艾弗里的遺憾人生---物理與電子科學學院

1、艾弗里的遺憾人生謝蜀生1865年孟德爾根據(jù)他對豌豆雜交的研究結(jié)果，發(fā)表了“植物雜交的試驗”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研究史上的二座豐碑，奠定了現(xiàn)代遺傳學的基礎(chǔ)，此后遺傳學領(lǐng)域的主要問題就是，1，基因的化學性質(zhì)是什么？2，基因是如何工作的。對第2個問題的回答是由遺傳生化學家完成的，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，即確定基因的化學性質(zhì)是DNA的曲折過程?；虼嬖谟谌旧w，而染色體的化學成份主要是蛋白質(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，以解釋遺傳的復雜性。因此，當時普遍認為，基因的化學本質(zhì)是蛋白質(zhì)，而核酸的作用則長期被忽視。有趣的是自然常常會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)它們在瓊脂培養(yǎng)基上生長的菌落形態(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，它可以使細菌在機體內(nèi)不易被吞噬細胞吞噬，因而有強的致病性。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，在機體內(nèi)易于被免疫細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)傳代都不會改變，這表明了它們基因的穩(wěn)定性。1928年，英國科學家

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，一個死人的“靈魂”進入了一個活人的軀殼并執(zhí)行和控制其各種生理功能。在當時，這簡直是令人匪夷所思的。格里菲斯的這個“轉(zhuǎn)化實驗”后來也被其他科學家重復。但是這種“轉(zhuǎn)化”的機理卻一直不清楚。而格里菲斯本人卻于1941年在德國法西斯的一次空襲中遇難。揭開

4、“轉(zhuǎn)化”奧秘的機會歷史地落到了另一位美國微生物學家的身上。1918年大流感時期由于許多病人最終死于細菌性肺炎，美國紐約洛克菲勒研究所的微生物學家艾弗里（Oswald T. Avery）受命致力于肺炎球菌疫苗的研制，他是一個肺炎球菌研究的權(quán)威科學家。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年世界上多個實驗室都重復出了肺炎球菌的這種“轉(zhuǎn)化現(xiàn)象”。艾弗里自已實驗室的阿羅威（J. L Alloway）甚至進一步發(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，這個奇特的現(xiàn)象背后可能隱藏著遺傳學的奧秘

5、。于是他決定分離純化這個“轉(zhuǎn)化因子”，并搞清它的化學本質(zhì)。這在當時的技術(shù)條件下是非常困難的。在歷經(jīng)十年，無數(shù)次的失敗與慚進的成功后，1944年艾弗里在實驗醫(yī)學雜志上發(fā)表了題為“誘導肺炎球菌類型轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的化學本質(zhì)”的論文。在這篇后來被認為是分子生物學奠基石的研究文章中，艾弗里詳細地敘述了肺炎球菌“轉(zhuǎn)化因子”的純化方法，并證明，1，這個轉(zhuǎn)化因子對所有鑒定蛋白質(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，免疫學檢測的結(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）。這與當時對核酸結(jié)構(gòu)的認識完全不符。當時普遍認可的核酸“四核苷酸假說”認為，DNA是一種由四種核苷酸在排列上不斷重復的鏈狀結(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。按照當時認為基因是蛋白質(zhì)的普遍觀點，反對者以轉(zhuǎn)化因子中仍有痕量（0.02）的蛋白質(zhì)為由，對艾弗里的結(jié)論提出詰難。這樣，艾弗里關(guān)于遺傳物質(zhì)的化學本質(zhì)是DNA的觀點，沒有被生物學界正式接受。但是不接受遺傳物質(zhì)是DNA的

7、觀點，并不意味著艾弗里的工作不為人所知。艾弗里在生物學界并非無名之輩。他所在洛克菲勒研究所是世界一流的生物醫(yī)學研究中心，艾弗里是其中少數(shù)的幾個資深科學家之一。世界各地的訪問者到研究所來都會參觀他的實驗室。他的研究工作使核酸的重要性引起了科學界的重視。事實上，當時美國“信息學派”（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DNA的進一步的研究。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）標記噬菌體并用之感染細菌后發(fā)現(xiàn)，噬菌體只有核酸進入細菌，而蛋白質(zhì)外殼只吸附于細菌表面并不

8、進入菌體，表現(xiàn)為在細菌體內(nèi)復制產(chǎn)生的后代噬菌體是32P標記的。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)論仍很快就被科學共同體接受。早期的分子生物學史家都把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)學派”的科學家，就開始關(guān)注遺傳物質(zhì)（基因）的結(jié)構(gòu)問題，并將研究目標選定在DNA上。1949年貝爾納（Bernal JD）實驗室的福爾伯格（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，英國倫敦國王學院（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年在那不勒斯會議上聽了威爾金斯的工作報告后，才認識到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，可以認為，是1944年艾弗里的研究，而不是1952年赫爾希-蔡斯的工作導致了物理學家們對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，這使他永遠與諾奨無緣。隨著時間的推移，人們對艾弗里的貢獻有了越來越清楚的認識，現(xiàn)在他甚至被稱為“分子生物學領(lǐng)域里的孟徳爾”?？梢哉J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)之路上三個最重要里程碑。諾貝爾基金會在其1972年出版的“諾貝爾：其人及其獎金”一書中遺憾地說：“1944年艾弗里發(fā)現(xiàn)DNA是遺傳的載體，是遺傳學上最重要的成就之一。他未能獲諾貝爾奨實屬憾事。等到人們不再反對他時，他已去世?！彼谷思菏?，后人唯有嘆息而已?，F(xiàn)在分子生物學史家對科學史上這一令人遺憾的案例進行分析時認為：“從1944年到1952年，情況已經(jīng)發(fā)生了變

11、化。這時人人都認為DNA在遺傳過程中起某種作用”，因此艾弗里和赫爾希的“二個實驗是在完全不同的概念背景下完成的。另外，艾弗里是一個孤立的研究者，為人又低調(diào)，他沒有太多的行動進行宣傳，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“一個實驗的內(nèi)在價值只有在成為一種理論的社會框架中時，才有意義”。用懷亞特（H.V Wyatt）的話講就是，“每個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”。這真是艾弗里的人生遺憾。艾弗里發(fā)表他那篇劃時代的論文時已經(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”，對雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)起了重要作用）曾經(jīng)說“一個老人還能做出這樣重要發(fā)現(xiàn)是罕見的。他是一個寧靜的人。如果他得到了應(yīng)有的榮譽，也就是給了世界榮譽”。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)永遠地銘