◆　　　　　　　　　　猜想与反驳：分子遗传学的前夜 ·方舟子· 经典遗传学的主要规律，在１９１０－１９１５年短短的几年内都已确立， 以后的２０年，只是在修修补补。到３０年代末，这样的修补工作也已基本完成。 遗传学要进一步发展，必须解决两个问题：基因的功能是什么？基因又是由什么 化学物质组成？要解决这些问题，需要用到物理、化学的研究方法。在１９３６ 年，缪勒就已向物理学家、化学家发出了号召，呼吁他们加入到破译遗传的秘密 的行列来：“遗传学家自己是无法进一步分析（基因）的这些性质的。物理学家， 以及化学家，必须在此加入进来。有谁将自愿这么做呢？” 缪勒不知道的是，早在１９０２年，孟德尔定律被重新发现后不久，就已有 一位英国医生加罗德（A.E.Garrod）首次将生物化学和遗传学结合起来了。大约 在１８９８年，一位得了黑尿病的男婴交给加罗德诊断。黑尿病是一种罕见的疾 病，患者的尿液在空气中放置一段时间后，就会变黑。这种病虽然罕见，却很容 易发现，父母一旦发现婴儿的尿布变黑，就会去求医，因而引起医学界的注意。 早在１８５９年，尿液中使尿液变黑色的化学物质已被分离出来，被称为尿黑酸。 １８９１年，尿黑酸的化学结构也被两位德国生化学家瓦尔扣（M.Wolkow）和褒 曼（E.Baomann）测定，含有苯环。生物化学家当时已知道，动物体内不能合成 苯环，必定来自膳食。只有两种氨基酸含有苯环，即苯丙氨酸和酪氨酸。由于当 时没能有足够的苯丙氨酸供试验，瓦尔扣和褒曼便让病人口服酪氨酸，发现尿液 中尿黑酸的含量的确增加了，因此得出结论说，尿黑酸是由于酪氨酸氧化形成的。 当时并不知道存在氧化酪氨酸的生化反应，因此瓦尔扣和褒曼将之归于肠道中微 生物的作用，也就是说，他们把黑尿病当成了一种细菌感染导致的疾病。加罗德 的研究推翻了这种说法。他发现，病人的粪便中并无尿黑酸，而且在进食四到六 小时后，尿液中尿黑酸的含量最高。他指出，这应该解释为在这段时间内，膳食 中的酪氨酸被消化、吸收，并在人体细胞中降解后排到膀胱中。因此尿黑病应是 代谢病。在１９０１年，同一对父母又生下一个婴儿，产后第二天，就发现尿布 也变黑了。这说明尿黑病很可能是遗传的。特别是当加罗德发现这对父母虽然都 没有尿黑病，但是是表亲后，更相信这种看法。他做了进一步调查，发现在生下 尿黑病婴儿的父母中，高达四分之三是堂亲或表亲。当时已经知道，由隐性孟德 尔因子引起的遗传病是隔代遗传的，近亲结婚能大大增加遗传的可能性。加罗德 在１９０２年公布了这个发现。在１９０９年，他出版了《先天代谢错误》一书， 进一步推断，在正常人的体内，存在一种酶能将尿黑酸的苯环打断使其降解，而 在尿黑病病人中，先天缺少这种酶，使得尿黑酸在尿液中累积起来。这样，加罗 德就第一次将遗传因子和酶的作用联系起来，间接证明了基因和性状并不存在直 接的对应关系，而很可能是基因通过控制代谢途径中的酶而起作用的。可惜的是， 加罗德的这个见解太超前了（直到１９５０年代，加罗德所推测的酶，尿黑酸氧 化酶，才被分离出来），虽然他的有关研究在生物化学家中广为人知，也有一定 的影响，但是在遗传学家中却遭到了和孟德尔当初一样的命运，完全被忽略了。 到了３０年代，酶做为生物体内的催化剂，已成为生物化学的重点研究对象，才 有一批生物学家，包括比德尔（G.W.Beadle）、埃弗鲁西（B.Ephrussi）和塔特 姆（E.L.Tatum），在研究基因的功能时，再次将生物化学和遗传学结合起来的 研究者。