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坎贝尔模型

  由噬菌体将一个细胞基因传递给另一细胞的过程。它是细菌之间传递遗传物质的方式之一。

目录

简史

  1952年N.D.津德和J.莱德伯格在研究鼠伤寒沙门氏菌(Sαlmonella typhimurium)的重组时发现了这一现象。他们将甲硫氨酸和组氨酸营养缺陷型菌株LT-2以及苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸营养缺陷型菌株LT-22分别加入一支U形管的两臂,管的中部用一个玻璃细菌滤片将两臂隔开。培养几小时后,发现在LT-22这一边有不需要任何氨基酸的原养型细菌出现。由于两臂之间是用细菌滤片隔开的,所以导致原养型出现的基因重组不是通过细菌接合,而是通过某种滤过因子将LT-2的基因传递给LT-22。通过对滤过因子的大小、质量、抗血清以及热处理的失活速度和寄主范围方面的全面鉴定,证实它就是沙门氏菌的P22噬菌体。

  进一步的研究证明LT-2菌株在没有游离噬菌体存在的条件下偶尔能裂解并释放有感染力的噬菌体 P22。这种特性称为溶源性,是一种相当稳定的遗传性状。凡能使细菌溶源化的噬菌体都称为温和噬菌体,以不活动的状态存在于细菌细胞中的温和噬菌体称为原噬菌体。原噬菌体在一定条件下可以进入营养生长状态而复制繁殖,并终于导致细胞裂解而释放出噬菌体。因此可以对上述转导现象的过程作这样的推断:当在LT-2细胞中的P22原噬菌体进行DNA复制和繁殖时,它们的外壳蛋白偶尔会错误地将LT-2染色体的某些DNA片断(这上面有苯丙氨酸基因、酪氨酸基因和色氨酸基因)包装到噬菌体内。这种噬菌体在从LT-2细胞释放出来后可以通过滤片去感染LT-22细胞,由此导入的基因再经重组整合到LT-22的染色体上使LT-22原来的缺陷型变成原养型细菌。

  此后这种转导现象就得到广泛的研究,在大肠杆菌( Escherichia coli ) 、肺炎克氏杆菌 ( Klebsiella pneumoniae) 、痢疾志贺氏菌(Shigella dysenteriae)、金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、枯草杆菌(Bacillus subtilis)、 鼠伤寒沙门氏菌等几十种细菌中都有发现,在放线菌和高等动物的细胞株中也有报道。

类别

  转导可分为普遍性转导和局限性转导两类。

普遍性转导

  噬菌体能传递供体细菌的任何基因的转导。鼠伤寒沙门氏菌的 P22噬菌体、大肠杆菌P1噬菌体、枯草杆菌的PBS1、PBS2、SP10噬菌体都是普遍性转导噬菌体。由普遍性转导产生的转导子(即接受了噬菌体传递的供体细胞基因的受体细胞)不具溶源性,说明转导噬菌体中不带有完整的噬菌体染色体,却带有噬菌体在繁殖过程中错误包装的供体细菌的基因。根据噬菌体转导的供体细胞DNA是否整合到受体细胞染色体上,又可将普遍性转导分为完全转导和流产转导。转导的 DNA整合到受体细胞染色体上,并能产生稳定的转导子的转导称为完全转导;转导的DNA不整合到受体细胞的染色体上,虽然不能继续复制,但仍然表达基因功能的转导称为流产转导。在流产转导的情况中转导子在每一次细胞分裂时只把噬菌体转导的 DNA传给两个子细胞中的一个,所以即使经几次分裂产生许多细菌,也只有其中的一个细菌细胞得到噬菌体转导的DNA,这是一种单线遗传的方式。在同一次转导中,流产转导的细胞往往多于完全转导的细胞。

局限性转导

  噬菌体只能传递供体染色体上原噬菌体整合位置附近的基因的转导。λ噬菌体和φ80噬菌体是大肠杆菌K-12的局限性转导噬菌体。λ噬菌体只能转导大肠杆菌 K-12染色体半乳糖基因(gal)和生物素基因(bio) 等少数基因。φ80噬菌体只能转导色氨酸基因(trp)、胸腺嘧啶激酶基因(tdk)等少数基因。产生这种现象的原因是由于在溶源化过程中噬菌体总是整合在供体细胞染色体的特定位置上,当溶源性细菌受紫外线等因素诱导后原噬菌体便脱离细菌染色体而进行复制,一部分原噬菌体脱离寄主染色体时带有邻近的染色体基因,这些噬菌体便是转导噬菌体。

  λ噬菌体的整合和转导噬菌体的形成机制首先由 A.坎贝尔所推测(见图),以后经实验证明。

  当用λ噬菌体转导发酵乳糖的基因时,大约106被感染的细菌中出现一个转导子。这一事实说明大约106噬菌体中只有一个带有发酵乳糖的基因,这是低频转导。当λ噬菌体整合到寄主细胞后,带有发酵乳糖基因的λ噬菌体也整合到寄主染色体上,成为双重溶源化细胞。这种细菌用紫外线诱导时,非转导的和转导的噬菌体同时脱离细胞染色体而复制繁殖,两个噬菌体中就有一个带有发酵乳糖的基因。用这种细胞释放的噬菌体转导发酵乳糖基因,就可以得到50%的转导子,这种转导称为高频转导。

应用

  转导是细菌的遗传学研究中的一种常用研究手段。它可以用来在细菌间转移基因,进行互补测验(见互补作用),进行基因定位,特别是通过共转导方法进行基因的精细结构分析。在遗传工程中可以把所要克隆的基因通过重组DNA技术插入到λ噬菌体的DNA中,然后通过离体包装方法把它用噬菌体外壳蛋白包装起来,再去感染寄主细胞以制备基因文库

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