微生物遗传变异的物质基础

生物体的遗传物质究竟是细胞内的什么物质？直到20世纪40年代通过以下三个经典的实验，才充分证明了遗传变异的物质基础是核酸。

一、证明核酸是遗传和变异的物质基础的经典实验

1.肺炎双球菌转化实验

最早进行转化实验的是英国医生格里菲斯（F.Griffith）（1928年）。他以肺炎双球菌（现称肺炎链球菌）作为研究对象。肺炎双球菌是一种球形细菌，常成双或成链排列，可使人患肺炎，也可使小鼠患败血症而死亡。它有许多不同的菌株，有荚膜者是致病性的，它的菌落表面光滑，称S型；有的不形成荚膜，无致病性，菌落外观粗糙，称R型。Griffith以R型和S型菌株作为实验材料进行遗传物质的实验，他将活的、无毒的RⅡ型（无荚膜，菌落粗糙型）肺炎双球菌或加热杀死的有毒的SⅢ型肺炎双球菌注入小白鼠体内，结果小白鼠安然无恙；将活的、有毒的SⅢ型（有荚膜，菌落光滑型）肺炎双球菌或将大量经加热杀死的有毒的SⅢ型肺炎双球菌和少量无毒、活的RⅡ型肺炎双球菌混合后分别注射到小白鼠体内，结果小白鼠患病死亡，并从小白鼠体内分离出活的SⅢ型菌。Griffith称这一现象为转化作用（见图8-1），实验表明，SⅢ型死菌体内有一种物质能引起RⅡ型活菌转化产生SⅢ型菌，这种转化的物质（转化因子）是什么？Griffith对此并未做出回答。

图8-1 肺炎双球菌的动物转化试验

1944年美国的艾文利（Avery）等人在Griffith工作的基础上，对转化的本质进行了深入的研究。他们从SⅢ型活菌体内提取DNA、RNA、蛋白质和荚膜多糖，将它们分别和RⅡ型活菌混合均匀后注射入小白鼠体内，结果只有注射SⅢ型菌DNA和RⅡ型活菌的混合液的小白鼠才死亡，这是一部分RⅡ型菌转化为有毒的、有荚膜的SⅢ型菌所致，并且它们的后代都是有毒、有荚膜的（见图8-2）。由此说明RN A、蛋白质和荚膜多糖均不引起转化，而DNA却能引起转化。如果用DNA酶处理DNA后，则转化作用丧失。

图8-2 肺炎双球菌体外转化实验

上述结果表明，只有S型菌株的DNA才能将肺炎链球菌的R型转化为S型，而且DNA的纯度越高，其转化效率也越高，直至只取用6×10^-8g的纯DNA时，仍保持转化活力。这就有力地说明，S型转移给R型的绝不是遗传性状（在这里是荚膜多糖）的本身，而是以DNA为物质基础的遗传因子。

2.噬菌体感染实验

1952年，好时（Hershey）和蔡斯（Chase）发表了证实DNA是噬菌体的遗传物质的著名实验——噬菌体感染实验。首先，他们用³²P和³⁵S标记T₂噬菌体，因DNA分子中只含磷不含硫，而蛋白质分子中只含硫不含磷。故将T₂噬菌体的头部DNA标上³²P，其蛋白质衣壳被标上³⁵S。用标上³²P和³⁵S的T₂噬菌体感染大肠杆菌，经短时间的保温后，T₂噬菌体完成了吸附和侵入的过程。将被感染的大肠杆菌洗净放入组织捣碎器内强烈搅拌，然后离心沉淀。分别测定沉淀物和上清液中的同位素标记，结果全部³⁵S和噬菌体在上清液中，全部³²P和细菌聚集在沉淀物中。这说明在感染过程中噬菌体的DNA进入大肠杆菌细胞中，它的蛋白质外壳留在菌体外。进入大肠杆菌体内的T₂噬菌体DNA，利用大肠杆菌体内的DNA、酶及核糖体复制大量T₂噬菌体，又一次证明了DNA是遗传物质（见图8-3）。

图8-3 ³²P和³⁵S标记菌体感染大肠杆菌实验

3.植物病毒的重建实验

为了证明核酸是遗传物质，弗伦克尔（H.Fraenkel—Conrat）（1956年）用含RNA的烟草花叶病毒（TMV）进行了著名的植物病毒重建实验。TMV可以拆成蛋白质和RNA（该病毒不含DNA）。把TMV放在一定浓度的苯酚溶液中振荡，就能将它的蛋白质外壳与RNA核心相分离，纯化后分别感染烟草，结果发现只有RNA能感染烟草，并使其患典型症状，而且在病斑中还能分离到完整的TMV粒子。但由于提纯的RNA缺乏蛋白质衣壳的保护，所以感染频率要比正常的TMV粒子低些。在实验中，还选用了另一株与TMV近缘的霍氏车前花叶病毒（HRV）。当用TMV—RNA与HRV—衣壳重建后的杂合病毒去感染烟草时，烟叶上出现的是典型的TMV病斑，再从中分离出来的新病毒也是未带任何HRV痕迹的典型TMV病毒。反之，用HRV—RNA与TMV—衣壳进行重建时，也可获得相同的结论。整个实验的过程和结果可见图8-4。

图8-4 TMV重建实验示意图

这一实验结果说明病毒蛋白质的特性由它的核酸（RN A）所决定，而不是由蛋白质所决定。可见在这里同样证明了核酸（RNA）仍然是遗传物质的基础。

通过这三个具有历史意义的经典实验，得到了一个确信无疑的共同结论：只有核酸才是贮存遗传信息的真正物质基础。

二、遗传物质在细胞中的存在方式(www.xing528.com)