在１９３５年，比德尔和埃弗鲁西通过对果蝇的眼睛颜色的发育的研究， 已猜测到基因突变的直接后果，可能是导致了酶系统的缺陷。要验证这个“一个 基因对应一个酶”的假说，需要从研究生物的新陈代谢入手，但是果蝇这种为经 典遗传学的迅猛发展立下了汗马功劳的实验材料，这时候却又显得过于复杂了， 必须另外寻找实验材料。动物和植物都不适用，因为它们的营养要求过于复杂， 实验时没法完全控制；原生生物的营养要求则未完全了解；绿藻的繁殖方式过于 复杂；细菌和蓝藻则是因为在当时不知道存在有性生殖，没法用于杂交试验，总 之这些低等生物也都被排除了。比德尔最终选定了一种真菌－－红色面包霉。纽 约植物园的道吉（B.O.Dodge）曾极力向摩尔根推荐面包霉做为遗传实验材料， 在摩尔根１９２８年从哥伦比亚大学迁到加州理工学院时，说服他带了一个面包 霉的种株过去。但是摩尔根本人对面包霉并不重视，他的实验室仍以果蝇为研究 材料，只有一名研究生对面包霉的遗传做了初步的研究。１９３６年比德尔离开 加州理工学院到斯坦福大学任教授时，带走了面包霉种株，并邀请生化学家塔特 姆一起研究面包霉的遗传与代谢。 比德尔和塔特姆选定面包霉的一个重要因素是其营养要求非常简单，事实上， 试验的结果，比他们设想的还要简单，只需提供空气、水、无机盐、蔗糖和一种 维生素（生物素），组成最低培养基，就可以满足面包霉的营养需求，用以合成 维持生命活动所必需的氨基酸、蛋白质、核酸、多糖、脂肪、维生素等物质。比 德尔和塔特姆的猜想是，特定的基因控制着特定的酶的生产，这种酶又催化某个 必需的生化反应，例如催化精氨酸的合成。那么，用放射性诱发面包酶的突变， 如果有突变导致不能生产这种酶，不能利用最低培养液合成精氨酸，面包霉就不 能生存。大量的面包霉孢子（到１９４５年时，比德尔和塔特姆共试验了６万孢 子）经过放射性辐射后，用最低培养基培养。绝大部分孢子都能正常生长，表明 它们没有突变或虽有突变而不严重。但是有少数孢子不能发芽。后者可能有各种 各样的突变，其中有的可能与精氨酸有关。怎么才能把这些突变挑选出来呢？比 德尔和塔特姆想到了一个简单而巧妙的办法。如果这些孢子不能发芽生长是因为 不能合成自己的精氨酸，那么如果在培养液中添加精氨酸，它们就应该能够生长。 那些不能在最低培养基中生长的孢子被移植到添加了精氨酸的培养基中，大多数 还是不能生长，但是少数能够生长。显然，后者失去的是合成精氨酸的能力，那 么这是由基因突变导致的，还是因为别的因素？这可以通过杂交试验检测，让它 们与正常面包霉杂交，如果缺陷是由于控制合成精氨酸的基因Ａ突变成了ａ引起 的，面包酶是单倍体（即基因不成对），ａ和Ａ杂交的后代，应该有一半能在最 低培养基生长，另一半只能在添加了精氨酸后增长。 有一些需要精氨酸才能生长的突变种株因此被鉴定了出来。这些突变都是由 同一个基因突变引起的，还是由不同的基因突变引起的？这也可以通过杂交试验 来检测。如果两个突变株的突变都位于一个基因，它们杂交的后代，都还是突变 株，仍然需要精氨酸。但是如果两个突变株的突变位置在两个基因上，比如一个 是由Ａ１变成了ａ１，另一个由Ａ２变成了ａ２呢？两个基因同时发生突变的几 率很低，因此我们可以假定，ａ１突变株有正常的Ａ２基因，即基因型为ａ１Ａ ２；ａ２突变株有正常的Ａ１基因，即基因型为Ａ１ａ２，它们杂交的结果，先 形成二倍体合子Ａ１ａ１Ａ２ａ２，然后经过减数分裂形成单倍体孢子，其中， 四分之一基因型是Ａ１Ａ２，可以在最低培养基中生长；四分之一是Ａ１ａ２， 四分之一是ａ１Ａ２，四分之一是ａ１ａ２，这些全都需要精氨酸才能生长。