格里非斯
發(fā)現(xiàn)DNA的遺傳功能,始于1928年格里非斯(P.Grif-fith)所做的用肺炎雙球菌感染小家鼠的實(shí)驗(yàn)。
肺炎雙球菌基本上可以分為兩個(gè)類型或品系。一個(gè)是有毒的光滑類型,簡稱為S型。一個(gè)是無毒的粗糙類型,簡稱為R型。S型的細(xì)胞由相當(dāng)發(fā)達(dá)的莢膜(或稱為被囊)包裹著。莢膜由多糖構(gòu)成,其作用是保護(hù)細(xì)菌不受被感染的動物的正常抵抗機(jī)制所殺死,從而使人或小家鼠致。▽θ,它能導(dǎo)致肺炎;對小家鼠,則導(dǎo)致敗血癥)。但在加熱到致死程度后,該類型的細(xì)菌便失去致病能力。由于莢膜多糖的血清學(xué)特性不同、化學(xué)結(jié)構(gòu)各異,S型又可分成許多不同的小類型,如SⅠ、SⅡ、SⅢ等。而R型細(xì)胞沒有合成莢膜的能力,所以不能使人或小家鼠致病。它不能合成莢膜的原因在于一個(gè)控制UDPG一脫氫酶的基因發(fā)生了突變,R,S兩型可以相互轉(zhuǎn)化。
1928年,格里菲斯將肺炎球菌SⅡ在特殊條件下進(jìn)行離體培養(yǎng),從中分離出R型。當(dāng)他把這種R型的少量活細(xì)菌和大量已被殺死的SⅢ混合注射到小家鼠體內(nèi)以后,出乎意外,小家鼠卻被致死了。剖檢發(fā)現(xiàn),小家鼠的心血中有SⅢ細(xì)菌。
這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以有三種解釋。(1)SⅢ細(xì)菌可能并未完全殺死。但這種解釋不能成立,因?yàn)閱为?dú)注射經(jīng)過處理的SⅢ時(shí)并不能致死小家鼠。(2)R型已轉(zhuǎn)變?yōu)镾型。這一點(diǎn)也不能成立,因?yàn)槠蕶z發(fā)現(xiàn)的是SⅢ不是SⅡ,R型從SⅡ突變而來,理應(yīng)轉(zhuǎn)化為 SⅡ。(3)R型從殺死的SⅢ獲得某種物質(zhì),導(dǎo)致類型轉(zhuǎn)化,從而恢復(fù)了原先因基因突變而喪失的合成莢膜的能力。格里菲斯肯定了這種解釋。這就是最早發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。
三年之后,研究者們發(fā)現(xiàn),在有加熱殺死的S型細(xì)菌存在的條件下,體外培養(yǎng)R型的培養(yǎng)物,也可以產(chǎn)生這種轉(zhuǎn)化作用。此后不到兩年,又發(fā)現(xiàn)S型細(xì)菌的無細(xì)胞抽提物加到生長著的R型培養(yǎng)物上,也能產(chǎn)生R向S的轉(zhuǎn)休(R→S)。于是,研究者們提出,加熱殺死的S型細(xì)菌培養(yǎng)物或其無細(xì)胞抽提物中,一定存在著某種導(dǎo)致細(xì)菌類型發(fā)生轉(zhuǎn)化的物質(zhì)。這種物質(zhì)究竟是什么,人們尚不知道,為便于研究,暫時(shí)叫做“轉(zhuǎn)化因子”(transforming principle)。 格里菲斯發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化作用,為爾后認(rèn)識到DNA是遺傳物質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。艾弗里和他的同事麥克勞德(C.M.Mcleod)和麥卡蒂(M.J.Mccarty)正是在這個(gè)基礎(chǔ)上繼續(xù)前進(jìn),才獲得了重大的突破。1944年,在紐約洛克菲勒研究所,艾弗里等人為了弄清轉(zhuǎn)化因子的化學(xué)本質(zhì),開始對含有R→S轉(zhuǎn)化因子的SⅢ型細(xì)菌的無細(xì)胞抽提物進(jìn)行分餾、純化工作。他們根據(jù)染色體物質(zhì)的絕大部分是蛋白質(zhì)的事實(shí),曾一度推斷蛋白質(zhì)很可能是“轉(zhuǎn)化因子”。然而,當(dāng)他們使用一系列的化學(xué)法和酶催化法,把各種蛋白質(zhì)、類脂、多糖和核糖核酸從抽提物中去掉之后,卻發(fā)現(xiàn)抽提物的剩余物質(zhì)仍然保持把R型轉(zhuǎn)化為S型的能力。