图片：Darryl Leja
质粒是一段在细菌内不属于细菌核基因组的环形DNA，它们在细胞内复制，并在分裂时随机进入一个子细胞。它们也可以在细菌个体间交换。质粒在大多数生物研究者眼中只不过是基因工程里将目标基因送入细胞的工具；大众接触到质粒这词的时候一般也只是在抗药细菌相关的报道里。但如果我们从演化的角度来看，在细菌里每一个质粒都经历了演化之路上的残忍竞争。它们个个都是“自私”的老手。
（本文会使用大量拟人手法，但请注意演化本身并没有任何目的性。我们之所以能看到这些细菌和质粒，并不是因为它们想生存，而仅仅是因为它们能生存）
“普拉斯密得先生，最近我们这里可不太平。那个叫盘尼西林的家伙搞垮了我不少兄弟，你能帮我吗？”
“科莱先生，我的朋友，完全没问题，只要你让我住进你的家里。你为我打理好我的生活，我保证那个叫盘尼西林的碰都不敢碰你一下”
“太谢谢了，普拉斯密得先生。您住进来吧，请保护我”
一个月后
“普拉斯密得先生，那个叫盘尼西林的家伙已经走了好一阵子了。我觉得我很可能不再需要您的保护了。您也不能这样一直占用着我的资源。我可否请您离开呢？”
读到这里，一些朋友可能已经发现了。对话中的人物不是别人，就是我们常见的细菌（科莱E.coli,大肠杆菌），质粒（普拉斯密得 plasmid）和抗生素（盘尼西林 penicillin,青霉素）。在对抗抗生素时，细菌往往需要质粒的帮助——质粒可以给细菌提供抵抗基因，让细菌不被抗生素杀死；同时，细菌负责提供复制质粒的原材料以及工具。但是当抗生素不再存在时，细菌和质粒在利益上就出现了对话结尾所描述的冲突：细菌不希望质粒被留在体内，因为它需要耗费额的营养和能量去复制质粒。但质粒希望被留在细菌体内，这样它才有容身之所并可以复制自己。
为了能留在细菌体内，质粒采用了种种手段来确保自己不被丢弃。
赖着不走的住客
质粒一旦寄存于细胞，就很难被摆脱。高复制质粒（Multicopy plasmids）一般可以利用自己在细胞内的高拷贝数通过数量取胜。举个例子，假如有一个复制数为40质粒（也就是在一个细胞里有40个一模一样的质粒），在每一次分裂中每个质粒出现在其中一个子细胞里的概率是1/2，那么理论上分裂后其中一个子细胞一个质粒都没有的概率是多少呢？0.5的39次方：大约是五千亿分之一。也就是说，在细胞分裂时，每个子细胞都有极大可能会或多或少地带有原来细胞的质粒。
另外，复制数较少的质粒（Low copy plasmid）会采用其他方法来保证自己不在细菌分裂时被抛弃。主动分离（active partition）就是一个方法。它们会在细胞分裂时主动调整自己的位置，以确保自己可以同时留在分裂后的两个细胞里。
上述这两招看似完美，但也有漏洞。首先系统依然存在不稳定性，小概率下还是能产生不含质粒的细胞。其次含有太多无用质粒会大大增加主人的代谢负担，使其更容易在自然选择中被淘汰。除了这两个“明招”，质粒还有阴招：为了让宿主细菌保留它们，质粒甚至不惜产生能杀死宿主的毒素。

“一个无法拒绝的条件”

除了通过物理的方法确保自己不在细胞分裂时被抛弃，质粒还会通过生物化学的手段来确保自己的地位。
在电影《教父》中，黑手党头目“教父”常说，“我会提供一个他无法拒绝的条件”。
《教父》剧照
如果分子能说话，质粒也许也会对细菌说“我会提供一个你无法拒绝的条件”，这就是宿主杀死系统（Host-killing system）
“我在你的身体里安放了毒素，”质粒说，“当然我并不想让你死，所以我也会不断地产生解毒剂。但是，如果你失去了我，解药就将不复存在，你也会被毒素杀死。”
ColE1是大肠杆菌中非常常见的质粒。ColE1中含有cea 基因，它能产生大肠杆菌素E1。大肠杆菌素可以体外杀死大肠杆菌，大量产生时也能在体内杀死大肠杆菌，但一般情况下cea基因会被大肠杆菌体内的LexA蛋白抑制，所以不会产生大量大肠杆菌素。在大肠杆菌DNA受到破坏时，大肠杆菌为了启动SOS反应（DNA修复反应），会分解抑制SOS反应的LexA蛋白。这个时候，没有LexA抑制的cea基因会产生大量的大肠杆菌素，杀死大肠杆菌本身。细菌死亡后大肠杆菌素会被释放到环境中，杀死其他细菌。但是，拥有ColE1质粒的大肠杆菌却可以活下来，因为除了cea基因，ColE1中还有一个免疫基因imm，拥有imm基因的大肠杆菌则不会被体外的大肠杆菌素杀死。
