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14.1: 现代理解的历史基础

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    培养技能

    • 解释 DNA 的转化
    • 描述有助于鉴定 DNA 是遗传物质的关键实验
    • 陈述并解释 Chargaff 的规则

    现代人对 DNA 的理解已经从发现核酸演变为双螺旋模型的开发。 19 世纪 60 年代，专业医生弗里德里希·米舍尔（图\(\PageIndex{1}\)）是第一个从白细胞或白细胞中分离出富含磷酸盐的化学物质的人。 他将这些化学物质（最终被称为RNA和DNA）命名为核蛋白，因为它们是从细胞核中分离出来的。

    弗里德里希·米舍尔的照片。
    图\(\PageIndex{1}\)：弗里德里希·米舍尔（1844—1895 年）发现了核酸。

    链接到学习

    miescher_levene.png

    要查看 Miescher 逐步进行实验，请点击这篇评论，了解他是如何发现 DNA 和蛋白质在细胞核中的关键作用的。

    半个世纪后，英国细菌学家弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）可能是第一个证明遗传信息可以 “水平” 而不是通过血统从一个细胞转移到另一个细胞的人。 1928年，他报道了细菌转化的首次演示，即细胞吸收外部DNA，从而改变形态和生理学的过程。 他正在研究肺炎链球菌，这是一种导致肺炎的细菌。 Griffith 使用了两种菌株，粗糙（R）和光滑（S）。 R 菌株是非致病性的（不会引起疾病），之所以被称为粗糙菌株，是因为它的外表面是细胞壁并且没有胶囊；因此，在显微镜下，细胞表面显得不均匀。 S 菌株具有致病性（致病），细胞壁外有胶囊。 因此，它在显微镜下具有光滑的外观。 格里菲斯将活的 R 菌株注射到小鼠体内，它们活了下来。 在另一项实验中，当他给小鼠注射热杀灭的S菌株时，它们也活了下来。 在第三组实验中，向小鼠注射了活的 R 菌株和热杀死 S 菌株的混合物，令他惊讶的是，老鼠死亡。 从死老鼠身上分离出活细菌后，只回收了细菌的 S 菌株。 当这种分离出来的 S 菌株注射到新鲜小鼠体内时，小鼠死亡。 格里菲斯得出结论，某种东西已经从热杀死 S 菌株转化为活的 R 菌株，并将其转化为致病性 S 菌株，他称之为转化原理（图\(\PageIndex{2}\)）。 这些实验现在被称为格里菲斯的转化实验。

    左边是一张活老鼠的照片，代表一只注射了热杀死的毒性 S 菌株的老鼠。 右边是一只死老鼠的照片，代表一只注射了热杀死的毒性 S 菌株和活的、非毒性 R 菌株的小鼠。
    图\(\PageIndex{2}\)：格里菲斯的转化实验中使用了两种肺炎杆菌菌株。 R 菌株是非致病性的。 S 菌株具有致病性并导致死亡。 当格里菲斯给老鼠注射热杀死的 S 菌株和活的 R 菌株时，老鼠死亡。 S 菌株是从死老鼠身上回收的。 因此，格里菲斯得出结论，有些东西已经从热杀的 S 菌株传递到了 R 菌株，在此过程中将 R 菌株转化为 S 菌株。 （来源 “活老鼠”：美国国立卫生研究院对作品的修改；来源 “dead mouse”：Sarah Marriage 对作品的修改）

    科学家奥斯瓦尔德·艾弗里、科林·麦克劳德和麦克琳·麦卡蒂（1944 年）有兴趣进一步探索这一转型原理。 他们从死亡的小鼠身上分离出S菌株，并分离出蛋白质和核酸，即RNA和DNA，因为它们可能是遗传分子的候选物。 他们进行了系统的淘汰研究。 他们使用专门降解每种成分的酶，然后分别使用每种混合物转化R菌株。 他们发现，当DNA降解时，生成的混合物不再能够转化细菌，而所有其他组合都能够转化细菌。 这使他们得出结论，DNA是转化原理。

    职业联系：法医科学家和 DNA 分析

    DNA证据首次被用来解决移民案件。 故事始于一个十几岁的男孩从加纳回到伦敦与母亲在一起。 机场的移民当局怀疑他，以为他是持伪造的护照旅行的。 经过多次劝说，他被允许与母亲同住，但移民当局没有撤销对他的诉讼。 所有类型的证据，包括照片，都已提供给当局，但驱逐程序仍然启动。 大约在同一时间，英国莱斯特大学的亚历克·杰弗里斯博士发明了一种称为DNA指纹识别的技术。 移民当局向杰弗里斯博士寻求帮助。 他从母亲和她的三个孩子以及一位无亲属关系的母亲那里采集了DNA样本，并将样本与男孩的DNA进行了比较。 因为照片中没有亲生父亲，所以将三个孩子的DNA与男孩的DNA进行了比较。 他在男孩的DNA中找到了母亲和他的三个兄弟姐妹的匹配项。 他得出结论，这个男孩确实是母亲的儿子。

