生物遗传物质是核酸

19.2遗传现象的核酸学说

《生物学思想发展的历史》 恩斯特·迈尔著 涂长晟等译 https://www.tuenhai.com 整理

当DNA是一个相当小的简单分子的这种看法流传开来时,认为DNA具有控制发育能力的观点就逐渐全去了说服力。考虑到发育过程和途径的极端复杂性,这样一个简单的小分子怎样可能在遗传现象中以及从受精卵到完全成长的升物有机体的发育过程的控制上具有重要作用?对比来说,含有20种不同氨基酸的蛋白质大分子倒似乎能够提供无限数量的排列与组合

不仅仅化学上的理由使大多数升物学家在1900年以后放弃了DNA是遗传物质的观点,而且在有丝分裂过程中染色体物质只是在染色质浓缩成染色体时才浓重着色这一现象也使他们迷惑不解。在细胞静止期中染色体似乎分解成不易染色的展开了的颗粒状物质(当时还没有DNA专一性染料)。波弗利早在1888年就曾提到在静止期染色质从染色体框架中消失而在有丝分裂开始时又重新形成。他的这种看法后来被越来越多的人引用,到了1909年Strasburger认为染色质“可能是遗传单位载体的营养物……染色质本身不可能是遗传物质,因为它随后就脱离染色体而且在细胞核中其含量也因发育阶段不同而变化”(Strasburger,1909:108)。Goldschmidt于1920年特别着重指出,“如果按习惯认为染色体中的核素是遗传物质,那么就决不可能有某种化学概念能解释它的多种多样效应。”贝特森(Bateson,1916)也以同样口吻声称:“认为染色质颗粒(彼此无从分辨,实际上用任何检验方法检查其结构都相同)能够根据它们的物质性赋予升物以生命的一切特征的这种假定完全超越了甚至是最有说服力的唯物主义范围。”

即使在1924年发现了高度专一性的灵敏福尔根染色(Feulgen stain,见下文),在一些制备物(例如海胆的卵母细胞)中也发现其中的细胞核似乎不含染色质。到了1925年甚至威尔逊也放弃了核素是遗传物质的观点:“到目前为止正如染色反应所指陈,持续存在的并不是嗜碱性成分(核酸)而是所谓的非染色质物质或嗜酸物质。在细胞活动的不同阶段核酸成分时有时无。”

以为核酸并不是遗传物质的原因除了一般的有机化学方法的破坏性以及还缺少在有丝分裂的各个阶段测定DNA含量的适当方法以外,还有关于化学上相互作用的一些陈腐观念。植物学家Strasburger(1910:359)就强烈反对将“真正的受精作用看作是单纯的化学过程,因而反对任何一种遗传的化学学说……就我看来,受精的真谛在于具有有机体结构的因素互相结合。”他在1910年说这番话还是情有可原的,因为那时化学过程的幼稚胡涂观念仍占支配地位,而复杂的、三维高分子概念还没有诞生

聚合的高分子新概念有很强的吸引力,因为它似乎满足了很多机械论升物学家的一切升物性物质“最终都由晶体构成”的古老设想。德国化学家Standinger的聚合物新学说一旦出现Koltsov(1928;1939)就据以推测染色体物质的晶体性质。16年后著名物理学家Schrodinser(1944)提出了他的非周期性振动晶体学说,公开宣称他是受了一篇文章的影响,这文章的领先作者是Timofeeff—Ressovsky,曾经是Koltsov的助手

由于聚合的高分子很容易降解成其组成部分,它们的提取要求采用比科塞尔和列文使用的更精细温和的方法。当采用这类方法、尤其是Hammarsten的瑞典学派的方法时,所得到的产物是“雪白的,具有像火棉一样的特殊稠度”,和按剧烈提取方法所得到的降解产物完全不同

