對“肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”的幾個疑難問題的解答

閆 立 武 輝

(安徽省宣城中學(xué) 242000)(浙江省桐鄉(xiāng)第一中學(xué) 314500)

1 多糖類莢膜與其致病性有何關(guān)系

莢膜是某些細(xì)菌的特殊結(jié)構(gòu)，是位于細(xì)胞壁外的一層厚度不定的透明膠狀物質(zhì)，主要由水、多糖或多肽組成[1]。莢膜主要有以下作用：防止細(xì)菌變干，吸附陽離子，防止噬菌體的侵襲，防止吞噬細(xì)胞的消化和吞噬。S型菌的多糖類莢膜能夠使S型菌抵抗吞噬細(xì)胞的吞噬和體液中殺菌物質(zhì)的作用，從而在小鼠體內(nèi)存活并迅速繁殖而導(dǎo)致小鼠患病死亡。R型菌沒有多糖類莢膜，易被吞噬細(xì)胞和體液中的殺菌物質(zhì)清除，不會導(dǎo)致小鼠患病。故S型菌的致病性并非直接由多糖類莢膜引起，而是由于多糖類莢膜的保護(hù)作用使S型菌在體內(nèi)大量繁殖所致。

2 S型菌是否可能由R型菌突變產(chǎn)生

在格里菲斯“體內(nèi)轉(zhuǎn)化”實(shí)驗(yàn)的第四組中，從小鼠體內(nèi)分離的S型菌一定是由R型菌轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的嗎？是否可能由R型菌突變產(chǎn)生呢？根據(jù)莢膜多糖抗原特性的不同，S型菌可分為多種類型，其中Ⅰ～Ⅲ型(SⅠ、SⅡ、SⅢ)致病力較強(qiáng)，Ⅲ型最強(qiáng)。SⅠ、SⅡ、SⅢ的相應(yīng)突變類型為RⅠ、RⅡ、RⅢ。在格里菲斯的第四組實(shí)驗(yàn)中，是用SⅡ型菌的突變類型(RⅡ)與高溫殺死的SⅢ型菌混合共同注射到小鼠體內(nèi)，結(jié)果從死亡的小鼠體內(nèi)分離出的S型菌全為SⅢ型菌。若是發(fā)生回復(fù)突變應(yīng)該能從死亡的小鼠體內(nèi)分離出SⅡ型菌。因此，產(chǎn)生的S型菌是由RⅡ菌轉(zhuǎn)化而來而非突變產(chǎn)生。

3 R型菌是如何轉(zhuǎn)化為S型菌的

轉(zhuǎn)化是指受體菌直接吸收供體菌的DNA片段而獲得后者部分遺傳性狀的現(xiàn)象[1]，是細(xì)菌間遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移方式的一種。轉(zhuǎn)化能否發(fā)生主要受以下幾方面的影響：①細(xì)菌間能否發(fā)生轉(zhuǎn)化與兩菌種間的親緣關(guān)系密切相關(guān)，親緣關(guān)系越近轉(zhuǎn)化就越易發(fā)生，故轉(zhuǎn)化多發(fā)生在同一物種或近緣物種之間；②能夠發(fā)生轉(zhuǎn)化的細(xì)菌必須處于感受態(tài)(最易于接受外源DNA片段并能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的一種狀態(tài))，調(diào)節(jié)感受態(tài)的一類特異性蛋白稱感受態(tài)因子，主要包括膜相關(guān)DNA結(jié)合蛋白、細(xì)胞壁自溶素和幾種核酸酶等，人工條件下可用環(huán)腺苷酸(cAMP)或Ca2+處理受體菌使其處于感受態(tài)；③轉(zhuǎn)化還受到轉(zhuǎn)化因子的大小和濃度的影響。

肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化(R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌)是同種細(xì)菌不同品系間的轉(zhuǎn)化，具體過程如下：處于特定生長期的R型菌分泌感受態(tài)因子(細(xì)胞壁自溶素)，細(xì)胞壁局部缺失，使細(xì)胞表面的膜連結(jié)合蛋白和核酸酶暴露出來；S型菌的DNA與R型菌的膜連結(jié)合蛋白相結(jié)合，R型菌會釋放限制性核酸內(nèi)切酶將S型菌的DNA降解為較短的DNA片段，然后另一些酶將S型菌的DNA雙鏈打開；此后一條鏈被降解，另一條鏈進(jìn)入細(xì)胞與R型DNA同源區(qū)段配對，切除并替換相應(yīng)的單鏈片段形成雜合區(qū)段；受體細(xì)菌分裂時，隨著DNA的復(fù)制雜合區(qū)段也隨之復(fù)制并分離，后代就會出現(xiàn)R型菌和S型菌。

