肺炎双球菌转化实验

在讲解肺炎双球菌转化实验的时候，师生往往面临着如下几个疑问，试解答如下：

①加热能杀死细菌，却为何“杀不死”DNA？

对S型细菌加热到一定程度（60度到100度），其蛋白质的分子结构受到破坏而丧失生物活性，加热引起的蛋白质变性是导致S型细菌死亡的原因。被加热杀死的S型细菌通过自溶过程，释放出部分DNA片段，但60度到100度高温只能使DNA氢键断开，双螺旋解体，而不会引起DNA分子的降解和一级结构的破坏。由于碱基互补作用，当温度逐渐降低后，分离的DNA单链会重新聚合，双螺旋结构又重新恢复。因此在一定温度范围内，加热不会导致DNA“死亡”（变性）。

②荚膜为何？是否有毒？

荚膜是某些细菌在一定条件下或生长发育到某一阶段时，在细胞壁外一层厚度不均的胶状物。具有保护细菌免受干旱损伤，可以贮藏养料，堆积代谢产物，与细菌致病性有关。产生荚膜细菌在固体培养基上形成表面湿润、有光泽、粘液状的光滑型（smooth），即S型菌落。不产生荚膜的细菌表面干燥、粗糙型(rough)，即R型菌落。

用特异性水解荚膜的酶除去荚膜，细菌的生命活动不受影响。荚膜有自身保护功能：①荚膜富含水，可保护细菌免受干燥，大部分细菌的荚膜由多糖组成；②能抵御吞噬细胞的吞噬和其他物质的侵害；③荚膜为主要表面抗原，它是有些病菌的毒力因子，故S型肺炎双球菌靠其荚膜致病，而无荚膜的R型为非致病菌。此外荚膜是聚合物，所以也是细菌的一种贮藏性物质，可在营养缺少时动用，产生荚膜与否是细菌的一种遗传特性，并与环境条件密切相关。从荚膜的功能第②点可知，S型细菌进入吞噬细胞后，由于荚膜的保护，能抵抗吞噬和消化作用，从而迅速繁殖、扩散，引发机体发生疾病，严重时会引起死亡；而R型细菌无荚膜，会被吞噬细胞吞噬、消化，所以不能使机体患病。可见，荚膜并没有毒性，是一种毒力因子。好比荚膜为刀，刀是凶器，但不是凶手。

 ③何为转化？转化过程如何？

受体细胞从外界直接吸吸收来自供体细胞的DNA片段，并与其同源片段进行遗传物质交换，从而使受体细胞获得新的遗传特性的现象，称为转化。

供体细胞DNA片段即为格里菲斯认为的“转化因子”，R型细菌肺炎双球菌（受体细胞）在对数期后期（生长后期）40分种内处于“感受态”，吸收外源DNA的能力比其它时期大1000倍。此时R型活菌（受体细胞）膜表面有30～80个“感受态因子”位点。“感受态因子”是一种膜外蛋白，可以催化外来DNA片段的吸收或降解细胞表面某种成分，从而使细胞表面的DNA受体显露出来。被加热杀死的S型肺炎双球菌自溶，释放出的DNA片段（已失活），但双键结构尚在，分子量小于1×107含有15个基因，即“转化因子”。当“转化因子”遇到咸受态的R型活菌，就有10个左右这样的双链片段与R型菌膜表面的“感受态因子”位点结合，在位点上进一步发生酶促分解，形成平均分子量为4×106～5×106的DNA片段，然后双链拆开，其中一条链降解，另一条单链进入细胞，与受体菌基因的相应同源区段配对，并使受体菌基因的相应片段被切除，从而将其替换，形成杂种DNA区段。随着受体基因进行复制，杂合区段分离成两个，其中之一类似供体菌，另一个类似受体菌。当细胞分裂后，复制的基因发生分离，于是就有R型菌产生S型菌肺炎双球菌的后代，此过程称为原核生物的转化。其实质是基因重组。

 ④如果感染了S型肺炎双球菌，S型菌的DNA能不能进入人或小鼠的细胞？

在某些化学或物理条件的诱导下，外源DNA可以比较容易地进入真核细胞，这一过程称为转染。可是在生理条件下，外源DNA进入细胞之前就被机体组织内的各种核酸酶彻底水解和破坏了，即使有少量核酸没有被完全水解，也无法通过正常途径穿过细胞膜，进入细胞内并运送到核。另外，发生转化的生物间必须有一定的亲缘关系，肺炎双球菌的S型和R型是同一物种的两个品系，较易发生转化，细菌与人或小鼠之间的亲缘关系较远，几乎不能转化。

⑤格里菲思要做第四组实验的用意何在？

1928年，格里菲斯将肺炎球菌SⅡ在特殊条件下进行离体培养，从中分离出R型，说明R型是SⅡ的突变型。当他把这种R型的少量活细菌和大量已被杀死的SⅢ混合注射到小家鼠体内以后，出乎意外，小家鼠却被致死了。剖检发现，小家鼠的心血中有SⅢ细菌。这一实验结果可以有三种解释。（1）SⅢ细菌可能并未完全杀死。但这种解释不能成立，因为单独注射经过处理的SⅢ时并不能致死小家鼠。（2）R型已转变为S型。这一点也不能成立，因为剖检发现的是SⅢ不是SⅡ，R型从SⅡ突变而来，理应转化为 SⅡ。（3）R型从杀死的SⅢ获得某种物质，导致类型转化，从而恢复了原先因基因突变而丧失的合成荚膜的能力。格里菲斯肯定了这种解释。这就是最早发现的转化现象。从格里菲斯所做的实验的真实的过程中，我认为为什么格里菲思要做第四组实验的原因是，S型菌能突变成R型菌，那么R型菌能否变成S型菌呢？有什么办法能让R型菌变回S型菌呢？ 并且由于实验结果发现的是SIII型而不是SII型说明这种转变并不是突变而是转化。