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对“肺炎双球菌转化实验”的几个疑难问题的解答

2016-04-10

生物学教学 2016年11期
关键词:遗传物质荚膜细菌

闫 立 武 辉

(安徽省宣城中学 242000)(浙江省桐乡第一中学 314500)

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[1]。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[1],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[2]: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[3]”,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。

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