在这里，ColE1给细菌提供了一个无法拒绝的条件：“我在你周围的细菌里安放了随时可能泄露的毒素，而只有我能保护你。没了我，你也会死”
除此之外，一些宿主杀死系统还会使用“定时炸弹”，让毒素延时产生，而解药则必须被立刻使用。R1质粒中的Hok-Sok系统就是一个经典例子。Hok mRNA 编码着能杀死细菌的毒素Hok，但是这个mRNA不会立刻产生毒素，而是像一个定时炸弹一样有延时效应。Hok mRNA的 3’末端有一段序列可以抑制毒素的产生，但是末端用于抑制这段的序列会被细菌自身的RNA酶慢慢分解。那段RNA被水解后，如果细胞里没有由质粒产生的Sok RNA来抑制毒素的产生的话，细菌就会被生成毒素杀死。如果有Sok RNA的保护，毒素就不会被生成，细菌也可以得以存活。
在Hok/Sok系统中，拥有质粒的细菌不会被杀死，而失去质粒的细菌会被毒素杀死。左图为有质粒的情况，右图为质粒丢失的情况。图片：Kozak 2005
在这里，作为毒素的生产者的Hok mRNA有延时性，而作为解药的Sok RNA则没有延时性。一旦细菌失去了质粒，它就失去了Sok RNA的保护，在Hok mRNA产生毒性时就会被杀死。这就是Hok/Sok系统所提供的“无法拒绝的条件”
党同伐异还是同类相残？
我们都喜欢抱团取暖。但太过相似的质粒却会互相压制，直到细胞中只剩下一种质粒。为什么会这样呢？质粒为了防止自己在细菌里疯狂复制最后搞得宿主营养不良死亡，会主动地“计划生育”。质粒为了控制自身数量，有一套负反馈机制：质粒数量越多，对复制的抑制越强，从而复制越慢。
这种负反馈机制造就了质粒间的同类相残。如果两种质粒使用的负反馈机制不同，它们就会井水不犯河水，和谐共处；相反，如果它们使用的是同一套负反馈系统，它们就会互相压制。这种同类相残的现象被称为质粒不相容性：如果将不相容的质粒转入同一个细胞中，一段时间过后，也许在这个种群中两种质粒都存在，在每一个细胞中也都只能看到一种质粒。
不相容的质粒会互相压制，经过质粒的复制和细胞的复制，最后每个细胞里只有一种质粒。图片：David Summers
表面上看，这种机制让不相同的质粒分道扬镳，互不侵犯，但实际上却暗藏杀机。还记得之前提到的宿主杀死系统吗？假设下图中质粒A（红色）和质粒B（蓝色）互不相容，质粒A有宿主杀死系统而质粒B没有，它们在某一刻同时出现在一个细胞内，经过分离之后，一些细胞只有质粒A，一些细胞只有质粒B。只有质粒B的细胞会因为失去了质粒A而被质粒A遗留下的毒素杀死。而只有质粒A的细胞却不会遇到这样的麻烦。最终，在这场无声的厮杀中，存活下来的只有含有质粒A的细菌。
在有宿主杀死系统（HKS+）和没有宿主杀死系统（HKS-）的质粒分开时，最终能存活的只有有宿主杀死系统（HKS+）的质粒。图片：David Summers
显而易见，想在质粒的竞争中存活，就必须要有一套，甚至多套宿主杀死系统。由于每个宿主杀死系统都不能保证一定奏效，一个质粒拥有的宿主杀死系统越多，这个质粒就越难以丢失，由此形成了一种军备竞赛：每一种质粒都会获得越来越多的宿主杀死系统，以让自己变得“无法被失去”，。
下次再看到的质粒时，除了把它们看做生物研究的小帮手或者是细菌抗药的小帮凶之外，不要忘了，它们也还是演化之路上自私的幸存者。每一个质粒身后可能都有一段惊心动魄的厮杀往事。
虾说
在这篇文章中，我们把质粒看做是自私的个体，从一个有趣的角度来解释质粒的种种行为。但是，有趣的解释并不一定是最合理的解释。对于ColE1质粒这样行为，还有别的解释吗？而且，细菌不会反击吗？敬请期待番外篇！
参考资料
M. Kozak, “Regulationof translation via mRNA structure in prokaryotes and eukaryotes,” Gene,vol. 361, pp. 13–37, Nov. 2005.
T.F. Cooper and J. A. Heinemann, “Postsegregational killing does not increaseplasmid stability but acts to mediate the exclusion of competing plasmids,” Proc.Natl. Acad. Sci., vol. 97, no. 23, pp. 12643–12648, Nov. 2000.
欢迎转发本文
如需转载请联系公众号授权
新年快乐！
继续阅读
阅读原文