艾弗里的遺憾人生---物理與電子科學(xué)學(xué)院

1、艾弗里的遺憾人生謝蜀生1865年孟德爾根據(jù)他對(duì)豌豆雜交的研究結(jié)果，發(fā)表了“植物雜交的試驗(yàn)”一文，提出了遺傳“因子”的概念；1915年摩爾根和他的同事們發(fā)表了“孟德爾遺傳機(jī)制”一書，將孟德爾的遺傳“因子改稱為“基因”，并將其定位于染色體上。孟德爾和摩爾根的工作是遺傳學(xué)研究史上的二座豐碑，奠定了現(xiàn)代遺傳學(xué)的基礎(chǔ)，此后遺傳學(xué)領(lǐng)域的主要問題就是，1，基因的化學(xué)性質(zhì)是什么？2，基因是如何工作的。對(duì)第2個(gè)問題的回答是由遺傳生化學(xué)家完成的，筆者將另文介紹。本文主要介紹通往雙螺旋結(jié)構(gòu)之路上的關(guān)鍵一步，即確定基因的化學(xué)性質(zhì)是DNA的曲折過程?；虼嬖谟谌旧w，而染色體的化學(xué)成份主要是蛋白質(zhì)和核酸。由于蛋白質(zhì)由2

2、0多種氨基酸組成，它的排列組合可以提供足夠的多樣性，以解釋遺傳的復(fù)雜性。因此，當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為，基因的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)，而核酸的作用則長(zhǎng)期被忽視。有趣的是自然常常會(huì)以一種令人意外的方式提供線索，將其奧秘展示出來。肺炎球菌根據(jù)它們?cè)诃傊囵B(yǎng)基上生長(zhǎng)的菌落形態(tài)，可以分為光滑型（S）和粗糙型（R）二類。S型肺炎球菌表面有一層多糖形成的莢膜，它可以使細(xì)菌在機(jī)體內(nèi)不易被吞噬細(xì)胞吞噬，因而有強(qiáng)的致病性。R型肺炎球菌因糖連接酶基因缺失，因而不能形成多糖莢膜，在機(jī)體內(nèi)易于被免疫細(xì)胞清除而不具致病性。S型和R型肺炎球菌的表型是非常穩(wěn)定的，在培養(yǎng)基上連續(xù)傳代都不會(huì)改變，這表明了它們基因的穩(wěn)定性。1928年，英國(guó)科學(xué)家

3、格里菲斯（Fred Griffith）發(fā)現(xiàn)，將活的不致病的R型肺炎球菌與加熱滅活的S型肺炎球菌混合在一起注入小鼠腹腔，結(jié)果竟能導(dǎo)致小鼠感染肺炎而死亡。更令人意外的是，死亡小鼠體內(nèi)分離得到的活肺炎球菌竟變成了S型，其表型與滅活前的致病S型菌完全一樣。也就是講，在小鼠體內(nèi)已滅活的S型細(xì)菌的遺傳物質(zhì)“轉(zhuǎn)化”了活的R型菌的表型，并使其具有了致病性。這就象是說，一個(gè)死人的“靈魂”進(jìn)入了一個(gè)活人的軀殼并執(zhí)行和控制其各種生理功能。在當(dāng)時(shí)，這簡(jiǎn)直是令人匪夷所思的。格里菲斯的這個(gè)“轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)”后來也被其他科學(xué)家重復(fù)。但是這種“轉(zhuǎn)化”的機(jī)理卻一直不清楚。而格里菲斯本人卻于1941年在德國(guó)法西斯的一次空襲中遇難。揭開

4、“轉(zhuǎn)化”奧秘的機(jī)會(huì)歷史地落到了另一位美國(guó)微生物學(xué)家的身上。1918年大流感時(shí)期由于許多病人最終死于細(xì)菌性肺炎，美國(guó)紐約洛克菲勒研究所的微生物學(xué)家艾弗里（Oswald T. Avery）受命致力于肺炎球菌疫苗的研制，他是一個(gè)肺炎球菌研究的權(quán)威科學(xué)家。格里菲斯的肺炎球菌“轉(zhuǎn)化現(xiàn)象”使他感到難以置信，開始未加重視。到1931年世界上多個(gè)實(shí)驗(yàn)室都重復(fù)出了肺炎球菌的這種“轉(zhuǎn)化現(xiàn)象”。艾弗里自已實(shí)驗(yàn)室的阿羅威（J. L Alloway）甚至進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，S型致病性肺炎球菌的裂解物也可以在體外將R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌。究竟是S菌的什么成份轉(zhuǎn)化了R菌的遺傳性質(zhì)呢？艾弗里感到，這個(gè)奇特的現(xiàn)象背后可能隱藏著遺傳學(xué)的奧秘

