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第十一章遗传物质的分子基础前言生命是物质运动的一种特殊的形式，因而生命过程中的性状的形成和变化必须有其物质基础。主导生命的遗传物质基础是什么呢？无数的事实证明：做为遗传物质必须至少满足下列的几个条件：1．在细胞的繁殖过程中能精确的复制自己。（生命的连续性）2．它的结构必然是相对稳定的。只有在一定的情况之下，才能发生遗传变异。（变异性）3．它具有携带生物一切必要的遗传信息的潜在能力。4．它所携带的遗传信息可以进行转录和翻译。在细胞分裂时，它可以把遗传信息有规律的分配到子细胞中。（相对稳定性）大量的研究结果证明DNA（RNA）能满足上述的条件，既而证明了DNA（RNA）是主要的遗传物质。§1DNA作为主要遗传物质的证据一、DNA作为主要遗传物质的间接证据1．DNA是所有生物染色体所共有的成份，而蛋白质则不同。所有的生物中都有DNA做为染色体的组分而存在，而蛋白质又怎样呢？（从病毒→人类全是如此）。噬菌体的蛋白质只存在于外壳之中，高等生物中主要是一组蛋白和DNA相结合，而细菌的染色体上没有组蛋白。从而可见染色体上的蛋白不是固定的成份；而DNA是稳定的、不变的。2．DNA在代谢中是稳定的。利用有放射性或异常重量的标记元素进行标记，发现许多的细胞成份在代谢中是不断的、更抽象的，可以结合起来，又可以彼此分离开来，但DNA很少或者根本不发生变换。某一种元素一旦成为DNA的成份，那么在细胞保持健全生长的条件之下，这种元素不会离开DNA，说明DNA在分子水平上保持它的相对稳定性。3．DNA和诱变因素。用不同的波长的紫外线来诱发细菌、果蝇、玉米、真菌等生物，最有效的波长是2600A，这与DNA对紫外线的吸收光谱是一致的，即在2600A时DNA吸收的最多。由于DNA吸收了它所要求的光谱，所以才引起突变。这说明了DNA是遗传物质。4．DNA的含量是恒定的，不仅具有量上稳定的特性而且具有质的稳定性。①不同种类生物的细胞核内所含有的DNA的量是不相同。这是因为不同生物他们细胞核内的染色体的数量不同而致。不同生物各种细胞内DNA量（毫克×10-6）红血球肝细胞精虫鸡2.432.391.26鲥鱼1.932.010.91鲥鱼3.493.331.64鲟鱼5.79——2.17青蛙15.0015.70——龟5.275.12——植物中也是如此，小麦2n=42，大豆2n=40，玉米2n=20，果蝇2n=8，人类2n=46。每种生物都有自己相对稳定的染色体数，而DNA又是染色体的主要组成成份，所以不同的生物体内DNA的含量是不同的。②在同种生物体内，所有组织的细胞无论其细胞的功能和体积大小有多大的差别，但它核内DNA含量是相同的。牛的细胞内DNA的含量（毫克×10-6）胸腺：6.4胰脏：6.9肾脏：5.9肝脏：6.4精虫：3.3这是因为每个细胞核具有等数量的染色体，所以DNA的含量也是大体上相同的。③体细胞内DNA含量为性细胞的二倍。因为DNA的含量和染色体的数量成正比例，而体细胞内染色体的数量又为性细胞的二倍数。在多倍体内，当染色体呈现倍数性变化时，DNA也呈现倍数性增加。例如前面表中可见牛的精虫的DNA的含量为3.3时，而体细胞中却为3.3×2之量。在某一酵母多倍体系中，每个细胞DNA的含量：倍数性每个细胞中DNA含量（毫克×10-9）单倍体2.26±0.23二倍体4.57±0.60三倍体6.18±0.60四倍体9.42±1.77④DNA是前后代传递中唯一稳定的物质。细胞在受精过程中精子进入卵子的主要是精核。细胞核内的染色体的基本成份是DNA和一类比较活跃的蛋白质即组蛋白，而在成熟的精子中，组蛋白完全没有，出现的是鱼精蛋白，鱼精蛋白在精子成熟的晚期才出现，受精之后又立即消失而被组蛋白所代替。于是在受精的前后，精子中蛋白质出现。组蛋白——鱼精蛋白——组蛋白的循环周期精子成熟前后唯一稳定的物质是DNA，而不是蛋白质，这证明DNA既具有量上的稳定性又具有质上的恒定性，同时又存在有连续性。