艾弗里的肺炎链球菌转化实验

（一）艾弗里的肺炎链球菌转化实验的过程

1930年，当格里菲思发表论文2年后，美国洛克菲勒研究所的艾弗里实验室的道森（H.Dawson）和夏（R.Sia）实现了肺炎链球菌的离体转化实验，他们在含有抗R血清和加热致死的S型细菌的液体培养基中培养R型细菌，结果产生了活的S型细菌。后来，艾弗里实验室的阿洛韦（J.Alloway）将S型细菌过滤，除去一些细胞组分，得到一种无细胞的提取液，并用提取液进行体外转化实验获得成功。但是，道森、夏和阿洛韦并未继续探究转化因子的本质，他们先后离开了洛克菲勒研究所。

1934年，麦克劳德（C.MacLeod，1909-1972）加入了艾弗里实验室，他同艾弗里一起用阿洛韦的体外系统进行转化实验。1941年，他们已经认为转化因子是“胸腺类的核酸”。1942年，麦卡蒂（M.McCarty，1911-2005）也加入进来。1943年3月，艾弗里首先在洛克菲勒理事会上介绍了他们的实验过程和结果，并于1944年发表了这个经典的实验。

他们将S型细菌用去氧胆酸盐溶液漂洗数次，用乙醇沉淀，得到黏性的乳白色沉淀。将沉淀溶于盐溶液，然后用氯仿抽提2~3次除去蛋白质，再用乙醇沉淀。将沉淀溶于盐溶液，加入能够水解多糖的酶，在37℃水解4~6h，经鉴定溶液中的多糖已除去。再用氯仿抽提1次除去水解糖的酶和残留的蛋白质，然后用乙醇沉淀。他们就这样从75L培养物中得到10~25mg沉淀，然后将沉淀溶于盐溶液制成细胞提取物。他们首先用S型细菌的细胞提取物与活的R型细菌混合进行转化实验，并获得成功。接着，他们将细胞提取物用不同的酶进行处理后，再与活的R型细菌混合进行转化。具体分这样几组：第一组，不作处理，作为对照，能够转化；第二组，细胞提取物经蛋白酶处理，能够转化；第三组，经RNA酶处理，能够转化；第四组，经酯酶处理，能够转化；第五组，经DNA酶处理，不能转化。

只有DNA酶能够阻止转化实验，这表明被DNA酶消化分解的DNA极有可能就是细胞提取物中有活性的转化因子。接下来，他们分析了转化因子的理化特征：转化因子的分子量很大，氮磷比约为1.67，在260nm的紫外线照射时具有最大的吸收峰值，检测DNA的二苯胺反应结果是强阳性，检测RNA的苔黑酚检测结果是弱阳性，两种检测蛋白质的方法结果都是阴性，等等。

这些理化特征或测试反应的结果都与DNA的极为相似。

艾弗里在论文的结尾处写道：“本文提出的证据支持以下观点：脱氧核糖类型的核酸是肺炎链球菌转化因子的基本单位。”艾弗里根据这些实验证据得出上述结论已经有足够的说服力，但是当时科学界普遍认为蛋白质才是遗传物质，因此艾弗里在论文中也曾十分谨慎地说：“当然也有可能，这种物质的生物学活性并不是核酸的一种遗传特性，而是由于某些微量的其他物质所造成的，这些微量物质或者是吸附在它上面，或者与它密切结合在一起，因此检测不出来。”

（二）艾弗里的实验结果不被接受的原因

艾弗里的结论一经发表就引发质疑。一些科学家质疑的主要是转化因子究竟是DNA还是和DNA混在一起的少量蛋白质。他们选择质疑，既与“细胞提取物不够纯”的实际情况有关，还与当时科学界深信蛋白质是遗传物质密不可分。

