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通向双螺旋之路的关键:确认基因的化学本质是DNA 精选

已有 17000 次阅读 2013-9-6 11:08 |个人分类:科学史|系统分类:人物纪事| 基因, DNA, 化学本质

    艾弗里的遗憾人生

 

1865年孟德尔根据他对豌豆杂交的研究结果,发表了“植物杂交的试验”一文,提出了遗传“因子”的概念;1915年摩尔根和他的同事们发表了“孟德尔遗传机制”一书,将孟德尔的遗传“因子改称为“基因”,并将其定位于染色体上。孟德尔和摩尔根的工作是遗传学研究史上的二座丰碑,奠定了现代遗传学的基础,此后遗传学领域的主要问题就是,1,基因的化学性质是什么?2,基因是如何工作的。对第2个问题的回答是由遗传生化学家完成的,笔者将另文介绍。本文主要介绍通往双螺旋结构之路上的关键一步,即确定基因的化学性质是DNA的曲折过程。

 

基因存在于染色体,而染色体的化学成份主要是蛋白质和核酸。由于蛋白质由20多种氨基酸组成,它的排列组合可以提供足够的多样性,以解释遗传的复杂性。因此,当时普遍认为,基因的化学本质是蛋白质,而核酸的作用则长期被忽视。有趣的是自然常常会以一种令人意外的方式提供线索,将其奥秘展示出来。

 

肺炎球菌根据它们在琼脂培养基上生长的菌落形态,可以分为光滑型(S)和粗糙型(R)二类。S型肺炎球菌表面有一层多糖形成的荚膜,它可以使细菌在机体内不易被吞噬细胞吞噬,因而有强的致病性。R型肺炎球菌因糖联接酶基因缺失,因而不能形成多糖荚膜,在机体内易于被免疫细胞清除而不具致病性。S型和R型肺炎球菌的表型是非常稳定的,在培养基上连续传代都不会改变,这表明了它们基因的稳定性。1928年,英国科学家格里菲斯(Fred Griffith)发现,将活的不致病的R型肺炎球菌与加热灭活的S型肺炎球菌混合在一起注入小鼠腹腔,结果竟能导致小鼠感染肺炎而死亡。更令人意外的是,死亡小鼠体内分离得到的活肺炎球菌竟变成了S型,其表型与灭活前的致病S型菌完全一样。也就是讲,在小鼠体内已灭活的S型细菌的遗传物质“转化”了活的R型菌的表型,并使其具有了致病性。这就象是说,一个死人的“灵魂”进入了一个活人的躯壳并执行和控制其各种生理功能。在当时,这简直是令人匪夷所思的。格里菲斯的这个“转化实验”后来也被其他科学家重复。但是这种“转化”的机理却一直不清楚。而格里菲斯本人却于1941年在德国法西斯的一次空袭中遇难。揭开“转化”奥秘的机会历史地落到了另一位美国微生物学家的身上。

 

1918年大流感时期由于许多病人最终死于细菌性肺炎,美国纽约洛克菲勒研究所的微生物学家艾弗里(Oswald T. Avery)受命致力于肺炎球菌疫苗的研制,他是一个肺炎球菌研究的权威科学家。格里菲斯的肺炎球菌“转化现象”使他感到难以置信,开始未加重视。到1931年世界上多个实验室都重复出了肺炎球菌的这种“转化现象”。艾弗里自已实验室的阿罗威(J.L Alloway)甚至进一步发现,S型致病性肺炎球菌的裂解物也可以在体外将R型菌转化为S型菌。究竟是S菌的什么成份转化了R菌的遗传性质呢?艾弗里感到,这个奇特的现象背后可能隐藏着遗传学的奥秘。于是他决定分离纯化这个“转化因子”,并搞清它的化学本质。这在当时的技术条件下是非常困难的。

 

 

在历经十年,无数次的失败与惭进的成功后,1944艾弗里在《实验医学杂志》上发表了题为“诱导肺炎球菌类型转化的物质的化学本质”的论文。在这篇后来被认为是分子生物学奠基石的研究文章中,艾弗里详细地叙述了肺炎球菌“转化因子”的纯化方法,并证明,1,这个转化因子对所有鉴定蛋白质的方法都呈阴性反应,且其活性不能被蛋白酶破坏,却能被核酸酶灭活;2RNA酶不能破坏其话性,而DNA酶却可使其转化话性消失;3,免疫学检测的结果证明,转化因子既不与抗肺炎球菌核蛋白的抗体起反应,也不与抗荚膜多糖的抗体起反应;4,电泳结果显示,纯化的转化因子表现为单一的电泳带,其分子量与小牛胸腺DNA完全一致。根据这些结果,艾弗里明确地指出:作为肺炎球菌遗传物质的转化因子既不是蛋白质,也不是多糖和核糖核酸(RNA),而是脱氧核糖核酸(DNA。这与当时对核酸结构的认识完全不符。当时普遍认可的核酸“四核苷酸假说”认为,DNA是一种由四种核苷酸在排列上不断重复的链状结构。这种单一的结构特征决不可能提供遗传物质所必需的多样性。按照当时认为基因是蛋白质的普遍观奌,反对者以转化因子中仍有痕量(0.02%)的蛋白质为由,对艾弗里的结论提出诘难。这样,艾弗里关于遗传物质的化学本质是DNA的观奌,没有被生物学界正式接受。