从上面的分析中可知，DNA不但是染色体的主要的组成成份，而且具有相对的稳定性、恒定性及连续性。它既可以具有发生变异的特点，同时又可以准确的进行自我复制。因而完全是具有遗传物质的特点。生物体内的蛋白质不仅种类繁多，量上也是极不稳定的，不具有遗传物质的特性。二、DNA作为遗传物质的直接证据（一）DNA与细菌转化的关系：（肺炎双球菌的转化试验）DNA可以引起肺炎双球菌的转化。所谓转化（transformation）是指某些细菌（或其他生物）能通过其细胞膜摄取周围供体的染色体片段，并将此外源DNA片段通过重组参入到自己染色体组的过程，只有当参入的DNA片段产生新的表现型时，才能测知转化的发生。进一步的理解，转化①是从生物体外吸收了异种的DNA；②这种DNA参与了生物体内的基因重组，并使吸收来的DNA的性状得以表现，从而改变了原来生物的特性；③而且这种吸收不需要媒介的。这方面的典型的实例为肺炎双球菌的转化。肺炎双球菌有两种类型其1：为光滑型—S型，细胞的外面有一层多糖的荚膜，起保护作用，并具有毒性，在培养基上形成光滑的菌落。当这种细菌进入鼠体时，由于它有荚膜，可以防御血红蛋白的攻击而不易被杀死，从而毒害老鼠。根据血清免疫反应的不同，可以将S型肺炎双球菌分成许多抗原型。在S型内又可以分为SⅠ，SⅡ，SⅢ型。另一种为R型，它的细胞外面设有荚膜，易被白血球所破坏，因而鼠不易发病、易无毒型，在培养基上形成粗糙的菌落，根据血清免疫反应的不同，在R型之内又可以分为RⅠ，RⅡ等型。1928年，英国的格利费斯（Griffith,F）首次用实验的方法发现了一种类型的细菌可以转化为另一种细菌，实现了细菌之间的定向的转化，他得作这样的工作：1．将RⅡ型无毒的肺炎双球菌注入家鼠体内，鼠不发病，从活体中也能分离出肺炎双球菌。2．将SⅢ型有毒的肺炎双球菌加热Δ65℃杀死，注入到鼠体内，鼠不发病，从活体内分离不出肺炎双球菌。3．将少量的RⅡ和大量的已经杀死的SⅢ混合注入鼠体，鼠发病死亡，从它的体内分离出活的细菌都是SⅢ类型。十五年之后，阿委瑞（Avery,O.T.1944）等人的工作，不仅重复了上面的试验，而且又在离体的条件之下完成了细菌的转化工作。具体过程：1．无毒的RⅡ型细菌接种到培养基上，只有RⅡ型的粗糙的菌落。2．SⅢ型的DNA提取物有毒，但加热杀死接种到培养基上不出现菌落。3．将加热杀死的SⅢ细菌中的提取物DNA直接与RⅡ型混合起来，进行培养基上接种，SⅢ细菌在培养基上扩散开来，结果在培养基上出现全是SⅢ型的菌落。这样在离体的培养条件下，也成功的获得了RⅡ型定向的转化为SⅢ的试验。这样的结果可以有三种不同的解释：1．SⅢ细菌可能并未全部杀死，这一解释可以很容易地经重复试验而与否定。2．可能无毒的RⅡ型菌株自发地重又转变为有毒的SⅢ型，可已有试验指出这种转变一般不改变它的原有血清型。3．可能是RⅡ型菌株和SⅢ型死菌接触的结果，使前者获得了产生荚膜及血清型特性。第三种解释当时看来是难以理解，值得怀疑。不久另一些研究者发现活的RⅡ型细菌和死的SⅢ型细菌混合在同一培养基里培养（即离体培养），也能实现类型的转化。即使将加热杀死的SⅢ型菌株磨碎，用其过滤液和RⅡ型菌株混合在试管里培养，可同样引起变化。别的细菌也可以这样做，引起遗传性状的转化。1944年艾弗里，麦克劳德和麦克卡蒂将细菌过滤液中的各种物质分部纯化，测定哪种物质能引起转化作用。最初以为RⅡ型与SⅢ型的区别主要在于荚膜的有无而荚膜又是多糖，可能是多糖引起转化；后来又以为只有蛋白质才有特异性，所以蛋白质可能会引起转化。但试验的结果都是否定的。最后发现从SⅢ分离得来的DNA能把活的RⅡ型细菌转化为SⅢ型，这完全出于当时的意料之外。那么能否肯定起这种转化作用的物质是DNA呢？是的！可以肯定。理由是：1．分离出来的DNA用DNA酶处理后，就失去了转化作用。2．只要微量的DNA就起转化作用。3．引起转化的高度聚合的DNA样品中不含有糖类，蛋白质的含量不高于0.02%。