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DNA 為遺傳物質嗎?為何早期科學家不相信?——《生物學學理解碼》

二十世紀初,科學家普遍認為遺傳物質為蛋白質而非 DNA。奧斯華.艾佛瑞 (Oswald Avery) 的研究團隊利用酵素與免疫學方法,於 1944 年證明遺傳物質為 DNA ,但一直到 1952 年,阿佛雷德.第.赫雪 (Alfred Day Hershey) 與瑪莎.考爾斯.蔡斯 (Martha Cowles Chase) 利用同位素與噬菌體,再度得到相同的結論,科學界才逐漸接受。艾佛瑞的研究設計實為嚴謹,但為何其成果沒有立即說服科學界?

DNA。圖/Flickr

格里夫茲的發現

弗雷德里克 · 格里夫茲 (Frederick Griffith) 於 1928 年發表著名的細菌轉形 (transformation) 實驗 (Griffith, 1928) ,發現了肺炎鏈球菌 (Streptococcus pneumoniae) 有不同的表現型,包含光滑型(S 型)與粗糙型(R 型);

其中光滑型可引發老鼠患病而死亡,而粗糙型不會。

透過老鼠皮下注射各表現型的菌種,格里夫茲發現若同時注射死亡的光滑型菌種與粗糙型菌種活菌,老鼠會患病後死亡,且體內血液中可發現光滑型的活菌。格里夫茲認為不同菌種會因轉形因子 (transforming principle) 的傳遞,使粗糙型菌種因獲得光滑型的轉形因子,而轉形為光滑型菌種。這個著名實驗提供了一個研究遺傳物質的生物模式,也許可透過研究轉形因子的特質,一窺遺傳物質的本質。

隨著 1939 年第二次世紀大戰的爆發,格里夫茲實驗室擴充成立「緊急公共衛生實驗室中心」 (the emergency public health laboratory service) ,格里夫茲死於 1941 年德軍對倫敦的轟炸,無緣見證其研究成果的後續發展。

「轉形因子」與艾佛瑞的實驗。(點圖放大)圖/《生物學學理解碼

DNA是遺傳物質?科學家:有可能

1935 至 1944 年艾佛瑞與同事麥克林恩 · 馬卡地 (Maclyn McCarty) 和柯林.麥克羅 (Colin MacLeod) ,以肺炎鏈球菌作為實驗生物,利用 RNA 酶、 DNA 酶、蛋白酶與 R 型菌抗體等材料,證明轉形因子應為 DNA ,而不是蛋白質或 RNA ,暗示生物體的遺傳物質可能是 DNA  (Avery, et al., 1944) 。艾佛瑞團隊的實驗設計精巧嚴謹, 1960 年諾貝爾生理醫學獎得主彼得.梅達華爵士 (Peter Medawar) 稱讚該研究為「 20 世紀最有趣且最前瞻的生物學實驗」 (the most interesting and portentous biological experiment of the 20th century) 。雖然艾佛瑞團隊的實驗具有重要里程碑,但其論文的結論依然措辭謹慎而保守,只有一句話:

我們目前的證據支持「去氧核糖型的核酸」是第三型肺炎鏈球菌轉型因子的基本組成。

Oswald T. Avery portrait。圖/wikimedia

存疑的原因

雖然艾佛瑞團隊的研究成果支持 DNA 可能是遺傳物質理論,但 1950 年代大部分科學家仍認為蛋白質為遺傳物質。課堂上常用以下理由解釋當代科學家的觀點:

1. 蛋白質由 20 種胺基酸組成,其複雜度大於只由四種核苷酸組成的 DNA 。
2. 依據染色體遺傳學說,染色體包含了遺傳物質,而染色體上蛋白質的含量高於 DNA ,故蛋白質較可能為遺傳物質。

一條染色體中到底有多少蛋白質呢?圖/《生物學學理解碼

許多證據擺在眼前,問題到底出在哪邊?

若分析當時的局勢,許多科普書籍 (Davies, 2001/2011;White, 2001/2012) 亦由以下三方面解釋為何當代科學家沒有接受艾佛瑞的結論:

1. 天時:艾佛瑞團隊的研究成果於 1944 年 2 月印行,當時正是美國介入二次世界大戰的最高峰,因此許多科學家沒有注意到。

2. 地利:艾佛瑞團隊的研究成果發表於《實驗醫學期刊》 (JEM) ,主要讀者為免疫學家而非遺傳學家,也不是一般生物學者會注意的刊物。

3. 人和:艾佛瑞在美國洛克斐勒大學的另一位同事阿弗雷德.莫斯基 (Alfred Mirsky) ,對艾佛瑞的研究成果提出懷疑,認為該研究過程受到蛋白質汙染,因此無法排除蛋白質的角色,而莫斯基的評論頗具影響力。但事實上,科學家本來就有「懷疑」的精神。

因為戰爭影響學術界的例子比比皆是。圖/8af

真相無法一步登天

早在 1935 年溫德爾.斯丹里 (Wendell Stanley) 純化煙草鑲嵌病毒並分析結晶的化學成分後,只發現蛋白質而無核酸類物質,所以科學家一直假設蛋白質是最可能的遺傳物質。雖然艾佛瑞團隊用精巧的實驗設計,提出 DNA 為遺傳物質的證據,科學界仍無法完全確認,即使是艾佛瑞本人,也用保守的態度詮釋自己的研究成果。

後來科學家才發現,煙草鑲嵌病毒含 RNA ,約占病毒重量 6%,但斯丹里卻沒有偵測到。艾佛瑞於 1948  提早退休,七年後過世,期間都未從事科學研究。直至 1952 年赫希與蔡斯利用噬菌體與細菌進行研究,證明  DNA 在噬菌體可作為遺傳物質 (Hershey and Chase, 1952) ;以及科學家逐漸了解 DNA 的分子結構與性質後,艾佛瑞的研究成果才逐漸廣為接受。

所以,不是當代科學家漠視了艾佛瑞團隊的研究結論,而是科學家本來就不會因幾個實驗的成果,就宣稱發現了真理。

情資來源:

本文摘自《生物學學理解碼:從研究史、生態、生理到分子生物,完整剖析39個高中生物學疑難案例》,紅樹林,2019  年 3 月出版。

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