等。它们的转化因子都是DNA。

目录

细菌的转化

转化过程

  包括有转化能力的染色体DNA片段的吸附、吸收和整合 3个阶段。外源DNA首先吸附在细菌细胞表面的一些接受位点上。肺炎双球菌和枯草杆菌等细胞的接受位点没有专一性,它们能吸附同种的DNA,也能吸附大肠杆菌的DNA。流感嗜血杆菌的接受位点则只能吸附近缘细菌的DNA。DNA在和细菌刚接触时可以被洗去,在稳定吸附以后便不能洗去,但还能被核酸酶水解。DNA 被细胞吸收以后便不能被外源的核酸酶水解。能吸附的 DNA主要是双链状态的,在通过细胞膜进入细胞的吸收过程中 DNA分子转变为单链,并以这种形式整合到细菌染色体上。整合过程又可以分 5个步骤(见图)。

  外源基因整合后,通过基因表达使受体细菌的表型发生相应的变化。图中所示的转化模式至少对于肺炎双球菌和枯草杆菌来讲是正确的。

质粒

  DNA的转化和染色体DNA的转化有显著的不同。在一般情况下前者的转化效率远远低于后者。但如果先用一定浓度的钙离子处理大肠杆菌细胞,再用质粒DNA和染色体 DNA对它做转化实验则情况恰好相反。此外,质粒 DNA很容易进入去掉了细胞壁的细菌的原生质体,说明对它的吸收并不通过专门的接受位点;质粒 DNA的转化过程没有整合这一环节。

影响因素

  许多因素可以影响转化效率。受体细菌和供体细菌的亲缘关系愈远则转化效率愈低,这主要是受吸附位点专一性和染色体的同源程度的影响。DNA 分子的联会是供体DNA整合到受体DNA上的先决条件,联会一般只发生在同源染色体之间,而亲缘关系愈远则同源性愈低,所以转化效率也愈低。但细菌间染色体的某些部位如核糖体基因部位在进化过程中很少发生变化,而有些性状如红霉素抗性和链霉素抗性等都是由于与核糖体有关的基因发生突变而使核糖体蛋白结构改变的结果,所以如果所转化的是红霉素或链霉素抗性基因或者和它们紧密连锁的其他基因,则转化效率便较少受细菌的亲缘关系的影响。

  同一种细菌也可以由于基因型的改变而改变转化效率。细菌的限制性核酸内切酶能够分解外来的 DNA,所以如果用限制酶失活的突变型菌株作为转化受体时可以提高转化效率。通过筛选也可以得到转化效率显著下降的突变型,包括吸附能力、吸收能力和整合能力下降的突变型。某些转化效率降低的突变型对于紫外线格外敏感,这一性质也是许多丧失了DNA损伤修复能力和丧失重组功能的突变型的特性,可见转化过程中的DNA的整合和DNA损伤修复以及基因重组都涉及某些相同的酶。

  基因型完全相同的细菌可以由于生理状态的改变而改变转化效率。能够吸收外源 DNA的生理状态称为感受态。许多细菌的感受态都在对数生长期的后期迅速出现,经过一段时间以后便消失。感受态的细菌和非感受态的细菌相比,转化效率可以高出万倍。

  从处于感受态的肺炎双球菌和链球菌中曾分离出感受态因子。感受态因子是蛋白质,它能使非感受态细菌转变为感受态,并有一定的种族特异性。

  某些外界因素可以影响转化效率,例如一定浓度的钙离子能够提高大肠杆菌、流感嗜血杆菌、金黄色葡萄球菌等的转化效率。又例如流感嗜血杆菌吸收双链 DNA分子的最适pH是6.8,pH下降到5.5以下便不能吸收。温度对于转化也有影响,在肺炎双球菌和嗜血流感杆菌中外源 DNA的整合在一定范围内都随着温度的上升而提高。

  细菌的转化多数是在人为条件下进行的。在自然条件下已经知道肺炎双球菌的转化可以在小鼠体内进行,奈瑟氏菌细胞自溶所释放的 DNA可以转化周围的细胞。细菌转化的生物学意义还有待于进一步研究。在不能或不易通过细菌接合或转导作遗传学分析的细菌中,转化可以作为一种研究的手段。

  转染是转化的一种特殊形式,是用除去蛋白质外壳的病毒(包括噬菌体)核酸感染细胞或原生质体的过程。与一般的转化过程的区别在于:①转染过程中进入细胞的是完整的病毒 DNA,而通过转化进入受体细胞的则是染色体DNA的片断或质粒 DNA;②转染过程中病毒DNA一般不整合到染色体上,但转化过程则往往涉及 DNA的整合;③转染效果可用单位量的 DNA引起的病斑或噬菌斑的多少来表示,转化效果则用一定量的 DNA所带来的被转化的受体细胞菌落数目来表示。

真核生物的转化

  在酵母菌、脉孢菌和植物细胞中转化的主要障碍是细胞壁。把细胞壁用酶消化后便能有效地转化。高等动物细胞的转化大多是在离体培养细胞中发现的,例如小鼠细胞、鸡胚细胞和人的海拉细胞等,这些细胞常以胞饮方式摄取物质。使供体 DNA形成磷酸钙沉淀能显著地提高转化效率。由于高等动植物细胞的转化频率远远低于细菌,因此一个转化实验能否成功在很大程度上取决于选择性培养基和选择性标记的恰当使用。例如在一个哺乳动物细胞的转化系统中,用取自疱疹病毒(HSV)的胸腺嘧啶核苷激酶(TK)基因DNA去转化相应的缺陷型细胞TK-,并用 HAT培养基来筛选有TK+基因标记的转化细胞便能成功(见体细胞遗传学)。在同一转化系统中,如果把大量没有选择性标记的 DNA混合少量有TK基因选择标记的DNA去转化TK-细胞,这样得到的TK+细胞中将有一小部分也为无选择性标记的DNA所转化,这种现象称为共转化。

  在高等动物中虽然现在还不能进行活体的转化,但可以把转化细胞注射到活体中,使它们取代活体中未转化的细胞。例如可以用抗氨甲蝶呤的小鼠细胞株的 DNA片段转化体外培养的小鼠骨髓细胞(这些细胞有特定的染色体标记,易于与受体小鼠的骨髓细胞相区别),然后把转化的骨髓细胞注入受体小鼠的骨髓。在一段时间后这些小鼠的骨髓中可以检出抗氨甲蝶呤的细胞。如果为接受注射的小鼠经常注射氨甲蝶呤,随着饲养时间的推移可以看到带有特定染色体标记的细胞的百分数逐渐增加,此种情况说明抗氨甲蝶呤的细胞经过细胞分裂增殖而部分地取代了未转化的细胞。这样的工作显然是向基因治疗这一目标跨出的第一步。在高等植物中某些体细胞能在一定的培养条件下生长成完整的植株,因此便有可能通过转化培养细胞培育成不同基因型的新种植株。

  在真核生物的细胞生物学研究中,转化这一名词还有另一种意义,这就是由致癌的RNA或DNA病毒感染真核细胞引起的细胞癌变现象。进入细胞的病毒基因组 DNA往往整合到被转化的细胞的染色体上。为了明确起见,这种转化有时又称为细胞转化。

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