DNA 為遺傳物質嗎？為何早期科學家不相信？——《生物學學理解碼》

2019/04/15 |

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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。