【生物基礎】肺炎双球菌の形質転換 グリフィスの実験とアベリーの実験

肺炎双球菌には病原性があるS型菌と病原性がないR型菌がある遺伝子とその働き
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今回は、肺炎双球菌の形質転換について解説していきましょう。

バクテリアにおける形質転換を発見し、遺伝情報が転移できることを示した初めての実験であるグリフィスの実験

形質転換を起こすのがDNAであり、遺伝情報を伝えるのはDNAであることを示唆したアベリーの実験です。

今日の遺伝学や分子生物学の基礎となった重要な実験です。是非内容をしっかり把握しておきましょう。

肺炎双球菌の問題についてはこちらの記事で解説しています。

肺炎双球菌の特徴

1928年にイギリスの細菌学者であるグリフィスによって行われた実験です。

グリフィスは肺炎双球菌(肺炎レンサ球菌)と呼ばれる病原菌を用いました。

肺炎双球菌には、S(Smooth)型と呼ばれる病原性を持つタイプと、R(Rough)型と呼ばれる病原性を持たないタイプがあることが知られていました。
この肺炎双球菌の2つのタイプはコロニーの形状が異なり、S型菌はのっぺりとして滑らかな形状のコロニーを形成しますが、R型菌はギザギザとした形状のコロニーを形成するので容易に区別ができます。

S型菌は細胞の周りに多糖類でできた「莢膜」と呼ばれるカプセル状の膜を持っており、抗体からの攻撃に耐えられるため病原性を持っています。
これに対してR型菌は、この「莢膜」を持っていないため、抗体によって無力化されてしまうため病原性を持ちません。

肺炎双球菌には病原性があるS型菌と病原性がないR型菌がある

このため、S型菌をネズミに注射するとネズミは肺炎を起こして死んでしまいますが、R型菌をネズミに注射してもネズミは死にません

S型菌を注射するとネズミは死ぬがR型菌を注射してもネズミは死なない

グリフィスの実験

グリフィスは、予め加熱処理したS型菌を作製しました。加熱処理によってS型菌は死滅しますので、それを注射してもネズミが死ぬことはありません。

しかし、予め加熱処理したS型菌と、生きているR型菌を混合してネズミに注射するとネズミは発病して死ぬことがわかりました。さらに、ネズミからは生きたR型菌に加え、生きたS型菌が回収されるということも発見しています。

加熱処理したS型菌を注射してもネズミは死なないが、加熱処理したS型菌と生きたR型菌を注射するとネズミは死ぬ

この実験結果は、「死んだS型菌由来の何かがR型菌の中に入って、R型菌の遺伝的な形質を転換したのが理由だ」と説明されました。

この解釈から、S型菌からR型菌の中に入り、R型菌をS型菌に変化させたものを「形質転換因子」と名付け、この現象を「形質転換」と名付けることになりました。

形質転換という現象を発見したグリフィスでしたが、形質転換を起こす原因が何であるかを突き止めるまでには至りませんでした。形質転換を起こす原因がDNAであることを解明したのは、次に紹介するアベリーです。

アベリーの実験

グリフィスの実験に興味を持ち、形質転換因子の本体が何であるのかを明らかにしようと研究したのがアメリカの研究者であるアベリー(エイヴェリー)でした。

アベリーの作戦は、「S型菌が持っている要素を一つずつ取り除く。取り除いても形質転換が起こればその要素は関係なく、取り除いて形質転換が起こらなくなればその要素が原因だ」というものでした。

その考えに沿って、アベリーは以下のような対照実験を行いました。

まず肺炎双球菌のS型を用意します。このS型菌を破砕し、砕いてしまいます。砕かれたS型菌はもちろん死んでいるので、病原性は失われています。いわばS型菌の残骸ですね。
このS型菌の残骸を、以下のような3つの実験に用いました。

①S型菌の残骸をそのまま、生きたR型菌を混ぜました。
その結果、R型菌が形質転換を起こしてS型菌が現れました

②S型菌の残骸をDNA分解酵素で処理し、それを生きたR型菌と混ぜました。
その結果、R型菌は形質転換を起こしませんでした

③S型菌の残骸をタンパク質分解酵素で処理し、それを生きたR型菌と混ぜました。
その結果、R型菌が形質転換を起こしてS型菌が現れました

アベリーの実験。肺炎双球菌を破砕し、DNA分解酵素で処理すると形質転換が起こらない。

以上の結果から、アベリーは「形質転換因子はタンパク質ではなくDNAである」ということを結論付けました。

グリフィスの実験とアベリーの実験は基本的な材料が同じであることから、よく混同されます。

グリフィスの実験ではネズミへ感染させて病原性があるかどうかでS型菌・R型菌を判定していますが、アベリーの実験ではネズミに感染させてはいない点に気を付けて下さい。一部の教科書や参考書、解説サイトなどではあたかもアベリーの実験はネズミに感染させているように書かれていますが、アベリーは他のS型菌・R型菌を判定できる方法を使用していました。

遺伝子の本体はDNAと証明されたか?

さて、アベリーの実験により、形質転換を起こさせる物質がDNAであるようであることが示されました。しかし、この時点では遺伝子の本体はDNAであると断定することはできませんでした。

当時、多くの科学者は「DNAが遺伝子の本体とするには、DNAの構成成分が単純すぎる」「より複雑な構造や構成要素を持つタンパク質にこそ、遺伝情報が存在する」と考えていたことが理由のひとつです。
当時はすでに染色体が発見されており、遺伝子が染色体上にあること、染色体がDNAとタンパク質から構成されていることが分かっていました。
そして、「タンパク質には性質や大きさの異なる多くの種類があり、構成成分であるアミノ酸も20種類と豊富である。それに対して、DNAはどの生物由来のDNAもよく似た構造であり、構成成分の塩基も4種類と多様性に乏しい。よって遺伝子の本体はタンパク質であろう」という意見が一般的だったのです。
アベリーもこの流れは重々承知しており、論文も非常に緻密かつ慎重に構成していました。例えばアベリーは論文の中で「遺伝子の本体はDNAである」とは全く書いておらず、「DNAが形質転換因子である」と述べるにとどまっています。

更に、アベリーの実験には厳しい指摘もありました。
例えば、「DNAの中にタンパク質などの微量な成分が混じっており、それが遺伝情報を伝えている本体なのではないか」といった指摘、
あるいは、「DNAは形質転換をする物質かもしれないが、S型菌由来のDNAがR型菌に入り込み、遺伝情報を伝えているかどうかは不明である」といった指摘でした。

説明のために簡素化しましたが、アベリーは非常に注意深く慎重な実験を行っており、実際の論文にはさらに多くのデータが示されています。
「遺伝子の本体はタンパク質である」という当時の定説を覆し、多くの反論が予測できる内容の発見でした。アベリーの慎重さがうかがえますね。

「遺伝子の本体はDNAである」ということを証明する実験は、のちのハーシーとチェイスの実験を待つこととなります。

まとめ

いかがでしたか?

グリフィスの実験とアベリーの実験、肺炎双球菌の形質転換を利用したという意味ではよく似たような実験ですが、混同しないように気をつけましょう。

アベリーの実験に対する指摘は、遺伝子の本体がDNAであるとわかっている今だからこそ簡単に否定できますが、当時は非常に強力な指摘でした。
この指摘の強力さが分かったならば、生物の実験の論理構造が高いレベルで理解できるようになっている証だと思います。

それでは!

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