    法医科学家分析了许多物品，包括文件、笔迹、枪支和生物样本。 他们分析头发、精液、唾液和血液中的DNA含量，并将其与已知罪犯的DNA谱数据库进行比较。 分析包括 DNA 分离、测序和序列分析；大多数法医 DNA 分析涉及短串联重复 (STR) 位点的聚合酶链反应 (PCR) 扩增和电泳以确定 PCR 扩增片段的长度。 仅对线粒体 DNA 进行测序以进行取证。 预计法医科学家将出席法庭听证会，陈述他们的调查结果。 他们通常受雇于市和州政府机构的犯罪实验室。 试验 DNA 技术的遗传学家还为科研机构、制药行业以及学院和大学实验室工作。 希望从事法医科学家职业的学生应至少拥有化学、生物学或物理学学士学位，最好还有一些在实验室工作的经验。

    玛莎·蔡斯和阿尔弗雷德·赫尔希在1952年进行的实验提供了确凿的证据，证明DNA是遗传物质而不是蛋白质。 Chase和Hershey正在研究一种噬菌体，这是一种感染细菌的病毒。 病毒通常具有简单的结构：称为衣壳的蛋白质外壳和含有遗传物质（DNA或RNA）的核酸核心。 噬菌体通过附着在其表面来感染宿主细菌细胞，然后将其核酸注入细胞内。 噬菌体 DNA 使用宿主机制自身多份复制，最终宿主细胞破裂，释放出大量噬菌体。 Hershey 和 Chase 用放射性硫 35 S 标记了一批噬菌体，以标记蛋白质外套。 另一批噬菌体标有放射性磷，32 P。因为在 DNA 中发现了磷，但没有发现蛋白质，因此 DNA 而不是蛋白质将被标记为放射性磷。

    允许每批噬菌体分别感染细胞。 感染后，将噬菌体细菌悬浮液放入搅拌机中，导致噬菌体外皮脱离宿主细胞。 噬菌体和细菌悬浮液在离心机中分解。 较重的细菌细胞沉淀下来形成颗粒，而较轻的噬菌体颗粒则留在上清液中。 在含有标有 35 S 的噬菌体的管中，上清液含有放射性标记的噬菌体，而在颗粒中没有检测到放射性。 在含有标有 32 P 的噬菌体的试管中，在含有较重细菌细胞的颗粒中检测到放射性，上清液中没有检测到放射性。 Hershey 和 Chase 得出结论，注入细胞并携带信息以产生更多噬菌体颗粒的是噬菌体 DNA，从而提供了证据，表明 DNA 是遗传物质而不是蛋白质（图\(\PageIndex{3}\)）。

    插图显示细菌被标记为 ^ {35} S 的噬菌体感染，该噬菌体被掺入蛋白质外壳或 ^ {32} P，后者被掺入 DNA 中。 通过离心法将感染的细菌从噬菌体中分离并培养。 感染了含有 ^ {32} P 标记 DNA 的噬菌体的细菌形成了放射性噬菌体。 已感染 ^ {35} S 标记噬菌体的细菌会产生未标记的噬菌体。 结果支持这样的假设，即DNA而不是蛋白质是遗传物质。
    图\(\PageIndex{3}\)：在 Hershey 和 Chase 的实验中，细菌感染了带有放射性标记的噬菌体，其中 35 S（标记蛋白质）或 32 P（标记 DNA）。 只有 32 P 进入细菌细胞，这表明 DNA 是遗传物质。

    大约在同一时间，奥地利生物化学家欧文·查加夫（Erwin Chargaff）检查了不同物种的DNA含量，发现腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶的含量不相等，并且因物种而异，但在同一物种的个体之间却不一样。 他发现腺嘌呤的含量等于胸腺嘧啶的含量，胞嘧啶的含量等于鸟嘌呤的含量，或者 A = T 和 G = C。这也被称为 Chargaff 规则。 事实证明，当沃森和克里克准备提出他们的 DNA 双螺旋模型时，这一发现非常有用。

    摘要

    DNA最初是由弗里德里希·米舍尔从白细胞中分离出来的，他之所以称其为核蛋白，是因为它是从细胞核中分离出来的。 弗雷德里克·格里菲斯对肺炎链球菌菌株的实验首次暗示了DNA可能是转化原理。 艾利、麦克劳德和麦卡蒂证明了细菌转化需要DNA。 后来，Hershey 和 Chase 使用噬菌体 T2 进行的实验证明了 DNA 是遗传物质。 Chargaff 发现，A = T 和 C = G 的比率以及不同物种的 A、T、G 和 C 的百分比含量不同。

    词汇表

    转型
    细胞吸收外部 DNA 的过程