肺炎雙球菌的轉化實驗的常見問題及解釋

關于新課標人教版必修二第三章“基因的本質”中第一節“DNA是主要的遺傳物質”這一內容涉及到“格里菲斯的肺炎雙球菌的轉化實驗”，學生總是提出下列的疑問：

（1）殺死的S型細菌為什么不會使小鼠死亡，而加入R型細菌之后小鼠就死亡了？

（2）為什么能發生轉化，是將R型細菌殺死變成S型細菌的？還是兩者的遺傳物質進行融合后表現出S型細菌的特點？有沒有可能是R型細菌突變而來？

（3）S型細菌的DNA非要用R型細菌當宿主細胞嗎，它怎么不能用小鼠體內的細胞當宿主細胞來進行增殖嗎？

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型細菌（smooth，因菌落外觀光滑）和非致病菌R型細菌（Rough，因菌落外觀粗糙）。細菌是否具有產生莢膜的能力以及產生莢膜的類型稱為“遺傳特性”。S型細菌經過突變可以產生R突變體，反之亦然，不過突變總是涉及丟失或獲得產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。當他把熱處理的S細菌（III-S型）與活的R細菌（II-R型）的混合物注射到小鼠體中時，盡管這兩種細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細菌（III-S型）相同的類型，因此這些S細菌不可能是通過這些特定的R細菌突變而來的。

2.相關問題解釋

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

問題2的解釋：首先對轉化這一名詞進行解釋：轉化是某一基因型的細胞從周圍介質中吸收來自另一基因型細胞的DNA，而使它的基因型和表現型發生相應變化的現象。這現象首先發現于細菌，也是細菌間遺傳物質轉移的多種形式中最早發現的一種，它不同于通過噬菌體感染傳遞遺傳物質的轉導以及通過細菌細胞的接觸而轉移DNA的細菌接合。

細菌轉化過程包括有轉化能力的染色體DNA片段的吸附、吸收和整合3個階段。外源DNA首先吸附在細菌細胞表面的一些接受位點上，能吸附的DNA主要是雙鏈狀態的，在通過細胞膜進入細胞的吸收過程中DNA分子轉變為單鏈，并與R型細菌內的同源區段配對，形成雜合區段，接著發生錯配堿基對的修復校正：如果是以s型細菌的DNA作為模板進行修復，那S型細菌的DNA就會以這種形式整合到細菌染色體上。外源基因整合后，通過基因表達使受體細菌的表型發生相應的變化，如果整合到R型細菌中的DNA正好含有控制莢膜形成的基因，則會表現出有莢膜的特性。

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

而要注意的是，在這個過程中，不可能生成S型細菌，因為S型細菌也是一個獨立的菌種，有自己的特異的染色體、細胞質等，它的染色體只可能被吸收，部分整合到R型細菌的染色體上，導致R型細菌的染色體不可能完全表達，因此產生S型細菌的性狀，而不是真的轉變成s型細菌。

對于問題3的解釋是：許多因素可以影響轉化效率。

首先，受體細菌和供體細菌的親緣關系會產生影響。當親緣關系愈遠，轉化效率愈低，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分子的聯會是供體DNA整合到受體DNA上的先決條件，聯會一般只發生在同源染色體之間，而親緣關系愈遠則同源性愈低，所以轉化效率也愈低。因此對比起來，S型和R型細菌之間DNA的差異相對小鼠來講要小得多，在轉化過程中當然是R型細菌具有優先性，所以一般以R型細菌的細胞作為受體細胞。

其次，任何細胞都有自己的保護系統，沒有保護的DNA進入外源細胞就會被降解，而不會表達。小鼠細胞，更能識別S型細菌的DNA是外源DNA。再者，加熱殺死的S型細菌就算用小鼠體內的細胞當宿主細胞增殖，它本身無莢膜，無毒性，會被小鼠免疫系統殺死。

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

通過教師對相關問題的詳細解釋，可以讓學生深刻地理解教科書的知識點，并體會到科學研究的嚴謹，在教學過程中能逐步提高他們的科學素養和培養他們嚴謹的邏輯思維，讓自己跟學生一起快速成長。