肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗的常見問題及解釋

關(guān)于新課標(biāo)人教版必修二第三章“基因的本質(zhì)”中第一節(jié)“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”這一內(nèi)容涉及到“格里菲斯的肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗”，學(xué)生總是提出下列的疑問：

（1）殺死的S型細(xì)菌為什么不會使小鼠死亡，而加入R型細(xì)菌之后小鼠就死亡了？

（2）為什么能發(fā)生轉(zhuǎn)化，是將R型細(xì)菌殺死變成S型細(xì)菌的？還是兩者的遺傳物質(zhì)進(jìn)行融合后表現(xiàn)出S型細(xì)菌的特點？有沒有可能是R型細(xì)菌突變而來？

（3）S型細(xì)菌的DNA非要用R型細(xì)菌當(dāng)宿主細(xì)胞嗎，它怎么不能用小鼠體內(nèi)的細(xì)胞當(dāng)宿主細(xì)胞來進(jìn)行增殖嗎？

對于這些問題，很多教師在回答時也仍是底氣不足的，以下是筆者查閱資料，并進(jìn)行整理匯總后所得，以供同行參考。

1.背景介紹

肺炎鏈球菌有具多糖莢膜的致病菌S型細(xì)菌（smooth，因菌落外觀光滑）和非致病菌R型細(xì)菌（Rough，因菌落外觀粗糙）。細(xì)菌是否具有產(chǎn)生莢膜的能力以及產(chǎn)生莢膜的類型稱為“遺傳特性”。S型細(xì)菌經(jīng)過突變可以產(chǎn)生R突變體，反之亦然，不過突變總是涉及丟失或獲得產(chǎn)生一個特定類型莢膜的能力。

格里菲斯對肺炎球菌的致病情況做了研究。當(dāng)他把熱處理的S細(xì)菌（III-S型）與活的R細(xì)菌（II-R型）的混合物注射到小鼠體中時，盡管這兩種細(xì)菌本身都不是致死的，但是小鼠還是死亡了。更重要的是，從注射了這類混合物而死亡的小鼠身上分離得到S型菌，是與加熱殺死的S細(xì)菌（III-S型）相同的類型，因此這些S細(xì)菌不可能是通過這些特定的R細(xì)菌突變而來的。

2.相關(guān)問題解釋

問題1的解釋：1933年，阿洛維將II-R型細(xì)菌和III-S型細(xì)菌的無細(xì)胞提取液（所有完整細(xì)胞、細(xì)胞碎片、莢膜分子都通過離心和過濾從提取物中去掉）混合，培養(yǎng)皿上仍長出了III-S型細(xì)菌。這否認(rèn)了R型細(xì)菌以某種方式使加熱殺死的S型細(xì)菌“復(fù)活”。而是S型細(xì)菌細(xì)胞提取物中含有轉(zhuǎn)化因子，并且它的化學(xué)本質(zhì)還是未知的。人教版必修二里對于格里菲斯所做的實驗的結(jié)論也是：加熱殺死的S型細(xì)菌中，必然含有某種促成將R型細(xì)菌轉(zhuǎn)化形成有毒性的s型活細(xì)菌的活性物質(zhì)，而這一個活性物質(zhì)命名叫做“轉(zhuǎn)化因子”，后來被證實這個轉(zhuǎn)化因子是S型細(xì)菌的遺傳物質(zhì)——DNA。雖然在加熱過程中，s型細(xì)菌已經(jīng)死了，但是它自身的遺傳物質(zhì)還沒有失活，只是蛋白質(zhì)失活了而已，它的DNA可以整合到R型細(xì)菌的遺傳物質(zhì)中，并且繼續(xù)發(fā)揮自身的作用，利用R型細(xì)菌提供的材料，隨著R型細(xì)菌的增殖而增殖，并指導(dǎo)S型細(xì)菌的蛋白質(zhì)的合成，最終表現(xiàn)出S型細(xì)菌的毒性。也就是教材中所說的：產(chǎn)生產(chǎn)莢膜的S型肺炎雙球菌，導(dǎo)致小鼠最終患敗血癥而死亡。而殺死的s型細(xì)菌由于蛋白質(zhì)失活而失去感染性，不能使小鼠死亡。

問題2的解釋：首先對轉(zhuǎn)化這一名詞進(jìn)行解釋：轉(zhuǎn)化是某一基因型的細(xì)胞從周圍介質(zhì)中吸收來自另一基因型細(xì)胞的DNA，而使它的基因型和表現(xiàn)型發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象。這現(xiàn)象首先發(fā)現(xiàn)于細(xì)菌，也是細(xì)菌間遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移的多種形式中最早發(fā)現(xiàn)的一種，它不同于通過噬菌體感染傳遞遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)導(dǎo)以及通過細(xì)菌細(xì)胞的接觸而轉(zhuǎn)移DNA的細(xì)菌接合。