研究这样大的分子需要完全新的方法。当1930年代和1940年代Caspersson及其它人采用了这些方法(超速离心,过滤,光吸收等等)后,出乎每个人意外的是DNA分子的分子量是50万到100万,比以前测得的(1500)大两个数量级。实际上它们比蛋白质分子还要大。这些新发现完全排除了DNA作为遗传信息载体学说的一个重要反对意见。下一步要求,也是更困难的要求,是寻我一种方法将DNA和蛋白质干净彻底地加以分离并用升物学方法论证DNA组分和遗传性传递直接有关。这一任务于1944年实现

艾弗里及其同事在研究肺炎球菌的转化因子时提供了这种证据。人们早就知道肺炎球菌有几种类型,它们的毒力不同。英国细菌学家F.Griffith(1877-1941)于1928年发现当他对老鼠同时注射活的R(粗糙)型无毒肺炎球菌以及加热杀死的S(光滑)型有毒肺炎球菌时,很多老鼠不久即死亡,它们的血液中含有活的S型细菌。这一发现表明活的无毒R型细菌从死去的有毒S型菌得到了一些什么东西从而使无毒的R型转化成有毒的S型肺炎球菌。后来认为某些遗传信息被“转化因子”转移了。经过多年实验,艾弗里,Macleod与McCarthy(1944)成功地证明在无细胞的水溶液中的转化因子就是DNA。通过一系列非常灵敏的检验(免疫反应等等)证明它的确是纯DNA而不是像某些艾弗里的反对者所声称的与DNS相眹的有关蛋白质。这DNA溶液对检验蛋白质的任何方法丝毫也不显示反应。此外,艾弗里及其同事还证明实验中并不牵涉化学诱变剂因为这特有的遗传性变化是可以预先知道的。核物质的独立自主性还由它在转化了的细胞中自我增殖(自我复制)以及后来的连锁(linkage)试验进一步证实。最后,当用高度特异性的酶、脱氧核糖核酸酶,处理时,转化因子即完全而又不可逆地失去活性。它的分子量约为5 0,紫外线吸收显示核酸特有的特征

艾弗里及其研究小组在解释他们的发现时仍然非常谨慎(也许是过于谨慎!)然而证据是如此充分他们用不着再去证明他们的论点;这时情况已完全相反,该轮到反对派来反驳艾弗里的论述了

艾弗里这些发现的冲击就像电击一般。我可以根据我自己的亲身经历来证明这一点。在1940年代后半期的一个夏天我在冷泉港度假。我的朋友和我都深信这已经最后论证了DNA是遗传物质。著名免疫学家Burnet在1943年访问了艾弗里的实验室后曾写信给他的妻子:“艾弗里刚刚完成了一桩非常激动人心的发现,十分直率地说,这决不亚于以脱氧核糖核酸的形式分离了一个纯基因”(olby,1974:205)。单在1946年它就是六个重要学术会议的论题。当然,也并不是每个人都改变了态度,穆勒(Muller,1947)就表示极大怀疑,Goldschmidt则迟至1955年还仍然抱有怀疑态度,他在他的名著《理论遗传学》(1955)中写道:“我们的结论是……这不能说成是定论或者认为DNA是遗传物质已经是证实了的事实。”Goldschmidt在写这书时已是76岁高龄。然而阻力也不限于来自年老的遗传学家。某些升物化学家,例如A.E.Mirsky,甚至抱有更深的怀疑态度

怀疑派所提出的问题是转化因子究竟是纯DNA还是和DNA混杂在一起的少量蛋白质,这种混杂的可能性是由Mirsky和某些其它怀疑论者提出的。值得注意的是这些人大都是“噬菌体集团”(Phage group)的成员,包括德尔布吕克和Luria,他们对升物化学都知之不多。虽然他们也都充分了解艾弗里的发现,但仍然沉湎于四核苷酸学说,因而不能相信DNA能够具有遗传物质所必需的复杂性。他们的怀疑态度具有相当大的影响因为噬菌体集团在当时的分子升物学领域中占有支配地位。当他们这个集团自己的两位成员Hershey和Chase用放射性标记的细菌病毒(即噬菌体)进行实验并取得肯定结论之后他们最后才改变态度。Hershey-Chase实验的细节可参考遗传学教科书。虽然这实验的分析论证的精确性实际上不及艾弗里的分析,但噬菌体集团却将之看作是最后的决定性证据(Wyatt,1974)