5、。于是他決定分離純化這個(gè)“轉(zhuǎn)化因子”，并搞清它的化學(xué)本質(zhì)。這在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下是非常困難的。在歷經(jīng)十年，無數(shù)次的失敗與慚進(jìn)的成功后，1944年艾弗里在實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志上發(fā)表了題為“誘導(dǎo)肺炎球菌類型轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)”的論文。在這篇后來被認(rèn)為是分子生物學(xué)奠基石的研究文章中，艾弗里詳細(xì)地?cái)⑹隽朔窝浊蚓稗D(zhuǎn)化因子”的純化方法，并證明，1，這個(gè)轉(zhuǎn)化因子對(duì)所有鑒定蛋白質(zhì)的方法都呈陰性反應(yīng)，且其活性不能被蛋白酶破壞，卻能被核酸酶滅活；2，RNA酶不能破壞其活性，而DNA酶卻可使其轉(zhuǎn)化活性消失；3，免疫學(xué)檢測(cè)的結(jié)果證明，轉(zhuǎn)化因子既不與抗肺炎球菌核蛋白的抗體起反應(yīng)，也不與抗莢膜多糖的抗體起反應(yīng)；4，電泳結(jié)果顯示

6、，純化的轉(zhuǎn)化因子表現(xiàn)為單一的電泳帶，其分子量與小牛胸腺DNA完全一致。根據(jù)這些結(jié)果，艾弗里明確地指出：作為肺炎球菌遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)化因子既不是蛋白質(zhì)，也不是多糖和核糖核酸（RNA），而是脫氧核糖核酸（DNA）。這與當(dāng)時(shí)對(duì)核酸結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)完全不符。當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)可的核酸“四核苷酸假說”認(rèn)為，DNA是一種由四種核苷酸在排列上不斷重復(fù)的鏈狀結(jié)構(gòu)。這種單一的結(jié)構(gòu)特征絕不可能提供遺傳物質(zhì)所必需的多樣性。按照當(dāng)時(shí)認(rèn)為基因是蛋白質(zhì)的普遍觀點(diǎn)，反對(duì)者以轉(zhuǎn)化因子中仍有痕量（0.02）的蛋白質(zhì)為由，對(duì)艾弗里的結(jié)論提出詰難。這樣，艾弗里關(guān)于遺傳物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)是DNA的觀點(diǎn)，沒有被生物學(xué)界正式接受。但是不接受遺傳物質(zhì)是DNA的

7、觀點(diǎn)，并不意味著艾弗里的工作不為人所知。艾弗里在生物學(xué)界并非無名之輩。他所在洛克菲勒研究所是世界一流的生物醫(yī)學(xué)研究中心，艾弗里是其中少數(shù)的幾個(gè)資深科學(xué)家之一。世界各地的訪問者到研究所來都會(huì)參觀他的實(shí)驗(yàn)室。他的研究工作使核酸的重要性引起了科學(xué)界的重視。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)美國(guó)“信息學(xué)派”（噬菌體小組）的成員都很快就知道了艾弗里的工作，并在他的啟發(fā)下已經(jīng)開展了對(duì)DNA的進(jìn)一步的研究。1952年噬菌體小組的赫爾希（Afred Hershey）和蔡斯（Martha Chase）用35S（與蛋白質(zhì)結(jié)合）和32P（與核酸結(jié)合）標(biāo)記噬菌體并用之感染細(xì)菌后發(fā)現(xiàn)，噬菌體只有核酸進(jìn)入細(xì)菌，而蛋白質(zhì)外殼只吸附于細(xì)菌表面并不

8、進(jìn)入菌體，表現(xiàn)為在細(xì)菌體內(nèi)復(fù)制產(chǎn)生的后代噬菌體是32P標(biāo)記的。這清楚地證明噬菌體的遺傳物質(zhì)是核酸而不是蛋白質(zhì)。雖然在赫爾希-蔡斯的結(jié)果中，細(xì)菌體內(nèi)仍有1的噬菌體蛋白（艾弗里的轉(zhuǎn)化因子只有0.02）但其結(jié)論仍很快就被科學(xué)共同體接受。早期的分子生物學(xué)史家都把DNA是遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)歸功于赫爾希和蔡斯，赫爾希還因此獲得了1969年的諾貝爾醫(yī)學(xué)奨。但早在二戰(zhàn)后（艾弗里的論文是1944年發(fā)表的），歐洲“結(jié)構(gòu)學(xué)派”的科學(xué)家，就開始關(guān)注遺傳物質(zhì)（基因）的結(jié)構(gòu)問題，并將研究目標(biāo)選定在DNA上。1949年貝爾納（Bernal JD）實(shí)驗(yàn)室的福爾伯格（Furberg S）首先用X-射線衍射技術(shù)研究DNA的結(jié)構(gòu)，并提

