重要的模式生物——大肠杆菌

模式生物——大肠杆菌

摘要：模式生物是生命科学研究的重要材料，目前公认的用于生命科学研究的常见模式生物有大肠杆菌、噬菌体、酵母、线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠、拟南芥等.其中大肠杆菌对生命现象的揭密和探索等都所做出了重大贡献，对其在生命科学研究中的历史轨迹、各自优势、技术手段、热点研究、发展前景等系统而又简要的了解，有助于具体而又生动地体察到大肠杆菌在今天生命科学发展中的重要地位和推动生命科学不可替代的巨大潜力。

关键词：大肠杆菌模式生物生命科学

一、大肠杆菌简介

大肠杆菌(Escher i chia col i ) 是Escherich 在1885 年发现的, 在很长的时间里, 一直被认为是正常肠道菌落的组成部分, 认为是非致病菌。直到20世纪中期,一些科学家才认识到一些含有血清型的大肠杆菌对人和动物有致病性。大肠杆菌作为研究生命科学中外源基因表达的宿主, 遗传背景清楚，技术操作简单，培养条件简单，所以大肠杆菌的大规模发酵经济, 倍受遗传工程专家的重视。目前大肠杆菌是应用最广泛、最成功的表达体系, 常作为高效表达的首选体系。20 世纪70 年代, 通过对大肠埃希菌的研究发现了操纵子学说并且绘制成了完整基因图谱, 基因组全序列完成, 全长为5 Mb, 共有4 288 个基因, 同时也搞清了所有基因的氨基酸序列。62% 的基因功能已经阐明, 仍有38% 基因功能尚未完全搞清。

二、大肠杆菌在生命科学研究的各领域所做的贡献

2.1 大肠杆菌用于基因突变研究

突变型生物体在研究基因及蛋白质的性质的过程中扮演着重要角色。通过一

定的诱变剂如: HNO2、烷化剂等, 可使野生型大肠杆菌诱发突变, 从而产生突变型。常见的大肠杆菌突变型大体有两种类型: ①合成代谢功能的突变型( anabolic functionalmutants)它是指在某些外界作用条件下, 基因组中部分基因发生突变时, 有些生化反应就不会正常进行, 因而使某些代谢失衡, 菌体也不会在基本培养基上存活, 这种突变多为条件致死突变。这种突变型的产生, 主要用于研究该突变基因的具体功能,对其进行准确定位。②分解代谢功能的突变型( catabolic funct iona lmutant)野生型大肠杆菌能利用比葡萄糖复杂的不同碳源, 因为它能把复杂的糖类转化为简单糖类, 这些降解功能是细菌体一系列酶的产生所致。而当决定该酶合成的基因发生突变后, 就产生了相应的突变型。运用这种方法, 人们可用一定的选择培养基对突变型进行筛选, 然后与野生型大肠杆菌基因组相对照, 可得该突变基因的相应碱基顺序, 从而为人们更好地了解某些基因的位置及功能奠定了基础。

2.2 大肠杆菌“性别”的研究

长期以来, 在遗传学研究中发现, 大肠杆菌主要通过无性方式繁殖。1946年,Lederberg和Tatum在研究大肠杆菌间遗传物质交换的过程中首次发现了大肠杆菌也有性别, 后来进一步研究表明, 决定大肠杆菌“性别”的主要因素是一重要质粒F因子。通过F因子进行遗传物质的传递大大提高了遗传物质重组的概率, 这就是现代基因工程研究中把质粒作为目的基因载体的一个非常有力的理论根据。另外,科学家通过F因子与大肠杆菌染色体某些基因进行重组, 形成了转移频率很高的Hfr菌株,通过Hfr菌株的不同非选择标记与F细菌染色体在不同时间形成重组子的频率, 创造性地提出了中断杂交作图法,从而对大肠杆菌菌株的部分基因进行了准确定位,为以后进行细菌染色体测序工作做出了一定的贡献。

2.3 大肠杆菌与原核生物基因表达调控的研究

在物体长期进化过程中, 经历了从原核到真核的进化过程。最简单的原核生物在不同的细胞周期需要不同的基因产物, 同时也需要不断地调控各种基因的表达活性, 以适应千变万化的环境条件。大肠杆菌作为一种结构简单、取材广泛以及培养较方便的原核微生物,早在40多年前, 法国科学家Jacob和Monod通过对不同大肠杆菌乳糖代谢突变型的调控基因作用的研究,他们发现在大肠杆菌中有3种酶基因一起被表达, 分别为-半乳糖苷酶、透性酶和酰基转移酶基因, 在此之前有一段DNA序列为基因表达的调控序列, 它包括阻遏物基因、启动基因和操纵基因。阻遏物与操纵基因结合而阻止结构基因表达; 当诱导物与阻遏物结合后, 就启动结构基因表达。这几个基因和一套表达的调控序列称为操纵子。这可以说是最早研究蛋白质表达的最简单的调控系统。

2.4 基因工程中的质粒载体的重要来源

质粒是把外源基因导入受体细胞使之得以复制和表达的载体。从20世纪70年代基因工程诞生以来, 科学家已通过实践从大肠杆菌中筛选出了多种性质优良的载体。如美国的Botivar等构建的PBR系列, 如PBR322、PBR325等, 其中PBR322就是目前运用较为广泛的一种。另外科学家们还根据具体需要改建了多种类型的优良载体, 并已应用于科研实践中, 收效明显。如: 中科院遗传所把带有固氮基因的质粒PRD1 从大肠杆菌（K12jc5564)转移到无固氮能力水稻根系菌4502Y中,表现出了很强的固氮能力。

2.5 分子克隆中的受体

基因工程也称为DNA重组技术, 它是将外源目的基因转入某种质粒载体, 然后,通过载体转入受体细胞, 然后受体细胞大量增殖形成无数克隆。大肠杆菌以其

特殊的生物学特性而被选作为目的基因的受体, 应用十分广泛。在我国利用大肠杆菌作为受体细胞克隆目的基因生产基因药物,取得了良好的经济效益。例如: 中国科学院上海生化细胞所和复旦大学、第二军医大学合作, 将化学合成干扰素基因插入大肠杆菌, 该工程菌表达的干扰素,每升发酵液可达2×10^9单位, 生产前景看好。北京大学蛋白质及植物基因工程国家重点实验室以大肠杆菌为表达系统, 生产出了基因工程人胰岛素等。

参考资料：

《生命科学研究》生命科学研究中常用模式生物王凯

《动物医学进展》模式生物及其在分子生物学研究中的意义罗盘棋, 王新华, 薄新文

《生命的化学》2000 年20卷2 期酵母: 一种模式生物刘擎, 余龙

《生物学教学》2005年(第30卷)第11期模式生物席兴字

《生物学教学》2008年(第33卷)第2期重要的模式生物- 大肠杆菌王瀚