第1节 DNA是主要的遗传物质
对遗传物质的早期推测
20世纪20年代,人们已经认识到蛋白质是由多种氨基酸连接而成的生物大分子。各种氨基酸可以按照不同的顺序排列,形成不同的蛋白质。这就使人们很自然地想到,氨基酸多种多样的排列顺序,可能蕴含着遗传信息。当时对于其他生物大分子的研究,还没有发现与此类似的结构特点。因此,当时大多数科学家认为,蛋白质是生物体的遗传物质。
到了20世纪30年代,人们才认识到DNA是由许多脱氧核苷酸聚合而成的生物大分子,脱氧核苷酸的化学组成包括磷酸、碱基和脱氧核糖(图3-1)。组成DNA的脱氧核苷酸有4种,每一种有一个特定的碱基。这一认识本可以使人们意识到DNA的重要性,但是,由于对DNA的结构没有清晰的了解,认为蛋白质是遗传物质的观点仍占主导地位。
肺炎链球菌的转化实验
通过确凿的实验证据向遗传物质是蛋白质的观点提出挑战的,首先是美国微生物学家艾弗里(O. Avery,1877—1955),而艾弗里的实验又是在英国微生物学家格里菲思( E. Griffith, 1877—1941)的实验基础上进行的。
1928年,格里菲思以小鼠为实验材料,研究肺炎链球菌( Streptococcus pneumoniae)的致病情况。他用两种不同类型的肺炎链球菌感染小鼠。一种类型的菌体有多糖类的荚膜,在培养基上形成的菌落表面光滑( smooth),叫作S型细菌。S型细菌有致病性,可使人和小鼠患肺炎,小鼠并发败血症死亡。另一种类型的菌体没有多糖类的荚膜，在培养基上形成的菌落表面粗糙( rough),叫作R型细菌。R型细菌不会使人或小鼠患病,因此无致病性。格里菲思的实验过程如图3-2所示。
从第四组实验的小鼠尸体中分离出的有致病性的S型活细菌,其后代也是有致病性的S型细菌。由此可以推断:已经加热致死的S型细菌,含有某种促使R型活细菌转化为S型活细菌的活性物质—转化因子。
相关信息
荚膜是某些细菌的细胞壁外面包围的一层胶状物质。无荚膜的肺炎链球菌,感染人体或动物体后,容易被吞噬细胞吞噬并杀灭。有荚膜的肺炎链球菌可抵抗吞噬细胞的吞噬,有利于细菌在宿主体内生活并繁殖。
这种转化因子究竟是什么物质呢?
20世纪40年代,艾弗里和他的同事将加热致死的S型细菌破碎后,设法去除绝大部分糖类、蛋白质和脂质,制成细胞提取物。将细胞提取物加入有R型活细菌的培养基中结果出现了S型活细菌(图3-3,第一组)。然后,他们对细胞提取物分别进行不同的处理后再进行转化实验,结果表明分别用蛋白酶、RNA酶或酯酶处理后,细胞提取物仍然具有转化活性(图3-3,第二至第四组);用DNA酶处理后,细胞提取物就失去了转化活性(图3-3,第五组)。
实验表明,细胞提取物中含有前文所述的转化因子,而转化因子很可能就是DNA。艾弗里等人进一步分析了细胞提取物的理化特性,发现这些特性都与DNA的极为相似,于是艾弗里提出了不同于当时大多数科学家观点的结论:DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。
噬菌体侵染细菌的实验
1952年,美国遗传学家赫尔希(A. D. Hershey, 1908-1997)和他的助手蔡斯(M. C. Chase, 1927-2003)以T2噬菌体(图3-4)为实验材料,利用放射性同位素标记技术,完成了另一个有说服力的实验。
T2噬菌体是一种专门寄生在大肠杆菌体内的病毒,它的头部和尾部的外壳都是由蛋白质构成的,头部含有DNA。T2噬菌体侵染大肠杆菌后(图3-5),就会在自身遗传物质的作用下,利用大肠杆菌体内的物质来合成自身的组成成分,进行大量增殖。当噬菌体增殖到一定数量后,大肠杆菌裂解,释放出大量的噬菌体。
赫尔希和蔡斯首先在分别含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培养基中培养大肠杆菌,再用上述大肠杆菌培养T2噬菌体,得到蛋白质含有35S标记或DNA含有32P标记的噬菌体。然后,用35S或32P标记的T2噬菌体分别侵染未被标记的大肠杆菌,经过短时间的保温后,用搅拌器搅拌离心(图3-6)。搅拌的目的是使吸附在细菌上的噬菌体与细菌分离,离心的目的是让上清液中析出质量较轻的T2噬菌体颗粒,而离心管的沉淀物中留下被侵染的大肠杆菌。离心后,检查上清液和沉淀物中的放射性物质发现:用35S标记的一组侵染实验,放射性同位素主要分布在上清液中;用32P标记的一组实验,放射性同位素主要分布在离心管的沉淀物中。
想一想,这一结果说明了什么?
进一步观察发现:在细菌裂解释放出的噬菌体中,可以检测到32P标记的DNA,但不能检测到35S标记的蛋白质。
想一想,这一结果又说明了什么?
赫尔希和蔡斯的实验表明:噬菌体侵染细菌时,DNA进入细菌的细胞中,而蛋白质外壳仍留在细胞外。因此,子代噬菌体的各种性状,是通过亲代的DNA遗传的。DNA才是噬菌体的遗传物质。
只有DNA是遗传物质吗?
后来的研究证明,遗传物质除DNA外,还有RNA 。有病毒不含有DNA,只含有蛋白质和RNA,如烟草花叶病毒(图3-7)。从烟草花叶病毒中提取的蛋白质,不能使烟草感染病毒,但是,从这些病毒中提取的RNA,却能使烟草感染病毒。因此,在这些病毒中,RNA是遗传物质。因为绝大多数生物的遗传物质是DNA,所以说DNA是主要的遗传物质。
科学方法 自变量控制中的“加法原理”和“减法原理”
在对照实验中,控制自变量可以采用“加法原理”或“减法原理”。与常态比较,人为增加某种影响因素的称为“加法原理”。例如,在“比较过氧化氢在不同条件下的分解”的实验中,与对照组相比,实验组分别作加温、滴加FeCl3溶液、滴加肝脏研磨液的处理,就利用了“加法原理”。与常态比较,人为去除某种影响因素的称为“减法原理’。例如,在艾弗里的肺炎链球菌转化实验中,每个实验组特异性地去除了一种物质,从而鉴定出DNA是遗传物质,就利用了“减法原理”
