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苦行僧的博客  
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老虎机和分子生物学(15) 一支破试管引起的科学革命 2019-02-09 18:01:48

      在Luria-Delbruck实验中,Luria发现即使是细菌这类连细胞核都没有的微生物也有自己的基因,而且这些基因可能随机地发生突变。遵寻达尔文的"自然选择"的机制,环境因子(如噬菌体的存在)可以定向地选择出对其具有抗性的突变菌株。这篇论文成为了细菌遗传学的经典。

      利用相类似的方法,Luria于1944年进一步单独发现:即使噬菌体这种被Delbruck视为"生物界的原子"、没有完整的细胞结构、只有寄生在宿主体内才能完成自我复制、被认为是"基因的最小单位"、"仅由蛋白质组成的大分子复合物"(当时无人知道噬菌体内有核酸)也有自己的基因,而且还会发生突变。发生在噬菌体上的突变可以影响它们在不同细菌类型中的寄生能力(即宿主范围)。过篇文章开辟了另外的一个新的研究领域一一一病毒遗传学。

      在研究这些细菌和噬菌体的基因突变时,Luria发现一个奇怪的现象:正常情况下,T2和T6可感染大肠杆菌B菌株后,会导致细菌裂解并释放出大量新的T2和T6噬菌体。然而,当T2和T6噬菌体感染一种被称为B/4o的菌株一一一一种大肠杆菌B菌株的变种一一一时,T2和T6噬菌体可以正常地吸附到B/4o细菌的表面,在显微镜下也可以观察到被感染的B/4o细菌很快就发生了裂解,然而利用这些B/4o细菌裂解液来感染大肠杆菌B菌株时,没有任何噬菌斑产生。仿佛T2和T6噬菌体在感染B/4o细菌并导致B/4o裂解后后,却没有产生新的T2和T6噬菌体,或者产生了失去正常功能的噬菌体。

      这一困惑着Luria的新现象终于由于一次失败的实验而得到了解决一一一也就是Luria自己介绍的一支幸运的破试管和限制性内切酶的故事。

      一天早晨,已经从印地安那大学转到伊利诺伊大学(University of Illinois at Urbana–Champaign)工作的Luria来到实验室时发现,前一天晚上一支用来培养对T2和T6噬菌体敏感的大肠杆菌菌株的玻璃试管破了。为了不浪费其他同时准备的实验材料,Luria向自己的研究助理Giuseppe Bertani要了一管志贺氏菌(Shigella)来代替。

      大肠杆菌(E. coli)和志贺氏菌(Shigella)是两种完全不同的菌种。虽然Luria预测志贺氏菌可能得到与大肠杆菌相似的结果,然而这一次阴差阳错的失误却给他带来了一个巨大的惊喜。

      虽然T2和T6噬菌体感染B/4o细菌后导致了B/4o的裂解,但利用传统的感染大肠杆菌B菌株的方法,Luria没有在裂解液中检测到T2和T6噬菌体的存在。然而这些"没有噬菌体"的B/4o裂解液可以感染并裂解志贺氏菌,说明B/4o裂解液中确实存在大量的T2和T6噬菌体,只是在感染B/4o后,B/4o菌株中存在的某种因子对T2和T6噬菌体进行了某种修饰(Modification)后成为变异的T*2和T*6噬菌体。大肠杆菌B菌株具有某种特殊的能力限制(Restriction)这种在B/4o突变菌株中修饰过的T*2和T*6噬菌体对B菌株的感染,因而无法在B菌株中增殖并导致其裂解。

      然而,这种经过B/4o菌株修饰过的T*2和T*6噬菌体可以像正常的T2和T6噬菌体一样感染和裂解志贺氏菌。更有趣的是,这种修饰过的T*2和T*6噬菌体感染志贺氏菌后,释放出来的噬菌体似乎又恢复了正常一一一即重新获得了感染大肠杆菌B菌株的能力,说明经过B/4o菌株修饰过的T*2和T*6噬菌体丧失的感染大肠杆菌B菌株的能力的这种性状是不能遗传的,不是由基因突变造成的。

      生物学界的这一重要现象就这样由于偶然的一支破试管而在1952年被由Luria发现。从此,这一发现一直困扰着科学家们,直到十多年后一位后来在梵帝冈科学院拥有崇高地位的瑞士科学家Werner Arber从"噬菌体帮"那里学习噬菌体技术,并从Giuseppe Bertani慷慨赠送的大肠杆菌菌株中分离出限制性内切酶。现在我们大家都知道,作为保护自己不受病毒的感染的一种自我防卫的方式,细菌体内会产生某些DNA内切酶,将入侵的病毒DNA剪切和破坏掉。由于病毒DNA和细菌DNA一样都是由A、T、C、G四种碱基组成,不同的菌株中表达一种称为甲基转移酶的蛋白质,将自身的DNA进行甲基化标记,从而让自身的限制性内切酶在切除入侵的未经甲基化修饰的病毒DNA的同时不会伤及细菌本身。

      由此推理(请有兴趣的读者自行查阅),Luria发现的大肠杆菌B/4o突变菌株中应该是其甲基转移酶发生突变的结果。从由于B菌株的甲基转移酶是正常的,从B菌株裂解释放出来的T2和T6噬菌体的DNA是被甲基化修饰过的。当正常的T2和T6噬菌体感染B/4o菌株后,新合成的异常的T*2和T*6噬菌体DNA没有被甲基化修饰。当从B/4o菌株T*2和T*6噬菌体再次感染B菌株时,其DNA会被B菌株产生的限制性内切酶剪切掉,无法再感染B菌株。由于甲基化转移酶和限制性内切酶都是由细菌的基因决定,所以发生在噬菌体上的变化是无法遗传的。从严格意义来讲,Luria 发现的"Modification"其实应该称为"Demodification"。

      由于每种限制性内切酶都只能剪切DNA中特定的碱基序列,因此成为分子生物学和基因工程中的一个重要工具,让人类克隆基因成为可能,直接导致了基因工程这一学科的发展和在工业中的广泛应用。

      从Gregor Mendel提出遗传因子的概念,到Thomas H. Morgan利用传统的杂交技术将基因在染色体上进行定位,到Max Delbruck提出基因是一种分子,进而由Oswald Avery和Alfred Hershey等证明基因的分子属性是DNA以来,限制性内切酶的发现更直接推动了生物学上的一场工业革命,让人类可以通过基因工程的方式来改变某种生物的基因。在这一场革命中,发现这一现象并提出"修饰和限制"的概念的Luria是当之无愧的领军人物。


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