【预备知识】
- 模式生物 #35
分子生物学始于对一种细菌及其病毒的研究。
在分子生物学的早期，被选中的模式生物是大肠杆菌（Escherichia coli，简称 E. coli）。这种小的、杆状的细胞通常生活在人类和其他脊椎动物的肠道中，但它可以在简单的营养肉汤中、在培养瓶或培养皿中轻松培养，在有利的条件下，它大约每20分钟就能繁殖一次。它能适应多变的化学条件，并能以惊人的速度通过突变和选择而进化。同样在早期引起特别兴趣的还有感染这种细菌的几种病毒——因为它们小得多的基因组使其更容易被详细分析。
病毒并非严格意义上的生命，因为它们的繁殖依赖于宿主细胞的机制。虽然我们现在知道病毒是地球上所有生物实体中数量最丰富的，但它们太小，无法在光学显微镜下看到。因此，直到19世纪末，它们完全没有被发现，当时人们识别出少数病毒是感染性病原体，它们可以穿过能捕获细菌的过滤器，但会被允许大分子通过的更细的过滤器所阻挡。直到电子显微镜的发明，病毒才最终能够被观察到是具有明确形状和大小的微小颗粒。我们现在知道病毒由许多家族组成，不同的家族具有不同的结构和复制模式。
那些感染细菌的病毒被称为噬菌体，其中感染大肠杆菌的两种噬菌体作为模式生物，在推动我们对分子细胞生物学的理解方面发挥了关键作用。对这两种病毒——λ 噬菌体（bacteriophage lambda）和T4噬菌体（bacteriophage T4）——进行了详细的遗传分析，随后是利用对突变基因的分析来识别和表征特定感兴趣蛋白质的生物化学研究。例如，遗传学家在T4噬菌体中生成并表征了一百多种不同的突变基因，T4噬菌体是一种具有双链DNA基因组的大型病毒。
图《Molecular Biology of the Cell》7E Figure 1-37 T4噬菌体。(A) T4噬菌体颗粒的电子显微照片，这是一种感染大肠杆菌的病毒。病毒的六边形头部包含病毒DNA；尾部包含将DNA注射到宿主细菌中的装置。（B）大肠杆菌的横截面，其表面附着着一个T4噬菌体。细菌内部大的黑色物体是正在组装的新T4颗粒的头部。当这些颗粒成熟后，细菌将会破裂并释放它们。（C-E）通过冷冻电子显微镜（Cryo-electron microscopy，在第9章中讨论）对未染色、冷冻样本进行观察，展示了DNA注入细菌的过程。(C) 附着开始。(D) DNA注入过程中的附着状态。(E) 病毒头部已将全部DNA排空注入细菌。（A图作者：James Paulson；B图作者：Jonathan King和Erika Hartwig，摘自G. Karp, Cell and Molecular Biology, 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, 1999；C-E图作者：德克萨斯大学奥斯汀分校的Ian Molineux和Jun Liu。）
生物化学研究确定了编码噬菌体头部和尾部组件的T4基因集，从而揭示了生物组装过程的重要原理。遗传学家证明对T4 DNA复制至关重要的T4基因集使得这些蛋白质得以纯化，从而使生物化学家能够在试管中解读DNA复制的核心机制。同样，正是对λ 噬菌体的广泛研究，使我们早期理解了转录调节因子和基因调控网络。
我们现在知道，这两种噬菌体在整个生物圈中拥有许多近亲。例如，T4噬菌体的亲属在海洋中大量存在，它们感染普遍存在的海洋蓝细菌。总的来说，海洋病毒数量巨大，估计有1030个。如果将它们首尾相连，将延伸到我们最近的星系之外；它们每天杀死大约20%的海洋微生物总生物量。由于这些病毒在营养物质循环中起着巨大的作用，它们深刻地影响着地球的生态。
虽然病毒本身不是活细胞，但它们经常充当细胞之间基因转移的载体。病毒会在一个细胞中复制，以保护性包裹的形式从其中出来，然后进入并感染另一个细胞，这个细胞可能是同物种或不同物种的。通常，被感染的宿主细胞会因其内部病毒颗粒的大量增殖而死亡，但有时病毒DNA不会直接产生新的病毒颗粒，而是可能作为相对无害的“乘客”在宿主中持续许多代细胞——它可以是以单独的细胞内DNA片段（称为质粒）的形式，或以插入到细胞自身基因组中的DNA序列的形式存在。在它们的旅程中，病毒可能会偶然从一个宿主细胞的基因组中拾取DNA片段，并将其运送到另一个细胞中。这种遗传物质的转移在原核生物中非常常见。
许多细菌和古菌物种具有惊人的能力，可以从其周围环境中摄取甚至非病毒DNA分子，从而捕获这些分子所携带的遗传信息。通过这条途径或通过病毒介导的基因转移，野外的细菌和古菌可以相对容易地从邻近细胞那里获得基因。例如，赋予抗生素耐药性或产生毒素能力的基因可以在物种之间转移，并为受体细菌提供选择优势，极大地提高其传播速度。通过这种方式，人们观察到新的、有时是危险的抗生素耐药细菌菌株在医院或人体内各种生态位所栖息的细菌生态系统中进化。在更长的时间尺度上，结果可能更加深远；据估计，现今大肠杆菌基因组中至少有18%的基因是在过去1亿年内通过水平转移从其他物种获得的。
以大肠杆菌为模式生物的研究加速了随后的许多发现
标准的实验室菌株大肠杆菌 K-12的基因组约有460万个核苷酸对，包含在一个单一的环状DNA分子中，编码约4300种蛋白质。在分子层面上，我们对大肠杆菌的理解可能比对任何其他生物体都要更完整。
我们对生命基本机制的大部分理解——例如，细胞如何复制DNA，或它们如何解码DNA中所代表的指令来指导特定RNA和蛋白质的合成——最初都来自于对大肠杆菌及其病毒的研究。这是因为事实证明基本的遗传机制在整个进化过程中是高度保守的，在我们自己的细胞中与在大肠杆菌中本质上是相同的。
需要注意的是，与其他细菌一样，不同菌株的大肠杆菌，尽管被归类为单一物种的成员，但其遗传差异远大于植物或动物等生物体的不同变种。一个大肠杆菌菌株可能拥有数百个在另一个菌株中不存在的基因，并且这两个菌株之间共同拥有的基因可能少至50%。这些差异主要是由于猖獗的水平基因转移所致，这是这种以及许多其他细菌和古菌物种的特征。
图《Molecular Biology of the Cell》7E Figure 1-38 (A) 在扫描电子显微镜下观察到的一簇大肠杆菌细胞。(B) 大肠杆菌K-12菌株基因组的图示。该图呈环状，因为大肠杆菌的DNA，像大多数其他细菌一样，形成一个单一的、闭合的环。蛋白质编码基因显示为黄色或橙色条，具体取决于它们转录自哪条DNA链；由非蛋白质编码基因产生的RNA分子由绿色箭头表示，箭头指示它们的转录方向。一些基因从DNA双螺旋的一条链（在此图中为顺时针方向）转录，另一些则从另一条链（逆时针方向）转录。DNA复制的起点和终点用红色箭头标记。（A图：由Tony Brain博士和David Parker/Science Source提供；B图：改编自F.R. Blattner et al., Science 277:1453–1462, 1997。）
【进阶】
- 酵母是最小的真核模式生物 #38
