遗传物质是生物用来储存遗传讯息的物质。除一部分病毒的遗传物质是RNA外，其余的病毒以及全部具典型细胞结构的生物的遗传物质都是脱氧核糖核酸DNA（英文Deoxyribonucleicacid的缩写）。生物大分子包含生物体细胞内存在的蛋白质、核酸、多糖等大分子。自20世纪50年代以来，分子生物学是生物学的前沿与生长点，其主要研究领域包括蛋白质体系、蛋白质-核酸体系（中心是分子遗传学)和蛋白质-脂质体系（即生物膜）。

授课导师将从分子水平入手，研究遗传物质的生物大分子的结构与功能，从而阐明生命现象本质。通过分析最新科学研究理论，激发学生学术和科研兴趣，引导学生提出相关研究课题的设计方案。通过本课程的学习，可以使学生接触到当今生物最热门的话题，了解代表最前沿生物科学技术，拓展学生知识和眼界，激发学生主动探索的动力，培养学生成为具有生物知识的复合型人才。

自从孟德尔的遗传定律被重新发现以后，人们就提出了一个问题：遗传因子是不是一种物质实体？

年，米歇尔（－）把绷带上收集起来的脓血用胃蛋白酶进行分解，结果发现细胞体的大部分被分解了，但对细胞核不起作用，进一步对细胞核内物质进行分析，发现细胞核中含有一种富含磷和氮的物质。赛勒(－)用酵母做实验，证明米歇尔的发现是正确的，便给这种物质取名为“核素”，后来人们发现它呈酸性，因此改叫“核酸”。从此人们对核酸进行了一系列卓有成效的研究。20世纪初，德国的科赛尔（－）与他的2个学生琼斯（－）和列文（－）弄清了核酸的基本化学组成，核酸是由许多核苷酸组成的大分子。核苷酸是由碱基、核糖和磷酸构成的。碱基有5种，分别为腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）。每个核苷酸只含有这5种碱基中的1种。核糖有2种（核糖、脱氧核糖），因此把核酸分为核糖核酸（RNA），含有A、G、C、U；脱氧核糖核酸（DNA），含A、G、C、T。

但是列文错误地认为4种碱基在核酸中的量是相等的，从而推导出核酸的基本结构是由4个含不同碱基的核苷酸连接成的四核苷酸，以此为基础聚合成核酸，提出了“四核苷酸假说”。这个错误的假说，对认识复杂的核酸结构起了相当大的阻碍作用，在一定程度上影响了人们对核酸功能的认识。蛋白质的发现比核酸早30年，发展迅速。进入20世纪时，组成蛋白质的20种氨基酸中已有12种被发现，到年则全部被发现。年，德国化学家费歇尔（－）提出氨基酸之间以肽链相连接而形成蛋白质的理论，年他合成了由15个甘氨酸和3个亮氨酸组成的18肽的长链。于是，有人设想，很可能是蛋白质在遗传中起主要作用。如果核酸参与遗传作用，必然是与蛋白质连在一起的核蛋白在起作用。因此，那时生物界普遍倾向于认为蛋白质是遗传信息的载体。

年，英国医学微生物学家格里菲斯（－）从SⅡ型肺炎双球细菌中分离得到突变的R型，将这些活的R型细菌与高温杀死的SⅢ型细菌混和并注射到小鼠体内，结果小鼠患败血症而死亡，并且从其心血中分离到活的SⅢ型肺炎双球菌。这是一个令人困惑的结果，因为如果R型活菌或S型死菌分别注入小鼠体内，都不会致病，而两者混和注入却能致病。这一结果可以有3种解释：1）SⅢ型肺炎双球菌也许并没有完全被高温杀死。这一解释很快被否定，因为单独注射高温杀死的SⅢ型细菌并不能使小鼠患败血症而死亡。2）R型细菌发生了回复突变。这一解释也不能成立，因为所使用的R型细菌是来自SⅡ型细菌的突变，如发生回复突变，从死鼠心血中理应分离到活的SⅡ型而非SⅢ型肺炎双球菌。3）R型细菌从高温杀死的SⅢ型细菌中获得了某种物质，导致类型转化，具备了合成SⅢ型多糖荚膜的能力。

