转导 transduction

是以噬菌体为媒介将细菌的DNA从供体转移到受体中的过程。转导可以通过小段染色体来进行细菌精细结构作图。转导是通过F’因子通过接合将某个特异的基因传递给受体的过程。

 

转导分为广泛性转导和特异性转导两种。广泛性转导是以P1或P22为媒介，通过“偷渡”和同源重组可将供体的任何基因传递给受体。两个基因间同时被P1转导的现象称为共转导。共转导可用于细菌的精细作图。特异性转导是以λ噬菌体为媒介而通过定点整合或重组将特异的基因(gal 或bio )传递给受体的过程。

 

低频转导（LFT）是指通过缺陷型λ（λdg）以较低的频度将gal 基因传递给受体。

 

高频转导（HFT）是指含有λ和λdg的双重溶原菌为供体可将gal 基因以很高的频率传递给受体。

(1)普遍转导由于在 50 年代沙门氏菌的遗传学仍是未知的领域，所以转导的发现未能得到发展。 1955 年 E. Lennox 发现了 P1 噬菌体可在 E.coli 中转导遗传物质。因 E.coli 研究得较多，所以 P1 的转导就可以得以发展。 1965 年 K. IKeda 和 J. Tomizawa 用 E.coli 的 P1 噬菌体实验回答了这个问题。

现在已知 P1 噬菌体的 DNA 为双链线状，宿主为 E.coli ，它既有溶原周期又有裂解周期。 P1 的特点是（ 1 ）感染宿主后，每次可释放 100 个子代噬菌体；（ 2 ）其 DNA 分子量为 66 × 10⁶ 道尔顿，约 10⁵ np ；（ 3 ） P1 编码一个核酸酶，能降解 DNA ，但作用较慢。当噬菌体开始包装时，宿主的 DNA 大部分成为分子量为 10⁷ － 10⁸ 道尔顿的一些片段，因 P1 包装不严格，其中约 1/100 的宿主片段可能会被错误地包装到噬菌体中，称为“偷渡”。大部分转导颗粒中含有 20 － 25 × 10⁶ 道尔顿的 DNA ，外源 DNA 片段的长度只能共转导 3 ％的遗传距离。转导过程如图 8-24 所示，噬菌体感染 E.coli a ^＋ 后，进行繁殖，同时使宿主的 DNA 降解成小片段， P1 噬菌体包装时有部分错误地将宿主的 DNA 包装到头部，细胞裂解后一并释放出来。当带有宿主 a ^＋ 基因的转导颗粒再去感染 E.coli a ^－ 时，因其不含 P1 DNA ，所以不能复制、繁殖和裂解，至少将含 a ^＋ 的 DNA 片段射入新的 a ^－ 受体，经双交换发生重组使 a ^－ 细胞转导成 a ^＋ ，带有 a ^－ 的片段是线状，可被降解掉。对于任何特定的基因来说，大约以 10 ^{－ 5} 的频率形成转导颗粒。

因转导颗粒不能裂解，所以不形成噬菌斑，因此侵染受体总的 P1 应为噬菌斑数加转导子数。故转导频率为：

 

转导频率 ＝	转导子数	× 100 ％＝	转导子数	× 100 ％
侵染受体的P1颗粒数	噬菌斑数＋转导子数

 

(2)特异性转导又称局限性转导（ restricted transduction ），是由 J. Lederberg 和他的学生所开拓的。他们设计了一个实验，目的是想了解λ噬菌体是否像 P22 那样将供体的基因传递给受体。结果发现了另一种机制的转导。他们将紫外线诱导野生型 E.coli K12 ( λ ) gal ^＋ 中的原噬菌体，使细胞裂解，收集裂解液去感染非溶原的品系，结果在基本培养基上选择到 10 ^{－ 6} gal ^＋ 的转导体。进一步发现 : （ 1 ）这些转导子是溶原的，具有“免疫力”，说明噬菌体已进入受体的染色体上。（ 2 ） gal ^＋ 转导子遗传特点不稳定，有 1-10 ％又变成 gal ^－ ，表明它又失去了λ gal ^＋ ，因此推论λ gal ^＋ 是插入到受体的染色体中，而不是通过双交换而产生的。实际上既有插入，又有双交换。不稳定的部分确实由整合、环出或切离所造成。（ 3 ） gal ^＋ 转导子在细菌裂解时不能产生成熟的噬菌体，即缺失 - 取代颗粒（ deletion-substitution particles ）。

