质粒到底是什么？病毒？生物武器？万恶之源？在它身上到底有何奥秘与神奇之处？
撰文 | 贺文辉（陆军军医大学基础医学院生物化学与分子生物学教研室）
DNA储存着世代相传的遗传信息，被誉为“生命的密码” 。从沃森和克里克发现DNA双螺旋结构的那一刻起，DNA的“魔幻之盒”被打开，越来越多不同类型的DNA分子被解密 。研究发现，大多数DNA分子呈线性结构，例如人的染色体DNA，如果将单个体细胞中的DNA分子全部展开，长度可达2-3米 。然而有一类存在于细菌中的DNA分子却呈环状，穿梭在浩瀚的DNA分子宇宙 。虽然它的大小只有细菌染色体的千分之一，却魔力无穷——它就是神奇的“质粒”（plasmid） 。
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左：细菌染色体DNA的线性结构；右：质粒的环状结构
（By User: Spaully on English wikipedia – Own work， CC BY-SA 2.5，https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2080850）
似病毒而非病毒
20世纪40年代，炭疽热横行美洲 。这是一种人畜共患的急性传染病，起初流行于美国德克萨斯州的鹿群，造成大批鹿群死亡 。随后在人群中发现了同样的症状：皮肤坏死、溃疡、焦痂、毒血和组织广泛水肿……最终，感染者因出现肺、肠和脑膜的急性感染而丧命[1] 。
科学家们试图通过寻找感染源来攻克这一传染病 。他们发现，真凶是炭疽杆菌中的一种毒性物质 。并且，他们认为这种物质为病毒，通过快速繁殖而感染宿主细胞，引发动物或人生病 。直到1950年，美国生物学家乔治·莱德伯格（Joshua Lederberg）才证实这种物质并非病毒，并于1952年将其命名为“质粒” 。
质粒是一种大小在1-200kb不等的环状DNA分子，独立于细菌染色体之外，并且具有自我复制能力 。细菌中的质粒含量最为丰富，螺旋体、放线菌和酵母等微生物中也有发现 。电镜下的质粒是共价、闭合、环状、小型的双链超螺旋DNA分子，形似“麻花”[2] 。由于发现质粒和其在细菌基因重组中的功能，莱德伯格斩获了1958年的诺贝尔生理学和医学奖 。那么，质粒与病毒到底有何异同，为何能迷惑科学家如此之久？首先，质粒与病毒一样，都能进行自我复制，快速繁殖；其次，它们都能赋予宿主一定的表型，引发性状改变 。但两者的不同也很明确：病毒是由一个核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的非细胞形态，是寄生于生命体甚至非生命体的入侵有机物种 。一般的病毒都有两到三个组成成分：RNA或DNA，蛋白质，脂质（部分病毒没有） 。而质粒只有一种成分，即DNA，并且质粒还是细胞的组成部分 。
虽然病毒和质粒并不相同，但存在千丝万缕的联系 。2017年，澳大利亚新南威尔士大学的研究团队在南极考察时，在古细菌体内发现了一种特殊的质粒，它的外表和行为都很像病毒，却缺少表明其是病毒的基因 。可以说，这是一种带有病毒属性的质粒 。研究团队据此推测，最早出现的病毒可能就是从这样的质粒进化而来的[3] 。
不安分的独行侠
质粒DNA如同“黑客”一般，能够摆脱宿主染色体DNA复制调控系统的束缚，独立“编程”自主复制 。这主要归功于质粒DNA上的复制起始位点，可以开启自身的复制，还有相应的调控基因，可以控制复制的频率 。这意味着质粒能够改变宿主细菌的特性，从而发挥效力 。
此外，质粒还具有可转移性 。在天然条件下，借助细菌的接合作用，绝大多数野生型质粒可以从一个宿主细胞转移至另一个宿主细胞，甚至还可以进入亲缘关系较近的不同种宿主菌中 。这一过程依赖于质粒转移相关基因——mob基因的表达产物与其他蛋白因子的相互作用：mob基因编码移动相关蛋白，在tra转移蛋白的结合作用下，将质粒转移到新宿主细胞的nic缺口位点，质粒即可通过缺口进入到新的新宿主细胞中[4] 。然而，一山不容二虎，如果两种质粒具有相同或相似的复制子结构及调控模式，它们就不能稳定地存在于同一宿主细胞内，这种现象称为质粒的不相容性 。