細(xì)菌轉(zhuǎn)化過程包括有轉(zhuǎn)化能力的染色體DNA片段的吸附、吸收和整合3個階段。外源DNA首先吸附在細(xì)菌細(xì)胞表面的一些接受位點上，能吸附的DNA主要是雙鏈狀態(tài)的，在通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞的吸收過程中DNA分子轉(zhuǎn)變?yōu)閱捂湥⑴cR型細(xì)菌內(nèi)的同源區(qū)段配對，形成雜合區(qū)段，接著發(fā)生錯配堿基對的修復(fù)校正：如果是以s型細(xì)菌的DNA作為模板進(jìn)行修復(fù)，那S型細(xì)菌的DNA就會以這種形式整合到細(xì)菌染色體上。外源基因整合后，通過基因表達(dá)使受體細(xì)菌的表型發(fā)生相應(yīng)的變化，如果整合到R型細(xì)菌中的DNA正好含有控制莢膜形成的基因，則會表現(xiàn)出有莢膜的特性。

所以，格里菲思把不產(chǎn)莢膜的無毒的粗糙型肺炎雙球菌和加熱殺死后的產(chǎn)莢膜的有毒的光滑型肺炎雙球菌混合注射小鼠，發(fā)現(xiàn)小鼠被感染致死，從小鼠的血液中分離出活的產(chǎn)莢膜的S型肺炎雙球菌，而且是與加熱殺死的S型細(xì)菌相同的Ⅲ-S型，因此這些S型細(xì)菌不可能是通過這些特定的R型細(xì)菌突變而來的。R型細(xì)菌之所以能產(chǎn)生S形的性狀，是發(fā)生了“轉(zhuǎn)化”，簡單說，轉(zhuǎn)化就是R型細(xì)菌接收了S型細(xì)菌的DNA，把它的DNA整合到了自己的DNA上面，獲得了S型細(xì)菌的形狀，長出莢膜。

而要注意的是，在這個過程中，不可能生成S型細(xì)菌，因為S型細(xì)菌也是一個獨立的菌種，有自己的特異的染色體、細(xì)胞質(zhì)等，它的染色體只可能被吸收，部分整合到R型細(xì)菌的染色體上，導(dǎo)致R型細(xì)菌的染色體不可能完全表達(dá)，因此產(chǎn)生S型細(xì)菌的性狀，而不是真的轉(zhuǎn)變成s型細(xì)菌。

對于問題3的解釋是：許多因素可以影響轉(zhuǎn)化效率。

首先，受體細(xì)菌和供體細(xì)菌的親緣關(guān)系會產(chǎn)生影響。當(dāng)親緣關(guān)系愈遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)化效率愈低，這主要是受吸附位點專一性和染色體的同源程度的影響。DNA分子的聯(lián)會是供體DNA整合到受體DNA上的先決條件，聯(lián)會一般只發(fā)生在同源染色體之間，而親緣關(guān)系愈遠(yuǎn)則同源性愈低，所以轉(zhuǎn)化效率也愈低。因此對比起來，S型和R型細(xì)菌之間DNA的差異相對小鼠來講要小得多，在轉(zhuǎn)化過程中當(dāng)然是R型細(xì)菌具有優(yōu)先性，所以一般以R型細(xì)菌的細(xì)胞作為受體細(xì)胞。

其次，任何細(xì)胞都有自己的保護(hù)系統(tǒng)，沒有保護(hù)的DNA進(jìn)入外源細(xì)胞就會被降解，而不會表達(dá)。小鼠細(xì)胞，更能識別S型細(xì)菌的DNA是外源DNA。再者，加熱殺死的S型細(xì)菌就算用小鼠體內(nèi)的細(xì)胞當(dāng)宿主細(xì)胞增殖，它本身無莢膜，無毒性，會被小鼠免疫系統(tǒng)殺死。

還有，真核細(xì)胞和原核細(xì)胞的表達(dá)系統(tǒng)也有差別，真核細(xì)胞的核糖體是80S（包括60S與40S的大小亞單位），而原核細(xì)胞是70S（包括50S與30S的大小亞單位），所以S型細(xì)菌表達(dá)出來的基因在真核細(xì)胞里面不一定能順利的進(jìn)行表達(dá)。

通過教師對相關(guān)問題的詳細(xì)解釋，可以讓學(xué)生深刻地理解教科書的知識點，并體會到科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)，在教學(xué)過程中能逐步提高他們的科學(xué)素養(yǎng)和培養(yǎng)他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S，讓自己跟學(xué)生一起快速成長。