微生物遗传学：微生物与人DNA编码、排列和使用方式的差异化

本章内容源于我在本书中多次谈到的一个话题，即微生物的可变性和适应性以及发生突变的能力。那么变异是怎样发生的呢？这些变异是否能被控制和诱导呢？

我想大多数读者都了解DNA在遗传中的重要性。DNA是脱氧核糖核酸的缩写，是存在于所有生物中的一种化学物质，正是它决定了一种生物是什么样子。RNA病毒等细菌病毒不含DNA；朊病毒也没有DNA，不过如我在第二章中所说的，我并不想把它视为生物。我们现在已相当清楚DNA的精确组成和结构，它是由一串碱基与脱氧核糖、磷酸基团组合而成的。其中作为基本组成的碱基只有4种，分别为腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶，缩写符号是A、T、G和C。在像大肠杆菌这样的微生物中，DNA是一个很大的分子，碱基排列很长，若把它们拉直，有的可达4厘米，而大肠杆菌本身只有约万分之二厘米。确切地说，DNA经卷曲再卷曲后形成的紧密束状结构，被称为染色体。它就像现代电话的听筒与机身之间的连线，很容易自身卷曲。也许它更像电话线内部的双股线，因为DNA就是双链结构，而且也是一圈又一圈地卷曲着。DNA卷曲的正确名称叫螺旋，而大肠杆菌的染色体是一个双螺旋结构，事实上，在大肠杆菌中，它是个环状结构，就像把电话线的两端连接了起来。DNA的两条链有一个重要的特性：即如果一条链上有一个A，那么另一条链对应的位置必为T，相应地，G对应于C。如果有一段DNA的碱基是—GCCATTAG—，则另一条就是—CGGTAATC—。这两条链为互补链。4种碱基的排列随物种的不同而不同，因此，有多少种生物，就有多少种不同的DNA。DNA分子就像是编码的“磁带”，拥有4种符号（即碱基），可以由此决定构成某种生物的各种酶和结构成分，以及它们大致的数量。每一种生物都有决定它性状的特殊的“磁带”；在多细胞生物中，每个细胞的核里都有这种“磁带”，而且除生殖细胞外，它们全是双倍的。

如我前文所述，大肠杆菌的染色体呈环形，只不过该环是紧紧折叠着的——多数其他细菌和许多DNA病毒的染色体也是如此。此外，少数复杂情况也是存在的：某些细菌有几个同样的染色体；色柔氏螺旋体的染色体是直线形的，其头端和末端呈绳结样，但它也是紧密折叠的；大多数细菌具有额外的DNA小环，名为质粒，其重要性本章接下来就会谈到。相较于动物和植物这类高等有机体，细菌和病毒的DNA结构其实很简单。高等有机体是更复杂的生物，其DNA含量更高，成对地分布在细胞核内多条（人有46条）不同的染色体里。在两性繁殖过程中，双亲各提供每条染色体的一个副本给予子代，因而使后者具有来自双亲的杂种核。高等有机体核外细胞器中也有少量额外的DNA；细胞器DNA不参与性繁殖过程，只在母系中代代相传。动植物和细菌还有许多其他的遗传学差别，比如编码于DNA的信息在带核有机体里的排列方式，以及信息的使用方式等，但动植物的DNA密码本质上与细菌是相同的。

与人类的语言进行一下类比，或许有助于读者们增进理解。DNA密码就像写有遗传指令的普通字母，但有核和无核生物各有语法上相别的不同语言指令。这种情况使人联想起法文和德文的差别，虽然它们有一些共同点，比如共用的词根，以及纵然古老但意义相同的句型，但它们毕竟是两种语言。更何况，语言还存在区域性方言、当地惯用语甚至家庭习语等，因此，尽管植物、动物和微生物有共用的DNA“字母”，但它们的每个种甚至每个品系的DNA碱基顺序都各不相同。这些差异可被用于生物的鉴别和分类，我将在后文深入讲解。

