素材：遗传物质的发现历程溯源.docx

《素材：遗传物质的发现历程溯源.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《素材：遗传物质的发现历程溯源.docx（17页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、遗传物质的发现历程溯源克里克曾言：生命崭露的几乎所有的方面都基于分子水平的操作，如果不了解分子，我们对于生命本身也就只能略知皮毛。回顾历史的步伐，对于遗传学从诞生到细胞遗传学的研究经过以下发展历程：图1 遗传学发展历程 我们知道，基因是基因位于染色体上控制生物性状的遗传物质，染色体主要由DNA和蛋白质组成。下图是染色体组成的示意图，细长丝状的DNA紧紧地包绕在蛋白质周围。那么基因的化学本质是DNA还是蛋白质呢？对这个问题，在二十世纪中叶，人们经历了几十年的探索才最终找到真相。图2 染色体结构模式图根据科学研究的一般思路，科学家会根据已有认识和信息作出推测，也就是假说，然后进一步观察和实验对建立

2、的假说进行修正和补充。首先对遗传物质是DNA还是蛋白质发出挑战的美国微生物学家艾弗里，而艾弗里的实验是英国学家格里菲斯实验的基础上的延伸。一.格里菲斯肺炎双球菌体内转化实验格里菲斯是英国著名的微生物学家，对多种类型细菌进行多年研究。1928年。他以小鼠为实验材料，研究肺炎双球菌是如何使人患肺炎的，同时想研制出抗肺炎双球菌的疫苗。一)、肺炎双球菌简介肺炎双球菌( Streptococcus pneumoniae) 是革兰氏阳性菌，属链球菌科链球菌属，是兼性厌氧链球菌。在 19 世纪末期，肺炎双球菌被认定为是导致肺炎的一大原因，同时能引起小鼠败血症，是许多体液免疫研究的主题。肺炎双球菌可无症状驻留

3、在健康带菌者的鼻咽部、呼吸道，鼻窦和鼻腔是通常被感染的部分。然而，对于易感人群( 如免疫力低下的老年人和儿童) ，它们有可能成为致病性因素。根据肺炎双球菌的菌落特征，肺炎双球菌分为两种类型: 光滑型( S) 和粗糙型( ) 。 S型菌光滑，有荚膜，通常有毒性，而R型菌粗糙，无荚膜，无毒性。荚膜是细菌细胞壁外的一层较松厚且较固定的粘性物质，主要由水、多糖或多肽组成2。这层荚膜，可作为S 型菌的保护层，在侵染的生物体内，可以抵抗吞噬细胞的吞噬和消化作用，从而能够迅速繁殖、扩散，引起机体发生疾病。而R型菌无荚膜，容易被吞噬细胞识别并吞噬，不会导致机体患病。二)、实验介绍1.实验材料：S型菌、R型菌、

4、小鼠2.实验过程：分别做了以下四组实验图5 肺炎双球菌体内感染小鼠实验操作过程3.实验结论：（1）第一、二组的实验结果表明R型菌无致死性，而S型菌可使小鼠死亡。（2）第二、三组实验说明加热杀死的S型菌不具有毒性，对小鼠没有致死性。因为高温会使蛋白质变性，蛋白质是生命活动的承担者，因此高温杀菌使得细菌的蛋白质变性，失去生命活动的功能。（3）第四组小鼠注射了R活菌与S型死菌的混合物，相当于第一组和第三组的混合，结果小鼠死亡，并从死亡小鼠体内分离出了活的S型菌。说明小鼠体内存活的S型菌能繁殖，能将S型菌的特征传递给后代，这也是遗传物质的特点。 结论：加热致死的S型细菌，含有某种物质，能把无毒的R型活

5、菌转化为有毒性的S型活菌。这种物质被称为“转化因子”。 格里菲斯的实验中，已经出现了遗传转化现象，遗憾的是，格里菲斯作为流行病学家，他所关注的对象是造成肺炎疾病的菌株类型之间可以发生相互转化，并没有注意到这是一个遗传现象，没有从遗传物质这个角度去深究，遗憾地错过了伟大发现。1941年格里菲斯不幸逝于二战德国飞机轰炸中，但是他的肺炎球菌转化实验被人们继续下去。1928年1930年期间，不断有科学家重复了格里菲斯的实验，并且开始探索转化因子究竟是什么物质。二.艾弗里肺炎双球菌体外转化实验艾弗里是加拿大-美国医生、生物学家，1877年10月21日生于新斯科舍省哈利法克斯；1955年2月20日卒于田纳

