重要的模式生物——大腸桿菌.docx

模式生物大腸桿菌摘要： 模式生物是生命科學(xué)研究的重要材料， 目前公認(rèn)的用于生命科學(xué)研究的常見模式生物有大腸桿菌、噬菌體、酵母、線蟲、果蠅、斑馬魚、小鼠、擬南芥等.其中大腸桿菌對(duì)生命現(xiàn)象的揭密和探索等都所做出了重大貢獻(xiàn)， 對(duì)其在生命科學(xué)研究中的歷史軌跡、各自優(yōu)勢(shì)、技術(shù)手段、熱點(diǎn)研究、發(fā)展前景等系統(tǒng)而又簡(jiǎn)要的了解， 有助于具體而又生動(dòng)地體察到大腸桿菌在今天生命科學(xué)發(fā)展中的重要地位和推動(dòng)生命科學(xué)不可替代的巨大潛力。關(guān)鍵詞： 大腸桿菌 模式生物 生命科學(xué) 一、大腸桿菌簡(jiǎn)介大腸桿菌(Escher i chia col i ) 是Escherich 在1885 年發(fā)現(xiàn)的, 在很長(zhǎng)的時(shí)間里, 一直被認(rèn)為是正常腸道菌落的組成部分, 認(rèn)為是非致病菌。直到20世紀(jì)中期,一些科學(xué)家才認(rèn)識(shí)到一些含有血清型的大腸桿菌對(duì)人和動(dòng)物有致病性。大腸桿菌作為研究生命科學(xué)中外源基因表達(dá)的宿主, 遺傳背景清楚，技術(shù)操作簡(jiǎn)單，培養(yǎng)條件簡(jiǎn)單，所以大腸桿菌的大規(guī)模發(fā)酵經(jīng)濟(jì), 倍受遺傳工程專家的重視。目前大腸桿菌是應(yīng)用最廣泛、最成功的表達(dá)體系, 常作為高效表達(dá)的首選體系。20 世紀(jì)70 年代, 通過(guò)對(duì)大腸埃希菌的研究發(fā)現(xiàn)了操縱子學(xué)說(shuō)并且繪制成了完整基因圖譜, 基因組全序列完成, 全長(zhǎng)為5 Mb, 共有4 288 個(gè)基因, 同時(shí)也搞清了所有基因的氨基酸序列。62% 的基因功能已經(jīng)闡明, 仍有38% 基因功能尚未完全搞清。二、大腸桿菌在生命科學(xué)研究的各領(lǐng)域所做的貢獻(xiàn)2.1 大腸桿菌用于基因突變研究突變型生物體在研究基因及蛋白質(zhì)的性質(zhì)的過(guò)程中扮演著重要角色。通過(guò)一定的誘變劑如: HNO2、烷化劑等, 可使野生型大腸桿菌誘發(fā)突變, 從而產(chǎn)生突變型。常見的大腸桿菌突變型大體有兩種類型: 合成代謝功能的突變型( anabolic functionalmutants)它是指在某些外界作用條件下, 基因組中部分基因發(fā)生突變時(shí), 有些生化反應(yīng)就不會(huì)正常進(jìn)行, 因而使某些代謝失衡, 菌體也不會(huì)在基本培養(yǎng)基上存活, 這種突變多為條件致死突變。這種突變型的產(chǎn)生, 主要用于研究該突變基因的具體功能,對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定位。分解代謝功能的突變型( catabolic funct iona lmutant)野生型大腸桿菌能利用比葡萄糖復(fù)雜的不同碳源, 因?yàn)樗馨褟?fù)雜的糖類轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單糖類, 這些降解功能是細(xì)菌體一系列酶的產(chǎn)生所致。而當(dāng)決定該酶合成的基因發(fā)生突變后, 就產(chǎn)生了相應(yīng)的突變型。運(yùn)用這種方法, 人們可用一定的選擇培養(yǎng)基對(duì)突變型進(jìn)行篩選, 然后與野生型大腸桿菌基因組相對(duì)照, 可得該突變基因的相應(yīng)堿基順序, 從而為人們更好地了解某些基因的位置及功能奠定了基礎(chǔ)。2.2 大腸桿菌“性別”的研究長(zhǎng)期以來(lái), 在遺傳學(xué)研究中發(fā)現(xiàn), 大腸桿菌主要通過(guò)無(wú)性方式繁殖。1946年,Lederberg和Tatum在研究大腸桿菌間遺傳物質(zhì)交換的過(guò)程中首次發(fā)現(xiàn)了大腸桿菌也有性別, 后來(lái)進(jìn)一步研究表明, 決定大腸桿菌“性別”的主要因素是一重要質(zhì)粒F因子。通過(guò)F因子進(jìn)行遺傳物質(zhì)的傳遞大大提高了遺傳物質(zhì)重組的概率, 這就是現(xiàn)代基因工程研究中把質(zhì)粒作為目的基因載體的一個(gè)非常有力的理論根據(jù)。