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啥是质粒从生物武器到转基因食物都跟它有关

2020-01-14 02:49:57 作者:责任编辑NO。蔡彩根0465

质粒究竟是什么?病毒?生物兵器?万恶之源?在它身上究竟有何奥妙与奇特之处?

撰文 |贺文辉(陆军军医大学根底医学院生物化学与分子生物学教研室)

DNA储存着世代相传的遗传信息,被誉为“生命的暗码”。从沃森和克里克发现DNA双螺旋结构的那一刻起,DNA的“魔幻之盒”被翻开,越来越多不相同的DNA分子被解密。研讨发现,大多数DNA分子呈线性结构,例如人的染色体DNA,假如将单个体细胞中的DNA分子悉数翻开,长度可达2-3米。可是有一类存在于细菌中的DNA分子却呈环状,络绎在众多的DNA分子国际。尽管它的巨细只要细菌染色体的千分之一,却法力无量——它便是奇特的“质粒”(plasmid)。

左:细菌染色体DNA的线性结构;右:质粒的环状结构

(By User: Spaully on English wikipedia - Own work, CC BY-SA 2.5,https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2080850)

似病毒而非病毒

20世纪40年代,炭疽热横行美洲。这是一种人畜共患的急性流行症,起先流行于美国德克萨斯州的鹿群,构成大批鹿群逝世。随后在人群中发现了相同的症状:皮肤坏死、溃疡、焦痂、毒血和安排广泛水肿……终究,感染者因呈现肺、肠和脑膜的急性感染而丧身[1]

科学家们企图经过寻觅感染源来霸占这一流行症。他们发现,真凶是炭疽杆菌中的一种毒性物质。而且,他们都认为这种物质为病毒,经过快速繁衍而感染宿主细胞,引发动物或人患病。直到1950年,美国生物学家乔治·莱德伯格(Joshua Lederberg)才证明这种物质并非病毒,并于1952年将其命名为“质粒”。

质粒是一种巨细在1-200kb不等的环状DNA分子,独立于细菌染色体之外,而且具有自我仿制才能。细菌中的质粒含量最为丰厚,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、闭合、环状、小型的双链超螺旋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用,莱德伯格斩获了1958年的诺贝尔生理学和医学奖。那么,质粒与病毒究竟有何异同,为何能利诱科学家如此之久?首要,质粒与病毒相同,都能进行自我仿制,快速繁衍;其次,它们都能赋予宿主必定的表型,引发性状改动。但两者的不同也很清晰:病毒是由一个核酸分子(DNA或RNA)与蛋白质构成的非细胞形状,是寄生于生命体乃至非生命体的侵略有机物种。一般的病毒都有两到三个组成成分:RNA或DNA,蛋白质,脂质(部分病毒没有)。而质粒只要一种成分,即DNA,而且质粒仍是细胞的组成部分。

尽管病毒和质粒并不相同,但存在千丝万缕的联络。2017年,澳大利亚新南威尔士大学的研讨团队在南极调查时,在古细菌体内发现了一种特别的质粒,它的表面和行为都很像病毒,却短少标明其是病毒的基因。可以说,这是一种带有病毒特点的质粒。研讨团队据此估测,最早呈现的病毒或许便是从这样的质粒进化而来的[3]

不安分的独行侠

质粒DNA好像“黑客”一般,可以脱节宿主染色体DNA仿制调控系统的捆绑,独立“编程”自主仿制。这首要归功于质粒DNA上的仿制开端位点,可以敞开本身的仿制,还有相应的调控基因,可以操控仿制的频率。这在某种程度上预示着质粒可以改动宿主细菌的特性,然后发挥效能。

此外,质粒还具有可搬运性。在天然条件下,凭借细菌的接合效果,绝大多数野生型质粒可以从一个宿主细胞搬运至另一个宿主细胞,乃至还可以进入亲缘联系较近的不同种宿主菌中。这一进程依赖于质粒搬运相关基因——mob基因的表达产品与其他蛋白因子的相互效果:mob基因编码移动相关蛋白,在tra搬运蛋白的结合效果下,将质粒搬运到新宿主细胞的nic缺口位点,质粒即可经过缺口进入到新的新宿主细胞中[4]。可是,一山不容二虎,假如两种质粒具有相同或类似的仿制子结构及调控形式,它们就不能稳定地存在于同一宿主细胞内,这种现象称为质粒的不相容性。

