遗传学史上的两个情侣病毒 | 壹读百科

图片来自网络

壹读微信号：yiduiread

在地球上，病毒的数量大的惊人，用一个普通大小的玻璃杯去大海里舀一杯水，你大约就能抓住上百亿个病毒，而整个大海里面病毒的数量至少有10的30次方。这么多的病毒，是不是很可怕？壹读君告诉你，我们并不用担心，在这些病毒的“海洋”里，能对人类造成危害的仅占极小一部分，有些病毒不仅对人类没有危害，反而对人类有益，有的甚至还有着功不可没的贡献，比如今天壹读君给大家讲述的下面这两个有关病毒的遗传学实验就是证明。

20世纪中叶，科学家发现了细胞核中染色体的组成成分是脱氧核糖核酸和蛋白质，其中脱氧核糖核酸就是人们平时经常说的DNA，这项发现无异于物理学上那个如绚丽舞蹈一样的花粉运动——布朗运动。基于这项惊人的发现，在科学家中产生了很长时间的争论：蛋白质与DNA，到底谁是遗传物质？

当时主流的观点认为：蛋白质是一切生命活动的体现者，因此，蛋白质是在生物的遗传中起决定作用的物质。

 1952年，两位生物学家，赫尔希（A.Hershey）和蔡斯（M.Chase）基于英国科学家格里菲思（F.Griffith）的肺炎双球菌实验的基础上，用一种病毒——大肠杆菌T2噬菌体——作为实验材料开展了日后为人们所熟知的噬菌体侵染实验。

正如它的名字所传递的信息一样，大肠杆菌T2噬菌体是一种喜欢侵染大肠杆菌的病毒，它的结构很简单，只由蛋白质和DNA组成。

 噬菌体2D与3D结构图

蛋白质的组成单位是氨基酸。

其主要组成元素为：C（碳）H（氢） O（氧） N（氮） S（硫） P（磷）

氨基酸分子式

DNA的组成单位是脱氧核苷酸，又称脱氧核糖核苷酸。

其主要组成元素为：C（碳）H（氢） O（氧） N（氮）P（磷）

核苷酸分子式

当然，组成这些物质的元素在自然界的任何一个角落都存在着，组成世界万物的元素和组成我们身体的每一种元素都没有什么区别，只是元素的种类以及元素所对应的原子的数量不同，所以有时候壹读君面对着一堆石头，然后发现自己与它毫无二致的时候，不免也会感到生命和宇宙的神奇。所以赫尔希（A.Hershey）和蔡斯（M.Chase）将噬菌体蛋白质和DNA组成元素进行对比时就不难发现：

蛋白质：C  H  O  N  P  S

DNA : C  H  O  N  P

蛋白质含有S（硫）元素，而DNA不含。

于是赫尔希（A.Hershey）和蔡斯（M.Chase）用具有放射性的同位素对S（硫）进行标记，也就是说，在试验中我们发现有S（硫）的脚印的地方，就有蛋白质。尽管蛋白质和DNA都含有P(磷)元素，但是此噬菌体的P（磷）元素几乎都只在其DNA中。所以用放射性同位素标记P（磷）元素，有P（磷）元素脚印的地方，就有DNA。

DNA立体结构

赫尔希（A.Hershey）和蔡斯（M.Chase）开始用标记过硫和磷的T2噬菌体分别入侵大肠杆菌，噬菌体侵染大肠杆菌的方式是把自己的DNA入侵到大肠杆菌体内，把自己的蛋白质外壳扔在外面，而注入进大肠杆菌体内的DNA开始欢喜地、饰无忌惮地利用大肠杆菌的好东西给自己合成打造新的所需物质，并开始大量繁殖。

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=l0343du6jya&width=500&height=375&auto=0

第一组是用标记过蛋白质的噬菌体侵染。

一段时间后，赫尔希（A.Hershey）和蔡斯（M.Chase）开始对整个混合物质进行搅拌分离，使其分层。由于蛋白质颗粒较轻，上清液层主要为噬菌体的蛋白质外壳和被裂解的大肠杆菌残余，沉淀物为新的噬菌体。经检测发现，上清液的放射性很高，沉淀物放射性很低，说明新长出来的子代噬菌体没有得到上一代噬菌体的蛋白质延续。

于是他们又进行了第二组实验，用放射性同位素标记过DNA的噬菌体侵染。

同样，一段时间后，搅拌离心，发现上清液的放射性很低，反而是新长出来的子代噬菌体（沉淀物）的DNA放射性很高。说明噬菌体从亲代到子代中，能发生延续性的物质是DNA，于是赫尔希（A.Hershey）和蔡斯（M.Chase）发现了DNA才是主要的遗传物质，这次发现对当时的主流观点起到了很大的冲击。

T2噬菌体侵染实验

但是，由于该实验中，噬菌体侵染大肠杆菌的方式是将DNA注入到噬菌体内，蛋白质留在外面，蛋白质没有参与到噬菌体的正常繁殖，所以这个实验也仅仅只证明了DNA是遗传物质，而不能证明蛋白质不是遗传物质。

蛋白质立体结构

于是，为了证明蛋白质不是遗传物质，科学家们又开始设计各种实验，这就不得不提到另外一种病毒——烟草花叶病毒，又称TMV。

TMV能使烟草花叶染病，从而出现病斑。TMV只由蛋白质和一段与DNA很相似的RNA组成。

1956年，美国学者弗伦克尔一库兰特（Fraemkel-Courat）用水和苯酚震荡，将TMV的RNA和蛋白质分离，然后提取出来，分别去感染烟草花叶。发现单独的蛋白质不能使烟草花叶致病，但是RNA能，说明有新的TMV病毒出现的是RNA，而蛋白质不能繁殖出TMV病毒。这个实验证明了RNA具备遗传效应，而蛋白质不具备。弗伦克尔一库兰特（Fraemkel-Courat）为了验证自己的结论，他还用一种RNA酶将RNA水解，使其失活，再用失活的RNA感染烟草花叶，观察结果发现不致病。也就是说，失活的RNA和蛋白质都不能使烟草花叶致病，这样才证实了蛋白质确实不是遗传物质。

所以，综述这两个关于病毒的实验，才共同的证明了DNA或者RNA才是遗传物质，而蛋白质不是遗传物质。也正因此，T2噬菌体与烟草花叶病毒成了遗传学史上，怎么也无法绕开的一对似乎注定有着情侣缘分的病毒。

我们有毒，但是我们很相爱

参考材料：

1.《全日制普通高级中学教材（必修）生物第二册》，人民教育出版社生物室

2.维基百科

3.《遗传学》，梁红主编

4.Koonin EV, Senkevich TG, Dolja VV. The ancient Virus World and evolution of cells. Biol. Direct. 2006;1:29.

5.Mc Grath S and van Sinderen D (editors). Bacteriophage: Genetics and Molecular Biology 1st. Caister Academic Press. 2007. ISBN 978-1-904455-14-1. [1].

如果你觉得今天的文章还不错

动动手指，给壹读君点个赞呗

和壹读君勾搭的传送门

联系电话：[phone]

人才招聘：[e-mail]

文章投稿：[e-mail]

商业合作：[e-mail]