另外,科學(xué)家通過(guò)F因子與大腸桿菌染色體某些基因進(jìn)行重組, 形成了轉(zhuǎn)移頻率很高的Hfr菌株,通過(guò)Hfr菌株的不同非選擇標(biāo)記與F細(xì)菌染色體在不同時(shí)間形成重組子的頻率, 創(chuàng)造性地提出了中斷雜交作圖法,從而對(duì)大腸桿菌菌株的部分基因進(jìn)行了準(zhǔn)確定位,為以后進(jìn)行細(xì)菌染色體測(cè)序工作做出了一定的貢獻(xiàn)。2.3 大腸桿菌與原核生物基因表達(dá)調(diào)控的研究在物體長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中, 經(jīng)歷了從原核到真核的進(jìn)化過(guò)程。最簡(jiǎn)單的原核生物在不同的細(xì)胞周期需要不同的基因產(chǎn)物, 同時(shí)也需要不斷地調(diào)控各種基因的表達(dá)活性, 以適應(yīng)千變?nèi)f化的環(huán)境條件。大腸桿菌作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、取材廣泛以及培養(yǎng)較方便的原核微生物,早在40多年前, 法國(guó)科學(xué)家Jacob和Monod通過(guò)對(duì)不同大腸桿菌乳糖代謝突變型的調(diào)控基因作用的研究,他們發(fā)現(xiàn)在大腸桿菌中有3種酶基因一起被表達(dá), 分別為-半乳糖苷酶、透性酶和?；D(zhuǎn)移酶基因, 在此之前有一段DNA序列為基因表達(dá)的調(diào)控序列, 它包括阻遏物基因、啟動(dòng)基因和操縱基因。阻遏物與操縱基因結(jié)合而阻止結(jié)構(gòu)基因表達(dá); 當(dāng)誘導(dǎo)物與阻遏物結(jié)合后, 就啟動(dòng)結(jié)構(gòu)基因表達(dá)。這幾個(gè)基因和一套表達(dá)的調(diào)控序列稱為操縱子。這可以說(shuō)是最早研究蛋白質(zhì)表達(dá)的最簡(jiǎn)單的調(diào)控系統(tǒng)。2.4 基因工程中的質(zhì)粒載體的重要來(lái)源質(zhì)粒是把外源基因?qū)胧荏w細(xì)胞使之得以復(fù)制和表達(dá)的載體。從20世紀(jì)70年代基因工程誕生以來(lái), 科學(xué)家已通過(guò)實(shí)踐從大腸桿菌中篩選出了多種性質(zhì)優(yōu)良的載體。如美國(guó)的Botivar等構(gòu)建的PBR系列, 如PBR322、PBR325等, 其中PBR322就是目前運(yùn)用較為廣泛的一種。另外科學(xué)家們還根據(jù)具體需要改建了多種類型的優(yōu)良載體, 并已應(yīng)用于科研實(shí)踐中, 收效明顯。如: 中科院遺傳所把帶有固氮基因的質(zhì)粒PRD1 從大腸桿菌（K12jc5564)轉(zhuǎn)移到無(wú)固氮能力水稻根系菌4502Y中,表現(xiàn)出了很強(qiáng)的固氮能力。2.5 分子克隆中的受體基因工程也稱為DNA重組技術(shù), 它是將外源目的基因轉(zhuǎn)入某種質(zhì)粒載體, 然后,通過(guò)載體轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞, 然后受體細(xì)胞大量增殖形成無(wú)數(shù)克隆。大腸桿菌以其特殊的生物學(xué)特性而被選作為目的基因的受體, 應(yīng)用十分廣泛。在我國(guó)利用大腸桿菌作為受體細(xì)胞克隆目的基因生產(chǎn)基因藥物,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。例如: 中國(guó)科學(xué)院上海生化細(xì)胞所和復(fù)旦大學(xué)、第二軍醫(yī)大學(xué)合作, 將化學(xué)合成干擾素基因插入大腸桿菌, 該工程菌表達(dá)的干擾素,每升發(fā)酵液可達(dá)2109單位, 生產(chǎn)前景看好。北京大學(xué)蛋白質(zhì)及植物基因工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以大腸桿菌為表達(dá)系統(tǒng), 生產(chǎn)出了基因工程人胰島素等。參考資料：生命科學(xué)研究 生命科學(xué)研究中常用模式生物 王凱 動(dòng)物醫(yī)學(xué)進(jìn)展 模式生物及其在分