核酸尤其是DNA是如何存在于生物体中的呢？原核生物与真核生物中DNA存在形式不完全相同。我们从不同角度分析遗传物质在细胞中的存在形式。

1.细胞水平

从细胞水平看，真核微生物和原核微生物的大部分DNA都集中在细胞核或核区中。真核微生物核外有核膜，称真核。原核微生物核外无核膜，称拟核或原核，也称核区。在不同的微生物细胞中，细胞核的数目是不同的。有的只有一个细胞核，如细菌中的球菌和酵母菌等；有的有两个细胞核，称双核，如细菌中的大多数杆菌和真菌中的担子菌等；还有的有多个细胞核，如许多真菌和放线菌的菌丝体等，但孢子只有一个核。

2.细胞核水平

从细胞核水平看，真核微生物的DNA与组蛋白结合在一起形成染色体，由核膜包裹，形成有固定形态的真核。真核微生物细胞核以外的DNA主要以细胞器形式存在，如真核微生物的中心体、线粒体、叶绿体等细胞器基因，这些细胞器中的DNA常呈环状，细胞器DNA的含量只占染色体DNA的1%以下。原核微生物的DNA不与任何蛋白质结合，也有少数与非组蛋白结合在一起，形成无核膜包裹的呈松散状态存在的核区，其中的DNA呈环状双链结构。原核微生物染色体外的DNA称为细菌质粒，例如原核生物中的性因子（F因子）、抗药性因子（R因子）等，它们的DNA只占染色体DNA的一小部分。

3.染色体水平

不同生物核内染色体的数目不同。真核微生物的细胞核中染色体数目较多，而原核微生物中只有一条裸露的环状染色体。除染色体的数目外，染色体的套数也不相同。如果一个细胞中只有一套染色体，它就是一个单倍体。绝大多数微生物是单倍体。如果一个细胞中含有两套相同功能的染色体，则称之为双倍体。少数微生物（如酿酒酵母菌）的营养细胞以及单倍体的性细胞接合或体细胞融合后所形成的合子是双倍体。

4.核酸水平

从核酸的种类来看，除部分病毒（其中多数是植物病毒）的遗传物质是RN A外，绝大多数生物的遗传物质是DNA。从核酸的结构来看，绝大多数微生物的DNA是双链的，只有少数病毒为单链（如大肠杆菌的Φ×174和fd噬菌体等）。RNA也有双链（大多数真菌病毒）与单链（大多数RNA噬菌体）之分。从DNA的长度来看，真核生物的DNA比原核生物的长得多，但不同生物间的差别很大。从核酸的状态看，真核微生物的核内DNA总是缠绕着组蛋白，构成念珠状的核小体链，核外DNA同原核微生物的一样。原核微生物中双链DNA是裸露的环状，在细菌质粒中呈麻花状。病毒粒子中双链DNA呈环类或线状，RNA分子都是线状的。

5.基因水平

在DNA大分子上存在着能够决定某些遗传性状的特定区域，即所谓的基因，它是具有特定核苷酸顺序的核酸片段。基因按其功能可分为结构基因和调控基因，其中结构基因是指某些能决定某种多肽链（蛋白质）或酶分子结构的基因，而调控基因则是指某些可调节控制结构基因表达的基因。此外，还有一些只转录而不翻译的基因，如核糖体RNA基因，也称为rDNA基因，它们专门转录rRNA；还有转运RNA基因，也称为tRNA基因，是专门转录tRNA的。每一基因的相对分子质量约为6.7×10⁵，即约含1000对核苷酸。每个细菌一般含有5000～10000个基因。

6.密码子水平

遗传密码是指DNA链上特定的核苷酸排列顺序。每个密码子是由三个核苷酸顺序所决定的，它是负载遗传信息的基本单位。生物体内的无数蛋白质都是生物体各种生理功能的具体执行者。可是，蛋白质分子并无自主复制能力，它是接到DNA分子结构上遗传信息的指令而合成的。其过程是首先通过转录形成一条与DNA碱基互补的mRNA链，将DNA上的遗传信息转录到mRNA上去，然后再通过翻译将由mRNA上的三联密码子顺序去决定蛋白质上氨基酸的排列顺序，这样基因中携带的遗传信息通过mRNA传给了蛋白质。由于DNA上的遗传密码要通过转录成mRNA三联密码才与氨基酸相对应，因此，三联密码一般都是用mRNA上的核苷酸顺序来表示。

组成mRNA的4种核苷酸可排列成4³＝64种密码子，用于决定组成蛋白质的20种氨基酸，其中有些密码子的功能是重复的（如决定氨基酸的就有6个密码子），而另一些则被用作“起始”（AUG）或“终止”（UAA、UGA和UAG）信号。密码子和氨基酸之间的对应关系早已破译，这种关系在生物界是通用的。因此，原核微生物也可翻译人的基因转录的mRNA。如人胰岛素基因转入大肠杆菌体内，大肠杆菌即可合成人的胰岛素。

7.核苷酸水平

核苷酸是核酸的组成单位，在绝大多数微生物的DNA中，都只含有dAMP、dTMP、dGMP和dCMP四种脱氧核糖核酸；在绝大多数RNA中，只含有AMP、U MP、GMP和C MP四种核糖核酸。当其中某一个核苷酸中碱基的组成或排列顺序发生改变，则导致一个密码子意义改变，进而导致整个基因信息改变，指导合成新的蛋白质，引起性状改变。因此，核苷酸是最小的突变单位或交换单位。