在过去50年里，DNA复制的方式和决定生物性状的方式，一直是生物学家们研究的热点。大约50年前，DNA被确认为基因的化学形式，执行着将生物的遗传特性代代相传的任务。生物学家曾致力于遗传学研究，该领域始于19世纪孟德尔（Mendel）的研究，但直至20世纪40年代初才开始取得巨大的进展，这一进展是美国科学家们针对脉孢霉的遗传学实验。经紫外线、X-射线或某些化学药物作用后，这种容易长在面包上的霉菌会发生变异，产生缺失某种生化性能的突变体，例如不能合成某些维生素。科学家们适当地杂交了这些突变体，对后代进行了系统地研究，然后得出了这样一个结论：一个基因决定一种酶的合成。细菌在相似条件下可以产生类似的突变体这一发现，开创了微生物遗传学研究的一个成果累累的时代，并揭示了微生物各种组成成分的化学合成途径。如果说生物化学在战前20年间集中研究的是天然产物的降解，那么战时及战后10年内，它研究的是这些产物的合成，而微生物（主要是细菌和霉菌）是主要的研究对象。由于代谢途径一个接一个地被揭示出来，研究的重心因此转移到了细胞是怎样控制合成的，即细胞是怎样接受指令，然后决定该合成什么及合成多少的。

到20世纪50年代，我们已经清楚了DNA在这些过程中的重要作用。DNA携带着细胞的所有遗传信息。某些信息从DNA被传递至核糖体（细胞合成其各种物质的中心），另一些信息则潜伏不动；直至某种化学刺激解除了后者的潜伏状态，它们才发送信号并启动某种新物质的合成。信号传递及解释的过程还涉及一种叫作RNA的化学物质，它的基本化学结构与DNA类似，但碱基种类不尽相同，把碱基连接在一起的糖的种类也不同。一种RNA把遗传信息从DNA携带至核糖体，告知需合成哪种蛋白质；另一种RNA本身就是核糖体的一部分；第三种RNA则将氨基酸运至核糖，以便连接成蛋白质。整个过程非常精妙而且调控得当，因此物质合成能够按时进行并且数量适宜。其间有几种调控方式，如反馈调控，它存在于蛋白质的合成途径中，使一系列反应的产物合成减慢甚至停在前面的步骤，从而保证生物不至于过度合成某种成分。

我在前面几段文字中提到过RNA病毒，而RNA在解读和使用DNA时所起的作用，恰好可以解释RNA病毒存在的原因。它们是植物和动物中常见的重要病原体，由盘绕成环状或绳状的RNA（不是DNA）构成，有时是像DNA那样的双链，但更常见的是单链。许多RNA病毒颇像一团胡乱捆扎的带有信息的RNA，在侵犯宿主细胞后，其基因解读机制发生改变，更多地为自己编码；其他一些则迫使宿主把它们的信息转变成DNA，以便产生更多的病毒RNA。RNA病毒是基因奇特、种类繁多的微生物群，新品种不时出现；它们的特性、侵入方式和繁殖方式是一个重要课题，但这里我不再展开讨论。

我把DNA称作带有遗传信息的“磁带”，这个比喻是很贴切的，因为碱基A、T、G和C在DNA中的排列顺序决定了蛋白合成中氨基酸的排序。例如，三联密码ATG代表蛋氨酸，ATA则代表异亮氨酸。一个基因就是一个长约1000个碱基的DNA序列，它编码被合成的蛋白质的氨基酸顺序。我们现在已经知道了这个密码，即三个碱基决定一种氨基酸。在基因之间延伸较短的碱基序列起着标点的作用：它们告诉解读机制在何处停止、开始或减慢。清楚了基因的碱基顺序及起止符号，分子生物学家就能精确地说出由它指明的蛋白质的化学组成，而近15年来发现的多数蛋白质结构都经此法被阐明了。