4．应用有P32标记的DNA做试验，证实标记的DNA确已进入受处理的细菌中，而且细菌被转化的多少与DNA的掺入量相平行。这个发现首次证明了遗传信息是由核酸分子传递的，核酸分子就是构成基因的物质。那么DNA是怎样实现这种转化的呢？由于DNA的分子为大分子，SⅢ提取物虽然已经被高温杀死了，但体内残余的DNA片段仍然具有原来的DNA的遗传作用。残余的DNA片段被无毒的RⅡ型吸收之后，就成了RⅡ型细菌的遗传物质的一部分，那么在细胞分裂的过程中，就可能以吸收进来的SⅢ片段为模板，合成有毒的蛋白质，从而使鼠死亡。这里使鼠死亡的并不是高温杀死的SⅢ病菌，而是SⅢ有毒病菌的残余DNA片段被无毒的RⅡ吸收，并成了RⅡ型DNA的一部分，从而转录出来有毒的蛋白使鼠死亡。RⅡ吸收SⅢDNA变成SⅢ→死亡从上面的分析可见，无论从试验来看还是成份的分析来看，DNA是引起转化的物质，有什么样的DNA就会产生什么样的性状来，而且这种性状能稳定的传给后代，从而证明：DNA为遗传物质。我国的生物学家童第周等自1973-1976年曾先后从鲫鱼的肝脏或睾丸中提取DNA，注入金鱼的受精卵中，孵化后长成的小鱼有1/4以上表现出鲫鱼的单鳍尾。他们从鲫鱼卵巢提取的信使DNA，注入金鱼的受精卵后，长成的320条小鱼中约1/3表现为单鳍尾。这说明DNA和RNA在高等的动物中也具有转化作用。中国科学院遗传研究所二室统计1944年以来已经在33个细菌中成功的进行了58种以上的遗传性状的定向的转化，这证明转化的现象是普遍的。目前的研究得之：病毒的RNA可以直接影响正常细胞，而使之朝癌细胞特性转化，如能控制RNA的转录也就可以制止这种癌变。还必须指出，在微生物中不是所有的菌种都可以转化。其原因只有受体处于感受态时才能实现这种转化。（二）噬菌体的侵染与繁殖噬菌体可以使DNA发生转导作用。所谓的转导作用：以噬菌体为媒介，把甲种细菌的遗传物质（DNA）转给乙种细菌，使乙种细菌获得甲种细菌的性状的这种现象叫转导。细菌的噬菌本是生命的极小单位，在电镜下的噬菌体的构造是具有一个六角形的头部，头部的外壳由蛋白构成，做为一个保护壳，头的内部是DNA。尾部由收缩性鞘、中心轴和轴环组成，尾的末端附有六根细长的蛋白质触丝。P12页图噬菌体的生活史可以分为三个时期：①感染时期：以尾的触丝附着在细菌的体壁上，尾部放出一种酶，将胞壁溶解产生一个小孔，将DNA沿着中轴注入菌体，而将它的蛋白的外壳留在体外。②营养期：在细菌的细胞内，合成许多新的噬菌体的DNA和蛋白质。③形成新的噬菌体时期：噬菌体的DNA+蛋白质，构成新的噬菌体。接着细菌裂解，放出新的噬菌体。它的生活周期很快，全部的过程只用20～30分钟就可以完成。这说明噬菌体的DNA不仅能利用大肠杆菌的DNA的原料来合成自己的DNA，而且也能利用细菌的氨基酸来建造自己的蛋白质。这说明只有DNA才是子代和亲代有连续性的物质，它携带着亲代的全部基因，控制子代的发育。另外也可以看到，噬菌体不能独立生存，必须寄生在细菌体内，所以噬菌体可以作为细菌之间传导遗传物质的媒介。那么再来研究一下，怎么能证明是DNA进入体内呢？有人用放射性同位素标记元素来证明：即用P32来标记T2噬菌体的DNA，用S35来标记T2噬菌体的蛋白质，使这双重标记的噬菌体在没有放射性同位素的培养基上来感染大肠杆菌，由于这种大肠杆菌不含有放射性，感染后的大肠杆菌内出现了放射性物质，检查大肠杆菌的放射性，只有P32，没有S35。即可证明只有T2噬菌体的DNA进入大肠杆菌，而蛋白质没有进来。同时含有P32的DNA利用大肠杆菌的某些基础物质，与酶合成了与自己相同的T2噬菌体。这种噬菌体成为了蛋白质外壳内不含有S35，DNA内含有P32的新噬菌体。这说明进入细菌体内的主要是DNA，而蛋白质留在外面，可见：噬菌体生活中只有DNA是连续物质，所以DNA是遗传物质。P14页图（三）烟草花叶病毒的感染和繁殖烟草的花叶病毒是由RNA和蛋白质组成的管状小颗粒。它的中心是螺旋的RNA，外部是蛋白质的外套。有