9、出了DNA螺旋結(jié)構(gòu)的證據(jù)。與此同時(shí)，英國(guó)倫敦國(guó)王學(xué)院（Kings College）的威爾金斯和富蘭克林也在用X-射線衍射技術(shù)研究DNA的結(jié)構(gòu)，到1951年他們已經(jīng)獲得了DNA螺旋狀結(jié)構(gòu)的豐富資料。沃森正是在1951年在那不勒斯會(huì)議上聽了威爾金斯的工作報(bào)告后，才認(rèn)識(shí)到DNA的重要性，激發(fā)了研究其結(jié)構(gòu)的興趣，這才有了后來發(fā)現(xiàn)雙螺旋的故事。因此，可以認(rèn)為，是1944年艾弗里的研究，而不是1952年赫爾希-蔡斯的工作導(dǎo)致了物理學(xué)家們對(duì)DNA結(jié)構(gòu)研究的興趣。而威爾金斯和富蘭克林1951年前后用X-射線衍射技術(shù)對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果，奠定了沃森-克里克1953年發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。遺憾的是，195

10、5年艾弗里去世，這使他永遠(yuǎn)與諾奨無緣。隨著時(shí)間的推移，人們對(duì)艾弗里的貢獻(xiàn)有了越來越清楚的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)在他甚至被稱為“分子生物學(xué)領(lǐng)域里的孟徳爾”?？梢哉J(rèn)為，在探索基因的漫漫之路上，孟德爾-摩爾根-艾弗里的工作，是通往1953年發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)之路上三個(gè)最重要里程碑。諾貝爾基金會(huì)在其1972年出版的“諾貝爾：其人及其獎(jiǎng)金”一書中遺憾地說：“1944年艾弗里發(fā)現(xiàn)DNA是遺傳的載體，是遺傳學(xué)上最重要的成就之一。他未能獲諾貝爾奨實(shí)屬憾事。等到人們不再反對(duì)他時(shí)，他已去世?！彼谷思菏?，后人唯有嘆息而已?，F(xiàn)在分子生物學(xué)史家對(duì)科學(xué)史上這一令人遺憾的案例進(jìn)行分析時(shí)認(rèn)為：“從1944年到1952年，情況已經(jīng)發(fā)生了變

11、化。這時(shí)人人都認(rèn)為DNA在遺傳過程中起某種作用”，因此艾弗里和赫爾希的“二個(gè)實(shí)驗(yàn)是在完全不同的概念背景下完成的。另外，艾弗里是一個(gè)孤立的研究者，為人又低調(diào)，他沒有太多的行動(dòng)進(jìn)行宣傳，讓人們注意他的研究結(jié)果。而赫爾希（噬菌體小組的三巨頭之一）的結(jié)果卻通過噬菌體小組這一非正式但卻十分有效的關(guān)系網(wǎng)傳開了”。這說明“一個(gè)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在價(jià)值只有在成為一種理論的社會(huì)框架中時(shí)，才有意義”。用懷亞特（H.V Wyatt）的話講就是，“每個(gè)人都知道艾弗里的發(fā)現(xiàn)，但（DNA是遺傳物質(zhì)的）信息沒有變成知識(shí)”。這真是艾弗里的人生遺憾。艾弗里發(fā)表他那篇?jiǎng)潟r(shí)代的論文時(shí)已經(jīng)67歲了。查伽夫（Erwin Chargaff，1941年發(fā)現(xiàn)DNA的堿基規(guī)律，徹底否定了“四核苷酸假說”，對(duì)雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)起了重要作用）曾經(jīng)說“一個(gè)老人還能做出這樣重要發(fā)現(xiàn)是罕見的。他是一個(gè)寧靜的人。如果他得到了應(yīng)有的榮譽(yù)，也就是給了世界榮譽(yù)”。艾弗里雖然沒有獲得諾貝爾奨，但他的名字與他開創(chuàng)性的研究一起，已經(jīng)永遠(yuǎn)地銘