6、西州纳什维尔。艾弗里于1904年毕业于内外科医师学院，他的研究范围包括肺炎的病原菌肺炎球菌，主要成就是完善了肺炎双球菌的转化实验。一)、实验介绍1.实验目的：转化因子是什么？2.实验材料：肺炎双球菌，小鼠3.自变量：加热杀死的S型菌中各种物质成分。4.因变量：R型菌是否可被转化。5.实验过程与结果： 艾弗里首先将细胞破碎，过滤掉细胞残片和为破碎的细胞，得到细胞提取物，构成细胞的主要物质有蛋白质、DNA、酯类、荚膜多糖等物质。用酶解法每次去除一种物质再与R型菌混合，依据菌落的特点来判断R型菌是否被转化。表1肺炎双球菌体外转化实验6.实验结论：（1）第1组将S型菌细胞提取液与R活菌混合培养，实验结

7、果是培养皿中长出了S型活菌，说明细胞提取物中有转化因子，R型菌转化成了S型菌。（2）第2至4组实验是用蛋白酶或RNA酶、酯酶分别处理S型菌的细胞提取液，之后再与R型活菌混合，结果培养皿中依然有S型菌和R型活菌。说明经酶解处理后的细胞提取液仍然具有转化活性。（3）第五组用DNA酶处理S型菌的细胞提取液后，再与R活菌混合培养，结果发现培养皿中只有R型的菌株。实验结果说明，DNA酶处理过的细胞提取液不再具有转化R菌的能力。 结论：DNA是转化因子，即遗传物质是DNA。二)、实验意义首先，从体内转化实验到体外转化实验是该实验的一大进步，通过破碎细胞获得细胞提取物进行实验，可以说明引起R菌转化为S型菌的

8、不是细胞这个完整的结构，而是细胞中的某些物质。其次，体外转化实验排除了体内未知的各种复杂因素的干扰，便于对各种物质进行有针对性的处理，更加清晰和准确的定位。肺炎双球菌体外转化实验更为重要的意义在于艾弗里团队注意到，转化现象本身也是一个遗传现象。他们在研究论文中明确指出，微生物中可以实验诱导重复发生的可遗传的特殊变化的最好例子是肺炎双球菌转化实验。 艾弗里实验是证明DNA是遗传物质的第一个直接证据，被后人称为20世纪生物学最重要的发现之一，但是在20世纪40年代艾弗里论文发布之后，却受到了广泛的批评和质疑，主流观点并不接受他的实验结论。其中最重要的原因是在当时的历史背景下，人们对蛋白质的研究正事

9、如火如荼，蛋白质的多样性使人们更愿意相信蛋白质才是遗传物质，即使面对埃弗里这样直接的实验证据，也是选择了否定和怀疑。三.赫尔希、蔡斯噬菌体侵染大肠杆菌实验虽然艾弗里和他的同事发现导致细菌转化的遗传因子含有DNA，但是艾弗里的研究小组并没有排除样本中某些非DNA成分导致细菌转化的可能性，使得许多科学家坚持认为蛋白质是控制细菌转化的遗传物质。最终，1951年和1952年，阿尔弗雷德赫尔希（Alfred Hershey）和玛莎蔡斯（Martha Chase）在纽约冷泉港的华盛顿卡内基研究所进行了一系列实验，有效地解决了遗传物质是DNA还是蛋白质的长期争论。阿尔弗雷德赫尔希(1908-1997)是一位

10、研究病毒的研究员。从1934年到1950年，他在华盛顿大学医学院细菌学系从事教学和研究。1950年，他成为纽约冷泉港华盛顿卡内基研究所遗传学系的工作人员，主要研究感染细菌的病毒，也称为噬菌体。1951年，他结束了对噬菌体基因重组的研究。同年，玛莎蔡斯作为研究助理加入了赫尔希的实验室，当提到赫尔希时，很多人会想到蔡斯，但是很少人知道蔡斯是位女科学家，研究助理并不是像大多数人认为的“一双手”的作用，她也是一名科学家并在实验中发挥了重要的作用。 加入赫尔希实验室后，她们开始研究噬菌体遗传特性并进行了一系列实验。正是因为对病毒的复制机制和遗传结构的认识，使阿尔弗雷德赫尔希获得了1969年的诺贝尔生理学