格里菲斯选择了这种解释,称该物质为“转化因子”。年研究者发现高温杀死的SⅢ型细菌能导致体外培养的R型细菌发生同样的转化，年又发现SⅢ型细菌的无细胞提取物也能转化体外培养的R型细菌，进一步肯定了细菌的转化。但受当时分析纯化技术限制，没有分离出这种“转化因子”。

年，美国洛克菲勒学院的艾弗里（－）等试图纯化这种能把R品系转化成S品系的转化因子并鉴定其化学成分。艾弗里等将含有转化因子的SⅢ型肺炎双球菌无细胞提取物中的各组分分别进行鉴定。

开始以为转化因子最可能是某种蛋白质，但用蛋白酶将各种蛋白质从提取物中除去后却发现其剩余物质仍保持着转化能力。提取物中的类脂、多糖、RNA等组分在随后的实验中也都被排除。然而，只要提取物中还有DNA，并且只需极低剂量，就能转化体外培养的R型细菌。转化后形成的SⅢ型肺炎双球菌无细胞提取物中的DNA也能转化体外培养的R型细菌。

因此得出结论：转化因子是DNA。

艾弗里等人的试验和结论是DNA认识史上的一次重大突破，彻底改变了DNA在生物体内无足轻重的传统观念。但科学界没有立即接受DNA是遗传物质的观念，反而引起了许多人的极大惊讶和怀疑。当时主要有2种代表性的否定意见：1）即使活性转化因子就是DNA，也可能只是通过对荚膜的形成有直接的化学效应而发生的作用，并非由于它是遗传信息的载体而起作用的。2）根本不承认DNA是遗传物质，认为不论纯化的DNA从数据上看是如何的纯净，它仍然可能藏留着一丝有沾污性的蛋白质残余，说不定这就是有活性的转化因子。

年泰勒从粗糙型（即R突变型）品系中分离出一个新的更加粗糙、更加不规则的突变型ER，并且发现从R品系细胞中提取出来的DNA可以完成ER向R的转化。将从S品系（作为给体）提取的NDA加到ER品系（作为受体）中，也能实现ER向R的转化。如果把这种第1轮的R转化物抽取一些加以培养，然后再加进S给体的DNA，便会出现R向S的转化。这样，就证明了在以往实验中作为受体的R品系本身还带有一种转化因子，这种转化因子能把R品系仍然还具有的一点点残余的合成荚膜的能力转授给那个荚膜缺陷更甚的ER品系。

泰勒的实验有力地驳斥了“DNA仅仅是在多糖荚膜合成中作为一种外源化学介质进行干扰而导致转化作用”的观点。同年哈赤基斯证实了那些与荚膜形成毫无关系的一些细菌性状（如对药物的敏感性和抗性）也会发生转化。他从正常的S型肺炎球菌中分离出了一种抗青霉素的突变型（记为PenrS），提取出它的DNA，加到一个由对青霉素敏感的S型中突变产生的R型（记为PenrR）的培养物中。结果发现，某些PenrR受体细菌已被转化为PenrS给体型。因此，肺炎球菌的DNA不但带有为荚膜形成所需要的信息，而且还带有对青霉素产生抗性的细胞结构的形成所需要的信息。荚膜的形成和对青霉素的抗性是由不同的DNA分子控制着。