于是,他們對自己的推斷動搖了。最后,在對抽提物進(jìn)一步純化之后,他們發(fā)現(xiàn),只消把取自SⅢ細(xì)胞抽提物的純化DNA,以低達(dá)六億分之一的劑量加在一個(gè)R型細(xì)胞的培養(yǎng)物中,仍然具有使R→SⅢ的轉(zhuǎn)化能力。他們還發(fā)現(xiàn),從一個(gè)本身由R型轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的S型細(xì)菌的培養(yǎng)物中提取的DNA也能使R→S。于是,他們得出結(jié)論說,“轉(zhuǎn)化因子”就是DNA。并在《實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志》第79卷第137期發(fā)表了這一研究成果。
艾弗里等人的試驗(yàn)和結(jié)論是對脫氧核糖核酸認(rèn)識史上的一次重大突破,徹底改變了它在生物體內(nèi)無足輕重的傳統(tǒng)觀念。艾弗里等人在1944年所作的試驗(yàn)和結(jié)論,不僅沒有使科學(xué)界立即接受DNA是遺傳物質(zhì)的正確觀念,反而引起了科學(xué)界許多人的極大驚訝和懷疑。當(dāng)時(shí)主要有兩種代表性的否定意見。第一種是,即使活性轉(zhuǎn)化因子就是DNA,也可能只是通過對莢膜的形成有直接的化學(xué)效應(yīng)而發(fā)生的作用,不是由于它是遺傳信息的載體而起作用的。第二種否定意見則根本不承認(rèn)DNA是遺傳物質(zhì),認(rèn)為不論純化的 DNA從數(shù)據(jù)上看是如何的純凈,它仍然可能藏留著一絲有沾污性的蛋白質(zhì)殘余,說不定這就是有活性的轉(zhuǎn)化因子。
科學(xué)界的懷疑、否定,不但沒有能動搖艾弗里等人繼續(xù)探索的堅(jiān)定信心,反而加強(qiáng)了他們的信念,為進(jìn)一步明確、探索而奮斗。
為了回答第一種懷疑論,泰勒(H.Taylor)和哈赤基斯(R.D.Hotchkiss)先后做了大量的實(shí)驗(yàn)工作。特別是他們在1949年所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),給了懷疑論者以致命一擊。泰勒從粗糙型(即R突變型)品系中分離出一個(gè)新的更加粗糙、更加不規(guī)則的突變型ER,并且發(fā)現(xiàn)從R品系細(xì)胞中提取出來的DNA可以完成ER向R的轉(zhuǎn)化。這樣,就證明了在以往實(shí)驗(yàn)中作為受體的R品系本身還帶有一種轉(zhuǎn)化因子。這種轉(zhuǎn)化因子能把R品系仍然還具有的一點(diǎn)點(diǎn)殘余的合成莢膜的能力轉(zhuǎn)授給那個(gè)莢膜缺陷更甚的ER品系。不僅如此,泰勒還發(fā)現(xiàn),將從S品系(作為給體)提取的NDA加到ER品系(作為受體)中,也能實(shí)現(xiàn)ER向R的轉(zhuǎn)化。如果把這種第一輪的R轉(zhuǎn)化物抽取一些加以培養(yǎng),然后再加進(jìn)S給體的DNA,便會出現(xiàn)R向S的轉(zhuǎn)化。泰勒的這些發(fā)現(xiàn)使得那些曾抱有“DNA僅僅是在多糖莢膜合成中作為一種外源化學(xué)介質(zhì)進(jìn)行干擾而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化作用”這種信念的人們,無言以對,只得認(rèn)輸。
