重要的模式生物——大腸桿菌.docxVIP

模式生物大腸桿菌摘要： 模式生物是生命科學研究的重要材料， 目前公認的用于生命科學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.其中大腸桿菌對生命現(xiàn)象的揭密和探索等都所做出了重大貢獻， 對其在生命科學研究中的歷史軌跡、各自優(yōu)勢、技術手段、熱點研究、發(fā)展前景等系統(tǒng)而又簡要的了解， 有助于具體而又生動地體察到大腸桿菌在今天生命科學發(fā)展中的重要地位和推動生命科學不可替代的巨大潛力。關鍵詞： 大腸桿菌 模式生物 生命科學 一、大腸桿菌簡介大腸桿菌(Escher i chia col i ) 是Escherich 在1885 年發(fā)現(xiàn)的, 在很長的時間里, 一直被認為是正常腸道菌落的組成部分, 認為是非致病菌。直到20世紀中期,一些科學家才認識到一些含有血清型的大腸桿菌對人和動物有致病性。大腸桿菌作為研究生命科學中外源基因表達的宿主, 遺傳背景清楚，技術操作簡單，培養(yǎng)條件簡單，所以大腸桿菌的大規(guī)模發(fā)酵經(jīng)濟, 倍受遺傳工程專家的重視。目前大腸桿菌是應用最廣泛、最成功的表達體系, 常作為高效表達的首選體系。20 世紀70 年代, 通過對大腸埃希菌的研究發(fā)現(xiàn)了操縱子學說并且繪制成了完整基因圖譜, 基因組全序列完成, 全長為5 Mb, 共有4 288 個基因, 同時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研究的各領域所做的貢獻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)的過程中扮演著重要角色。通過一定的誘變劑如: 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, 有些生化反應就不會正常進行, 因而使某些代謝失衡, 菌體也不會在基本培養(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,對其進行準確定位。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雜的不同碳源, 因為它能把復雜的糖類轉(zhuǎn)化為簡單糖類, 這些降解功能是細菌體一系列酶的產(chǎn)生所致。而當決定該酶合成的基因發(fā)生突變后, 就產(chǎn)生了相應的突變型。運用這種方法, 人們可用一定的選擇培養(yǎng)基對突變型進行篩選, 然后與野生型大腸桿菌基因組相對照, 可得該突變基因的相應堿基順序, 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。2.2 大腸桿菌“性別”的研究長期以來, 在遺傳學研究中發(fā)現(xiàn), 大腸桿菌主要通過無性方式繁殖。1946年,Lederberg和Tatum在研究大腸桿菌間遺傳物質(zhì)交換的過程中首次發(fā)現(xiàn)了大腸桿菌也有性別, 后來進一步研究表明, 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F因子進行遺傳物質(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非常有力的理論根據(jù)。另外,科學家通過F因子與大腸桿菌染色體某些基因進行重組, 形成了轉(zhuǎn)移頻率很高的Hfr菌株,通過Hfr菌株的不同非選擇標記與F細菌染色體在不同時間形成重組子的頻率, 創(chuàng)造性地提出了中斷雜交作圖法,從而對大腸桿菌菌株的部分基因進行了準確定位,為以后進行細菌染色體測序工作做出了一定的貢獻。2.3 大腸桿菌與原核生物基因表達調(diào)控的研究在物體長期進化過程中, 經(jīng)歷了從原核到真核的進化過程。最簡單的原核生物在不同的細胞周期需要不同的基因產(chǎn)物, 同時也需要不斷地調(diào)控各種基因的表達活性, 以適應千變?nèi)f化的環(huán)境條件。大腸桿菌作為一種結(jié)構簡單、取材廣泛以及培養(yǎng)較方便的原核微生物,早在40多年前, 法國科學家Jacob和Monod通過對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, 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序列為基因表達的調(diào)控序列, 它包括阻遏物基因、啟動基因和操縱基因。阻遏物與操縱基因結(jié)合而阻止結(jié)構基因表達; 當誘導物與阻遏物結(jié)合后, 就啟動結(jié)構基因表達。這幾個基因和一套表達的調(diào)控序列稱為操縱子。這可以說是最早研究蛋白質(zhì)表達的最簡單的調(diào)控系統(tǒng)。2.4 基因工程中的質(zhì)粒載體的重要來源質(zhì)粒是把外源基因?qū)胧荏w細胞使之得以復制和表達的載體。從20世紀70年代基因工程誕生以來, 科學家已通過實踐從大腸桿菌中篩選出了多種性質(zhì)優(yōu)良的載體。如美國的Botivar等構建的PBR系列, 如PBR322、PBR325等, 其中PBR322就是目前運用較為廣泛的一種。另外科學家們還根據(jù)具體需要改建了多種類型的優(yōu)良載體, 并已應用于科研實踐中, 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)移到無固氮能力水稻根系菌4502Y中,表現(xiàn)出了很強的固氮能力。2.5 分子克隆中的受體基因工程也稱為DNA重組技術, 它是將外源目的基因轉(zhuǎn)入某種質(zhì)粒載體, 然后,通過載體轉(zhuǎn)入受體細胞, 然后受體細胞大量增殖形成無數(shù)克隆。大腸桿菌以其特殊的生物學特性而被選作為目的基因的受體, 應用十分廣泛。在我國利用大腸桿菌作為受體細胞克隆目的基因生產(chǎn)基因藥物,取得了良好的經(jīng)濟效益。例如: 中國科學院上海生化細胞所和復旦大學、第二軍醫(yī)大學合作, 將化學合成干擾素基因插入大腸桿菌, 該工程菌表達的干擾素,每升發(fā)酵液可達2109單位, 生產(chǎn)前景看好。北京大學蛋白質(zhì)及植物基因工程國家重點實驗室以大腸桿菌為表達系統(tǒng), 生產(chǎn)出了基因工程人胰島素等。參考資料：生命科學研究 生命科學研究中常用模式生物 王凱 動物醫(yī)學進展 模式生物及其在分