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为什么格里菲斯实验能证明转化因子是遗传物质

发布时间:2019-09-10 15:40 来源:未知 编辑:admin

  后续艾弗里的实验也只能说明DNA是这种转化因子,不能说明转化因子是遗传物质。但是大多题目的答案都说格里菲斯和艾弗里的实验证明了DNA是遗传物质。就此提问。

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  展开全部格里菲斯实验时还没有DNA的概念,他只是证明存在转化因子,艾弗里的实验证明了转化因子是DNA。他们的实验就好像接力赛跑一样,格里菲斯跑了第一棒,艾弗里跑了第二棒,当然后面还有一系列进一步的实验

  格里菲斯将来自III-S品系的细菌以高温杀死,再将其残骸与活的II-R品系混合。实验结果显示此组合可将宿主老鼠杀死,而且从这些死亡的老鼠体内,可分离出活的III-S品系与II-R品系。因此格里菲斯提出一项结论,认为II-R品系被死亡的III-S品系所含的一种转型因子(transforming principle)所“转型”成为具有致命性的III-S。后来其他人的研究显示,这种转型因子是III-S的DNA(由奥斯瓦尔德·埃弗里发现)。虽然III-S已经死亡,但是DNA在加热过程中仍然能够保存,因此当III-S残骸与活体II-R混合在一起时,II-R便接收了源自III-S的DNA,进而获得能够生成多糖荚膜的基因,使宿主的免疫系统无法杀死,造成宿主的死亡。另附:在高中生物必修2 中艾弗里的实验是在培养基中进行的,而格里菲斯是以小鼠为实验材料的。

  肺炎双球菌有具多糖荚膜的致病菌S型菌(Smooth,因菌落外观光滑)和非致病菌R型菌(Rough,因菌落外观粗糙)。荚膜有不同的构造,根据免疫反应可以分成I型、II型、III型等,细菌是否具有产生荚膜的能力以及产生荚膜的类型为“遗传特性”。

  1928年,在英国卫生部任职的医生格里菲斯对肺炎球菌的致病情况做了研究。当他把热处理的S细菌(III-S型)与活的R细菌(II-R型)的混合物注射到小鼠中时,尽管这两种细菌本身都不是致死的,但是小鼠还是死亡了!更重要的是,从注射了这类混合物而死亡的小鼠身上分离得到S型菌,而且是与加热杀死的S细菌相同的S型(III-S),因此这些S细菌不可能是通过这些特定的R细菌突变而来的。

  格里菲斯将这种引起转化的未知物质称为转化因子,他不知道转化因子的本质,但错误地猜想它可能是一种涉及到荚膜合成的蛋白质,或是一些作为细菌荚膜前体的物质。

  (2)III-S品系死菌刺激小鼠体内产生免疫物质,后者刺激II-R品系突变成了III-S品系。

  (3)III-S型菌的遗传物质进入II-R型菌,合成了III-S型菌的荚膜。

  1931年,道森和西亚成功地在体外进行了转化实验:只在培养皿中使II-R型菌转化成III-S型菌,不需要以小鼠为媒介。——这否认了因小鼠体内免疫物质诱导的解释。

  1933年,阿洛维将II-R型菌和III-S型菌的无细胞提取液(所有完整细胞、细胞碎片、荚膜分子都通过离心和过滤从提取物中去掉)混合,培养皿上仍长出了III-S型菌。——这否认了R型菌以某种方式使加热杀死的S型菌“复活”。

  1935年至1944年,经历了10年的不断研究,美国洛克菲勒学院的三位免疫化学家艾弗里、麦克劳德、麦卡提证明了DNA是肺炎球菌的遗传物质。

  艾弗里的实验其实并不是如高中教材所说的那样,“将提纯的DNA、蛋白质和荚膜多糖等物质分别加入到培养了R型细菌的培养基中,结果发现:只有加入DNA,R型细菌才能够转化为S型细菌”。

  艾弗里等人的工作实际是:不断地去除S型细菌中各种成分,然后得到纯化的“转化因子”;接着对纯化的“转化因子”进行鉴定,确认它就是DNA。并不是像高中教材中说的那样:对S型细菌中的各种成分进行提纯,再用提纯的各种成分去做转化实验测试。

  转化因子中DNA纯度越高,转化效率越高;当用DNA酶处理转化因子后,则没有转化功能。但即使用蛋白质酶处理转换因子,转化效率也不降低。

  1944年,当艾弗里等人提取的“最纯”的DNA中,仍有1%的蛋白质杂质。到1949年,Rollin Hotchkiss提纯的DNA中仅含0.02%的氨基酸杂质(后来的研究表明,这些氨基酸是核酸降解后的核苷酸经生化反应生成的,不是之前组成蛋白质的氨基酸)。仍具有转化能力。 Rollin Hotchkiss还证实了和荚膜无关的细菌性状也能转化。

