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5．细菌及其病毒的遗传作图
在前述各章中，我们研究的基因都是被包裹在染色体中、位于真核生物细胞核内的，是以真核生物细胞遗传为基础的。但是，在现代现代遗传学特别是在分子遗传学的发展历史中，原核生物和病毒（virus）的遗传研究却占有突出地位。原核生物可以分成两大类，一类为蓝绿藻（blue…green algae），被称为蓝细菌，另一类为细菌（bacterium），它们都没有核膜，只有一些简单的染色体分布在细胞膜内。虽然病毒具有生物体的某些特征，但许多生物学家还是认为病毒为一类非生命形式的结构，因为它们不具有细胞形态，不能独立地进行繁殖。病毒只有寄生在活细胞内并利用其宿主细胞的代谢机制才能进行繁殖。尽管如此，病毒仍具有适合遗传研究的某些遗传特征。由于大肠杆菌（Escherichia coli）繁殖世代时间短，易于实验室管理，遗传物质又比较简单，便于研究基因的突变和作用，所以本章将以大肠杆菌及其病毒为重点，对细菌及其病毒的遗传特征和遗传作图进行讨论。
5。1 病毒的一般特性及类型
5。1。1 病毒的一般特性
病毒最初是作为一类能通过细菌滤器的致病因子而被发现的。它是含有DNA或RNA、能在活细胞内增殖、又能在细胞外以亚显微结构的大分子颗粒状态存在的，可以作为致病因子，也可以当作遗传成分的非细胞型微生物。和其他微生物相比，病毒有以下特点：
①形体极其微小，只有在电子显微镜下方能观察到；②化学组成简单，主要是核酸与蛋白质；③只含一种核酸，DNA或RNA；④无细胞结构，仅为核酸被包于蛋白质外壳中的病毒粒子（virion）；⑤缺乏独立代谢能力；⑥繁殖方式独特，只能在活细胞内利用宿主细胞的代谢机器，通过核酸复制和蛋白质合成然后再装配成病毒粒子的方式进行繁殖；⑦具有双重存在方式，或者在活细胞内营专性寄生，或者细胞外以大分子颗粒状态进行传播；⑧对一般抗生素不敏感，而对于扰素敏感。
病毒形态多种多样，有杆状、卵圆状、砖状、蝌蚪状、子弹状和丝状等（图5…1）。
在变形虫中还发现一类具有独特形态的病毒——长串念珠状的病毒。病毒的形态极其微小，只有借助于电子显微镜才能观察到。病毒大小的测量单位是纳米（nm；10…9m），其大小相差悬殊，如病毒为（300～450）nm×（170～260）nm，菜豆畸矮病毒的直径仅在30nm以下。大多数杆状杆状植物病毒的长度为110～900nm，直径10～25nm。
病毒的主要化学组成分为核酸（DNA或RNA）和蛋白质。有的病毒还含有脂质，糖类等其他组分。
图5…1 病毒的多样化形态和大小范围
一种病毒只含一种核酸，要么是DNA，要么是RNA。植物病毒绝大多数为RNA病毒，少数为DNA病毒。动物病毒一部分为DNA病毒，一部分为RNA病毒。细菌病毒则普遍是DNA病毒，RNA病毒为数极少。真菌病毒大多数也是RNA病毒。
大多数病毒粒子中只含有一个核酸分子，但在RNA病毒中少数病毒含有2个或2个以上的核酸分子，而且各个分子担负着不同的遗传功能，它们一起构成了病毒的基因组。病毒核酸的类型极为多样化。DNA和RNA病毒基因组不仅有单链和双链、线状和环状之分，而且还有正链和负链之分。DNA病毒和DNA多数为双链，少数为单链；RNA病毒的RNA多数为单链RNA，少数为双链RNA。
有的病毒只含一种蛋白质，如烟草花叶病毒；多数含有为数不多的几种蛋白质。成熟的具有侵染行为的单个病毒颗粒常称为病毒粒子。病毒核酸位于病毒粒子中心，构成它的核心（core）或基因组，四周为由病毒蛋白质组成的壳体所包围。壳体是同许多被称为衣壳料的蛋白质亚单位以高度重复的方式排列而成的。核心和壳体组成了病毒的基本结构——核壳体（nucleocapsid）。
5。1。2 病毒的类型
几乎所有的生物都有病毒。为此，人们习惯于根据宿主种类将病毒分为微生物病毒、植物病毒、无脊椎动物病毒以及脊椎动物病毒。
5。1。2。1 微生物病毒
这类病毒广泛寄生于细菌、真菌、单细胞藻类等细胞内。细菌病毒一般称为噬菌体（bacteri…ophage，简称phage）。它是遗传学研究中的一个方便的遗传模式系统。例如T4噬体是双链DNA病毒，蝌蚪状，由二十面体对称的头与螺旋对称的尾构成，为复合对称结构（图5…2）。头部长95nm，宽65nm，在电镜下呈椭圆形二十面体，其壳体由212个直径为6nm的衣壳粒组成，线状双链DNA位于头部的核心。尾长95nm，由尾管、尾鞘、基板、刺突与尾丝等组成。尾管是位于头部核心的DNA进入宿主细胞的通道，尾丝与刺突均有吸附功能。
5。1。2。2 植物病毒