在同一年內(nèi),哈赤基斯還證實(shí)了那些與莢膜形成毫無關(guān)系的一些細(xì)菌性狀(如對藥物的敏感性和抗性)也會發(fā)生轉(zhuǎn)化。他從正常的S型肺炎球菌中分離出了一種抗青霉素的突變型(記為PenrS),提取出它的DNA,加到一個(gè)由對青霉素敏感的S型中突變產(chǎn)生的R型(記為PenrR)的培養(yǎng)物中。結(jié)果發(fā)現(xiàn),某些個(gè)Penr—R受體細(xì)菌已被轉(zhuǎn)化為Penr—S給體型。據(jù)此,他得出結(jié)論說,肺炎球菌的DNA不但帶有為莢膜形成所需要的信息,而且還帶有對青霉素產(chǎn)生抗性的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的形成所需要的信息。他還認(rèn)為,莢膜的形成和對青霉素的抗性似乎是由不同的DNA分子控制著。此后不久,哈赤基斯又利用從S野生型抗鏈霉素突變型細(xì)胞中提取的DNA進(jìn)行試驗(yàn),也獲得了同上述實(shí)驗(yàn)完全相仿的結(jié)果。當(dāng)哈赤基斯將其實(shí)驗(yàn)結(jié)果在美國科學(xué)院院報(bào)上發(fā)表之后,一切認(rèn)為 DNA的轉(zhuǎn)化作用是生理性的而不是遺傳性的各種奇談怪論便消失無蹤了。
針對第二種否定意見,艾弗里和麥卡蒂于1946年用蛋白水解酶、核糖核酸酶和NDA酶分別處理肺炎球菌的細(xì)胞抽提物。結(jié)果表明,前兩種酶根本不影響抽提物的生物學(xué)效能,然而只消碰一碰后者,抽提物的轉(zhuǎn)化活性便立即被完全破壞掉。這一結(jié)果進(jìn)一步證明了DNA作為遺傳信息載體的功能。哈赤基斯繼續(xù)對轉(zhuǎn)化因子進(jìn)行化學(xué)提純。到1949年時(shí),他已經(jīng)能把附著在活性DNA上的蛋白質(zhì)含量降低到0.02%。盡管如此,在1949年,這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然沒能使懷疑論者相信DNA是遺傳變化的原因所在。甚至到1950年,米爾斯基(A.E.Mirsky)仍對艾弗里的轉(zhuǎn)化因子試驗(yàn)結(jié)論持懷疑態(tài)度。他認(rèn)為,“很可能就是DNA而不是其它的東西是對轉(zhuǎn)化活性有責(zé)的,但還沒有得到證實(shí)。在活性因子的純化過程中,越來越多的附著在DNA上的蛋白質(zhì)被去掉了,……但很難消除這樣的可能性,即可能還有微量的蛋白質(zhì)附著在DNA上,雖然無法通過所采用的各種檢驗(yàn)法把它們偵察出來,……因此對DNA本身是否就是轉(zhuǎn)化介質(zhì)還存在一些疑問”。
后來,隨著對DNA化學(xué)本性的足夠了解,特別是1952年赫爾希(A.D.Hers-hey)和蔡斯(M.Chase)證明了噬菌體DNA能攜帶母體病毒的遺傳信息到后代中去以后,科學(xué)界才終于接受了DNA是遺傳信息載體的理論。美國分子遺傳學(xué)家G.S.斯坦特寫道:“這項(xiàng)理論到1950年后好像突然出現(xiàn)在空中似的,到了1952年已被許多分子遺傳學(xué)家奉為信條”。
科學(xué)界對艾弗里等人的理論的懷疑,也反映到諾貝爾獎評選委員會中。當(dāng)艾弗里提出他們的理論以后,閘有人提議艾弗里應(yīng)獲這種最高獎勵。但鑒于科學(xué)界對其理論還抱有懷疑,諾貝爾獎評選委員會認(rèn)為推遲發(fā)獎更為合適?墒,當(dāng)對他的成就的爭議平息、諾貝爾獎評選委員會準(zhǔn)備授獎之時(shí),他已經(jīng)去世了。諾貝爾獎評選委員會只好惋惜地承認(rèn):“艾弗里于1944年關(guān)于DNA攜帶信息的發(fā)現(xiàn)代表了遺傳學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)最重要的成就,他沒能得到諾貝爾獎金是很遺憾的”。
艾弗里等人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)為什么遲遲得不到科學(xué)界的承認(rèn)呢?這當(dāng)然不是由于他們的不術(shù)地位低下所致,因?yàn)榘ダ锬菚r(shí)已經(jīng)是細(xì)菌學(xué)界的一員老將。不是由于出版機(jī)構(gòu)的壓抑,因?yàn)樗奈恼略凇秾?shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志》上得到了及時(shí)發(fā)表。