转导

转导（transduction）是由噬菌体将一个细胞的基因传递给另一细胞的过程。它是细菌之间传递遗传物质的方式之一。具体含义是指一个细胞的DNA或RNA通过病毒载体的感染转移到另一个细胞中。

1952年，N·D·津德和J·莱德伯格在研究鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）的重组时发现了这一现象。他们将甲硫氨酸和组氨酸营养缺陷型菌株LT-2以及苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸营养缺陷型菌株LT-22分别加入一支U形管的两臂，管的中部用一个玻璃细菌滤片将两臂隔开。培养几小时后，发现在LT-22这一边有不需要任何氨基酸的原养型细菌出现。由于两臂之间是用细菌滤片隔开的，所以导致原养型出现的基因重组不是通过细菌接合，而是通过某种滤过因子将LT-2的基因传递给LT-22。通过对滤过因子的大小、质量、抗血清以及热处理的失活速度和寄主范围方面的全面鉴定，证实它就是沙门氏菌的P22噬菌体。

进一步的研究证明，LT-2菌株在没有游离噬菌体存在的条件下偶尔能裂解并释放有感染力的噬菌体P22。这种特性称为溶源性，是一种相当稳定的遗传性状。凡能使细菌溶源化的噬菌体都称为温和噬菌体，以不活动的状态存在于细菌细胞中的温和噬菌体称为原噬菌体。原噬菌体在一定条件下可以进入营养生长状态而复制繁殖，并最终导致细胞裂解而释放出噬菌体。因此，对上述转导现象的过程可作如下推断：当在LT-2细胞中的P22原噬菌体进行DNA复制和繁殖时，它们的外壳蛋白偶尔会错误地将LT-2染色体的某些DNA片断（包含苯丙氨酸基因、酪氨酸基因和色氨酸基因）包装到噬菌体内。这种噬菌体从LT-2细胞释放出来后可以通过滤片去感染LT-22细胞，导入的基因再经重组整合到LT-22的染色体上，使LT-22由原来的缺陷型转变为原养型细菌。

此后，转导现象得到广泛研究，在大肠杆菌、肺炎克氏杆菌、痢疾志贺氏菌、金黄色葡萄球菌、枯草杆菌、鼠伤寒沙门氏菌等几十种细菌中都有发现，在放线菌和高等动物的细胞株中也有报道。

转导可分为普遍性转导和局限性转导两类。

普遍性转导：噬菌体能传递供体细菌的任何基因的转导。由普遍性转导产生的转导子（即接受了噬菌体传递的供体细胞基因的受体细胞）不具溶源性，说明转导噬菌体中不带有完整的噬菌体染色体，却带有噬菌体在繁殖过程中错误包装的供体细菌的基因。根据噬菌体转导的供体细胞DNA是否整合到受体细胞染色体上，又可将普遍性转导分为完全转导和流产转导。转导的DNA整合到受体细胞染色体上，并能产生稳定的转导子的转导称为完全转导；转导的DNA不整合到受体细胞的染色体上，虽然不能继续复制，但仍然表达基因功能的转导称为流产转导。在流产转导中，转导子在每一次细胞分裂时只把噬菌体转导的DNA传给两个子细胞中的一个，所以即使经几次分裂产生许多细菌，也只有其中的一个细菌细胞得到噬菌体转导的DNA，这是一种单线遗传的方式。在同一次转导中，流产转导的细胞往往多于完全转导的细胞。

局限性转导：噬菌体只能传递供体染色体上原噬菌体整合位置附近的基因的转导。λ噬菌体和φ80噬菌体是大肠杆菌K-12的局限性转导噬菌体。λ噬菌体只能转导大肠杆菌K-12染色体上半乳糖基因（gal）和生物素基因（bio）等少数基因。φ80噬菌体只能转导色氨酸基因（trp）、胸腺嘧啶激酶基因（tdk）等少数基因。产生这种现象的原因是由于在溶源化过程中噬菌体总是整合在供体细胞染色体的特定位置上，当溶源性细菌受紫外线等因素诱导后，原噬菌体便脱离细菌染色体而进行复制，一部分原噬菌体脱离寄主染色体时带有邻近的染色体基因，这些噬菌体便是转导噬菌体。

λ噬菌体的整合和转导噬菌体的形成机制首先由A·坎贝尔所推测，以后经实验证明。当用λ噬菌体转导发酵乳糖的基因时，大约10⁶被感染的细菌中出现一个转导子，这一事实说明约10⁶个噬菌体中只有一个带有发酵乳糖的基因，这是低频转导。当λ噬菌体整合到寄主细胞后，带有发酵乳糖基因的λ噬菌体也整合到寄主染色体上，成为双重溶源化细胞。这种细菌用紫外线诱导时，非转导的和转导的噬菌体同时脱离细胞染色体而复制繁殖，两个噬菌体中就有一个带有发酵乳糖的基因。用这种细胞释放的噬菌体转导发酵乳糖基因，就可以得到50%的转导子，这种转导称为高频转导。

1. G蛋白介导的信号转导途径：G蛋白可与鸟嘌呤核苷酸可逆性结合。由γ亚基组成的异三聚体在膜受体与效应器之间起中介作用。小G蛋白只具有G蛋白α亚基的功能，参与细胞内信号转导。信息分子与受体结合后，激活不同G蛋白，有以下几种途径：（1）腺苷酸环化酶途径：通过激活G蛋白不同亚型，增加或抑制腺苷酸环化酶活性，调节细胞内cAMP浓度。cAMP可激活蛋白激酶A，引起多种靶蛋白磷酸化，调节细胞功能。（2）磷脂酶途径：激活细胞膜上磷脂酶C，催化质膜磷脂酰肌醇二磷酸水解，生成三磷酸肌醇和甘油二酯。IP3促进肌浆网或内质网储存的Ca²⁺释放。Ca²⁺可作为第二信使启动多种细胞反应。Ca²⁺与钙调蛋白结合，激活Ca²⁺/钙调蛋白依赖性蛋白激酶或磷酸酯酶，产生多种生物学效应。DG与Ca²⁺能协调活化蛋白激酶C。