  事实上,艾弗里的实验已经严谨地证明了DNA是遗传物质,只是受当时科学界的环境所限,他的结果受到指责,不被接受。

  (1)受“四核苷酸”假说的局限,认为四种碱基的含量是相同的,DNA是四核苷酸的简单的多聚体,就如淀粉是葡萄糖的多聚体那样,因此DNA不太可能是含有复杂遗传信息的遗传物质。

  (2)认为转化实验中DNA并未能提得很纯,还有蛋白质杂质,可能正是这些少量的特殊蛋白在起转化作用。当时人们难以忘记二十年前著名的生化学家维尔施泰特由于不能将酶提纯而错误宣称酶不是蛋白的沉痛教训。

  (3)认为即使转化因子确实是DNA,但也可能DNA只是对荚膜形成起着直接的化学效应,而不是充当遗传信息的载体。

  1952年,赫尔希和蔡斯做了T2噬菌体侵染埃希氏大肠菌(简称大肠杆菌)实验。

  在进行实验之前,他们已知噬菌体的侵染开始于噬菌体对细菌的附着,结束于被侵染细菌的裂解和子代噬菌体的释放,中间发生的事情尚不明确。但噬菌体的遗传物质,无论它是什么,都必须进入细菌中。

  T2噬菌体由核酸和蛋白质衣壳组成。核酸是唯一含磷元素的,蛋白质衣壳是唯一含硫元素的。他们先分别用含32P的磷酸盐培养基和含35S的硫酸盐培养基培养大肠杆菌,接着用T2噬菌体侵染大肠杆菌,这样就分别得到了带32P标记核酸和35S标记蛋白质衣壳的噬菌体。

  用带标记的噬菌体分别侵染普通的大肠杆菌,一段时间后离心,再分别检测离心后的上清液和沉淀中的放射性。

  该实验又被称为搅拌机实验,因为搅拌离心是实验中很关键的一步。通过离心能使噬菌体的进入细菌细胞的部分和未进入细胞的部分强行分开。若不搅拌或很长时间时候才搅拌,T2噬菌体就完成复制,裂解大肠杆菌而释放了。这样就没有“沉淀”和“上清”的区别了,检测放射性也失去了意义。

  当时发现75%的35S标记在上清液中,25%在沉淀中。(若干年后表明,25%仍然与细菌相关联的35S,主要由与噬菌体相关的尾部碎片构成,这些碎片与细菌表面黏附过于紧密,而不能通过搅拌去掉。)

  当时发现85%的32P仍然与搅拌后沉淀中的细菌细菌相关联,只有15%的32P位于上清液中。上清液中放射性的大约1/3,被认为是搅拌时细菌的破裂造成的。(若干年后表明,剩下的2/3是附着在细菌上有缺陷的噬菌体颗粒造成的,这些噬菌体颗粒不能注射它们的DNA。)

  更重要的是,32P标记噬菌体产生的子代噬菌体中,检测到了32P;而35S标记噬菌体产生的子代噬菌体中,(按实验论文的原文)放射性不到1%。

  由于并不是组成蛋白质的所有氨基酸都含硫(硫元素只能标记甲硫氨酸和半胱氨酸),因此该实验无法证实是否有不含硫而未被标记的蛋白质进入细胞并起到遗传功能。所以从严谨和精确程度上,它不如艾弗里的实验。

  但由于当时的科学界已经普遍接受了蛋白质不是遗传物质,并对DNA研究火热,加上噬菌体小组在分子生物学领域的巨大影响力,使得赫尔希-蔡斯实验被广泛接受,甚至作为DNA是遗传物质的最后证明。而艾弗里的实验则常常被人们故意忽略,以致某些教科书甚至把赫尔希-蔡斯的实验作为证明DNA是遗传物质的唯一实验。后来在艾弗里的同事的强烈主张下,才加入了对艾弗里实验的介绍。

  后来的Phi X 174噬菌体实验,将病毒分离成DNA和蛋白质衣壳两部分,仅有病毒的DNA就具有感染能力,而病毒的蛋白质衣壳不具备感染能力。这才最终证实了DNA是遗传物质。

  1969年,赫尔希和德尔布吕克、卢瑞亚一起,获得了诺贝尔生理学或医学奖。

  格里菲斯是低调而又务实的人。唯一一次参加学术会议是1936年的微生物大会,还是被他的朋友硬拉去的。他在会上敷衍地做了一个报告。他的报告和他1928年著名的肺炎球菌转化实验毫不相关,因为当时他自己都没意识到他转化的实验的重要性。1941年,在一次纳粹德国对伦敦的空袭中,格里菲斯和同事不幸牺牲在实验室中。

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