比 德尔和塔特姆在测试了数千个孢子后，发现有７种不同的基因突变需要精氨酸。 也就是说，至少有７种基因与精氨酸的合成有关，可以设想，每一种基因生产一 种酶，其中的任一基因发生了突变，导致不能生产酶或酶的功能不正常，就破坏 了精氨酸的合成。 在１９３２年，生物化学家克莱伯斯（H.A.Krebs）已发现在脊椎动物中， 精氨酸是由瓜氨酸合成的，瓜氨酸是由鸟氨酸合成的，鸟氨酸则来自未知的前体， 即： ？－〉鸟氨酸－〉瓜氨酸－〉精氨酸 其中每一个步骤都需要一种特定的酶。一切生物的代谢途径都大同小异，如 果面包霉也用相同的步骤合成精氨酸，那么就可以进一步研究它的７种基因突变 究竟都与哪一个步骤有关。这可以通过将突变孢子放在添加了鸟氨酸、瓜氨酸或 精氨酸的培养基中培养而加以检验。结果表明，有４个突变株，在添加了鸟氨酸、 瓜氨酸或精氨酸中的其中一种后，都能生长，证明其基因突变与鸟氨酸之前的合 成步骤有关，鸟氨酸之后的步骤都正常，所以添加了鸟氨酸和瓜氨酸都能合成精 氨酸。有２个突变在添加了鸟氨酸后还不能生长，但添加了瓜氨酸或精氨酸后能 够生长，证明其基因生产的酶控制的是从鸟氨酸合成瓜氨酸的步骤，突变后破坏 了这个合成能力。既然这个步骤与两个基因突变有关，可以设想，这个步骤其实 至少还由两个小步骤组成。还有１个突变只有在添加了精氨酸以后才能生长，证 明它破坏的是从瓜氨酸到精氨酸的合成。 比德尔和塔特姆在１９４１年以“红色面包酶中生化反应的遗传控制”为题， 发表了他们的实验结果，证明了基因的功能之一就是控制酶的生产。１９４５年 比德尔正式提出了“一个基因一个酶”学说。遗传学与生物化学的结合，标志着 遗传学的研究开始进入了分子时代。但是，在能够真正从分子水平上研究遗传之 前，还必需搞清楚，基因究竟是一种什么样的分子？当时的遗传学家普遍认为基 因很可能是一种蛋白质，甚至就是一种酶。这种信念并非全无道理。遗传性状是 如此的复杂多样，似乎意味着基因分子也必定是复杂多样的，而已知最为复杂多 样的分子就是蛋白质，组成蛋白质的２０种氨基酸能够提供几乎无限的排列组合。 而且，如缪勒所指出的，基因做为一种分子，必须具有自催化（即自我复制）和 异催化（即控制其他生化反应）两种特性，而当时已知的生物催化剂都是蛋白酶。 但是研究结果却出乎意料。这个结果，有赖于另一个学科－－微生物学，来自于 一种比面包霉更简单的生物－－肺炎双球菌。 肺炎双球菌是一种引起肺炎的细菌，在抗菌素发明之前，一直是人类的主要 杀手。它对小鼠的危害更严重，往小鼠体内注入一个肺炎球菌，就能导致小鼠死 亡。肺炎球菌有两种品系，根据菌落在培养基上的形态，分成光滑品系Ｓ和粗糙 品系Ｒ。这种形态差异是由于Ｓ品系的细菌包着一层多糖外膜，能引起感染；而 Ｒ品系缺少这层外膜，不能引起感染。多糖外膜有不同的构造，根据免疫反应可 以分成Ｉ型，ＩＩ型等等。各型的Ｓ品系能够突变成同型的Ｒ品系，反之亦然。 １９２８年，在英国卫生部任职的医生格里菲斯（F.Griffith）对肺炎球菌的致 病情况做了研究。他将活的Ｉ型Ｒ品系，加热杀死的ＩＩ型Ｓ品系，以及二者的 混合分别注入小鼠体内。前面两种处理都不会使小鼠生病，这是意料之中的：Ｒ 品系不是病菌，而Ｓ品系被杀死后也失去了感染能力。