DNA的发现及重要性：遗传科学历史和真相

我们现在回过头来，看看DNA是怎样被发现的，人们又是怎样发现它就是孟德尔的遗传因子，也就是基因。

在孟德尔发表遗传研究成果的同时，细胞研究和与医学有关的化学（当时叫做“医化学”）的研究也在进行着。 “医化学”本来是和遗传学不相干的一门学问，欧洲从中世纪就开始有了。 在19世纪末，医化学家还只发现了蛋白质的化学成分，知道蛋白质含有硫，但还不知道细胞里除了蛋白质还有什么东西。

1869年，有个叫弗里德里希·米歇尔（Friedlich Miescher）［1］的年轻大学生对这个问题非常感兴趣。 他原来在瑞士莱茵河畔的巴塞尔上大学，后来到德国图宾根（Tübingen）大学去做著名的医化学家霍佩·赛勒（F.Hoppe-Seyler）教授的研究生。 霍佩·赛勒叫他研究白细胞的细胞核成分，看在细胞核里能发现什么。 做这样的实验需要有大量的白细胞，可是当时还没有培养细胞的方法。 米歇尔突发奇想，他到医院里去收集开刀病人用过的绷带，取上面的脓作为提取白细胞核的实验材料，因为当时已经知道，脓是死亡的白细胞。 那时还没有抗生素和抗菌药，外科病人开刀后伤口百分之百要感染化脓（可见那时在欧洲的医院里开刀多么可怕），医院里脓是要多少有多少，脓绷带恶臭冲天。 米歇尔自己也说，那并不是好受的，所以他也知道不用那些实在太腐臭不堪的绷带，这倒是帮助了他能得到完整的细胞核。 米歇尔总算从绷带里洗下了一大堆脓细胞，制成悬液，再加入稀盐酸、胃蛋白酶和乙醚，以消化脓细胞里的蛋白质。 而难被消化的脓细胞核就沉淀在容器底。 要知道，当时没有离心机，只能把溶液放置一段时间，让密度较大的物质自己沉淀下来，像浑水里的泥沙沉淀到桶底一样。 米歇尔这样描写他制备的细胞核：在显微镜下“完全是纯的细胞核，轮廓圆滑，内含物均一，每个细胞核里都有一个清晰的核仁，不过比一开始看起来要小些”。 米歇尔从他的脓细胞核里提取了一种具有特殊性质的物质，他把它叫做“核质（德文为Nuklein）”。 “核质”是酸性的，酸性比当时已知的任何生物物质都要强。

现在我们知道，这种酸性是由米歇尔的提取方法造成的，因为胃蛋白酶需要酸性环境，他的细胞核提取剂里使用了稀盐酸，这使DNA的磷酸基团酸化。 在生理条件下，染色质和DNA都是中性的。

米歇尔发现，他的“核质”含有大量的磷，而当时科学界却认为活体内几乎不含磷。 他又发现核质几乎不含硫，因此它不可能是蛋白质，所以这是一种新物质。 这个发现太不一般了，所以米歇尔的导师霍佩·赛勒一开始根本不相信米歇尔这个25岁的“小年轻”的发现，直到两年以后的1871年，霍佩·赛勒自己重复做了米歇尔的实验，证实了他的结果，才同意发表。 这一年米歇尔回到了他的家乡巴塞尔继续学业和对核酸的研究。 他发现莱茵河里的冬鲑鱼的成熟精巢（在中国俗称“鱼膏”或“鱼白”）是“核质”更好的来源。 他在提纯的鱼精子头部不但发现了酸性的“核质”，而且发现“核质”和一种碱性的蛋白质结合在一起。 他把这种蛋白质起名叫“鱼精蛋白（德文Protamin）”。 他把他提取“核质”时的情形写信告诉朋友说：“提取核质的时候，我早上5点钟就到实验室去……溶液放置不超过5分钟，加无水酒精后的沉淀放置不超过1小时。 我常常这样一直干到深夜。 只有这样做，我才能最后得到磷含量恒定的产品。”后来，科学界就把米歇尔的“核质”改叫做核酸（nucleic acid）。

为什么米歇尔一定要证实他的核酸的磷含量是恒定的（就是说，不管用哪里来的细胞、提取多少次，得到的产品的磷含量都是相同的）呢？ 这是因为，只有证明这一点，才能说明这不是混合物，而是纯粹的单一物质。化学里有这么一条定律：一种纯物质的组成成分无论何时何地都不变。这叫“定组成定律”。

米歇尔发现核酸后，他的发现经过多位科学家的验证。 十年后的1881年，查哈利亚斯（E.Zacharias）把米歇尔的提取方法用到显微镜观察上，他把酸性胃蛋白酶溶液滴到显微镜载玻片上的青蛙红细胞上去。 他也发现胃蛋白酶把细胞质去除了，留下细胞核。 纤毛虫类如草履虫也是如此。 这些细胞核能溶于碱。 在分裂中的花粉母细胞里也发现，染色体能抵抗胃蛋白酶，细胞分裂中产生的纺锤体却被分解消失。 这提示染色体的主要成分就是核酸，而纺锤体的成分是蛋白质。 细胞分裂的过程，我们后面就讲。(www.xing528.com)

1889年，阿尔特曼（R.Altmann）发明了一种提取核酸的新方法，能得到完全不含蛋白质的核酸产品。 这使得核酸的组成成分迅速被分析出来。 结果发现，除磷酸外，核酸还含有两种有机碱，嘌呤和嘧啶；以及一种糖，叫做脱氧核糖。1914年，德国医化学家福根（R.Feulgen）用品红亚硫酸试剂染显微镜切片，发现细胞核能被染成红色；此后证实染成红色的是含有脱氧核糖的核酸，也就是米歇尔发现、阿尔特曼提纯的那种。 按照它的组成成分，这种核酸就被叫做脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）。 福根的染色法现在有时还用来在显微镜下鉴定DNA。这里补充一点，使用品红亚硫酸试剂时，如果目的是要检测DNA，就要添加过碘酸，至少要把反应液调到酸性，才能得到可靠的结果，不然可能就是有DNA也看不出，因为这种试剂要把DNA分子弄断才能检出它。

另有一种核酸在细胞核和细胞质里都有，所含的糖与脱氧核糖不太一样，叫核糖，因此被叫做核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）。 核糖核酸对酸、碱都不稳定，容易分解。 再后来，又发现这两种核酸含有相同的嘌呤，但有一种嘧啶不同。

至此，科学家们已经搞清楚，细胞核中存在的含磷物质就是DNA。但是当时完全不知道它在生物细胞里起什么作用，更不知道它的分子结构。

这里还要说明一点。 米歇尔用来提取细胞核和核酸的方法是有很大缺陷的。 现在我们知道，DNA在像胃蛋白酶所需要的强酸性溶液中不稳定，它的分子结构可能被破坏（脱嘌呤、双链解开——变性甚至分子被弄断）。 当然，DNA断了正好使用品红亚硫酸试剂，但我们提取DNA时总希望它的分子是完整的。 因此，现在我们提取核酸都要用能维持p H为中性（7.5～8）的缓冲液，绝不能用稀盐酸。 现在提取核酸时用来去除蛋白质的试剂是用缓冲液调到中性的苯酚、氯仿和中性去污剂。 在米歇尔的时代，人们对核酸的存在都一无所知，更不要说它们的性质了，所以米歇尔的提取方法终究还是一个了不起的创造。

［参考文献］

1.Dahm R.Discovering DNA：Friedrich Miescher and the early years of nucleic acid research ［J］.Hum Genet.2008 Jan；122（6）：565-581