轉形作用

轉形作用（Transformation）
國立臺灣師範大學生命科學系研究助理林如愔

轉形作用（也稱轉化作用）是從細胞膜直接將異源DNA分子納入細胞內，使受體細胞獲得新的遺傳性狀的方法之一，以細菌而言，另外兩個常見的方法分別是接合作用（conjugation）與轉導作用（transduction），為微生物遺傳學、分子遺傳學、基因工程等研究領域的基本實驗技術。

1928年，英國的格里夫茲（Frederick Griffith）首先發現轉形作用。格里夫茲利用肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）的兩個不同菌株為材料，一為具有莢膜且可致病的S菌株（smooth strain, S strain），一個是不具莢膜且不會致病的R菌株（rough strain, R strain）。如圖一所示，R菌株打入小鼠中不會致病，而注射S菌株的老鼠會發病死亡。格里夫茲將S菌株經過加熱殺菌後，注射入活鼠體內，並不會使老鼠發病；但是將加熱過的S菌株與活的R菌株混合再注入小鼠體內，小鼠卻會發病死亡，格里夫茲在此組死老鼠的血液中發現有具莢膜的活菌（S strain）存在，他懷疑注射前的R菌株因為特殊原因而獲得了S菌株的特性，轉化成具有莢膜的致病菌株。

圖一 格里夫茲的基因轉形實驗

為證實自己的推論，格里夫茲又做了另一個實驗，他不再使用活鼠，而是將R菌株接種於培養液中，然後再加入具莢膜（S菌株）的死菌，經過培養發現，培養基中可以分離出具莢膜的致病菌-S菌株。這結果顯示，R菌株已被轉形，其經由培養液中的S菌株死菌獲得致病基因，原本不具致病性的R菌株之遺傳特性改變，轉成能產生莢膜且有致病力的S菌株。但當時格里夫茲並不知道轉形作用是由死菌中的何種物質所造成。直到1944年，才由美國學者埃弗里（Oswald T. Avery）的研究證實，導致肺炎鏈球菌R菌株轉形成致病S菌株的物質為DNA。

在自然情況下，極少種類的細菌會發生轉形作用。現在以人工的方法也能達成轉形作用，首先是將細菌製作成勝任細胞（competent cell），經過一些特殊方法，像是電擊、CaCl₂、RuCl等化學試劑的處理後，細胞膜的通透性發生變化，成為能容許外源DNA通過的勝任細胞。在一定條件下，將外源DNA與勝任細胞混合保溫，使外源DNA 分子進入受體細胞。進入細胞的DNA分子經過複製、轉錄、轉譯等生化過程，使受體細胞出現新的遺傳性狀。經過轉形後的細胞，亦即帶有異源DNA的受體細胞，以重組作用將之併入其本身的染色體中，又稱為重組細胞（recombinant cell）。

轉形作用是分子生物學領域極為重要的基礎技術。藉由將特定基因送入細胞，我們得以對特定基因的功能進行觀察研究，也得以大量表現有經濟價值之基因產物，像是醫用胰島素的生產。轉形技術可以說是開啟了分子生物學與分子醫學研究之大門。

參考資料

1. Alberts, Bruce et al. (2002). Molecular Biology of the Cell. New York: Garland Science. p. G:35.
2. Frederick Griffith http://applejacksgirl.blogspot.tw/2012/04/frederick-griffith.html
3. Lederberg, Joshua (1994). The Transformation of Genetics by DNA: An Anniversary Celebration of AVERY, MACLEOD and MCCARTY (1944) in Anecdotal, Historical and Critical Commentaries on Genetics. The Rockfeller University, New York, New York 10021-6399.
4. Transformation (genetics)  http://en.wikipedia.org/wiki/Transformation_(genetics)