但是将活的Ｉ型Ｒ品系与 杀死的ＩＩ型Ｓ品系混合后注入小鼠体内，却导致了小鼠死亡。从小鼠的尸体中， 找到了活的Ｓ品系的细菌。这些Ｓ品系细菌，与原来的Ｓ品系细菌一样都是ＩＩ 型的。看来，ＩＩ型Ｓ品系细菌虽然已被杀死，却含有一种物质，能指导Ｉ型Ｒ 品系合成ＩＩ型的多糖外膜，将之转化成ＩＩ型Ｓ品系。这种物质究竟是什么呢？ 格里菲斯并非遗传学家，他用新拉马克主义简单而又错误地解释这个实验结 果：ＩＩ型Ｓ品系死菌刺激体内产生免疫物质，后者刺激Ｉ型Ｒ品系突变成了ＩＩ 型Ｓ品系。３０年代的遗传学家如果听说了这个实验，也不会觉得细菌的遗传有 什么值得研究的，还是果蝇的研究更有价值。对这个问题感兴趣的是免疫化学家。 他们相信转化一定是由于某种化学物质导致。Ｓ品系的多糖外膜应该是合适的候 选，但实验结果否定了这种想法。转化因子位于Ｓ品系的细胞之内。１９３１年， 道森（M.H.Dawson）和西亚（R.H.P.Sia）报告说，他们成功地在体外进行了转 化实验：将从ＩＩ型Ｓ品系抽取出来的物质加到Ｉ型Ｒ品系细菌，也会使后者转 化成致命的ＩＩ型Ｓ品系。１９４４年，美国洛克菲勒学院的三位免疫化学家艾 弗里（O.T.Avery）、麦克劳德（C.M.MacLeod）和麦卡提（M.McCarty）报告说， 他们已经将这种能把Ｒ品系转化成Ｓ品系的转化因子纯化出来，经过许多测试后， 认定它是脱氧核糖核酸，即ＤＮＡ。他们将Ｓ品系细菌的抽取物分离成了多糖、 蛋白质和ＤＮＡ三部分，多糖和蛋白质部分都不能引起转化，只有ＤＮＡ部分能 够引起转化，而且活性极强，稀释６００万分被后还能导致转化。用蛋白水解酶 （能将蛋白质降解）或核糖核酸酶（能将核糖核酸即ＲＮＡ降解）处理转化因子， 都不影响其转化能力，但是如果用脱氧核糖核酸酶（能将ＤＮＡ降解）处理，其 转化能力就消失了。 这个结果完全是意想不到的，在此之前甚至不知道细菌也有ＤＮＡ，而以为 那是真核生物的特征。核酸早在１８６９年就由瑞士生理学家和化学家米歇尔 （F.Miescher）发现。当时他刚从医学院毕业不久，根据他的舅舅、著名解剖学 家和胚胎学家希斯（W.His）的建议研究淋巴细胞的化学成分。他以从医院搜集 来的脓为材料，将脓细胞的细胞质和细胞核分离。米歇尔本来是想研究蛋白质， 但发现细胞核主要由一种含有大量的磷的未知有机物组成，便改为研究这种他称 之为核素的新物质。到１８８０年代，细胞学家们已认识到米歇尔的核素就是组 成染色质的化学物质，并普遍认为它是遗传物质。然而，据有讽刺意味的是，进 入２０世纪后，以列文（P.A.Levene）为代表的生物化学家对核酸进行了进一步 的纯化和测定，初步确定了核酸的化学性质之后，却反而无人相信核酸是遗传物 质。他们发现核酸可以分成两类，即脱氧核糖核酸（ＤＮＡ）和核糖核酸（ＲＮ Ａ），含有一个磷酸，一个糖（ＤＮＡ含脱氧核糖，ＲＮＡ含核糖）和四种碱基 （ＤＮＡ含腺嘌呤（Ａ）、鸟嘌呤（Ｇ）、胸腺嘧啶（Ｔ）和胞嘧啶（Ｃ）；Ｒ ＮＡ中没有胸腺嘧啶（Ｔ），但有尿嘧啶（Ｕ））。但是他们犯了两个错误，一 是错误地认为ＤＮＡ为动物细胞所特有，ＲＮＡ为植物细胞所特有，一直到１９ ３０年代才充分了解到一切动物和植物细胞都同时含有ＤＮＡ和ＲＮＡ；二是错 误地认为四种碱基在核酸中的含量都相等，把核酸当成了一个由四个不同的带碱 基的核苷酸连接而成的简单的小分子或四核苷酸多聚体。显然，ＤＮＡ做为一种 简单的小分子，不可能是遗传物质。它究竟有何功能？