【正确答案】质粒通过以下几种机制维持在细胞中的稳定:
(1)多聚体质粒的分解。
如果质粒在复制时形成多聚体的话,在细胞分裂过程中质粒丢失的可能性就会增加。一个多聚体是由多个单体相互连接而成的。多聚体的形成可能是由于在复制终止时发生错误或者是由于单体间重组的结果。由于多聚体在细胞分裂时将作为一个质粒进入一个子细胞,这样,多聚体的形成就大大降低了质粒的有效拷贝数。因此,多聚体也就大大增加了细胞分裂时质粒丢失的机会。为了避免这种情况的发生,很多质粒都具有位点专一性重组的系统,可以破坏多聚体。
(2)分离(partitioning)。
质粒通过一种分离系统来防止在细胞分裂过程中质粒的丢失,这种机制保证在细胞分裂过程中每个子细胞至少可得到一个质粒拷贝,这是由par功能(parfunction)完成的。所谓par功能是指某些质粒,包括F、R1等质粒上具有的一些短的区域,这些区域能够增强质粒拷贝的合适分配。如果从质粒中将这种区域除去,质粒丢失的频率就会相当高。已经深入研究过P1质粒的分离系统,发现P1质粒的分离系统由一个顺式激活par序列和两个蛋白质ParA和ParB的基因构成,其中一个蛋白质同par位点结合。
关于par位点是怎样增强质粒适当分离的机制有两种模型,按照这两种模型,细菌的膜具有真核生物有丝分裂纺锤体的功能,在细胞分裂之前将质粒分开。par位点是质粒同质膜结合的区域,在细胞分裂时,由于膜的生长,质粒的两个拷贝就被拉到两个子细胞中。这两个模型对于细胞分裂时,质粒同质膜的结合是怎样保证每个细胞至少得到一个质粒的解释是不同的。
模型A:par位点同细菌质膜的一个假定位点结合。在这个模型中,每一种质粒都有它自己独特的同质膜结合的位点。当细胞生长时,位点也加倍,每一个质粒拷贝结合一个位点。由于这些位点随着细胞分裂而分开,每一个质粒拷贝将分配到一个子细胞。这就保证了质粒不会丢失。该模型要解决的问题是质膜上必须有许多独特的位点以供不同的质粒拷贝结合,这似乎不太可能。
将模型A稍微改动一下,就可以满足质粒分离所需的位点。如果我们假定质粒结合的位点不在质膜而是在细菌的染色体上就可以了。染色体上有很多的位点,并且随着DNA的复制而加倍,这些位点可供质粒结合。剩下的惟一问题就是在质膜上有同染色体结合的独特位点,这样,质粒将随着染色体的分离而分离。
模型B同模型A基本类似。在这个模型中,质粒的两个拷贝在同质膜结合之前必须通过它们的par位点相互配对。然后这两个质粒在细胞分裂过程中随着质膜位点的分离而分离。高拷贝数的质粒常常具有增加质粒适当分离的位点,但是这些区域并没有相同的结构,并不以相同的机制起作用。例如,质粒pSC101的par区可以增加质粒的超螺旋,至于超螺旋的增加如何帮助质粒的适当分离是不清楚的。可能是增强了质粒分离后的迅速复制,防止了下次分裂时的丢失。
(3)质粒溺爱(plasmid addiction)。
即使质粒具有分离功能,质粒也会从增殖的细胞中丢失。在一类含有“复仇质粒”的细胞中,质粒能够编码一些杀死丢失了质粒的细胞。像F质粒、R1质粒,以及P1噬菌体都有这种功能。这些质粒编码一些毒性蛋白质,这些蛋白质一旦表达就会杀死细胞。根据质粒的来源不同,毒性蛋白质可通过各种方式杀死细胞。
例如,质粒的毒性蛋白Ccd通过改变DNA螺旋酶来杀死细胞,由于螺旋酶的改变,引起了双螺旋DNA的断裂。质粒R1的杀手蛋白Hok,破坏细菌细胞质膜的功能,引起细胞活力的丧失。为什么毒性蛋白仅仅是在细胞丢失了质粒之后立即杀死细胞?当细胞含有这种质粒时,沉溺系统的蛋白质或RNA可作为一种解毒药,既能阻止毒蛋白的合成,又能同毒蛋白结合并阻止毒蛋白起作用。然而,这些其他基因的产物要比毒性蛋白不稳定得多,所以它们会很快失活。如果一个细胞丢失了质粒,既没有毒性蛋白也没有解毒剂的合成。但是,由于解毒剂更不稳定,当解毒剂失活后,毒性蛋白就可以起杀伤作用。这些系统使细胞对质粒产牛溺爱,并防止细胞丢失质粒。
【答案解析】