我们对分子遗传学的认识在过去40～50年里迅速深入，其内容之丰富远超本书篇幅，所以我不再讨论其发展细节。微生物遗传学是了解大多数生物遗传规律的敲门砖，在过去50年里，它所引发的生物学进展可与20世纪初原子化学的繁荣相提并论。道尔顿（Dalton）提出的原子这一概念揭示了一种物理实体，同样地，孟德尔的基因也展示了一种化学实体，而且我们已经深入地理解了它们的结构和功能。生物学家们的研究热情使本学科的分支得以重新命名，比如我所研究的领域，就在不同的时期分别被称为生化遗传学、分子遗传学和分子生物学。虽然名称略显混乱，但新科学还是最能吸引研究经费的。科学家们也有自己的时尚和潮流，而目前生物学家对分子生物学的热情就是其中之一。

背景知识描绘完了，终于可以给大家讲一讲变异这个话题了。简单地说，变异就是生物的DNA发生了化学变化。例如，当微生物暴露在紫外线、X-射线及其他化学物质之下时，其DNA因对这些因素敏感而受到损害。微生物可能通过增殖其正常部分来修复损伤，也可能无法修复而使DNA部分密码子发生错误。当密码子发生了严重变异时，微生物可能因无法繁殖而死亡；如果损伤轻微，微生物将继续繁殖，但其遗传特性会发生变化。所谓轻度损伤，就是指遗传密码中的A变成T（或G变成C），因而它们编码的氨基酸将发生改变，甚至整个三联密码子会丢失。上述变化只引起编码蛋白质略不同于天然蛋白质。该变异蛋白质的功能或许没有改变，或许发生了改变，或许功能部分丧失，无论是哪种情况，微生物都将经受变异，而其后代则成为突变体。对科学家而言，微生物的价值就在于它们可以提供大量的突变体，而且操作和研究起来都比较简便。

变异其实是自发产生的。大约1000万个大肠杆菌中就有一个发生了某种变异。变异是微生物变化的一种方式，以此适应改变了的环境。DNA中隐藏信息的启动是变异的另一机制。第三种机制名为遗传重组，是科学家们在研究突变体时发现的。假设一种需要维生素X的生物经过两次变异，变成了一个突变株，需要3种维生素，姑且称之为X、Y、Z。再假设这个生物有另一个突变株，需要维生素A、B、C，那么如果二者在同一培养基中共同生长，其后代将会有需要X和B、X和A、Y和C等多种情况。很显然，ABC型和XYZ型个体之间发生了遗传物质的转移。电子显微镜图像显示，这一过程通常发生于群体中个体间的有性接合。细菌接合现象很少见，但某些肠道菌株的重组率是很高的，因而被称为高频重组菌株，简称HFR菌株。该过程与性行为有相似之处，可能是高等生物有性生殖的进化前身。虽说细菌的接合有些不同之处，但是一个起码的事实是不变的，那就是接合过程中，雄性的特性被传递给了雌性（或受体）细胞。HFR菌株中决定雄性特征的遗传因子与染色体DNA上的遗传物质一同被转移。尽管如此，大多数接合细菌的雄性（或供体）基因并不在染色体上，而是位于一种名为质粒的小染色体上。质粒的种类很多，在过去的30年里，它们在微生物学中发挥了重要的作用，所以我得再次岔开话题谈一谈它们。

●一个质粒。从一种链霉菌中提取的DNA的高分辨率电镜照片。中央的“珠串”是一个质粒DNA分子，它在制备过程中被解旋；它可被看成一个呈封闭的环。［照片由约翰·英尼斯研究院的比布（M. Bibb）博士提供］

