对“肺炎双球菌转化实验”的几个疑难问题的解答

秦四哥

                              

1多糖类荚膜与其致病性有何关系

荚膜是某些细菌的特殊结构，是位于细胞壁外的一层厚度不定的透明胶状物质，主要由水、多糖或多肽组成。荚膜主要有以下作用：防止细菌变干，吸附阳离子，防止噬菌体的侵袭，防止吞噬细胞的消化和吞噬。S型菌的多糖类荚膜能够使S型菌抵抗吞噬细胞的吞噬和体液中杀菌物质的作用，从而在小鼠体内存活并迅速繁殖而导致小鼠患病死亡。R型菌没有多糖类荚膜，易被吞噬细胞和体液中的杀菌物质清除，不会导致小鼠患病。故S型菌的致病性并非直接由多糖类荚膜引起，而是由于多糖类荚膜的保护作用使S型菌在体内大量繁殖所致。

2 S型菌是否可能由R型菌突变产生

在格里菲斯“体内转化”实验的第四组中，从小鼠体内分离的S型菌一定是由R型菌转化产生的吗？是否可能由R型菌突变产生呢？根据荚膜多糖抗原特性的不同，S型菌可分为多种类型，其中Ⅰ~Ⅲ型（SⅠ、SⅡ、SⅢ）致病力较强，Ⅲ型最强。SⅠ、SⅡ、SⅢ的相应突变类型为RⅠ、RⅡ、RⅢ。在格里菲斯的第四组实验中，是用SⅡ型菌的突变类型（RⅡ)与高温杀死的SⅢ型菌混合共同注射到小鼠体内，结果从死亡的小鼠体内分离出的S型菌全为SⅢ型菌。若是发生回复突变应该能从死亡的小鼠体内分离出SⅡ型菌。因此,产生的S型菌是由RⅡ菌转化而来而非突变产生。

3 R型菌是如何转化为S型菌的

转化是指受体菌直接吸收供体菌的DNA片段而获得后者部分遗传性状的现象，是细菌间遗传物质转移方式的一种。转化能否发生主要受以下几方面的影响：

①细菌间能否发生转化与两菌种间的亲缘关系密切相关，亲缘关系越近转化就越易发生，故转化多发生在同一物种或近缘物种之间；

②能够发生转化的细菌必须处于感受态（最易于接受外源DNA片段并能实现转化的一种状态），调节感受态的一类特异性蛋白称感受态因子，主要包括膜相关DNA结合蛋白、细胞壁自溶素和几种核酸酶等，人工条件下可用环腺苷酸(cAMP)或Ca2+处理受体菌使其处于感受态；

③转化还受到转化因子的大小和浓度的影响。

肺炎双球菌的转化（R型菌转化为S型菌）是同种细菌不同品系间的转化，具体过程如下：处于特定生长期的R型菌分泌感受态因子（细胞壁自溶素），细胞壁局部缺失，使细胞表面的膜连结合蛋白和核酸酶暴露出来；S型菌的DNA与R型菌的膜连结合蛋白相结合，R型菌会释放限制性核酸内切酶将S型菌的DNA降解为较短的DNA片段，然后另一些酶将S型菌的DNA双链打开；此后一条链被降解，另一条链进入细胞与R型DNA同源区段配对，切除并替换相应的单链片段形成杂合区段；受体细菌分裂时，随着DNA的复制杂合区段也随之复制并分离，后代就会出现R型菌和S型菌。

可见，转化是S型菌将控制多糖类荚膜合成的相关基因整合到R型菌的DNA分子上并得以表达的过程，本质上属于基因重组。DNA自然状态下，转化的频率很低，形成的S型菌数量较少，但少量的S型菌在小鼠体内会迅速繁殖从而使小鼠患病死亡。

若将R型菌的DNA与S菌混合培养，能否使S型菌转化为R型菌？由于S型菌具有多糖类荚膜，自然状态下不会出现感受态，故将R型菌的DNA与S型菌混合培养，不会使S型菌转化为R型菌。

4为何S型菌的DNA经高温处理后仍具有遗传效应

蛋白质经高温处理后空间结构被破坏而变性失活，该过程是不可逆过程。高温能断裂DNA双链间的氢键使其解旋为单链，但并不破坏DNA的一级结构,这一过程是可逆过程，当温度降低时解旋的两条单链的碱基可以再度互补配对形成氢键，恢复原有的双链结构。所以，加热杀死的S型菌的DNA仍具有遗传效应。

5为何有人对艾弗里实验结论有怀疑

艾弗里的“体外转化”实验的第2组和第3组实验分别从正反两方面证明了转换因子为S型菌的DNA,即S型菌的DNA才是使R型菌产生稳定遗传变化的物质，但为何仍不能排除人们对其实验结论的怀疑呢?

对于艾弗里的质疑主要来自两个方面：第一种观点认为即使转化因子是S型菌的DNA，也有可能只是对荚膜的形成有直接的化学效应，并非作为遗传信息的载体起作用，即转化因子不等同于遗传物质；第二种观点否认DNA为遗传物质，认为可能是残存的微量蛋白质或其他成分促使R型菌的转化。对于第一种观点，同时代的生物学家泰勒和哈赤基斯从S型肺炎双球菌中分离出一种抗青霉素的突变型（记为抗-S),提取出它的DNA并将DNA与对青霉素敏感的R型菌（记为非抗-R）共同培养。结果发现，某些非抗-R型菌已被转化为抗-S型菌并能稳定遗传。于是“转化因子是通过对荚膜的形成有直接的化学效应”的观点被推翻。对于第二种观点，艾弗里分别从正反两方面证明了“有且仅有DNA才能使R型菌转化为S型菌，且随着DNA纯度的提高，转化效率也越高。但是限于当时人们对DNA的认识还停留在“四核苷酸假说”(DNA是由四种核苷酸缩合的四核苷酸构成），无法解释DNA怎样能够携带大量的遗传信息，连艾弗里本人在对待实验的结论上也表现得过于谨慎，他不主张将DNA看作生物普遍的遗传物质，并且指出样品存在污染的可能性。所以，艾弗里的实验结果没有被当时的人们所接受也是有历史原因的。

——闫立.武辉.对“肺炎双球菌转化实验”的几个疑难问题的解答.生物学教学.2016年第11期