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主要内容

经典实验:DNA作为遗传物质

弗雷德里克·格里菲斯,奥斯瓦尔德·艾弗里和他的同事,阿尔弗·雷德赫希和玛莎·蔡斯的实验。

介绍

人们将DNA遗传方面的知识运用在很多现代技术上,例如法医分析、怀孕测试和遗传检查等方面,而通过这些广泛的用途,很多人都对DNA有了基本的认识。
但你也许会觉得惊讶,实际上约在一个世纪前,即使是受过良好教育的科学家也不知道DNA是遗传物质。
在本文中,我们将讨论一些证明DNA为遗传信息载体的经典实验。

蛋白质 vs. DNA

格雷戈尔·孟德尔 的工作展示出了性状(例如豌豆中花的颜色)不是直接被遗传的,而是通过特定基因自亲代传到子代。在20世纪初始,其他的科学家包括西奥多·波弗利、沃尔特·萨顿和 托马斯·亨特·摩尔根 的研究成果证实孟德尔的遗传因子最有可能是被染色体携带着的。
科学家一开始认为在染色体中与DNA一起发现的蛋白质会是那一直被追寻的遗传物质。蛋白质已知存在各种各样的氨基酸序列,而DNA被认为是一种无聊的、重复的多聚合物,这部分源于一种不正确(但很流行)的DNA结构和组成的模型start superscript, 1, end superscript
现在,我们知道DNA实际上不是重复的,而且可以携带大量信息,正如在 DNA结构的探索发现 中的文章里进一步讨论的那样。但科学家一开始是如何认识到“无聊的”DNA可能实际上是遗传物质?

弗雷德里克·格里菲斯:细菌转化

1928年,英国细菌学家弗雷德里克·格里菲斯利用肺炎链球菌( Streptococcus pneumoniae )和小鼠进行了一系列实验。格里菲斯并不是试图去识别遗传物质,而是尝试去研制一种抗肺炎的疫苗。在他的实验里,格里菲斯用了两个相关的菌株,称为R和S。
  • R 菌株。 当在培养皿里生长时,R 细菌形成了一些边缘明确,表面粗糙的菌群,或者说堆状的相关的细菌)(“Rough”,因此缩写“R”)。R 细菌是无毒不致病的,也就意味着它们在注入小鼠体内时不会造成疾病。
  • S 菌株。 S 细菌形成的菌群是圆形的、光滑的(“Smooth”,因此缩写为“S”)。光滑的表面是源于细菌生产的多糖,或糖基,的外表涂层。这种涂层保护 S 细菌不受小鼠免疫系统的影响,使其具有致病性(能够造成疾病)。接受活着的 S 细菌注射的小鼠会得肺炎而死。
作为他的实验的一部分,格里菲斯把高温灭活的 S 细菌(即高温加热 S 细菌,导致细胞死亡)注射进小鼠体内。如人所料,高温灭活的 S 细菌不会造成小鼠得病。
但是,当无害的 R 细菌与无害的高温灭活 S 细菌相结合,注入小鼠的时候,实验结果出人意料。小鼠不仅患肺炎死亡,并且当格里菲斯从死去的小鼠身上抽取了血样后,他发现它竟含有活着的 S 细菌!
示意图展示了弗雷德里克·格里菲斯对 S 和 R 细菌的试验。
  1. 粗糙菌株(非致病性)。当把这个菌株注入小鼠时,小鼠活着。
  2. 光滑型菌株(具有致病性)。当这种菌株注入小鼠时,鼠标会得肺炎死亡。
  3. 高温灭活的光滑型菌株。当高温灭活的光滑型细胞注入小鼠时,小鼠生存。
  4. 粗糙型菌株和高温灭活的光滑型菌株。当这两类细胞混合起来注入小鼠,小鼠得肺炎死亡。
_图像修改自 Madeleine Price Ball (CC0/public domain) 的 “格里菲斯实验”。_
格里菲斯得出结论,R 菌株的细菌必须从高温灭活的 S 细菌中汲取被他称为的“转化因子”的物质。这“转化因子”让 R 菌株的细菌“转化”为具有光滑涂层的细菌,并且让它具有致病性。

