艾弗里的轉化實驗為基因工程理論的建立提供的啟示

劉二俊 聶劉旺

（安徽師范大學生命科學學院 安徽蕪湖 241000）

2017年全國高考Ⅰ卷第38 題是一道選做題，分值為15 分，其中的第5 小題：艾弗里等人的肺炎雙球菌轉化實驗為證明DNA 是遺傳物質做出了重要貢獻，也可以說是基因工程的先導，如果說他們的工作為基因工程理論的建立提供了啟示，那么，這一啟示是_______________。該題的標準答案是：DNA 可以從一種生物個體轉移到另一種生物個體。（3 分，其他合理答案可酌情給分）。

翻閱人教版高中生物學教材必修2《遺傳與進化》，在第3 章第1 節“DNA 是主要的遺傳物質”中，介紹了艾弗里的轉化實驗，而在第6 章第2 節“基因工程及其應用”中，對基因工程技術的原理有過簡單而形象的說明。不難發現，無論是在內容的編寫還是在教材中所處的位置，編者都并未有意識地將兩者聯系起來。而從時間的跨度上看，艾弗里的轉化實驗完成于1944年前后，基因工程技術是從70年代才發展起來，前后相距約30年，由此可見，兩者的相關性似乎并不顯著，然而，在這道題中，出題人創見性地將兩者結合起來，提出艾弗里的轉化實驗是基因工程的先導這一說法。那么，肺炎雙球菌轉化實驗究竟為基因工程理論的建立提供了哪些啟示？

1 艾弗里的肺炎雙球菌轉化實驗

艾弗里是杰出的生物學家，出生于1877年10月21日。1913年，他進入了洛克菲勒研究所從事肺炎菌的相關研究，正是在這里，他進行了著名的肺炎雙球菌轉化實驗，動搖了蛋白質作為遺傳物質的地位［1］。但在當時由核酸化學界的泰斗列文提出的“四核苷酸”假說深入人心，使得他的實驗未能引起廣泛重視，這無疑是科學界的一大憾事。

從人教版高中生物學教材《遺傳與進化》“DNA是主要的遺傳物質”一節的內容編排上看，格里菲斯的體內轉化實驗、艾弗里的體外轉化實驗，以及之后郝爾希和蔡斯的肺炎雙球菌侵染大腸桿菌的實驗，三者處于承接關系，前者是后者的基礎，后者是前者的遞進。下文對前2 個實驗作粗淺的分析。

1928年，英國醫學家格里菲斯在研究肺炎雙球菌的致病機理時，意外地發現了S 型菌和R 型菌的轉化現象（高中教材中對這一實驗有較為詳細的敘述，不再贅述）。據此，他猜測：在已經被加熱殺死的S 型菌中，必然存在某種物質，促使無毒的R 型菌轉化為有毒的S 型菌。之后，艾弗里將這種物質稱為“轉化因子”。

為了弄清“轉化因子”究竟是何物質，艾弗里及其同事將格里菲斯的體內轉化實驗轉至體外進行。人教版高中生物學教材對這一實驗的說明如圖1所示,他的實驗證明了轉化因子就是DNA。

2 艾弗里轉化實驗為基因工程理論建立提供的啟示

基因工程（genetic engineering）,又稱基因拼接技術或DNA 重組技術,它以分子遺傳學為理論指導,將不同來源的基因在體外構建成DNA 重組體,然后導入活細胞,以改變生物原有的遺傳特性，獲得新品種。談及基因工程的發展史，需要追溯到20 世紀中葉，分子生物學、生物化學和微生物學等學科的基礎理論取得重大突破。1944年，艾弗里等人通過肺炎雙球菌轉化實驗，證明了DNA 是遺傳物質，成為基因工程的先導。1953年，沃森和克里克建立了DNA 雙螺旋結構模型，證實了DNA 作為遺傳物質的結構基礎。1957年，克里克又提出中心法則，初步構想出遺傳信息流動的方向。1年后，梅塞爾松和斯塔爾運用同位素示蹤技術，巧妙地證實了DNA 的半保留復制。之后，蛋白質的合成過程又被揭示。至此，中心法則獲得了科學界的公認。這一系列重大理論成果的提出，為基因工程技術的萌芽澆水施肥。1963年，尼倫伯格和馬太破譯了編碼氨基酸的遺傳密碼。1966年，霍拉納用實驗證實了前者提出的遺傳密碼的存在。這一成果揭示了遺傳密碼子在生物界的通用性，并且為基因的分離和合成等提供了理論依據。20 世紀下半葉，一系列的重大發現和技術發明使基因工程的實施成為可能。1967年，羅思和赫林斯基發現細菌擬核DNA 之外的質粒有自我復制能力，并可以在細菌細胞間轉移，這一發現無疑為基因轉移找到了一種運載工具。1970年，阿爾伯、內森斯和史密斯在細菌中發現了第1 個限制性內切酶，之后科學家又相繼發現多種限制酶、連接酶和逆轉錄酶，這些發現無疑又為DNA 的切割、連接及目的基因的獲取提供了一套絕佳的工具。1972年，伯格成功構建了第1 個體外重組DNA分子。之后，博耶和科恩將體外重組DNA 分子轉入大腸桿菌DNA 中，轉錄出相應的mRNA, 實現了外源基因在原核細胞中的表達，這成為基因工程正式問世的標志。20 世紀80年代，科學家相繼培育出轉基因小鼠和轉基因煙草，穆里斯發明了PCR 技術，于是，基因工程技術蓬勃發展。回顧基因工程的發展史發現，艾弗里轉化實驗在基因工程技術的興起中實則充當的是木本水源的角色，究其根本，前者為后者提供了多方面的啟示：

