转化

概述编辑本段

转化是指某一基因型的细胞从周围介质中吸收来自另一基因型的细胞的DNA，从而使它的基因型和表型发生相应变化的现象。这一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接触而转移DNA的细菌接合。转化的研究不仅在理论上有重要意义，而且在基因工程中是将质粒或病毒载体引入宿主细胞的一种重要手段。它也可能为育种和遗传性疾病的基因治疗提供新的途径。

历史编辑本段

转化现象于1928年由英国学者F.格里菲思在肺炎双球菌中发现。他将不产荚膜的无毒的粗糙型肺炎双球菌与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，发现小鼠意外感染致死，并从血液中分离出活的产荚膜的肺炎双球菌。随后，产荚膜细菌的无细胞抽提物在试管中也能使不产荚膜的细菌转变为产荚膜的细菌。1944年，美国细菌学家O.T.埃弗里等通过元素分析、酶学分析、血清学分析以及生物活性鉴定，证实无细胞抽提物中引起肺炎双球菌荚膜转化的转化因子是DNA，第一次为遗传物质是DNA而非蛋白质提供了直接证据。此后，在流感嗜血杆菌、链球菌、沙门氏菌、奈瑟氏菌、根瘤菌、枯草杆菌、大肠杆菌等数十种细菌中均报道了转化现象，所转化的性状包括荚膜、抗药性、糖发酵特性、营养要求特性等，其转化因子均为DNA。

细菌的转化编辑本段

转化过程

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。肺炎双球菌和枯草杆菌等细胞的接受位点没有专一性，它们能吸附同种的DNA，也能吸附大肠杆菌的DNA。流感嗜血杆菌的接受位点则只能吸附近缘细菌的DNA。DNA在与细菌刚接触时可以被洗去，稳定吸附后便不能洗去，但还能被核酸酶水解。DNA被细胞吸收后便不能被外源的核酸酶水解。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，并以这种形式整合到细菌染色体上。整合过程可分5个步骤（见图）。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变化。

质粒DNA的转化

质粒DNA的转化和染色体DNA的转化有显著不同。一般情况下，前者的转化效率远低于后者。但如果先用一定浓度的钙离子处理大肠杆菌细胞，再用质粒DNA和染色体DNA做转化实验，则情况恰好相反。此外，质粒DNA很容易进入去掉细胞壁的细菌的原生质体，说明其吸收并不通过专门的接受位点；质粒DNA的转化过程没有整合这一环节。

影响因素

因素	影响
亲缘关系	受体细菌和供体细菌的亲缘关系越远，转化效率越低，主要受吸附位点专一性和染色体的同源程度影响。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。但对于进化中高度保守的基因（如核糖体基因），转化效率受亲缘关系影响较小。
基因型	限制性核酸内切酶能分解外源DNA，使用限制酶失活的突变型菌株作为转化受体可提高转化效率。某些转化效率降低的突变型对紫外线敏感，与DNA损伤修复和重组功能缺陷相关，提示转化中的DNA整合与DNA损伤修复及基因重组涉及某些相同的酶。
生理状态（感受态）	能够吸收外源DNA的生理状态称为感受态。许多细菌的感受态在对数生长期后期迅速出现，一段时间后消失。感受态细菌与非感受态细菌相比，转化效率可高出万倍。从感受态的肺炎双球菌和链球菌中分离出感受态因子，它是一种蛋白质，能使非感受态细菌转变为感受态，并有一定的种族特异性。
外界因素	一定浓度的钙离子能提高大肠杆菌、流感嗜血杆菌、金黄色葡萄球菌等的转化效率。流感嗜血杆菌吸收双链DNA的最适pH为6.8，pH降至5.5以下便不能吸收。温度也有影响，肺炎双球菌和嗜血流感杆菌中，外源DNA的整合在一定范围内随温度升高而提高。

自然条件下的转化

细菌的转化多数在人为条件下进行。自然条件下，已知肺炎双球菌的转化可在小鼠体内进行，奈瑟氏菌细胞自溶释放的DNA可转化周围细胞。细菌转化的生物学意义有待进一步研究。在不能或不易通过接合或转导进行遗传学分析的细菌中，转化可作为一种研究手段。

转染

转染是转化的一种特殊形式，指用除去蛋白质外壳的病毒（包括噬菌体）核酸感染细胞或原生质体的过程。与一般转化的区别：①转染过程中进入细胞的是完整的病毒DNA，而通过转化进入受体细胞的是染色体DNA片段或质粒DNA；②转染过程中病毒DNA一般不整合到染色体上，而转化往往涉及DNA整合；③转染效果用单位量DNA引起的病斑或噬菌斑数表示，转化效果用一定量DNA带来的被转化受体细胞菌落数表示。

真核生物的转化编辑本段

在酵母菌、脉孢菌和植物细胞中，转化的主要障碍是细胞壁，用酶消化细胞壁后便能有效转化。高等动物细胞的转化大多在离体培养细胞中发现，如小鼠细胞、鸡胚细胞和人海拉细胞等，常以胞饮方式摄取物质。使供体DNA形成磷酸钙沉淀能显著提高转化效率。由于真核细胞转化频率远低于细菌，实验成功与否很大程度上取决于选择性培养基和选择性标记的恰当使用。例如，用疱疹病毒（HSV）的胸腺嘧啶核苷激酶（TK）基因DNA转化缺陷型细胞TK⁻，并用HAT培养基筛选TK⁺基因标记的转化细胞。在同一系统中，将大量无选择性标记的DNA与少量有TK选择标记的DNA混合转化TK⁻细胞，得到的TK⁺细胞中有一小部分也为无选择性标记的DNA所转化，称为共转化。

在高等动物中，虽然尚不能进行活体转化，但可将转化细胞注射到活体中，使它们取代未转化细胞。例如，用抗氨甲蝶呤的小鼠细胞株DNA片段转化体外培养的小鼠骨髓细胞（带有特定染色体标记），然后将转化的骨髓细胞注入受体小鼠骨髓。一段时间后，小鼠骨髓中可检出抗氨甲蝶呤细胞；若经常注射氨甲蝶呤，带有特定染色体标记的细胞百分数逐渐增加，表明抗氨甲蝶呤细胞经分裂增殖部分取代了未转化细胞。这向基因治疗迈出了第一步。在高等植物中，某些体细胞可在培养条件下生长成完整植株，因此可通过转化培养细胞培育成不同基因型的新种植株。

细胞转化编辑本段

在真核细胞生物学研究中，“转化”一词还有另一种意义，即由致癌的RNA或DNA病毒感染真核细胞引起的细胞癌变现象。进入细胞的病毒基因组DNA往往整合到被转化细胞的染色体上。为明确起见，这种转化有时称为细胞转化。

参考资料编辑本段

Griffith F. The significance of pneumococcal types. Journal of Hygiene, 1928, 27(2): 113-159.
Avery OT, MacLeod CM, McCarty M. Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types. Journal of Experimental Medicine, 1944, 79(2): 137-158.
陈启民, 王金忠, 耿运琪. 分子生物学. 北京: 高等教育出版社, 2010.
沈萍, 陈向东. 微生物学. 第8版. 北京: 高等教育出版社, 2016.

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