艾弗里、麦卡蒂和麦克劳德: 确定转化因子

在1944年,三名来自加拿大和美国研究人员——奥斯瓦尔德·埃弗里、科林·麦克劳德和麦克林恩·麦卡蒂——确定了格里菲斯的“转换因子”。
为此,他们首先采用大量高温灭活的 S 细胞,并通过一系列长期的生物化学步骤(通过仔细的实验确定的)洗涤、分离或用酶摧毁其他细胞成分,从而逐步提纯改变原则。通过这个方法,他们成功得到了少量的高纯度的转化因子,之后他们可以通过其他的试验分析出它的身份squared
有几条证据让艾弗里和他的同事指出转化因子可能是DNAsquared
  • 提纯后的物质在已知检测蛋白质的化学测试中的结果为阴性,但在已知检测DNA的化学测试中结果为强阳性。
  • 提纯的转化因子的元素构成非常接近DNA中氮和磷的比例。
  • 蛋白质和RNA的降解酶对转化因子没有什么影响,但可以降解DNA的酶彻底终止了转化活动。
这些结果都指向DNA为可能的转化因子。但是,艾弗里在解释其结果方面持谨慎态度。他认为,某些少量、并非DNA的物质才可能是真正的转化因子cubed
由于这种可能性,关于DNA作用的辩论一直持续到1952年,直到阿弗雷德·赫希和玛莎·蔡斯采用了不同的方法,最终确定了DNA是遗传物质。

赫希-蔡斯实验

在他们的现如今被颂为传奇的实验中,赫希和蔡斯研究了 噬菌体,也就是攻击细菌的病毒。他们使用的这些噬菌体是含有蛋白质和DNA的简单粒子:外部结构由蛋白质组成,内部核心由DNA组成。
赫希和蔡斯知道,这些噬菌体附着在宿主细菌细胞表面上,并将某些物质(DNA或蛋白质)注入到宿主体内。该物质给出了“指示”,导致宿主细菌开始制造非常非常多的噬菌体——换言之,该物质是噬菌体的遗传物质。在实验之前,赫希认为蛋白质将被证明是遗传物质start superscript, 4, end superscript
为了确定噬菌体是将核酸还是蛋白质注入到宿主细菌当中,赫希和蔡斯准备了两批不同的噬菌体。每一批噬菌体都会是在一个特定放射性元素的存在中生长,这放射性元素会被结合到构成噬菌体的大分子(DNA和蛋白质)当中。
  • 一批样本是在一种硫的放射性同位素 start superscript, 35, end superscript, start text, S, end text 的存在下生长的。硫在许多蛋白质中存在,但不存在于DNA当中,所以只有噬菌体的蛋白质在这一步中被放射性标记。
  • 另一批样本是在一种磷的放射性同位素 start superscript, 32, end superscript, start text, P, end text 的存在下生长的。磷在DNA中存在,但不存在于蛋白质当中,所以只有噬菌体的DNA(而不是噬菌体的蛋白质)在这一步中被放射性标记。
每一批噬菌体都用于传染一个不同的细菌培养物。在感染之后,每一个细菌培养物都在搅拌机里旋转,从细菌细胞之外清除任何剩余的噬菌体和噬菌体的组成部分。最后,这些细菌培养物被离心,或者说高速旋转,以把细菌与噬菌体残留分开。
离心造成较重的物质,如细菌,移动到管底部形成块状物,我们称它为 沉淀物 。较轻的物质,如用于培养细菌的介质(营养液)以及噬菌体和噬菌体组成部分,仍然会留存在管顶端,形成一层液体,我们称它为 上清
  1. 一批噬菌体被已纳入蛋白质外壳的 35S 标记,另一批被已纳入DNA的 32P标记。
  2. 细菌被噬菌体感染。
  3. 细菌培养物经过混合、离心,将噬菌体与细菌分离。
  4. 每个实验的沉淀物和液体(上清)的放射性均被测量。实验在沉淀物中(细菌内部)发现了 32P ,在上清中(细菌之外) 发现了 35S 。
_图片修改自“现代认识的历史基础:图 3”,由 by OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)制作。_
当赫希和蔡斯从两个实验中测量沉淀物和上清的放射性时,他们发现,大量 start superscript, 32, end superscript, start text, P, end text 出现在沉淀物里,而几乎所有 start superscript, 35, end superscript, start text, S, end text出现在上清。根据这一结果和类似的实验,赫希和蔡斯得出结论,DNA,而非蛋白质,是被注入到宿主细胞的噬菌体的遗传物质。

遗留问题

研究者的上述工作提供了强有力的证据证明DNA是遗传物质。然而,看上去这么简单的分子是如何涵盖构造一个复杂生物体的遗传信息的编码然尚不明了。 许多科学家包括埃尔温·卡加夫、詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克、和罗莎琳德·富兰克林进行的其他实验最终导向了 DNA 结构的发现,明确了DNA是如何编码大量信息的。