也不是由于他們的研究超越了時(shí)代或離開了研究的主流趨勢,因?yàn)楫?dāng)時(shí)有許多人都在研究格里菲斯發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。馬克思主義認(rèn)為,艾弗里的發(fā)現(xiàn)的蒙難主要由于認(rèn)識論方面的一些原因造成的。具體說來是:第一,傳統(tǒng)觀念的束縛。無庸否認(rèn),大家早就懷疑過DNA在遺傳過程中是否有一定的功能,特別是自從福爾根(F.Feulgen)于1924年證明了DNA是染色體的一個(gè)主要組分之后。但是,由于科學(xué)研究發(fā)展的特定歷史進(jìn)程,人們對蛋白質(zhì)的研究羅為充分,對它的重要性和分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識比較深入;而對DNA的研究就非常不夠,因而人們也就很難設(shè)想DNA能夠作為遺傳信息的載體。在一段相當(dāng)長的時(shí)間仙,DNA不像蛋白質(zhì)那樣引人注意。這除了它不像蛋白質(zhì)(特別是酶)那樣到處都是,且到處都是活躍以外,重要的一點(diǎn)還在于結(jié)構(gòu)上似乎沒有蛋白質(zhì)那樣變化多端,具有個(gè)性(同一生物體中的異源蛋白質(zhì)之間,或者不同生物體中的同源蛋白質(zhì)之間,在結(jié)構(gòu)的特異性上存在著極大的差異)。直到30年代后期,科學(xué)界還普遍堅(jiān)持萊文(P.A.T.Levine)在20年代提出的“DNA結(jié)構(gòu)的四核苷酸假說”,認(rèn)為DNA只不過是一種含有腺苷酸、鳥苷酸、胸腺苷酸和胞苷酸四種殘基各一個(gè)的四核苷酸而已。到了40年代早期,盡管已經(jīng)認(rèn)識到DNA分子量實(shí)際上要比四核苷酸理論所要求的大得多,但是仍然普遍地相信四核苷乃是那較大的DN聚合體的基本重復(fù)單元,其中四個(gè)嘌呤和嘧啶堿基都依次按規(guī)定的序列而被重復(fù)著。DNA被看成如同淀粉等聚合物一樣的一種單調(diào)的均勻第二,錯(cuò)誤地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)造成的因噎廢食。
就在艾弗里等人做出上述結(jié)論的20年之間,著名生物學(xué)家、1915年諾貝爾化學(xué)獎獲得者威爾斯塔特在實(shí)驗(yàn)中由于采用的酶溶液過于稀釋之故,以至用通常的化學(xué)檢驗(yàn)法顯示不出它的蛋白質(zhì)含量,但仍存在催化活性,于是便做出了酶不是蛋白質(zhì)的錯(cuò)誤結(jié)論,宣稱已經(jīng)制成了不含蛋白質(zhì)的酶的制備物。由于這種結(jié)論出自權(quán)威之口,人們信以為真,結(jié)果使對酶的研究推遲達(dá)10年之久。1944年時(shí),科學(xué)界對這種前車之鑒仍記憶猶新。所以,當(dāng)艾弗里等人公布他們的結(jié)論后,害怕再受騙的科學(xué)界便不敢再盲然唯這位權(quán)威而是從,遲遲不予認(rèn)可了。播種苦果的是已故權(quán)威威爾斯塔特,而蒙受苦果之害的是在世權(quán)威艾弗里。殊途而同歸!巴査顾氐腻e(cuò)誤幽靈使基因的研究又拖遲10年之久”。艾弗里等人及其科學(xué)發(fā)現(xiàn)的不幸遭遇,向我們提出了許多值得深思的問題。首先,作為一個(gè)科學(xué)工作者,我們應(yīng)當(dāng)努力克服思想上的保守性和片面性,做到不為流行觀念所束縛,努力去揭示未曾為大多數(shù)人所注目的新領(lǐng)域;做到正確總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),不能因噎廢食。其次,作為一個(gè)科研管理工作者,我們不僅應(yīng)對那些成果在短期內(nèi)就得到證實(shí)的發(fā)現(xiàn)者給予獎勵,而且也應(yīng)對那些其成果需要很長時(shí)間才能得到證實(shí)的卓越發(fā)現(xiàn)者(特別是其中的高齡科學(xué)家),及時(shí)給予承認(rèn)。