11、或医学奖。一)、噬菌体的发现历程1915年，英国一位医生最先报道了一种可转移的因子导致葡萄球菌细胞裂解，这篇文章发表在柳叶刀上，并将可以裂解细胞的可转移因子称为溶菌剂。不幸的是，这项研究因第一次世界大战而中断。 1917年，科学家同样发现了这样的细菌溶解剂，并将其命名为“噬菌体”，即细菌的吞食者。在发现并证明噬菌体存在后，从在发现噬菌体之后，20世纪30年代末到50年代间，各实验室进行的基础研究主要集中在专门攻击大肠杆菌的T家族噬菌体上。电镜观察这些细菌病毒的精细结构并逐渐揭示其遗传学特性。因此，在分子生物学的早期阶段，利用噬菌体作为模型。1942年，物理化学家托马斯安德森率先使用电子显微镜制

12、作了特异性噬菌体与感染细菌附着的高分辨率图像。电子显微镜照片显示，感染细菌孵育约20分钟，观察到的噬菌体粒子数量增加，细胞受到损害。然而，最有趣的是，最初感染的噬菌体没有穿透细菌细胞，仍然被吸附在细菌的外壁上。这些发现引起了噬菌体研究人员的高度兴趣。 到了20世纪50年代，托马斯安德森发现噬菌体有蛋白质外壳，壳内有DNA。 1946年诺贝尔奖获得者、生物物理学家约翰h诺斯罗普(John H. Northrop, 1891 - 1987)在加州大学伯克利分校对大疫杆菌的噬菌体进行了的噬菌体结构和生理特性的研究，并在1951年发表如下结果：核酸可能是分子中必不可少的自催化部分，就像肺炎球菌的转化原

13、理一样(Avery, MacLeod and McCarty, 1944)，而蛋白质部分可能只是为了进入宿主细胞而必需的。 通过一系列研究，更多科学家们也已经掌握了噬菌体感染细菌的证据，他们发现，当噬菌体感染宿主细菌时，噬菌体首先吸附在细菌的外部。然后，一小块噬菌体注入细菌，然后在细胞内自我复制，组装自己的蛋白质，经过多次复制后，噬菌体会使细菌溶解或破裂，从而杀死宿主细菌，科学家将这一复制片段归类为遗传物质。二)、放射性同位素标记技术的应用为了进行实验，赫尔希和蔡斯使用了一种叫做放射性同位素标记的技术。化学元素可以以不同的结构形式存在，称为同位素。同一元素的同位素几乎相同，但科学家可以通过实验

14、手段区分它们。区分不同同位素的化学元素的一种方法是分析它们放射性，有些同位素比其他同位素不稳定，发出放射性信号。 DNA含有P，但不含S，而蛋白质含有S，但不含P。因此，当赫尔希和蔡斯用这些元素的放射性同位素标记噬菌体时，他们在噬菌体的蛋白质和DNA部分上放置了单独的、可区分的标签，即用32P标记DNA，用35S标记蛋白质。三)、实验操作在确定DNA为病毒的遗传物质的最终实验之前，他们进行了几个预实验。证实噬菌体中DNA和蛋白质的可分离性，噬菌体吸附到细菌上的条件、确定病毒DNA侵染细菌的时间，这些条件是实验成功的关键部分3。 赫尔希和蔡斯最著名的实验是被称为韦林搅拌机（Wing Blende

15、r）实验，通过这个实验，赫尔希和蔡斯证明噬菌体只将他们的DNA注入宿主细菌，DNA作为噬菌体的复制基因元件。 为了进行实验，赫尔希和蔡斯准备了两个被感染的大肠杆菌的样本，并用放射性元素32P标记噬菌体感染其中一个样本，用放射性元素35S标记噬菌体感染另一个样本。然后，他们在一台搅拌机Wing Blender中短暂搅拌每一个样本，不仅会移除附着在细菌膜上的噬菌体颗粒，还能保持细胞和进入细胞的大多数噬菌体材料的完整性。 在标记DNA的样品中，搅拌器去除了40%的标记粒子；在标记蛋白质的样品中，搅拌器去除了80%的标记粒子。这些结果表明，搅拌器去除噬菌体中的蛋白质部分远远多于DNA部分，表明在感染期

16、间，蛋白质很可能留在细胞外，它不可能是复制的遗传物质。 韦林搅拌机只去除了80%的放射性35S标记的噬菌体，因此赫尔希和蔡斯不能确定另外20%的蛋白质是否进入了细菌细胞中并进行复制，因此，他们对残留蛋白质是否具有遗传特性又进行了研究，用放射性元素35S感染大肠杆菌，再让噬菌体侵染大肠杆菌来标记噬菌体，使噬菌体中只有蛋白质部分被标记。 他们准备了两个样本。对于一个样本，赫尔希和蔡斯搅动搅拌器中的细胞，去除附着在细菌外膜上的噬菌体颗粒。搅拌后，噬菌体使细胞溶解，释放新复制的噬菌体。对于第二个样本，赫尔希和蔡斯没有搅动搅拌机中的细胞，并在细菌细胞溶解后测量了产生的复制噬菌体。结果发现，在搅拌机搅拌的