生物兵器黑前史

质粒的宿主细菌许多,有咱们熟知的大肠杆菌、枯草杆菌,还有令人丧魂落魄的炭疽热芽孢杆菌(炭疽杆菌)。依托这一菌种研制的生物兵器——炭疽弹,是人类开端知道病原菌后研制的第一个生物兵器。

1870年,科学家罗伯特·科赫(Robert Koch)别离出炭疽杆菌。他发现这种细菌生命力极强、易培养、稳定性高,体外保存六个月仍能坚持满足的毒性和感染性。可是,科赫其时并不知道炭疽杆菌丧命的真实原因。直到19世纪末,科学家才发现炭疽杆菌毒力因子的来历是pXO1和pXO2两个质粒。其间质粒pXO1含有编码产毒基因,可以发生毒力因子和各种毒素,质粒pXO2含有编码细菌荚膜蛋白组成所有必要的基因。两个毒性质粒互相依存,任何一个质粒缺失都将下降炭疽杆菌的毒性,发生减毒株[5]

炭疽杆菌电镜调查图(来历:美国CDC - Janice Haney Carr)

第一次国际大战期间,德国特务部门将炭疽杆菌装入可消化试管,包埋于饲料傍边,以毒杀中立国的军马,拉开了现代细菌战的帷幕。1928年,苏联生物兵器之父雅科夫·费什曼(Jacov Fishman)发现炭疽杆菌有很高的强度和耐性,能接受爆破冲击和枯燥处理,因而可以装入炸弹、炮弹和导弹,完成兵器化,未来或许成为对人类要挟最大的一种生物战剂[6]。1939年,臭名远扬的日本731部队在我国华中浙、赣区域许多培养炭疽杆菌,并用活人进行细菌试验及细菌兵器效能试验,致使我国军民大批逝世。其间HA型炸弹(哈弹)即为炭疽杆菌炸弹,外型酷似一般的钢壳炸弹,而内含的榴霰弹一旦爆破,炭疽杆菌就会经过创伤感染杀伤方针,一起构成可连续数十年的地上污染。1942年,英国征用了苏格兰的一个小岛——格林亚德岛进行炭疽杆菌试验,方案向德国草场投进炭疽弹杀死大批家畜,以堵截肉食供给(因而该方案又称“素食举动”),一起制作全国性的炭疽热迸发,以除去希特勒的纳粹政权。二战完毕后,美国一向隐秘进行炭疽战剂的研制,如R-400型炸弹。可是,美国在2001年遭受了史无前例的生物恐怖袭击,被称为“美国炭疽事情”。这一事情引起了全球规模的军事反思,各国连续开端实行《制止生物兵器条约》,生物兵器的研制意图从进犯转为防护。炭疽杆菌的研讨严厉限于试验室内进行,包含炭疽杆菌的基因改造以及疫苗的研制。现在,包含我国在内的许多国家现已研制出炭疽杆菌疫苗。

炭疽杆菌疫苗(来历:疫苗出产商Emergent BioSolutions)

亦魔也亦佛

当然,质粒并不是万恶之源。20世纪70年代,科学家开端对天然野生型的质粒进行改造,并使用于基因工程技能,敞开了基因工程新的大门。在保存天然质粒优势的根底上,人工改造的质粒增加了抗性符号,人们可以精确的经过需求挑选不同的菌株。一起,质粒上还可以设计多克隆位点,使用相关的酶将质粒分子翻开,接入外源DNA,使用质粒自我独立仿制的特性,将外源DNA的信息传递给宿主细菌,然后完成性状的改造。

构建重组质粒的进程:1.获取含有质粒的菌株;2. 提取质粒并用相应的酶剪切质粒;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. 新的菌株取得新的性状。(来历: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)的发现具有划年代含义,引导人类进入转基因技能年代。Ti质粒是存在于根癌农杆菌细胞拟核区之外的能自主仿制的双链环状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·舍尔(Jozef Schell)证明,这种Ti质粒能将外源基因整合到宿主植物的基因组中,发生优秀性状,如抗病虫灾、抗盐碱、耐除草剂、延伸果蔬贮存期等,使用这一进程还可出产药物、抗体、疫苗等。