 

但是不接受遗传物质是DNA的观点,并不意味着艾弗里的工作不为人所知。艾弗里在生物学界并非无名之辈。他所在洛克菲勤研究所是世界一流的生物医学研究中心,艾弗里是其中少数的几个资深科学家之一。世界各地的访问者到研究所来都会参观他的实验室。他的研究工作使核酸的重要性引起了科学界的重视。事实上,当时美国“信息学派”(噬菌体小组)的成员都很快就知道了艾弗里的工作,并在他的启发下已经开展了对DNA的进一步的研究。1952噬菌体小组的赫尔希(Afred Hershey)和蔡斯(Martha Chase)用35S(与蛋白质结合)和32P(与核酸结含)标记噬菌体并用之感染细菌后发现,噬菌体只有核酸进入细菌,而蛋白质外壳只吸附于细菌表面并不进入菌体,表现为在细菌体内复制产生的后代噬菌体是32P标记的。这清楚地证明噬菌体的遗传物质是核酸而不是蛋白质。虽然奨赫尔希-蔡斯的结果中,细菌体内仍有1%的噬菌体蛋白(艾弗里的转化因子只有0.02%)但其结论仍很快就被科学共同体接受。

 

早期的分子生物学史家都把DNA是遗传物质的发现归功于赫尔希和蔡斯,赫尔希还因此获得了1969年的诺贝尔医学奨。但早在二战后(艾弗里的论文是1944年发表的),欧洲“结构学派”的科学家,就开始关注遗传物质(基因)的结构问题,并将研究目标选定在DNA上。1949贝尔纳(Bernal JD)实验室的福尔伯格(Furberg S)首先用X-衍射技术研究DNA的结构,并提出了DNA螺旋结构的证据。与此同时,英国伦敦国王学院(King’s College)的威尔金斯和富兰克林也在用X-衍射技术研究DNA的结构,到1951年他们已经获得了DNA螺旋状结构的丰富资料。沃森正是在1951在那不勒斯会议上听了威尔金斯的工作报告后,才认识到DNA的重要性,激发了研究其结构的兴趣,这才有了后来发现双螺旋的故事。因此,可以认为,是1944年艾弗里的研究,而不是1952年赫尔希-蔡斯的工作导致了物理学家们对DNA结构研究的兴趣。而威尔金斯和富兰克林1951年前后用X-衍射技术对DNA结构的研究结果,奠定了沃森-克里克1953年发现DNA双螺旋结构的基础。遗憾的是,1955年艾弗里去世,逍使他永远与诺奨无缘。

 

随着时间的推移,人们对艾弗里的贡献有了越来越清楚的认识,现在他甚至被称为“分子生物学领域里的孟徳尔”。可以认为,在探索基因的漫漫之路上,孟德尔-摩尔根-艾弗里的工作,是通往1953年发现DNA双螺旋结构之路上三个最重要里程碑。诺贝尔基金会在其1972年出版的“诺贝尔:其人及其奖金”一书中遗憾地说:“1944年艾弗里发现DNA是遗传的载体,是遗传学上最重要的成就之一。他未能获诺贝尔奨实属撼事。等到人们不再反对他时,他已去世。”斯人己逝,后人唯有叹息而已。现在分子生物学史家对科学史上这一令人遗憾的案例进行分析时认为:“从1944年到1952年,情况已经发生了变化。这时人人都认为DNA在遗传过程中起某种作用”,因此艾弗里和赫尔希的“二个实验是在完全不同的概念背景下完成的。另外,艾弗里是一个孤立的研究者,为人又低调,他没有太多的行动进行宣传,让人们注意他的研究结果。而赫尔希(噬菌体小组的三巨头之一)的结果却通过噬菌体小组这一非正式但却十分有效的关系网传开了。这说明“一个实验的内在价值只有在成为一种理论的社会框架中时,才有意义”。用怀亚特(H.V Wyatt)的话讲就是,“每个人都知道艾弗里的发现,但(DNA是遗传物质的)信息没有变成知识”。这真是艾弗里的人生遗憾。

 

艾弗里发表他那篇划时代的论文时已经67岁了。查伽夫(ErwinChargaff1941年发现DNA的碱基规律,彻底否定了“四核苷酸假说”,对双螺旋结构的发现起了重要作用)曾经说“一个老人还能做出这样重要发现是罕见的。他是一个宁静的人。如果他得到了应有的荣誉,也就是给了世界荣誉”。艾弗里虽然没有获得诺贝尔奨,但他的名字与他开创性的研究一起,已经永远地铭刻在分子生物学的历史上。

 

本文的关键内容曾以“艾弗里的遗憾人生”为名在“环球科学”上发表,此次大量增加了对艾弗里工作的背景介绍。本文完成时,看到饶毅教授“遗传信息的载体:DNA”一文,饶文宏大叙事,全面地介绍了认识基因化学本质是DNA的历史。今年是DNA双螺旋结构发现60周年,这类文章是有意义的。本文或可作为该文的补充,供科学网感兴趣的朋友参考。

 

 

 



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