一、质粒的特点

质粒在分子结构上是一种双链共价闭合环形DNA分子，通常以超螺旋结构形式存在。目前，已发现有质粒的细菌有几百种，已知的绝大多数的细菌质粒都是闭合环状DNA分子，可自然形成超螺旋结构。双链的质粒DNA分子可形成三种不同分子构型：共价闭合环形DNA（SC型）、开环DNA（OC型）、线性DNA（L型），它们相对分子质量相同，但在电泳中的迁移速率不同。

细菌质粒的相对分子质量一般较小，约为细菌染色体的0.5%～3%，大小为2～300 kb。根据相对分子质量的大小，质粒大致上可以分成两类：较大的一类的分子大小在70～150 kb以上，较小的一类在3～7 kb以下，少数质粒的分子大小介于两者之间。分子大小＜15 kb的小质粒比较容易分离纯化，而＞15 kb的大质粒则不易提取。

细胞内能够自我复制的结构单位称为复制子，尽管细菌染色体是由3～4 Mbp组成，但是在通常情况下它只在一个复制控制系统的控制下，作为一个独立单位进行复制，因此它是一个复制子。而酵母等所有的真核细胞，其染色体具有若干个复制起始点，因而可以认为是多个复制子的复合体。细菌的细胞除了是自身染色体的复制场所外，还是噬菌体和质粒的复制场所，因此噬菌体和质粒也称为染色体外因子，它们都是独立的复制子。质粒能自主复制，是能独立复制的复制子，但复制依赖宿主细胞的复制系统。每个质粒DNA上都有复制的起点，只有能被宿主细胞复制蛋白质识别的质粒才能在该种细胞中复制，不同质粒复制控制状况主要与复制起点的序列结构相关。

质粒也往往有其表型，其表现不是宿主生存所必需的，但也不妨碍宿主的生存。虽然质粒上的基因不是细菌所必需的，但可以使宿主细胞获得质粒编码基因的功能，这些功能包括对抗生素和重金属的抗性、对诱变原的敏感性、对噬菌体的易感性或抗性、产生限制酶、产生稀有的氨基酸或毒素、决定毒力、降解复杂有机分子以及形成共生关系的能力、在生物界内转移DNA的能力等。某些质粒携带的基因功能有利于宿主细胞在特定条件下生存，例如，细菌中许多天然的质粒带有抗药性基因，如编码合成能分解破坏四环素、氯霉素、氨苄青霉素等的酶基因，这种质粒称为抗药性质粒，又称R质粒。带有R质粒的细菌能在相应的抗生素存在的条件下生存繁殖。所以质粒与宿主的关系不是寄生，而是共生。医学上遇到的许多细菌的抗药性，常与R质粒在细菌间的传播有关，F质粒就能促使这种传递。

有的质粒可以整合到宿主细胞染色质DNA中，随宿主DNA复制，称为附加体。例如，细菌的性质粒就是一种附加体，它可以质粒形式存在，也能整合入细菌的DNA，又能从细菌染色质DNA上切下来。F质粒携带基因编码的蛋白质，能使两个细菌间形成纤毛状细管连接的结合，通过该细管，遗传物质可在两个细菌间传递。

一般质粒可随宿主细胞分裂而传给后代，质粒在宿主细胞中复制是依靠宿主细胞提供的蛋白质进行的，复制可以与宿主的细胞周期同步，也可独立于细胞周期。若质粒复制与宿主的细胞周期同步，则宿主细胞内质粒的拷贝数较低；若复制独立于细胞周期，则每个宿主细胞内的质粒拷贝数可以上千。

质粒在结构上可以分为两个区域，即与复制有关的区域和与复制无关的区域。与复制有关的区域是整个质粒的控制单位；与复制无关的结构区域与质粒的复制无关，只是被动地复制，在这个区域的序列发生的重组、插入、缺失等变化对质粒的复制不会产生影响，在DNA的重组中就是使用与复制无关的结构区域。

来自大肠杆菌的质粒是基因重组中最重要的质粒载体，人们在大肠杆菌中发现许多不同种类的质粒，其中研究得最详细的主要有F质粒、R质粒和Col质粒。

①F质粒，又叫F因子或性质粒，它能够使寄主染色体上的基因和F质粒一起转移到原先不存在该质粒的受体宿主细胞中，使两个宿主发生遗传物质的交换。

②R质粒，通称抗性质粒，它们能编码一种或者数种抗生素基因，并能将此种抗性基因转移到缺乏该质粒的适宜的受体细胞中，使后者也获得抗性。

③Col质粒（Col plasmid），因首先发现于大肠杆菌中，含有编码大肠杆菌素的基因，故又称大肠杆菌素质粒或产大肠杆菌素因子质粒。大肠杆菌素是由大肠杆菌的某些菌株所分泌的细菌素，由Col因子编码，能通过抑制复制、转录、转译或能量代谢等而专一地杀死他种肠道菌或同种其他菌株。带有Col因子的菌株，由于质粒本身编码一种免疫蛋白，从而对大肠杆菌素有免疫作用，不受其伤害。Col因子可分为ColE1和ColIb两类，ColE1相对分子质量较小，约为5×106，无接合作用，拥有该因子的质粒是松弛型控制、多拷贝的。ColIb相对分子质量约为8×106，此类质粒与F因子相似，具有通过接合作用转移的功能，属于严紧型控制，只有1～2个拷贝。ColE1研究得较深入，并被广泛地用于重组DNA的研究和体外复制系中。