自然转化
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第808页（3659字）
1928年F．Griffith发现的肺炎双球菌的转化现象。
1944年O．T．Avery等人从元素分析、酶学分析、血清学分析以及生物活性鉴定等方面证实了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1次为遗传物质是DNA而不是蛋白质提供了直接证据。随着质粒的发现和DNA重组技术的建立，细菌的转化系统由自然转化进入到人工转化，并由细菌细胞扩展到高等动植物细胞，这一阶段可以从70年代初Mandel和Higa(1970)发现用CaCl2处理大肠杆菌可提高其摄取λ噬菌体DNA的能力和Cohen(1972)首次成功地将重组质粒转化进大肠杆菌为起点。今天人工转化已成为现代遗传学研究及基因工程不可缺少的重要技术。80年代以来，随着遗传工程微生物在农业和环境技术中的应用，带有重组DNA的细菌人为地释放到环境中，出于对生态学和安全性考虑，人们的注意力转向环境中的自然转化的研究。
受体功能 过去对受体的功能(包括感受态出现、DNA结合和摄取、重组)作了详细研究，提出了阐明受体细胞对线型染色体DNA分子的摄取机制的模型。后来又提出了质粒DNA转化和噬菌体DNA转染的模型，并指出虽然染色体DNA片段与质粒DNA以十分类似的方式进入细胞，但后者被转化的频率极低。
质粒DNA的低频率转化并非是受体具有不同的摄取功能，而是由于作为独立复制子的环状双链DNA分子在转化过程中与染色体片段一样，首先被核酸内切酶切断，形成单链，这些单链片段不能复制，而且因与受体染色体无同源性，所以也不能整合。质粒DNA必须以其多个拷贝数的协同作用产生具有复制能力的质粒才能在细胞内存留和表达。
但是，如果受体细胞内染色体或质粒上含有与进入的质粒的DNA同源的序列，那么可通过同源序列之间的重组(依赖于recA功能)使转化获得成功。虽然受体细胞摄取DNA(包括质粒DNA、噬菌体DNA)的机制比较清楚，但仍有许多尚待解决的问题。例如在有些细菌中，感受态细胞对DNA的摄取有序列特异性，也就是在摄取DNA时具有识别内源DNA的能力。虽然已有许多细菌被鉴定为具有自然转化能力，但只对少数细菌的受体功能进行了研究，而且关于受体功能的信息主要来自在医学上具有重要意义的3个属的细菌：链球菌属、芽孢杆菌属和嗜血杆菌属。
在环境和工农业上具有重要意义的细菌，如假单胞菌属、不动杆菌属、固氮菌属、弧菌属中的许多种的转化机制却研究得很少。
给体功能 自然界中DNA的来源过去一直认为是来源于某些细胞偶然随机地裂解所释放出来的DNA，但随着转化机制的了解，逐步认识到仅仅靠这种来源似乎难以解释受体所具备的复杂功能。受体细胞为了摄取介质中的DNA发展成了一套高度完整的过程，并且涉及到至少10个基因的产物，有些细菌还具有摄取特殊序列的功能。受体细胞似乎不可能用如此复杂的过程仅仅为了吸收由细胞随机裂解所释放的DNA。
而且细胞的裂解和受体感受态的出现是不同步的，前者是在细胞生长的稳定期以后，后者通常是在对数生长期。加之环境中的DNA遭到DNA酶的降解，其寿命很短。
因此，环境中的自然转化应该还有其它非偶然的DNA来源。近年来的研究表明，这种来源是给体的功能所致，完整的给体细胞可向环境中分泌大量的DNA，不仅为受体细胞提供具生物活性的DNA来源，而且在转化中起主动作用。
1．给体DNA的分泌。近年来的研究表明许多细菌可向培养基中分泌DNA和RNA分子，而且这种分泌是完整细胞的功能，不是细胞裂解所致。另外，通过杆菌肽的试验表明，杆菌肽能增加胞外蛋白质的分泌，但不引起胞外DNA的增加，说明DNA的分泌机制不同于蛋白质的分泌，细胞具有对二者的选择渗透性机制。随着环境中自然转化重要性的提出，有关DNA释放机制的研究必然具有与摄取机制同等的重要性，如同肺炎双球菌、流感嗜血杆菌、枯草杆菌作为DNA摄取机制的研究模型一样，很可能有另外一些细胞将为成为DNA释放机制的模型。
2．细胞接触转化。传统的转化概念是不涉及细胞间的接触，但近年来不仅观察到细胞接触的转化，而且实验表明细胞间的接触大大促进转化活性，从而进一步证明完整给体细胞在转化中的作用。Stewart等人在研究施氏假单胞菌(P．stutzeri)的接合系统时发现，当给体和受体菌株被混合固定在滤膜上培养时，接合质粒RK2和染色体标记的转移频率总是不同，染色体基因转移频率很低并且对DNaseI敏感；质粒基因的转移频率高而且对DNaneI不敏感，所以按照传统的区分标准，染色体基因的转移是通过转化进行的；而质粒则是通过接合转移的。虽然有报道表明施氏假单胞菌具有自然转化能力，但在不加外源DNA的条件下，只有给体和受体混合固定在滤膜上而发生的转化出乎意料，而且没有检测到细胞的裂解，在这种情况下发生的转化必然是细胞释放的DNA所致，这种释放是双向的，混合的二菌株既是给体也是受体，都以同样的频率接受和提供基因，转移频率完全不受细胞内是否存在RK2质粒的影响。
所以，这种细胞接触的染色体基因转移不是接合而是转化，同时也不是转导，因为没有检测到噬菌体。分别以等量的完整细胞形成的DNA和溶液形式的DNA进行转化比较实验时发现，前者的转化频率是后者的103倍，这种高频率的转化并不是由于细胞连接转化时DNA得到保护所致，可能是细胞间的接触促进给体细胞在转化过程中释放更容易为受体接受的DNA分子所致，也说明给体在转化中起着主动作用。
环境中转化DNA存在的方式 用PCR技术可以检测到环境中(如土壤，水下沉积物等)所存在的微量的DNA和RNA。已有许多实验表明，在水体、土壤、废水中都有自然转化发生。那么，自然环境中的DNA是如何保持其活性和稳定性的呢?曾经观察到来自水环境中的DNA比水底沉积物的DNA稳定性差，易遭到降解。通过吸咐试验表明，DNA不仅能很好地吸附到沙子等矿物质表面上，而且吸附的DNA对DNaseI的降解有较强的抗性，其转化活性也比游离DNA高得多。Romanowski等用质粒DNA的吸附研究也得到类似的结果。可见，存在于自然界中的DNA具有自身保护能力，自然界中发生的转化是普遍的。
如重组质粒DNA也得到这种保护而不被迅速降解，那么，它们将成为土壤中胞外遗传物质库的一部分。这种质粒编码的遗传信息便可通过转化进入自然感受态的G+和G－细菌中。
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(武汉大学生命科学学院沈萍、彭珍荣撰)