DNA为遗传物质的发现

奠定了DNA是遗传物质的基础的是一位叫做Frederick Griffith的科学家在1928年以肺炎链球菌做的一次转化实验。


以下来自《分子生物学 第五版》

Griffith研究的关键发现是,热杀死的肺炎链球菌毒性菌落能够使无毒细胞转化(transform)成毒性细胞。热杀死的毒性菌或活的无毒菌自身都不能引起致命性感染,但是混合到一起却是致死性的,这表明毒性特征以某种方式从死细胞传递到了活的无毒细胞。

DNA为遗传物质的发现

Griffith的转化实验

转化不是瞬时的,一旦无毒菌被赋予产生荚膜杀死宿主的能力,就将其作为遗传特性传给后代。换句话说,在转化时无毒细胞通过某种方式从毒性细胞中获得了基因。这意味着死菌中的转化物质可能就是毒性基因。接下来的问题是转化物的化学本质是什么?

DNA是转化物质

1944年,Oswald Avery,Colin MacLeod和Maclyn McCarty采用与Griffith相似的转化实验证明了来自毒性细胞的转化物质的化学本质。 首先,他们用有机溶剂去除提取物中的蛋白质,发现提取物仍能转化。接下来,用各种酶消化提取物,降解蛋白质的胰蛋白酶和糜蛋白酶对转化都无影响,降解RNA的核糖核酸酶也没有影响。这此实验排除丁蛋白质利RNA是转化物。另外,Avery及同事发现分解DNA的脱氧核糖核酸酶(DNase)破坏了毒性细胞提取物的转化能力,这些结果提示DNA是转化物质。

直接的物理化学分析结果支持了纯化的转化物是DNA的假设。Avery及同事使用了如下分析工具。

1.超速离心法 在超速离心机中离心分离转化物并估计其大小。具有转化活性的物质很快被沉降(快速移向离心管底部),这提示了其具有很高的分子质量,即DNA的特征。

2.电泳 将转化物放人电场中观察其移动速度。 转化的活性物具有相对较高的迁移率—这也是DNA的特点,因为它有高的电荷/质量比。

3.紫外吸收分光光度法 将转化物溶液置于分光光度计中,鉴定它对哪种紫外线吸收最强。结果表明,其吸收光谱与DNA的吸收光谱匹配,即最强的吸收波长是260nm,而蛋白质的最大吸收波长为280nm.

4.元素的化学分析 获得转化物的氮/磷比均值为1.67,这正是富含这两种元素的DNA的预计值,远远低于蛋白质的预计值。蛋白质氮多磷少,微量蛋白质的污染都会提高氮/磷比例。

进一步确认

这些发现应该已经确定了基因的特性,但其影响力仍然甚微。 因为源自早期化学分析的错误概念认为DNA是一段四核苷酸的单一重复序列,如 ACTGACTGACTG等,这使许多遗传学家认为DNA不可能是遗传物质。 而且,在转化物中还存在有蛋白质污染的可能,以及转化是否由控制R和S之外的其他基因所完成,甚至细菌的基因与高等生物的基因是否一样等问题的争论未决。的确,到1953年沃森和克里克发表DNA结构的双螺旋模型时,绝大多数遗传学家都接受了基因由 DNA构成的观点。 那么其间发生了什么事件呢?一件事是 1950年 Erwin Chargaff研究表明,在DNA中并没有像以前的研究结果所提示的那样,真正地发现碱基之间的等比例关系,DNA中的碱基组成在物种之间是不同的。 实际上,对基因而言这正是所期望的,基因在物种之间是不同的。此外,Rollin Hotchkiss 精炼和扩展了Avery的发现。 他将转化物纯化到仅有0.02%的蛋白质的程度,但仍能改变细菌细胞的遗传特性,并且后续实验表明这种高纯度的DNA仍能传递R和S之外的其他遗传性状。

1952年,A.D.Hershey和Martha Chase最终以另外一个实验进一步增加了基因由DNA组成的证据。 该实验涉及能感染大肠杆菌的 T2细菌噬菌体(bacteriophage,细菌的病毒)。

DNA为遗传物质的发现

T2噬菌体感染大肠杆菌细胞的透镜电镜伪色照片

在感染期间,噬菌体基因进人宿主细胞,指导新噬菌体颗粒的合成。 噬菌体仅由蛋白质和DNA组成,问题是基因是存在于蛋白质中还是DNA中?Hershey-Chase的实验回答了这个问题。

DNA为遗传物质的发现

Hershey-Chase的实验

他们发现噬菌体感染时,大部分DNA连同少量蛋白质进入细菌中,大量的蛋白质外壳留在了外面。由于DNA是进入宿主细胞的主要成分,因此它可能含有基因。 当然,这个结论还不具有说服力,随着DNA一起进人细胞的那些少量蛋白质也可能携带基因。 但是将此前的结果放在一起分析,该研究有助于使遗传学家相信遗传物质是DNA而非蛋白质。

Hershey-Chase 实验依赖于DNA和蛋白质上不同的放射性同位素标记。用磷-32(P)标记DNA,用硫-35(35S)标记蛋白质。 这样选择是因为DNA富含磷而噬菌体蛋白不含磷,蛋白质含硫而DNA不含硫。

Hershey和Chase将标记过的噬菌体通过尾部吸附到细菌上,并将其基因注入宿主。接着,用搅拌器剧烈混合除去噬菌体的空外壳。他们知道基因肯定进入细胞了,问题是什么东西进去了?是32P标记的DNA还是35S标记的蛋白质?正如我们已经看到的,是DNA!因此,一般来说,基因是由DNA组成的。

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