20世纪初，科学家已经知道核酸是由许多核苷酸单元聚合而成的化合物。德国生化学家科赛尔（A.Kossel，1853-1927）发现核酸由碱基、磷酸和糖组成，并探明了组成核苷酸的四种碱基。1909年，美国生化学家列文（P.Levene，1869-1940）提出了核苷酸的概念，核苷酸是核酸的基本组成单位；他明确了核苷酸中核糖的结构，并将核酸细分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。在此基础上，列文提出了四核苷酸假说：四个互不相同的核苷酸连接构成四核苷酸，四核苷酸连接组成DNA分子。这个假说认为DNA链是单调重复的分子。”这可能是因为列文在分析DNA结构时采用了剧烈的提取方法，破坏了DNA的结构，导致他将DNA视作分子量很小（1500Da）的分子。固当时“四核苷酸假说”深入人心。进入20世纪，12种基本氨基酸被发现，1940年，其他8种基本氨基酸也一一被揭示。20种氨基酸为基本单位的蛋白质似乎含有无数复杂且不重复的遗传信息。而艾弗里实验中的细胞提取物含有微量的蛋白质，因此，很多科学家就不接受艾弗里的实验结论。

持怀疑态度的还有“噬菌体小组”（phage group）的多位成员。噬菌体小组的核心人物是德尔布吕克（M.Delbrick，1906-1981）、卢里亚（S.Luria，1912-1991）和赫尔希（A.Hershey，1908-1997）。作为物理学博士，德尔布吕克想采用还原论的思想，用简单的实验方法，来探查生物的微观世界。噬菌体结构简单，由蛋白质和核酸两种生物大分子构成，它作为实验材料恰恰符合德尔布吕克的要求。从1945年起，德尔布吕克、卢里亚和赫尔希每年在冷泉港组织噬菌体的学术讨论会与课程班。他们的热情、专注以及严格的学术要求等赢得了一大批人的拥护和尊敬，这些人形成了一个凝聚力很强的群体。四许多取得杰出成就的科学家都出自这个小组，如沃森（J.Watson，1928一）、梅塞尔森（M.Meselson，1930一）、斯塔尔（E.Stahl，1929一）、杜尔贝科（R.Dulbecco，1914-2012）等。当时，德尔布吕克并不相信艾弗里的结论，在他心目中，DNA只是一种单调乏味的大分子，怎么可能是遗传物质的载体呢？噬菌体小组的成员也大多不接受艾弗里的结论，而是相信四核苷酸假说。反对艾弗里的还包括他的同事、核酸研究权威米尔斯基（A.Mirsky，1900-1974）。当时，洛克非勒研究所的米尔斯基实验室是细胞核结构和功能的研究中心。米尔斯基尝试从多种生物材料中提取核酸和蛋白质。1946年，他从肺炎链球菌中提取了核酸和蛋白质，并重复了艾弗里的实验，但是因为很难获得不含蛋白质的纯DNA，因此质疑艾弗里。1949年，米尔斯基发现同种生物不同细胞中的DNA含量相同，体细胞中的DNA含量是精子的2倍。这个结论本可以支持DNA是遗传物质，但是米尔斯基仍然不相信仅靠DNA而无蛋白质会携带遗传信息。

后来，其他科学家的工作促进了人们对DNA是遗传物质这一观点的接受。例如，查哥夫（E.Chargaff，1905-2002）发现，不同生物DNA中4种碱基的比例并不一致；但是腺嘌呤（A）的含量总是与胸腺嘧啶（T）的含量一致，鸟嘌呤（G）的含量总是与胞嘧啶（C）的一致。这个发现彻底否定了四核苷酸假说，为人们接受DNA是遗传物质扫清了障碍。1952年，赫尔希和蔡斯通过噬菌体侵染细菌的实验，再次证明DNA是遗传物质。1953年，赫尔希蔡斯实验与DNA双螺旋结构模型同时在冷泉港的学术会议上展示，自此，科学家才普遍接受了DNA是遗传物质。