质粒是一种能够独立于宿主细胞主要染色体进行复制的脱氧核糖核酸分子。最常见的质粒是存在于细菌中的环状双链分子，不过也有线性形式。质粒通常携带影响宿主在特定条件下生存的基因，而非维持细胞基本功能所必需的基因。质粒能够独立复制并携带插入的序列，因此是重组DNA研究的重要工具。(genome.gov)
结构与分布
质粒的大小、遗传内容和组织结构差异很大。小型质粒可能仅含有复制所需的序列，而大型质粒则可携带大量辅助基因。环状结构很常见，但并非质粒的定义特征：某些细菌的线性质粒具有发夹状末端，另一些则在DNA末端共价连接着末端蛋白质。这些结构有助于解决线性DNA末端的维持和复制问题。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
天然质粒并不只存在于细菌中。古菌和某些真核生物，尤其是酵母，也含有质粒。酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的2微米质粒已得到深入研究；它是一种位于细胞核内、长度约为6.3千碱基的环状DNA元件。它的基因和调控序列主要用于支持自身的复制、分离及拷贝数维持，而非为宿主提供明显的辅助功能。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
因此，质粒与染色体的区别并不只是形状或大小不同。它们的复制系统、基因内容，以及与宿主必需遗传组成之间的关系，也都是相关因素。质粒是遗传元件，而非能够独立生活的生物体：它依赖宿主提供资源和细胞内的分子机器。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
复制与拷贝数调控
独立复制是指质粒复制的调控与染色体复制的调控相互独立，并不意味着质粒不依赖宿主。质粒含有一个复制起点，DNA复制由此开始。许多质粒编码复制起始蛋白，而合成DNA所需的大部分分子机器则由宿主提供。细菌的环状质粒采用多种复制机制，包括θ型复制和滚环复制。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
拷贝数是指一个细胞内所维持的某种质粒的副本数量。不同的复制系统对应不同的典型拷贝数，从很少几个到许多个不等。调控机制会限制复制起始，通常通过抑制性RNA，或通过复制起始蛋白与重复DNA序列之间的相互作用实现。这些调控在确保质粒持续传递与避免过度复制带来的负担之间维持平衡。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
复制系统的相容性也限制了哪些质粒能够共存。质粒不相容性是指在没有适当选择压力的情况下，两种质粒无法同时稳定维持的现象。这通常是因为两者的复制调控系统或分配系统相互干扰，或无法区分这两种质粒。因此，质粒被划分为不同的不相容群，这种分类有助于研究天然质粒，也有助于选择实验室构建体的组合。(blog.addgene.org)
遗传与转移
质粒要持续存在，就必须在细胞分裂时传递给子细胞。许多低拷贝数质粒编码分配系统，用于定位和分离自身的DNA。这些系统通常由特定的DNA位点、DNA结合蛋白和马达蛋白共同组成。高拷贝数质粒因有大量副本可供分配而占有优势，不过其遗传并不一定仅靠简单的随机分散就能解释。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
其他维持机制包括将相连的质粒副本拆分为独立分子，以及毒素—抗毒素系统。在某些毒素—抗毒素系统中，质粒丢失后，具有保护作用的抗毒素会先消失，而存留时间更长的毒素随后发挥作用，抑制不含质粒的后代细胞生长或存活。这些机制促进了质粒的保留，但不一定提高宿主的适合度。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
质粒在细胞间的转移属于水平基因转移。接合性质粒编码细菌接合所需的分子机器，通过供体细胞与受体细胞的直接接触转移DNA。可动员质粒具有与转移相关的元件，但依赖另一遗传元件提供转移所需的分子机器。被归类为不可动员的质粒不具备这些接合转移能力，但有时仍可通过细胞摄取环境中的DNA，或通过噬菌体介导的转移而传播。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
生物学作用
质粒携带的辅助基因能够改变宿主与环境之间的相互作用。已确认的功能包括抗生素耐药性、对有毒金属的耐受性、毒力，以及特殊的代谢能力。因此，一个质粒的转移可以同时传播多个相互连锁的性状，而不必由每个受体谱系分别独立获得这些性状。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
携带质粒也可能因DNA复制和基因表达而给宿主带来负担。质粒能否持续存在，取决于这些负担、特定环境条件下的益处、转移机会及遗传机制之间的平衡。没有已知有益辅助性状的质粒通常被称为隐性质粒；这一称谓反映的是对其功能认识不充分，而非证明它们没有生物学效应。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
实验室应用与分析
经过工程改造的质粒可用作载体，将选定的DNA序列导入细胞。典型的细菌克隆载体含有复制起点、选择标记和插入区域。表达载体还含有调控元件，例如启动子（生物学），以支持目标宿主中的基因表达。仅有细菌复制起点，并不能保证载体在另一种生物中复制，也不能保证其中的基因能够表达。(genome.gov)
DNA片段可利用限制性内切酶和DNA连接酶组装到质粒中，也可采用其他组装方法。研究人员通过限制性酶切分析、凝胶电泳、聚合酶链式反应和DNA测序来检查构建体。选择筛选用于识别携带标记的细胞，而序列验证则用于确认目标插入片段及其周围的构建体序列是否正确。(addgene.org)