质粒多半是一些环状卷曲的小DNA，与染色体共同存在，但自身独立复制。大的质粒相当于染色体大小的1／4，小的却不足后者的1%。它们携带着各种各样的遗传信息，并不总是雄性特征。然而，一旦携带了雄性特征，它们便能同其他基因一道从一个微生物转移至另一个微生物。在质粒携带的基因中，熟为人知的包括各种抗生素的抗性因子。某些质粒同时带有2～3个抗性因子，因而造成了第三章中提到过的医疗问题。大多数细菌都有质粒，通常还同时携带好几个，但其功能尚不明了。尽管如此，自我传递的（有性的）质粒却可以携带大量的遗传信息进入受体微生物，从而改变其遗传特性。第215页的示意图显示的是一种质粒的结构。自我传递的质粒有时是拉着其他DNA（可能是染色体或其他质粒）一道进入受体微生物的——共转移是这个行为更准确的名称。上述接合作用是微生物遗传变异的主要方式。一些质粒能够在不同属的细菌间转移，比如大肠杆菌的抗药性可以传给沙门氏菌。于是，在牛的集约化养殖场里出现了一个令人担忧的问题，那就是假若小牛被具有抗药性的沙门氏菌侵染，这种抗性就会被传递给它们自身的肠道细菌，尽管这些细菌并没有接触过该种抗生素。

我说过，质粒是遗传信息的携带者，使大肠杆菌这类细菌有接合作用，但编码于质粒DNA中各种信息的多样性着实令人吃惊。微生物学者最担忧的，当属对抗菌药物的抗性，毒性倒还在其次，因为他们发现了如此多的抗药质粒。例如，声名狼藉的O157品系（来自良性的大肠杆菌）及少数其他令人厌恶的大肠杆菌菌株，其致病性就是由质粒上的基因引起的；而使本来无害的水生弧菌转变成危险的霍乱病原——霍乱弧菌的基因，也位于两个质粒样的小体上。不过质粒也有积极作用，使土壤细菌——根癌土壤杆菌转化为烈性的致瘤植物病原体的质粒，就在植物遗传工程中有着无法估计的价值。质粒携带的遗传信息量有时相当可观：在根瘤菌（即与豆科植物共生的固氮细菌）中，其辨认植物对象、建立协作关系及制造固氮酶等活动的“蓝图”，通常就存于较大的质粒中。各种细菌质粒所具有的其他性质，是以某些有机化合物为食的能力，以及制造对其他细菌有毒的物质的能力。大体说来，对于容其栖身的微生物，质粒似乎具有一些有益的特性，虽然这些特性似乎并不是细菌时刻需要的。(www.xing528.com)

●一R100质粒的示意图。该质粒使其宿主具有生育力，以及对5种不同的抗菌物质的抗性。相关基因在DNA环上的位置是已知的。

你或许会问，为什么细菌总要有质粒？它们不是已经有携带着大量基因的完好染色体了吗？这个问题恰中要害。我前文提到过，除了细胞内的染色体，所有细胞生物（包括我们自己在内）在名为细胞器的结构内也带有少量遗传信息。比如名叫叶绿体的颗粒状细胞器，它居于植物细胞内，使植物呈绿色；在动物细胞中的细小结构叫作线粒体，其基本作用是产生能量。生物学家经常把这类细胞器携带的分散基因团，看成宿主生物遗传结构演进过程中的遗留物，即远古时期共生者的遗骸，它们是在进化历史的早期掺入细胞中的——我在第十章中还要谈到这点。细菌中质粒含量之丰富可以从上述情况得到解释：某些质粒或许来自某些细菌病毒，后者碰巧拥有对宿主有用的遗传信息，而宿主对它也能适应。例如，使霍乱弧菌具有致命性的质粒样结构，就比传统的质粒更像病毒。不论质粒来自何处，它们现在似乎已成为各类细菌的一种“基因库”，即集装有生物信息的遗传因子储仓，其中的储备通常派不上用场，但如果环境发生了变化而需要利用它们携带的信息时，它们就会被调动出来。由于具有可移动性，质粒能够在细菌的系间、种间甚至属间进行交换，在一定程度上为细菌（对一群生物来说这很不寻常）提供了基因交流的紧急通道。这就是质粒在生物工程中那么有价值的原因：质粒的某些性质对人非常有用，此外，科学家们眼下能修饰和开发质粒，从而改变微生物和其他有机体的遗传性，这是很有用的。对此，我稍后将详细介绍，现在我得把话题转回到微生物的遗传变异上。