现已知道λ噬菌体和 E.coli 之间有一个同源的特定位点叫做附着位点（ attachment site ），简写为 att 。 E.coli DNA 上的称为 att B （又叫 att λ）， B 是 Bacteria 的缩写；λ噬菌体 DNA 上的称 att P ，由 P 、 O 、 P' 三个序列组成（见 第 17 章）， P 是 Phage 的缩写。正常的λ染色体可通过 att 位点整合到 E.coli 的染色体中，呈原噬菌体状态（图 8-26a ），进入溶原周期。在紫外线的诱导或自发治愈时，λ染色体又可以切离出来，但切离有两种情况，一种是正常的切离，切离出的基因组是完整的；另一种是非正常切离，将 att 位点附近的既有 gal 或 bio 错误地环出，而将本身的 DNA 部分片段遗留在 E.coli 的基因组中（图 8-26a 和 e ）。λ dg ( λ d gal ) 是指带有 gal 基因的缺陷型λ，其尾部基因 J 丢失，不能复制；λ pgal 表示带有 gal 基因的另一种缺陷型λ，仅丢失了 b 区，菌体仍然裂解，形成噬菌斑，“ P ”表示噬菌斑（ plaque ）。λ dbio ，表示带有宿主的 bio 基因，而丢失了反终止蛋白基因 N ，故不能形成噬菌斑；λ pbio 是表示带有 bio ，而丢失了 int 和 xis 基因，这两个基因和整合有关，不影响裂解，故可以形成噬菌斑。正常的λ因其末端代携带 gal ^＋ 或 bio ，所以它侵染 gal ^－ 或 bio ^－ E.coli 时，不能使它们转导成野生型（图 8-26b ）；λ dg 侵染 gal ^－ 菌株时可以通过两种不同的途径进行转导（图 8-26c ）：一种是通过整合形成部分二倍体，这种转导子不稳定，可因λ的切离、丢失而又回复成 gal ^－ 品系。另一种是通过λ携带的 gal ^＋ 和受体的基因 gal ^－ 进行同源配对，经双交换，产生重组的转导子，这种转导子较为稳定。 由于λ dg 多不能复制，经诱导使细胞裂解后，只能释放出 1 个λ dg 去感染受体，转导的频率较低（小于 10 ^{－ 6} ），故称为低频转导（ low-frequency transduction, LFT ）。

当带有 gal ^＋ 的λ dg 感染 E.coli gal ^－ ( λ ) 时，可通过两种不同途径形成双重溶原（ double lysoge ）细菌，一种是通过整合，另一种是通过λ dg 和已整合的正常λ dg 之间通过单交换进行同源重组所组成。双重溶原菌的染色体上含有一个正常的λ可提供给λ dg 复制所需的一切物质，因而λ和λ dg 同步大量复制，直至细胞裂解释放出来，λ感染敏感性细菌可形成噬菌斑，噬菌斑数既表示正常λ数，也表示λ dg 的总数。λ dg 可感染 E.coli gal ^－ 受体，进行转导。由于一个细胞能释放出比 LFT 多得多的λ dg ，所以转导频率较高，故称为高频转导（ High-feequency transduction, HFT ）。

 

 

 

转导的发现

 

1952年J.Lederberg 和他的学生N. Zinder在鼠伤寒沙门氏细菌(Salmonella typhimurium )中寻找遗传重组，所用的方法和E.coli 的杂交实验相似。他们用phe^－ trp^－ tyr^－ ×met^－ his^－ 结果获得了10^－5 的原养型重组子（phe^＋ trp^＋ tyr^＋ met^＋ his^＋ ）。但将两个亲本放在U形管的两臂中，结果也能同样获得重组子，此和E.coli 杂交是不同的，于是他们推论以上的杂交并不需要细胞的直接接触，而可能是以一种滤过性因子（F A ）为媒介来传递遗传物质。根据FA和沙门氏细菌中的温和噬菌体P22之间具有以下平行关系而推测F A 因子正是P22。

 

（1）P22的侵染性和FA的能力都可被一些水解酶，如DNase和胰蛋白酶所抑制；

 

（2）FA的大小和质量与P22相同。

 

（3）用P22抗血清或加热处理都可以使P22和FA失活，且失活速率相同；

 

（4）F A 和P22的宿主范围相同。

 

就这样他们发现了与转化、接合作用不同的细菌传递遗传物质的第三种途径－－转导。