关于新课标人教版必修二第三章“基因的本质”中第一节“DNA是主要的遗传物质”这一内容涉及“格里菲斯的肺炎双球菌的转化实验”,学生总是提出下列的疑问:

(1)杀死的S型细菌为什么不会使小鼠死亡,而加入R型细菌之后小鼠就死亡了?

(2)为什么能发生转化,是将R型细菌杀死变成S型细菌的?还是两者的遗传物质进行融合后表现出S型细菌的特点?有没有可能是R型细菌突变而来?

(3)S型细菌的DNA非要用R型细菌当宿主细胞吗,它怎么不能用小鼠体内的细胞当宿主细胞来进行增殖?

对于这些问题,很多教师在回答时也仍是底气不足的,以下是笔者查阅资料,并进行整理汇总后所得,以供同行参考。

一、背景介绍

肺炎链球菌有具多糖荚膜的致病菌S型细菌(Smooth,因菌落外观光滑)和非致病菌R型细菌(Rough,因菌落外观粗糙)。细菌是否具有产生荚膜的能力以及产生荚膜的类型称为“遗传特性”。S型细菌经过突变可以产生R突变体,反之亦然,不过突变总是涉及丢失或获得产生一个特定类型荚膜的能力。

格里菲斯对肺炎球菌的致病情况做了研究。当他把热处理的S细菌(Ⅲ-S型)与活的R细菌(Ⅱ-R型)的混合物注射到小鼠体中时,尽管这两种细菌本身都不是致死的,但是小鼠还是死亡了。更重要的是,从注射了这类混合物而死亡的小鼠身上分离得到S型菌,是与加热杀死的S细菌(Ⅲ-S型)相同的类型,因此这些S细菌不可能是通过这些特定的R细菌突变而来的。

二、相关问题解释

问题(1)的解释:1933年,阿洛维将Ⅱ-R型细菌和Ⅲ-S型细菌的无细胞提取液(所有完整细胞、细胞碎片、荚膜分子都通过离心和过滤从提取物中去掉)混合,培养皿上仍长出了Ⅲ-S型细菌。这否认了R型细菌以某种方式使加热杀死的S型细菌“复活”。而是S型细菌细胞提取物中含有转化因子,并且它的化学本质还是未知的。人教版必修二里对于格里菲斯所做的实验的结论也是:加热杀死的S型细菌中,必然含有某种促成将R型细菌转化形成有毒性的S型活细菌的活性物质,而这个活性物质叫做“转化因子”,后来被证实这个转化因子是S型细菌的遗传物质—DNA。虽然在加热过程中,S型细菌已经死了,但是它自身的遗传物质还没有失活,只是蛋白质失活了而已,它的DNA可以整合到R型细菌的遗传物质中,并且继续发挥自身的作用,利用R型细菌提供的材料,随着R型细菌的增殖而增殖,并指导S型细菌的蛋白质的合成,最终表现出S型细菌的毒性。也就是教材中所说的:产生产荚膜的S型肺炎双球菌,导致小鼠最终患败血症而死亡。而杀死的S型细菌由于蛋白质失活而失去感染性,不能使小鼠死亡。

问题(2)的解释:首先对转化这一名词进行解释:转化是某一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一基因型细胞的DNA,而使它的基因型和表现型发生相应变化的现象。这现象首先发现于细菌,也是细菌间遗传物质转移的多种形式中最早发现的一种,它不同于通过噬菌体感染传递遗传物质的转导以及通过细菌细胞的接触而转移DNA的细菌接合。

细菌转化过程包括有转化能力的染色体DNA片段的吸附、吸收和整合3个阶段。外源DNA首先吸附在细菌细胞表面的一些接受位点上,能吸附的DNA主要是双链状态的,在通过细胞膜进入细胞的吸收过程中DNA分子转变为单链,并与R型细菌内的同源区段配对,形成杂合区段,接着发生错配碱基对的修复校正,如果是以S型细菌的DNA作为模板进行修复,那S型细菌的DNA就会以这种形式整合到细菌染色体上。外源基因整合后,通过基因表达使受体细菌的表型发生相应的变化,如果整合到R型细菌中的DNA正好含有控制荚膜形成的基因,则会表现出有荚膜的特性。

所以,格里菲斯把不产荚膜的无毒的粗糙型肺炎双球菌和加热杀死后的产荚膜的有毒的光滑型肺炎双球菌混合注射小鼠,发现小鼠被感染致死,从小鼠的血液中分离出活的产荚膜的S型肺炎双球菌,而且是与加热杀死的S型细菌相同的Ⅲ-S型,因此这些S型细菌不可能是通过这些特定的R型细菌突变而来的。R型细菌之所以能产生S型的性状,是发生了“转化”,简单说,转化就是R型细菌接收了S型细菌的DNA,把它的DNA整合到了自己的DNA上面,获得了S型细菌的形状,长出荚膜。而要注意的是,在这个过程中,不可能生成S型细菌,因为S型细菌也是一个独立的菌种,有自己的特异的染色体、细胞质等,它的染色体只可能被吸收,部分整合到R型细菌的染色体上,导致R型细菌的染色体不可能完全表达,因此产生S型细菌的性状,而不是真的转变成S型细菌。

对于问题(3)的解释是:许多因素可以影响转化效率。

首先,受体细菌和供体细菌的亲缘关系会产生影响。当亲缘关系愈远,转化效率愈低,这主要是受吸附位点专一性和染色体的同源程度的影响。DNA分子的联会是供体DNA整合到受体DNA上的先决条件,联会一般只发生在同源染色体之间,而亲缘关系愈远则同源性愈低,所以转化效率也愈低。因此对比起来,S型和R型细菌之间DNA的差异相对小鼠来讲要小得多,在转化过程中当然是R型细菌具有优先性,所以一般以R型细菌的细胞作为受体细胞。

其次,任何细胞都有自己的保护系统,没有保护的DNA进入外源细胞就会被降解,而不会表达。小鼠细胞,更能识别S型细菌的DNA是外源DNA。再者,加热杀死的S型细菌就算用小鼠体内的细胞当宿主细胞增殖,它本身无荚膜,无毒性,会被小鼠免疫系统杀死。

还有,真核细胞和原核细胞的表达系统也有差别,真核细胞的核糖体是80S(包括60S与40S的大小亚单位),而原核细胞是70S(包括50S与30S的大小亚单位),所以S型细菌表达出来的基因在真核细胞里面不一定能顺利地进行表达。

通过教师对相关问题的详细解释,可以让学生深刻地理解教科书的知识点,并体会到科学研究的严谨,在教学过程中能逐步提高他们的科学素养和培养他们严谨的逻辑思维,让自己跟学生一起快速成长。