与Ti质粒相关的使用中,最引人注意图是转基因食物。从理论上讲,人类可以终究靠Ti质粒转化手法,依照自己的志愿改造植物,得到所需求的食物。事实上,自从1983年科学家将来自细菌的氯霉素抗性基因转入烟草中,并取得国际上第一例转基因植物开端,人类就没有中止转基因食物的研制。渐渐的变多的转基因食物走出试验室,走进人们的日子,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片段经过PCR技能进行体外扩增,组成之后使用各类酶剪切DNA片段,再把产品拼接于Ti质粒多克隆位点处,得到重组质粒。重组后的质粒经过根癌农杆菌介导,侵染马铃薯愈伤安排,作物即可取得外源抗旱基因,然后表现出耐旱性。

转基因马铃薯培养进程:1. 获取Ti质粒;2. 获取意图基因;3. 构建重组质粒;4. 根癌农杆菌介导转化侵染薯块;5. 构成愈伤安排;6. 愈伤安排发芽成苗;7. 试管苗结薯;8. 结成的小薯种入大田无性繁衍;9. 构成具有意图性状的马铃薯。(作者制图)

争议与远景

从诞生的一刻起,环绕转基因食物的争议就从未暂停。尽管还没有一点依据标明转基因食物会对人体健康构成损害,可是关于基因操作进程中或许发生的意想不到的改变,以及其关于健康和环境的长时间影响,现在科学研讨还不行深化。因而,许多国家和区域,如美国、英国、法国、澳大利亚、新西兰等,都拟定了相应的法令和法规,对转基因食物进行标示和严厉管控。

与此一起,跟着克隆技能的持续不断的开展,质粒的“法力”也越发得以发挥,人工构建的质粒DNA序列的克隆、扩增、表达及保存得到了广泛的使用。2017年,国际上首对体细胞克隆猴“中中”“华华”诞生,标志着我国在非人灵长类疾病动物模型研讨中处于国际领先地位。这种依托质粒载体的无性克隆系统,加快了针对多种脑疾病(阿尔茨海默病、自闭症等)以及免疫缺点、肿瘤、代谢性疾病的新药研制进程。

体细胞克隆猴“中中”和“华华”日常日子状况(来历:中科院脑科学与智能技能杰出立异中心)

质粒尽管是微生物细胞中的极为细小的组分,可是在生物学的开展中具有十分重要的效果和远大的远景[7]。它像一把钥匙,翻开了基因的“魔盒”,既为人类带来健康和福祉,又或许引发灾害与战役。在生物技能迅猛开展的今日,咱们只要使用好这把双刃剑,才能让质粒持续造福人类,推动社会的可持续开展。

参考文献

[1] Dibyendu Banerjee, Baishali Chakraborty, Banya Chakraborty. Anthrax: Where Margins are Merging between Emerging Threats and Bioterrorism[J]. Indian Journal of Dermatology, 2017, 62(5):456-458.

[2] BIRNBOIM,H C. A rapid alkaline extraction method for the isolation of plasmid DNA[J]. Methods in Enzymology, 1983, 100.

[3] Erdmann S , Tschitschko B , Zhong L , et al. A plasmid from an Antarctic haloarchaeon uses specialized membrane vesicles to disseminate and infect plasmid-free cells[J]. Nature Microbiology, 2017, 2(10).

[4] María Pilar Garcillán-Barcia, María Victoria Francia, Cruz F D L . The diversity of conjugative relaxases and its application in plasmid classification [J]. FEMS Microbiology Reviews, 2009, 33(3):657-687.

[5] Genomic Characterization and Copy Number Variation ofBacillus anthracisPlasmids pXO1 and pXO2 in a Historical Collection of 412 Strains[J]. Msystems, 2018, 3(4).

[6] Sou-ichi, Makino.[Anthrax as a biological weapon].[J].Shokuhin eiseigaku zasshi. Journal of the Food Hygienic Society of Japan,2002,43(3):J228-32.

[7] Smalla K , Top E M , Jechalke S . Plasmid Detection, Characterization, and Ecology[J]. Microbiology Spectrum, 2015, 3(1)

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