转化是微生物变异的第二种方式。细菌有时可以从环境中吸收完整的DNA，因此，当我们把一种细菌（P）的DNA加入另一种细菌（Q）的培养液时，一部分细菌Q便会吸收P的DNA，从而获得P的特性。被转化的DNA可以来自染色体，或者在特殊条件下，整个质粒都可以被转化。

最后一种变异模式叫转导，它是由细菌病毒或噬菌体介导的细菌间的遗传变异。多数噬菌体会杀死宿主，但有些“温和噬菌体”却能与宿主和平共处，它们仅在受到某些外界刺激时（如紫外线），才增殖并破坏宿主。当这些噬菌体再次侵染新的宿主时，它们便将原宿主的某些遗传性状引入新宿主。

下面方框中的内容是对几种细菌变异方式的总结。我们对微生物遗传学的了解，以及对分子水平的遗传过程的了解，为生物工程注入了新的活力。起推动作用的特殊事件是发现了提取DNA的方法：在试管中用特定的酶将DNA切碎，重新组合，再转入活细菌。提取质粒的操作目前也可以实现，打开其DNA链，将其他生物（不一定是微生物）的DNA插入其中，再使DNA连接成环状质粒，转入大肠杆菌，使之具有全新的遗传性状。

细菌的变异机理

如何完成上述过程呢？其中两种关键物质是从微生物中提取的两类酶。几乎所有的微生物都有限制性内切酶，它被用来对付侵入的外源DNA（如一种病毒）。限制性内切酶能够识别外源DNA，将其切开然后排出细胞。这些酶识别特定的碱基序列（如GAATTC），有时在DNA对称的位置切割，有时则是非对称的位置。一种很常用的限制性内切酶叫EcoRI，它识别上述的GAATTC序列，在两条互补链的GA处产生缺口，得到具有单链尾巴的片段：

这些酶的切割位点很少，其间距超过一个基因，某些质粒对于一种酶只有一个位点。限制性内切酶可以将DNA切割成片段（其中多数含有完整的基因），也能切割小的质粒或病毒的DNA。

故事的一半讲完了，另一半是关于能够将切开的末端再连起来的酶。这些酶被微生物用来制造自身的DNA或修复损伤的DNA片段，它们被称作DNA连接酶，可以在试管中将限制内切酶切割的片段连起来。比方说，一个质粒只有一个酶切位点，通过连接酶的作用，其切割后的片段可以重新连成完整的质粒，当然，也有部分末端没有与自身尾巴连接，而与另一质粒的末端相连，从而产生了一些有趣的副产物。尽管如此，当你把一个经单位点酶切处理的质粒与另一个经相同酶切产生的完全不同的DNA（来源各异，如人、小鼠、植物或微生物）混合并加入适当的DNA连接酶处理时，你将得到重新连接的质粒和嵌合质粒。假如你要用该DNA转化大肠杆菌，让每个细菌平均吸收一个质粒——嵌合质粒或恢复的原质粒，那么在转化的混合物中便会有几千个含有所有嵌合质粒的个体。将外源DNA嵌入质粒的过程便被称为克隆。