此后不久，哈赤基斯又利用从S野生型抗链霉素突变型细胞中提取的DNA进行试验，也获得了同上述实验完全相仿的结果。艾弗里和麦卡蒂于年用蛋白水解酶、核糖核酸酶和DNA酶分别处理肺炎球菌的细胞抽提物。结果表明，前2种酶根本不影响抽提物的生物学效能，然而只稍碰一碰后者，抽提物的转化活性便立即被完全破坏掉。这一结果进一步证明了DNA作为遗传信息载体的功能。哈赤基斯继续对转化因子进行化学提纯。到年时，已经能把附着在活性DNA上的蛋白质含量降低到0.02％。尽管如此，在年，这些实验结果仍然没能使怀疑论者相信DNA是遗传变化的原因所在。甚至到年，米尔斯基（－）仍对艾弗里的转化因子试验结论持怀疑态度。他认为，“很可能就是DNA对转化活性有责，但还没有得到证实。在活性因子的纯化过程中，越来越多的附着在DNA上的蛋白质被去掉了，……但很难消除这样的可能性，即可能还有微量的蛋白质附着在DNA上，依然无法通过所采用的各种检验法把它们侦察出来……因此对DNA本身是否就是转化介质还存在一些疑问”。年，赫尔希(－）和蔡斯(-)用放射性标记的细菌病毒（即噬菌体）进行实验，为DNA是遗传物质提供了令人信服的证据。为了排除艾弗里、麦克劳德和麦卡蒂实验中的不确定成分，赫尔希和蔡斯用放射性磷P32标记噬菌体的DNA，并用放射性硫S35标记噬菌体的蛋白质外壳，然后让这种噬菌体去感染细菌。结果噬菌体将带S35标记的空壳留在大肠杆菌外面，只有噬菌体内部带有P32标记的核酸全部注入大肠杆菌，并在大肠杆菌内成功地进行噬菌体的繁殖。

实验证明DNA有传递遗传信息的功能，而蛋白质则是按DNA的指令合成的。科学界才终于接受了DNA是遗传信息载体的理论。赫尔希与德尔布吕克(-)、卢里亚(-)一道荣获了年的诺贝尔生理医学奖。在艾弗里工作的影响下，奥地利生物化学家查加夫（－）认为如果不同的生物种是由于DNA的不同，则DNA的结构必定十分复杂，否则难以适应生物界的多样性。因此，他对列文的“四核苷酸假说”产生了怀疑。在－年4年时间内，利用比列文时代更精确的纸层析法分离了4种碱基，用紫外线吸收光谱做定量分析，经过多次反复实验，终于得出了不同于列文的结果。实验结果表明，在DNA大分子中嘌呤和嘧啶的总分子数量相等，其中A与T数量相等，G与C数量相等。

说明DNA分子中的碱基A与T、G与C是配对存在的，从而否定了“四核苷酸假说”，并为探索DNA分子结构提供了重要的线索和依据。沃森(-)和克里克(-)都对研究DNA分子结构有着浓厚的兴趣，年他们在英国剑桥大学卡文迪什实验室相遇，立即开始合作研究DNA的分子结构。沃森曾赞叹道：“埃弗里的实验，使我们闻到了DNA是基础遗传物质的气息。”他们每天交谈至少几个小时，讨论学术问题，2个人互相补充，互相批评以及相互激发出对方的灵感。他们认为解决DNA分子结构是打开遗传之谜的关键，只有借助于精确的X射线衍射资料，才能更快地弄清DNA的结构。在吸收和借鉴多诺休、查加夫、威尔金斯（-）、富兰克林(-)、鲍林(-)等人研究成果的基础上，沃森和克里克年初建立了DNA分子双螺旋结构模型，确立了DNA作为遗传信息的结构基础，揭示了DNA复制、遗传信息传递的基本方式，被誉为20世纪以来生物学方面最伟大的发现，标志着分子生物学的诞生。沃森、克里克和威尔金斯同获年的诺贝尔生理学或医学奖。DNA双螺旋结构被发现后，极大地震动了学术界，启发了人们的思想。从此，人们立即以遗传学为中心开展了大量的分子生物学的研究，在此基础上相继产生了基因工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程等现代生物技术。在年赫尔希和蔡斯的论文发表后，就有人提名艾弗里应获诺贝尔奖，但诺贝尔奖评选委员会却认为“最好等到DNA的转化机理更多地为人们所了解的时候再说”。艾弗里于年2月20日以78岁高龄去世。评选委员会不得不承认：“艾弗里于年关于DNA携带信息的发现是遗传学领域中一项最重要的成就，他没能得到诺贝尔奖是很遗憾的”。

自年孟德尔提出“遗传因子”到年沃森和克里克提出DNA分子双螺旋结构的模型，确立DNA是遗传物质，历时近乎一个世纪。

信息源：《遗传物质——DNA发现的启迪》

关键词DNA遗传物质启迪中国图书分类号：Q10文献标识码：E

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