艾弗里的实验结果发表后,正如恰伽夫后来所说的,引起了一场真正“雪崩”式的核酸研究热潮。恰伽夫本人就谈到他扔下了手头的一切工作改而从事核酸研究(Chargaff,1970)。当时只有少数人有资格这样做。特别是遗传学家,不论他们对艾弗里的新发现是多么热心,也没有必需的能力。他们之中有些人缺乏研究实践这一点也不能证明他们,或至少是年轻的遗传学者,对艾弗里发现的重要意义毫不了解是有理的

在随后的一些年中作出重要贡献的两位研究者是恰伽夫和Andre Boivin。恰伽夫证明在任何类型的升物中腺嘌呤A和胸嘧啶T的比值以及鸟嘌呤G和胞嘧啶C的比值总是接近于1(这比值恰好是1及其分子意义显然不是恰伽夫首先发现的),A+T对G+C的比值则因升物种类不同而异。例如,在他早期研究中他发现酵母中这个比值是1.85,在结核杆菌中是0.42。Chargaff的发现彻底否定了列文的四核苷酸假说,按这一假说所有的碱的含量都应当是相同的。到了这个时候提出新的DNA分子学说的途径都已打通,时机业已成熟。后来发现恰伽夫所揭示的碱基配对(嘌呤和嘧啶)是随后解决双螺旋结构的最重要线索之一.

应当记住有两类核酸,脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)

在证明它们并不分别限于动物和植物之后,它们在细胞中的作用是什么以及它们在细胞中是怎样分布的问题便提了出来。自从米歇尔那时以来就知道DNA是细胞核独有的,而且很早就有迹象表明RNA是细胞质中典型的核酸,但是究竟扩散的DNA是否也存在于细胞质中和某些RNA是否也存在于细胞核中则还有争议。这时所需要的是能运用于完整细胞并能区分DNA和RNA的新技术。换句话说,进一步的进展取决于技术上的突破。1923年细胞化学家福尔根(R.Feulgen,1884-1955)创用了一种新的染色方法(醛反应),后来称为福尔根染色,对DNA有专一性。运用这种染色方法才得以最后确证DNA只存在于细胞核中(某些细胞器中的特殊DNA除外)。后来花了更多的时间才发现了一种专一性的RNA染色反应(Brachet,1940,1941;Caspersson,1941)。通过这一反应才明确证实RNA存在于核仁和细胞质中

前一代的细胞学研究使我们能够对细胞核中的DNA作出定量的和定性的预测:

(1)由于染色质在每次细胞分裂中增殖(复制)后均等地分配,所以经由有丝分裂产生的一切细胞应当会有同等数量的DNA

(2)由于减数分裂,配子DNA的含量应当是二倍体升物体细胞DNA数量的一半

(3)根据突变相当罕见这一事实,DNA应当是非常稳定的化合物

(4)因为在受精时两种很不相同的DNA汇集到一起,它们必须具有协调一致工作的能力

(5)考虑到在各个层次,从局部的基因库到最高级分类单位,所观察到的遗传变异数量极其庞大,DNA必须能显示出极其大量的可能构型

Boivin及其同事、Vendrely兄弟(1948)创立了测定每个细胞中DNA精确含量的新方法,很快就证实了两项定量式的预测。他们证明二倍体细胞的DNA含量是单倍体的二倍。后来还发现多倍体细胞的DNA含量恰好是预期的单倍体的倍数。所有这些发现都证实DNA是和染色体结合在一起。进一步研究表明在代谢活动不同的细胞中DNA和RNA的行为也极不相同。例如即使在严格禁食的饥饿老鼠中,细胞核中DNA含量一直不变,而在这样的一些老鼠个体中RNA含量则迅速下降。“DNA的不变性是目前赋予它的特殊功能的自然结果,这功能就是作为物种遗传性状的贮存库”(Mandel et al.1948:2020-2021)

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