太容易了，是吧？其实，克隆远没有我讲的这样简单。首先，如何能够将带有质粒的大肠杆菌与未带质粒的菌区分开呢？答案是这样的：选择带有某个基因（如青霉素抗性基因）的质粒，在含青霉素的培养基中培养细菌，那么只有那些带有青霉青抗性质粒的菌才能生长。其次，怎样区分大肠杆菌是否带有含外源基因的质粒呢？方法之一是选择一个在另一药物抗性基因（如四环素抗性基因）中有特定酶切位点的质粒，当外源基因插入四环素抗性基因后，该基因将不再产生抵抗四环素的物质，即四环素抗性基因不再表达，因而，那些抗青霉素但对四环素敏感的大肠杆菌便是携带了嵌合质粒的。最后，怎样准确了解嵌合质粒中插入的是哪些基因呢？噢，行了！我猜你并不想知道，起码现在不想。当然，分子生物学家们肯定能够采用（也确实采用了）各种窍门来发现他们克隆进质粒的基因的身份。不过在这一章里，我们更关心这些克隆的DNA能被用来做些什么。

不过，回归正题之前，我必须再谈一些相关的遗传操作问题。我在前文中指出过，任何克隆的DNA片段的碱基精确顺序都可被测出。测定的详细过程讲起来太复杂，读者们只需明白能做到就够了。几十年前，测定单个基因（据说大肠杆菌有4000个基因）的碱基顺序需花费数月时间，整个过程漫长而劳累；而现在，借助于自动分析仪和电脑，我们很快就能对DNA进行“排序”。1997年，由一种小病毒基因构成的DNA全顺序在英国剑桥被确定；到1998年年中，十几种细菌的基因组DNA顺序被公布于世，另外，各实验室的工作组也把包括酵母菌在内的60多种微生物的基因组DNA排出了顺序。而且，克隆和解读人类全基因组的一项宏伟规划正在付诸实施，以弄清组成我们染色体的全部DNA，以及存在于染色体外的少量DNA的碱基顺序。所有这些工作可望在21世纪早期完成。欲获得此类结果，我们要做些什么？首先，要从这些DNA序列中认出基因，再推论出它们所对应的蛋白质；研究者们至今已完成约半数基因组的排序工作，这些信息使研究者们对基因在做什么这点有了清楚的概念。而且，一旦我们清楚了某段克隆DNA的碱基顺序，就可以有意地更换一个或几个碱基来对其进行修饰，使由基因所决定的氨基酸组成发生改变；后文我将谈及的一项叫作“蛋白质工程”的新技术，采用的就是这一原理。一段克隆出的DNA中的基因也能被钝化或完全除去，然后再放回宿主中；这样一来，我们就有可能通过钝化或删除涉及病原性的基因，使某种让人厌恶的细菌性病原变得无害。反之，这种方法也能使通常无害的微生物变成危险的病原体，而这一点决逃不出关心生物战的人们的视线。还有一种与上不同的研究策略：某些DNA带有调节基因功能的开关，辨认并克隆出这些DNA，然后把完全不同的基因置于这些开关的控制之下，使那些基因按人们的意愿制出较多或较少的普通基因产物，或者触发基因对年龄改变、化学变化及恶劣环境的反应。

最后，虽然我集中讨论的是，通过把外来遗传因子引入大肠杆菌然后对其操作，我们能够做些什么，但克隆的DNA不一定要被保存在微生物中：眼下已有把克隆DNA转入动物和植物的办法，形成所谓的“转基因”生物，它们具有从完全不同的生物中复制来的新基因。但是，大肠杆菌（而非酵母菌或病毒）仍然是最常用的基因转移载体。

我清楚地意识到，上述对遗传工程中基础科学与技术的介绍，是狭隘而不全面的。但本书并非一本手册或专著；而且从当今的书籍和杂志中，读者可以看到很好的通俗报道，所以我自己就没再多写。我希望我的叙述能让你对遗传工程有个大致的了解。起初，这类遗传操作是相当盲目的，但随着基础研究的不断进行，我们对基因结构和功能的理解有了重大进展，对各种生物的基因也能十分精确地进行克隆和操纵，并取得了令人惊叹的实际成果。下面就此做一介绍。