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，质粒上还可以规划多克隆位点，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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