可見，轉(zhuǎn)化是S型菌將控制多糖類莢膜合成的相關(guān)基因整合到R型菌的DNA分子上并得以表達(dá)的過程，本質(zhì)上屬于基因重組。DNA自然狀態(tài)下，轉(zhuǎn)化的頻率很低，形成的S型菌數(shù)量較少，但少量的S型菌在小鼠體內(nèi)會迅速繁殖從而使小鼠患病死亡。

若將R型菌的DNA與S菌混合培養(yǎng)，能否使S型菌轉(zhuǎn)化為R型菌？由于S型菌具有多糖類莢膜，自然狀態(tài)下不會出現(xiàn)感受態(tài)，故將R型菌的DNA與S型菌混合培養(yǎng)，不會使S型菌轉(zhuǎn)化為R型菌。

4 為何S型菌的DNA經(jīng)高溫處理后仍具有遺傳效應(yīng)

蛋白質(zhì)經(jīng)高溫處理后空間結(jié)構(gòu)被破壞而變性失活，該過程是不可逆過程。高溫能斷裂DNA雙鏈間的氫鍵使其解旋為單鏈，但并不破壞DNA的一級結(jié)構(gòu)，這一過程是可逆過程，當(dāng)溫度降低時解旋的兩條單鏈的堿基可以再度互補(bǔ)配對形成氫鍵，恢復(fù)原有的雙鏈結(jié)構(gòu)。所以，加熱殺死的S型菌的DNA仍具有遺傳效應(yīng)。

5 為何有人對艾弗里實(shí)驗(yàn)結(jié)論有懷疑

艾弗里的“體外轉(zhuǎn)化”實(shí)驗(yàn)的第2組和第3組實(shí)驗(yàn)分別從正反兩方面證明了轉(zhuǎn)換因子為S型菌的DNA，即S型菌的DNA才是使R型菌產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變化的物質(zhì)，但為何仍不能排除人們對其實(shí)驗(yàn)結(jié)論的懷疑呢？對于艾弗里的質(zhì)疑主要來自兩個方面[2]：第一種觀點(diǎn)認(rèn)為即使轉(zhuǎn)化因子是S型菌的DNA，也有可能只是對莢膜的形成有直接的化學(xué)效應(yīng)，并非作為遺傳信息的載體起作用，即轉(zhuǎn)化因子不等同于遺傳物質(zhì)；第二種觀點(diǎn)否認(rèn)DNA為遺傳物質(zhì)，認(rèn)為可能是殘存的微量蛋白質(zhì)或其他成分促使R型菌的轉(zhuǎn)化。對于第一種觀點(diǎn)，同時代的生物學(xué)家泰勒和哈赤基斯從S型肺炎雙球菌中分離出一種抗青霉素的突變型(記為抗-S)，提取出它的DNA并將DNA與對青霉素敏感的R型菌(記為非抗-R)共同培養(yǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，某些非抗-R型菌已被轉(zhuǎn)化為抗-S型菌并能穩(wěn)定遺傳。于是“轉(zhuǎn)化因子是通過對莢膜的形成有直接的化學(xué)效應(yīng)”的觀點(diǎn)被推翻。對于第二種觀點(diǎn)，艾弗里分別從正反兩方面證明了“有且僅有DNA才能使R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌[3]”，且隨著DNA純度的提高，轉(zhuǎn)化效率也越高。但是限于當(dāng)時人們對DNA的認(rèn)識還停留在“四核苷酸假說” (DNA是由四種核苷酸縮合的四核苷酸構(gòu)成)，無法解釋DNA怎樣能夠攜帶大量的遺傳信息，連艾弗里本人在對待實(shí)驗(yàn)的結(jié)論上也表現(xiàn)得過于謹(jǐn)慎，他不主張將DNA看作生物普遍的遺傳物質(zhì)，并且指出樣品存在污染的可能性。所以，艾弗里的實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有被當(dāng)時的人們所接受也是有歷史原因的。