2013年1月24日 星期四

DNA的構造與複製 The Structure and Replication of DNA

探索生命《生物學》76
1.        我們已經學到,細胞分裂之初,必須先複製包含基因的染色體內,染色體複製成二份再分裂,這樣每個子細胞都能分配到一份來自母細胞/親代細胞的基因。接下來我們將討論基因材料的化學性質。
2.        在這一章,我們將討論為什麼DNA被定義為基因材料?以及後續關於DNA分子結構的研究,並且說明DNA分子成為遺傳的媒介的關鍵;我們將更細膩地討論染色體複製的過程「基因複製replication」。

一系列的實驗導引人類瞭解基因由DNA組成 A Series of Experiments Led to the Realization That Genes Are Composed of DNA
3.        如果基因位於染色體內,那麼,判斷基因化學性質的第一步必須分辨清楚染色體內有哪幾類化合物。這就是早期研究者努力去做的事情。
4.        1900年前,化學分析顯示大部分有機體的染色體含有蛋白質和DNA。接下來的數十年,大部分生物學家推測蛋白質可能是基因材料,因為他們覺得只有蛋白質的化學複雜度足夠記錄眾多的遺傳訊息。
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5.        1928年,英國細菌學者Frederick Griffith發表關於肺炎雙球菌pneumococci的實驗,肺炎雙球菌是造成肺炎的細菌。
6.        肺炎雙球菌有二個品種,會致病的品種稱為S肺炎雙球菌S是指細菌的肺炎雙球菌的菌落表面光滑smooth,另一個品種是無害的,稱為R肺炎雙球菌R是指菌落表面粗糙rough
7.        Griffith實驗顯示,老鼠被注射活體的R肺炎雙球菌之後,可以繼續存活,老鼠被注射活體的S肺炎雙球菌之後很快就死了;如果老鼠被注射的是加熱殺死的S肺炎雙球菌,老鼠會繼續存活。這樣的結果並不令人意外,致病的S肺炎雙球菌必須是活的才是病原體。

8.        可是,他的另外一個實驗就比較複雜,對老鼠注射活的R肺炎雙球菌和加熱殺死的S肺炎雙球菌後,老鼠死了。為什麼無害的R肺炎雙球菌混入已經死掉的S肺炎雙球菌後會殺死老鼠呢?
9.        Griffith檢驗死掉老鼠的屍體,發現裡面都是會致病的S肺炎雙球菌!這些S肺炎雙球菌怎麼來的?
10.     許多謹慎進行的實驗結果說服Griffith相信,活的R肺炎雙球菌透過死掉的S肺炎雙球菌細胞,轉變成S肺炎雙球菌。死掉的S肺炎雙球菌的遺傳基因進入到活的R肺炎雙球菌細胞裡,因此將R肺炎雙球菌轉變成S肺炎雙球菌。這樣的改變過程稱為轉化transformation
11.     1940年代其他的研究顯示,從加熱殺死的S肺炎雙球菌抽取出來DNA放到R肺炎雙球菌的菌落,會造成R肺炎雙球菌轉化成S肺炎雙球菌,促成細菌轉化的因素是DNA
12.     顯然,活的R肺炎雙球菌是從周遭媒介裡獲得S肺炎雙球菌的DNA才轉化的。跟蛋白質沒有任何關係。雖然實驗結果是如此,但是當時許多科學家還是無法相信DNA是基因材料。
13.     在接下來的10年,指出「DNA是基因材料」的證據持續變強。至少有30份不同的研究指出,細菌在DNA誘導下發生基因轉化。
14.     1952年卡內基基因實驗室的Alfred D. HersheyMartha Chase對微生物的研究進一步提出新的證據。他們專注於研究一種會攻擊大腸桿菌的病毒,人類腸道內有很多這種病毒,這種能夠摧毀細菌的病毒稱為噬菌體bacteriophage
15.     病毒是一種非常微小的致病原,病毒無法複製自己。相反地,病毒將基因材料輸入到細胞中,控制細胞機器,指揮細胞生產新的病毒顆粒。
16.     許多研究顯示,病毒顆粒virions的構造包含二部分:蛋白質外殼protein coat核酸中心nucleic acid core。電子顯微鏡的觀察顯示,噬菌體病毒的構造比許多病毒更複雜。
17.     噬菌體的蛋白質外殼分為多面體的頭部,裡面裝載DNA,長長的尾部,包括中空的尾鞘和6支像腳的細長構造。
18.     電子顯微鏡顯示,當噬菌體顆粒黏上一個細菌細胞,它會用尾巴插上細菌細胞壁。沒有任何證據顯示噬菌體顆粒的蛋白質外殼曾進入過細菌細胞內(噬菌體顆粒的蛋白質外殼不會進入細菌細胞內)。
19.     在噬菌體黏上細菌細胞壁的2025分鐘之後,細菌內就出現新的噬菌體,接著細菌細胞迅速爆破,釋放數百個新的噬菌體顆粒到周遭媒介。
20.     新誕生的噬菌體顆粒的基因,與啟動細胞複製的噬菌體的基因一模一樣,因此推測噬菌體注入到細胞內的及傳基因,利用細胞的胞器製造新的噬菌體。噬菌體繁衍的生命週期如下圖:

21.     1952年,Alfred D. HersheyMartha Chase做噬菌體研究時,生物學家們還不太瞭解病毒的實際構造或病毒繁殖週期的細節。生物學家們只知道噬菌體主要是由DNA和蛋白質組成,而且噬菌體將基因注入細菌細胞中,然後驅動細胞機制產生新的噬菌體。
22.     基本上,DNA含有磷、沒有硫,而大部分的蛋白質含有硫、沒有磷。HersheyChase設計的實驗確定噬菌體注射到細菌內的物質只有DNA,沒有蛋白質,或者只有一點點蛋白質。
23.     首先,用放射性磷同位素35P硫同位素35S的物質培養噬菌體,讓噬菌體的蛋白質含有含有放射性的硫同位素35S,並且DNA含有放射性的磷同位素35P
24.     接著,將放射性的噬菌體與沒有放射性的細菌放在一起,給予充足的時間,讓放射性噬菌體能夠將它的遺傳物質注射到沒有放射性的細菌體內。
25.     然後科學家將細菌放入攪拌機打碎,先偵測細菌表面物質,結果發現細菌表面的殘骸,大多是硫同位素35S,只有少量的磷同位素35P,顯示殘留在細胞表面的是噬菌體的蛋白質外殼。
26.     再偵測細菌內的物質,結果發現裡面是35P,而沒有35S,顯示噬菌體只有將DNA注入細菌。此時,細菌體內已經利用噬菌體注入的DNA複製新的噬菌體顆粒。
27.     這個實驗支持肺炎雙球菌實驗的結論,肺炎雙球菌轉化是因為核甘酸(DNA),而不是蛋白質。
n      翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton Biology》;圖片來源/Biology-themiracleoflife123RFHyglos.deDipity

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