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生物学 1944

诱导肺炎球菌型别转化之物质的化学本质研究

奥斯瓦尔德·埃弗里、科林·麦克劳德 与 麦克林·麦卡蒂

这场实验证明:基因由 DNA 构成,而非蛋白质。

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In depth · the introduction

「基因」曾长久地只是一个抽象。这场实验,终于在试管里把它逮住了——并发现它是由 DNA 构成的。

核心想法

生物把性状传给后代,靠的是基因;但在 1940 年代,没人知道基因在物理上由什么构成。当时大家更看好蛋白质:染色体里既有蛋白质也有 DNA,而蛋白质变化无穷,DNA 却只由四种重复的构件搭成,看上去太简单,装不下生命的指令。

埃弗里、麦克劳德与麦卡蒂把这件事一锤定音。他们用肺炎细菌做实验,提纯出那种唯一能把一个遗传性状从死细胞带进活细胞的物质,再让它经受化学与酶的层层检验。答案毫不含糊:携带者就是 DNA。那个「太简单」的分子,原来正是遗传物质。

它是如何诞生的

他们的起点,是 1928 年一个古怪的结果。英国细菌学家弗雷德里克·格里菲斯发现,只要把无害的肺炎球菌,与一株致命菌株经加热杀死的残骸混在一起,无害的细菌就会被永久地变得致命。有什么东西从死细菌传到了活细菌身上,改写了它们的遗传。格里菲斯称之为「转化因子」,却不知道它究竟是什么。

在纽约的洛克菲勒研究所,奥斯瓦尔德·埃弗里——一位一丝不苟、说话轻声细语、其时已年过六旬的研究者——花了十多年追猎那个「东西」。他与更年轻的同事科林·麦克劳德、麦克林·麦卡蒂一道,把它提纯、检验,并想尽办法去证伪它。当能嚼碎蛋白质和 RNA 的酶都没能让它失效、唯独摧毁 DNA 的酶让它停摆时,结论已无可回避。一向谨慎的埃弗里,把结果写得措辞小心——而世界,迟迟不肯相信他。他始终没有获得诺贝尔奖。

它为何重要

如果基因由 DNA 构成,那么遗传就是化学——一种可以被分离、被分析、终有一天能被读取、被改写的东西。仅此一项发现,就把生物学直直地指向了那个分子,并让 DNA 的结构成了科学中最重要的悬而未决之问。五年之后,它将由双螺旋来回答。

一个可以想象的画面

想象一座图书馆被烧毁,但它完整的总目录却在灰烬中幸存——而任何吸收了这份目录的邻近图书馆,会忽然把自己的藏书重新排成与它一样。残骸里究竟哪一片承载着目录?你靠逐一摧毁来检验。烧掉皮质封面(蛋白质):魔法照旧。撕碎某一种颜色的索引卡(RNA):仍旧奏效。唯有当你溶掉目录印在其上的那种纸(DNA)时,那份力量才消失。那种纸,就是基因。

可交互的转化实验台:让纯化的提取物保持原样,或消化掉其中的蛋白质、RNA 或 DNA,再看活的粗糙型 II 型菌落会不会被转化为光滑、有毒力的菌落——只有摧毁 DNA 才能让它停止。

它的位置

孟德尔(1866)表明性状以一个个离散的小包裹代代相传;这篇论文揭示了那些包裹由什么构成;赫尔希与蔡斯在 1952 年用病毒加以确证;而沃森与克里克 1953 年的双螺旋,终于显示出一个 DNA 分子如何储存并复制这条讯息。埃弗里的实验,是这条链上那道安静的枢纽——是「基因」从一个念头,变成一种你能握在手里的化学物质的那一刻。

The original document
Original source text
O. T. Avery, C. M. MacLeod & M. McCarty · Journal of Experimental Medicine 79 (1944): 137–158
The paper opens from a known puzzle. Griffith (1928) had shown that one type of pneumococcus could be permanently transformed into another, and Avery's laboratory had reproduced the change in cell-free extracts. The question it sets out to answer is strictly chemical: what substance carries the transforming activity?
Isolation and chemistry of the active fraction
Repeated fractionation removed protein, lipid and capsular polysaccharide, leaving a fibrous, highly viscous material active in extraordinarily small amounts. Its chemical behaviour — elemental composition, ultraviolet absorption, and a strong diphenylamine reaction — was that of deoxyribonucleic acid.
The active fraction … consists principally, if not solely, of a highly polymerized, viscous form of desoxyribonucleic acid.
Enzymatic evidence
Crystalline trypsin and chymotrypsin, which digest protein, and ribonuclease, which digests RNA, did not destroy the transforming activity; only a preparation that depolymerizes DNA abolished it. Activity tracked the integrity of the deoxyribonucleic acid alone.
Discussion
If the results of the present study on the chemical nature of the transforming principle are confirmed, then nucleic acids must be regarded as possessing biological specificity…
Summary
The evidence presented supports the belief that a nucleic acid of the desoxyribose type is the fundamental unit of the transforming principle of Pneumococcus Type III.
[ … ]
Hospital of the Rockefeller Institute for Medical Research, New York · February 1, 1944