植物病毒的研究没有细菌病毒和动物病毒研究得多。但病毒学的开创性工作和重要的研究成果都来自烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus；TMV）。植物病毒粒子有3种基本形态：杆状、长
丝状以及等轴对称的近球状二十面体。绝大多数没有包膜。所含核酸有线状ssRNA、线状dsRNA、环状dsDNA和环状ssDNA。绝大多数是线状ssRNA。基因组多数为单组分，即只由一个核酸分子组成。这若干个组分分散在几个病毒粒子中（这种多分体现象为RNA病毒所物有）。例如，烟草脆裂病毒基因组由分散在2个杆状粒子中的一大一小2个RNA分子所组成。较大的RNA分子虽然有侵染性，但新病毒粒子的合成要有2个RNA分子同时存在才行。
植物病毒在自然条件下的传播较多地依赖于昆虫载体，也有不少是种子传播的，少数通过接触传播。以无性繁殖植物为宿主的病毒还可通过营养繁殖传播。
很多植物病毒专一性不强，它们往往可寄生在不同种、属甚至不同科的植物上，如TMV可侵染10余科、百余种的草本和木本植物。
5。1。2。3 脊椎动物病毒
脊椎动物病毒是指寄生于人类、哺乳动物、禽类、两栖类、爬行类和鱼类等各类脊椎动物细胞内的病毒。它们中有许多由于引起人与动物多种严重疾病（包括肿瘤）而得到充分研究，例如流感病毒（influenza A virus）、乙型肝炎病毒（hepatitis B virus）、艾滋病病毒及流行性乙型脑炎病毒等。
该类病毒粒子很多是等轴对称的近球状二十面体，有些粒子的核壳为螺旋对称结构，少数呈复合对称的砖形或子弹状。有些有包膜，所含核酸有线状dsDNA、环状dsDNA、线状ssDNA、线状dsRNA。其中以线状ssRNA最普遍，线状dsDNA次之。有些ssRNA病毒的基因组也为多组分。例如，甲、乙型流感病毒和丙型流感病毒的基因组分别由8和7个节段RNA组成，它们被包裹到一个病毒粒子中。
5。1。2。4 无脊椎动物病毒
该类病毒主要见于昆虫，但在甲壳动物、软体动物以及其他无脊动物中都有发现。
5。1。2。5 亚病毒
1971年以来，陆续发现了比病毒更为简单的生命形式。它们是类病毒、拟病毒以及朊病毒。
类病毒（viroid）：仅含一个单链环状、相对分子质量小的裸露的RNA分子的病原体。发现的第一个类病毒是马铃薯纺锤形块茎病类病毒（potato spindle tuber viroid），为棒状，无蛋白质外壳，仅含一个有359个核苷酸组成的单链环状RNA分子。该分子内有很多碱基（约70％）通过分子内氢键配对而形成双螺旋区，未配对碱基则形成内环。双螺旋与内环交替排列形成一个伸长的棒状分子（图5…3）。类病毒RNA相对分子质量虽小，但能独立侵染寄主，侵入寄主后也能自我复制，不需要辅助病毒。有报道动物有DNA类病毒。
图5…3 马铃薯纺锤形块茎病类病毒（PSTV）的结构
拟病毒（virusoid）：这是一类在病毒壳体内的类病毒，拟病毒的粒子中含有两类核酸，一类为线状单链RNA（RNA…1），相对分子质量较大（约1。5×106）；另一类是环状单链RNA（RNA…2），其相对分子质量与二级结构均与类病毒相似。与类病毒RNA不同的是RNA…2不能单独侵染寄主和复制自身，拟病毒的RNA…1和RNA…2之间存在着互相依赖的关系，二者必须同时存在才能感染寄主、复制核酸和产生新的拟病毒粒子。
朊病毒（prion）：这是一类具侵染性并在宿主细胞内复制的蛋白质颗粒。1982年，美国人Prusiner在研究引起山羊瘙痒病的病原体时发现，该病原体在经过高温、辐射以及化学药品等能使病毒失活的处理后依然存活，而且它只对蛋白酶是敏感的，因而认为病原体是一种仅由蛋白质组成的侵染性颗粒，并命名为朊病毒。现在认为，引起山羊、绵羊瘙痒病以及人的库鲁症（kuru；又叫人类亚急性海绵状脑症）和脑脱髓鞘病变（Rentzeld…Jacob病的病原体）是朊病毒。电镜下观察到的朊病毒为脑脱髓鞘病变杆状颗粒，直径25nm，长100～200nm。杆状颗粒不单独存在，而呈丛状排列，丛的大小与形状不一，颗粒丛所含颗粒多时可有100个。朊病毒的发现更加丰富了“中心法则”的内容，并可能对一些疾病的病因、传播研究以及治疗带来新的希望。
5。1。3 噬菌体的生活周期
噬菌体是指细菌病毒，就化学本质来讲，有RNA噬菌体、DNA噬菌体单体DNA和DNA噬菌体及双链DNA和RNA噬菌体等。它没有一般的细胞结构，仅由核酸和周围的蛋白质外壳构成。T偶列噬菌体（T…even phage）的结构见图5…2。就它和寄主的关系来讲，可以分为烈性噬菌体和温和噬菌体两大类。
5。1。3。1 烈性噬菌体
噬菌体的增殖包括吸附、侵入、核酸复制与蛋白质合成、装配以及释放5个阶段（图5…4）。
1．吸附
大肠杆菌的T系列噬菌体以其尾丝尖端附着在大肠杆菌的细胞壁上。附着时，噬菌体是以其尾丝尖端的