2. 受体酪氨酸蛋白激酶信号转导途径：受体酪氨酸蛋白激酶超家族的共同特征是受体本身具有酪氨酸蛋白激酶的活性，配体主要为生长因子。该途径与细胞增殖肥大和肿瘤的发生关系密切。配体与受体胞外区结合后，受体发生二聚化后自身具备TPK活性并催化胞内区酪氨酸残基自身磷酸化。下游信号转导通过多种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的级联激活：（1）激活丝裂原活化蛋白激酶，（2）激活蛋白激酶C，（3）激活磷脂酰肌醇3激酶，从而引发相应的生物学效应。

3. 非受体酪氨酸蛋白激酶途径：此途径的共同特征是受体本身不具有TPK活性，配体主要是激素和细胞因子。配体与受体结合使受体二聚化后，可通过G蛋白介导激活PLC-β或与胞浆内磷酸化的TPK结合激活PLC-γ，进而引发细胞信号转导级联反应。

4. 受体鸟苷酸环化酶信号转导途径：一氧化氮和一氧化碳可激活鸟苷酸环化酶，增加cGMP生成，cGMP激活蛋白激酶G，磷酸化靶蛋白发挥生物学作用。

5. 核受体信号转导途径：细胞内受体分布于胞浆或核内，本质上都是配体调控的转录因子，均在核内启动信号转导并影响基因转录，统称核受体。核受体按其结构和功能分为类固醇激素受体家族和甲状腺素受体家族。类固醇激素受体（雌激素受体除外）位于胞浆，与热休克蛋白结合存在，处于非活化状态。配体与受体的结合使HSP与受体解离，暴露DNA结合区。激活的受体二聚化并移入核内，与DNA上的激素反应元件相结合或与其他转录因子相互作用，增强或抑制基因的转录。甲状腺素类受体位于核内，不与HSP结合，配体与受体结合后，激活受体并以HRE调节基因转录。

以噬菌体为媒介，把供体细菌的基因转移到受体菌内，导致后者基因改变的过程称为转导。当噬菌体在细菌中增殖并裂解细菌时，某些DNA噬菌体（称为普遍性转导噬菌体）可在罕见的情况下（约10⁵～10⁷次包装中发生一次），将细菌的DNA误作为噬菌体本身的DNA包入头部蛋白衣壳内。当裂解细菌后，释放出来的噬菌体通过感染易感细菌则可将供体菌的DNA携带进入受体菌内。如发生重组，则受体菌获得了噬菌体媒介转移的供体菌DNA片段，这一过程称为普遍性转导。质粒也有可能被包入衣壳进行转导。不具有转移装置的质粒依赖噬菌体媒介进行转移，转导可转移比转化更大片段的DNA，转移DNA的效率较转化为高。

只有温和噬菌体可进行局限性转导。当温和噬菌体进入溶原期时，以前噬菌体形式整合于细菌染色体的一个部位。当其受激活或自发进入裂解期时，如果该噬菌体DNA在脱离细菌染色体时发生偏离，则仅为与前噬菌体邻近的细菌染色体DNA有可能被包装入噬菌体蛋白质衣壳内。因此局限性转导噬菌体所携带的细菌基因只限于插入部位附近的基因。由于局限性转导噬菌体常缺少噬菌体正常所需的基因，因此常需与野生型噬菌体共同感染细菌，从而将携带的基因转移至受体菌，并获得该段基因所决定的新特性的表达。

转导是细菌遗传学研究中的一种常用研究手段。它可以用来在细菌间转移基因，进行互补测验，进行基因定位，特别是通过共转导方法进行基因的精细结构分析。在遗传工程中，可以把所要克隆的基因通过重组DNA技术插入到λ噬菌体的DNA中，然后通过离体包装方法把它用噬菌体外壳蛋白包装起来，再去感染寄主细胞以制备基因文库。

转导实验中常用的是λ噬菌体，它能整合在大肠杆菌染色体DNA上的半乳糖基因（gal, 17分钟处）与生物素基因（bio, 18分钟处）之间，因此它能转导gal基因又能转导bio基因。选用溶源性的E.coli K12(λ) gal⁺为供体菌。由于在此供体菌中λ噬菌体与gal⁺基因紧密连锁，因此，当此供体菌受紫外线照射后产生裂解反应，噬菌体被诱发释放，以一定的比例形成带有gal基因的转导噬菌体。当让这种转导噬菌体与受体菌E.coli K12S gal^-混合接触时，带有供体菌gal⁺基因的转导噬菌体能以一定的频率整合到受体菌的染色体DNA，从而使不能利用半乳糖的gal^-受体菌转变成了能利用半乳糖的gal⁺细菌。

细胞信号转导是指细胞通过胞膜或胞内受体感受信息分子的刺激，经细胞内信号转导系统转换，从而影响细胞生物学功能的过程。水溶性信息分子及前列腺素类（脂溶性）必须首先与胞膜受体结合，启动细胞内信号转导的级联反应，将细胞外的信号跨膜转导至胞内；脂溶性信息分子可进入胞内，与胞浆或核内受体结合，通过改变靶基因的转录活性，诱发细胞特定的应答反应。

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