17、样本中，只有不到1%的复制噬菌体含有放射性35S标记，在没有搅动搅拌机的样本中，几乎有10%的噬菌体含放射性元素35S。搅拌机保持进入细菌细胞的任何噬菌体材料。如果蛋白质是进入细胞并复制的遗传物质，那么赫尔希和蔡斯就会在他们用搅拌机搅拌的样品中发现更多的35S标记蛋白。他们没有搅拌的样品含有更多的35S标记蛋白，因为蛋白质外壳留在细胞外面。赫尔希和蔡斯得出结论，蛋白质不是遗传物质，DNA是遗传物质。图 9 赫尔希和蔡斯的混合实验过程四.烟草花叶病毒侵染烟草实验一)、烟草花叶病毒的结构19世纪末期人们发现有某种病害可导致烟草作物患病，1982年，俄国伊凡诺夫斯基(D.I.Iwanowski)首次

18、证明了这个病害是由滤过性病原体即病毒所引起的。1953年，美国斯坦利(W.M.Stanley)于1935年首先从病叶榨汁中分离到病毒状结晶，开始时认为病原体是蛋白质，经过研究发现结晶体中还含有核酸，并确定其就是病原体。 后经研究发现，烟草花叶病毒TMV是一种RNA病毒，没有细胞，只有一个蛋白质的外壳(衣壳)和核酸组成。其蛋白质外壳呈圆筒状，由很多相同的蛋白质亚基组成，内有一单链RNA分子。烟草花叶病毒专门感染植物，尤其是烟草及其他茄科植物，能使这些受感染的叶片看起来斑驳污损。烟草花叶病毒的遗传物质究竟是RNA还是蛋白质呢？在20世纪有多位科学家对此进行了探究实验。二)、格勒、施拉姆烟草花叶侵染

19、实验实验过程：1956年，格勒（Girer）和施拉姆（Schramm）用石碳酸处理烟草花叶病毒，除去蛋白质，只留下RNA，再将RNA接种到正常的烟草上，结果发生了花叶病。仅用用蛋白质部分侵染正常烟草，则不发生花叶病。 该实验证明：烟草花叶病毒中遗传信息是RNA。图12 格勒、施拉姆实验（1957）三、弗伦克尔库兰特烟草花叶重建实验车前草病毒(HRV)也是一种RNA病毒，可导致烟草等等植株出现病斑，1956年，美国弗伦克尔库兰特（Fraemkel-Courat）分别用车前草病毒与与烟草花叶病毒感染植株，会出现两种不同病斑（如图13）。图13 HRV与TMV病毒分别侵染植株实验过程：如图13，库兰

20、特将车前草病毒的RNA（HRV-RNA）提取出来，与烟草花叶病毒的蛋白质（TMV-蛋白质）进行重组，形成重组病毒（HRV-RNA+TMV-蛋白质）去侵染植株，结果发现，被侵染的植株患有车前草型致病斑。该实验证明：RNA是遗传物质。图14 重组病毒侵染烟草实验且从患病植株中分离出了车前草病毒的蛋白质（HRV-蛋白质），该实验证明：车前草病毒的RNA利用宿主细胞合成了自身蛋白质外壳。 综上所述，RNA病毒的遗传物质为RNA。五.DNA分子结构的发现1953年，沃森和克里克发表了名为“Molecular Structure of Nucleic Acids:A Structure for Deoxy

21、ribose Nucleic Acids”即“核酸的分子结构：一种脱氧核糖核酸的结构”的论文，解释了DNA分子的双螺旋结构，关于遗传物质的争论便彻底结束，分子生物学时代正式开启。 1956年，Arthur Kornberg用无细胞的细菌抽提物证明了DNA的合成与自我复制。 1958年，Matthew Meselson和Frank Stahl首次在分子水平上成功证明了DNA的半保留复制。 1968年，尼伦伯格、科拉纳、霍利因成功破解遗传密码获诺贝尔生理学奖。 至此，DNA是遗传物质的奥秘，终于被人类破译。生命的奥密，是如此的令人着迷，无数人想要揭开她的神秘面纱，但回看历史长河，科学的发现从来没有一帆风顺，而是曲折而漫长的，经历了几十年的探索，遗传物质的归属最终找到真相。