有的说是协助能量转移， 有的则干脆说它是充当ｐＨ缓冲剂。 艾弗里等人宣布发现ＤＮＡ是遗传物质的时候，“ＤＮＡ是四核苷酸多聚体” 的说法已在学术界流行了二十多年，人们如何能够相信这种小分子能控制遗传？ 许多遗传学家，包括大遗传学家杜布赞斯基和缪勒，都不愿相信。他们或者认为 艾弗里等人纯化得到的转化因子不纯，ＤＮＡ中还夹杂着少量的蛋白质，是蛋白 质在起遗传作用；或者认为ＤＮＡ是一种诱变剂，诱发Ｒ品系细菌定向地突变成 Ｓ品系细菌，这个由格里菲斯最先想到的新拉马克主义的说法生命力极其顽强， 甚至到了１９５８年，由杜布赞斯基等人撰写的一本遗传学课本中，还把细菌转 化实验当做定向突变的例子介绍。激烈批评艾弗里实验的人，大多是所谓“噬菌 体小组”的成员。他们正以噬菌体为材料研究遗传的物质基础，但是他们是把基 因当成蛋白质来研究的，不相信ＤＮＡ能够具有做为遗传物质所必备的复杂性。 直到这个小组的两名成员赫尔希（A.Hershey）和切斯（M.Chase）自己在１９５ ２年用实验证明了DNA是遗传物质，他们才改变了立场。 噬菌体是比细菌更简单的一种病毒，寄生在细菌中。赫尔希和切斯所用的是 感染大肠杆菌的Ｔ２噬菌体。Ｔ２进入大肠杆菌后，利用大肠杆菌的机件制造噬 菌体，在大约２０分钟内制造出大约１００个噬菌体，导致大肠杆菌死亡，细胞 破裂而释放出噬菌体，这些噬菌体再去感染别的大肠杆菌。噬菌体的形态象个登 月舱，结构极其简单，由一个蛋白质外膜和一个ＤＮＡ核组成。蛋白质外膜含硫， 基本不含磷；ＤＮＡ核则相反，含磷不含硫。如果用含放射性同位素Ｐ３２的培 养基培养大肠杆菌，Ｐ３２将被大肠杆菌整合进体内，感染这种大肠杆菌的噬菌 体合成的新噬菌体，其ＤＮＡ核将也含Ｐ３２而有放射性标记，而蛋白质外膜将 无标记。同时，让另一组大肠杆菌长在含放射性同位素Ｓ３５的培养基中，类似 的，感染它的噬菌体制造的新噬菌体，其蛋白质外膜将被同位素Ｓ３５标记，而 ＤＮＡ核将不会被标记。这样，通过检测Ｐ３２和Ｓ３５，就可以追踪ＤＮＡ核 和蛋白质外膜。赫尔希和切斯发现，在噬菌体感染后，Ｓ３５（蛋白质外膜）还 留在细菌的外面，而Ｐ３２（ＤＮＡ核）则出现在细菌内部。如果让噬菌体与细 菌细胞的碎片在溶液中混合在一起，会发现Ｓ３５跟细菌碎片贴在一起，而Ｐ３ ２则出现在溶液中：我们可以设想，噬菌体沾到细菌碎片上后，试图将ＤＮＡ注 射入细菌，只不过另一头不是细胞，而是溶液。在经标记的噬菌体感染细菌后合 成的噬菌体，都不含Ｓ３５，却有大约３０％的Ｐ３２出现在新噬菌体的ＤＮＡ 中。总之，这个实验表明了，噬菌体在感染细菌时，蛋白质外膜留在细胞表面， 而把ＤＮＡ核注射入细胞中合成新的噬菌体，ＤＮＡ就是噬菌体的遗传物质。 噬菌体小组将赫尔希－切斯实验当成了ＤＮＡ是遗传物质的最后证明。事实 上，这个实验的精确程度还不如艾弗里实验，如果以对待艾弗里实验的态度对待 这个实验，同样可以进行刁难：只有大约３０％的Ｐ３２出现在新噬菌体的ＤＮ Ａ中，如何解释剩下的７０％Ｐ３２？只有大约３０％的Ｓ３５留在细菌表面， 剩下的Ｓ３５如何解释？并不是所有的噬菌体蛋白质都能被Ｓ３５标志，只有约 ９０％的蛋白质含硫，如何知道那些不含硫的蛋白质没有做为遗传物质进入细菌 中？但是它毕竟是用完全不同的实验方法，在另一种生物体上得出了支持艾弗里 实验的结果，而且由于噬菌体小组在分子生物学领域的巨大影响力，使得从那以 后，越来越多的人相信ＤＮＡ是遗传物质。 ２００１.５.２９. （寄自美国）