肺炎双球菌の形質転換 グリフィスとエイブリーの実験

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高校生物基礎で学習する肺炎双球菌の実験です。グリフィスとエイブリーが行った実験により、遺伝子の本体がDNAだとわかりました。

肺炎双球菌

肺炎双球菌とは、その名の通り肺炎を引き起こす細菌で、肺炎の他にも敗血症、髄膜炎などを発症させます。現在は肺炎レンサ球菌と呼ばれています。

肺炎双球菌には、周囲に多糖類からなる莢膜(きょうまく)というさやを持つものと、莢膜を持たないものがあります。菌体の周囲に莢膜があると、動物の体内で白血球による食作用から菌を守り、増殖できるので病原性を持ち肺炎を発症させます。

莢膜を持たない肺炎双球菌を寒天培地で増殖させると、周囲が粗いコロニー(細菌の集団)を形成するのでR型菌(rough)と呼ばれます。莢膜を持つ肺炎双球菌を寒天培地で増殖させると、周囲が滑らかなコロニーを形成するのでS型菌(smooth)と呼ばれます。

R型菌をマウスに注射しても、莢膜を持たないのでマウス体内の免疫によりマウスは肺炎を発症しません。しかし、莢膜を持つS型菌をマウスに注射すると、白血球の食作用から菌体が守られるので、マウスは肺炎を発症します。

肺炎双球菌

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グリフィスの実験

まずは、グリフィスの実験です。1928年にフレデリック・グリフィスは、肺炎双球菌をネズミに注射する実験を行いました。

  • 生きたR型菌をネズミに注射
    →ネズミは肺炎を発症しなかった
  • 生きたS型菌をネズミに注射
    →ネズミは肺炎を発症した
  • S型菌を加熱殺菌してネズミに注射
    →ネズミは肺炎を発症しなかった
  • 加熱殺菌したS型菌と生きたR型菌を混合しネズミに注射
    →ネズミは肺炎を発症した

S型菌(莢膜があり病原性がある)を加熱殺菌し、R型菌(莢膜がなく病原性がない)と混ぜてネズミに注射するとネズミが発病し、体内にS型菌が生ずることを発見しました。

形質転換

これは、生きたR型菌が死んだS型菌の何かを取り込み、病原性があるS型菌に変化したことを表しています。これは形質転換と呼ばれる現象で、のちに実験を引き継いだエイブリーによって命名されました。

グリフィスの実験のポイントは、形質転換を発見したことです。しかし、なぜR型菌が形質転換したのかは結局わかりませんでした。真相の究明は、次のエイブリーの実験によってわかります。

エイブリー(アベリー)の実験

グリフィスの実験を引き継いだのがオズワルド・エイブリーアベリーです。1944年に形質転換を起こす物質がDNAであることを実験から導きました当時は、タンパク質によって形質が遺伝すると考えられていたので、当時はDNAが遺伝子の本体であると、なかなか受け入れられませんでしたが、後々の研究に極めて大きな影響を与えました。

エイブリーの実験

  • S型菌抽出液を何の処理もせずR型菌と混合
    →R型菌の一部が形質転換しS型菌が現れた。
  • S型菌抽出液を多糖類分解酵素で処理してR型菌と混合
    →R型菌の一部が形質転換しS型菌が現れた。
    →形質転換の原因物質は多糖類(莢膜)ではない。
  • S型菌抽出液をタンパク質分解酵素で処理してR型菌と混合
    →R型菌の一部が形質転換しS型菌が現れた。
    →形質転換の原因物質はタンパク質(外殻)ではない。
  • S型菌抽出液をDNA分解酵素で処理してR型菌と混合
    →R型菌は形質転換しなかった。
    形質転換の原因物質はDNAである

実際の実験は、寒天培地を使ってコロニーを形成させるものでしたので、実際にネズミに注射はしていません。寒天培地で増殖させるので、R型菌も白血球の食作用を受けずコロニーを形成します。実際に、ネズミに注射したのであれば、R型菌は食作用により排除されてしまいます。

また、形質転換はすべてのR型菌が起こすのではく、ごく一部のR型菌がS型菌のDNAを取り込み起こすことも覚えておきましょう。

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