啟示1：DNA 可以從一個生物個體轉移至另一個生物個體。

回顧艾弗里的實驗過程，S 型菌的DNA 作為外源DNA，直接進入了R 型菌中指導新性狀的形成。之后，郝爾希和蔡斯的實驗中，利用DNA 含有32P 標記或蛋白質含有35S 標記的噬菌體，分別侵染未被標記的大腸桿菌，結果也證明了，正是DNA 進入了R 型菌的細胞中，指導該菌形成了S型新性狀。所以，艾弗里的實驗說明了DNA 可以從一個生物個體轉移至另一個生物個體。實際上，在自然界中也存在類似的DNA 轉化現象。早在1907年，科學家就發現，根癌農桿菌侵染植物后會使植物形成冠癭瘤，冠癭瘤細胞產生冠癭堿，為根癌農桿菌所利用。1974年，根癌農桿菌致瘤機制被揭示，原來，這種細菌在感染植物時，細胞內環形Ti 質粒上一段T-DNA 可以轉移進入植物細胞核并整合到基因組中，隨基因組進行遺傳和表達［2］。DNA可以在不同物種中實現轉移，為基因工程技術的建立奠定了理論基礎。

啟示2：人類可以在體外對DNA 進行操作。

比較格里菲斯和艾弗里的實驗,可以看出，前者是在小鼠體內進行的，而人的肉眼無法觀察到有機體內部的物質變化，所以他的實驗其實還存在一系列未知的干擾因素。相比之下，艾弗里將轉化實驗轉至體外進行，即將DNA 提取出來后，進行操作，再轉至體內，觀察效果。這無疑使實驗簡潔明了，更具說服力。DNA 可以在體外進行操作，為基因工程的建立奠定了技術基礎。今天在基因工程中常用的技術手段，例如基因重組、 基因融合、DNA 酶切等，無一不是在體外對DNA 進行操作的。基因重組技術克服了生物親緣關系的局限，它用限制性內切酶在體外將目的基因從DNA 鏈上切割下來，即DNA 酶切，再運用連接酶將目的基因與載體組合成DNA 重組體，轉至受體細胞中，以形成全新的性狀。基因融合在人類基因組的遺傳表達中也可自然發生，但往往成為致病的因素，例如分子遺傳學研究表明，染色體易位后大多造成基因融合，這些融合基因在多種白血病的發生中起重要作用［3］。而基因工程卻是運用融合技術造福人類，其基本原則是：將第1 個蛋白基因的終止密碼子刪除，再接上帶有終止密碼子的第2個蛋白基因，將融合基因轉至受體細胞中進行表達，表達得到的融合蛋白能夠具有更高的活性［4］，帶來更大效益，例如干擾素是一種具有抗病毒和抑制癌細胞增殖等免疫調節功能的蛋白質，已被成功應用于治療各種病毒感染和腫瘤［5］，人醫臨床上常用人血清蛋白與干擾素的融合蛋白延長干擾素半衰期，使得干擾素能夠發揮更大效用。

啟示3：為DNA 在不同物種中的轉移奠定了方法學基礎。

在啟示1 中已經提到，根癌農桿菌細胞中的T-DNA 構成了天然的遺傳轉化體系，那么，是否可以利用某些技術手段，人為地實現DNA 在不同物種中的轉移？ 答案是肯定的。基因工程技術中，最初就是用艾弗里的方法將DNA 與受體細胞混合，直接進行轉化，但轉化效率極低，隨著技術的發展，新轉化方法不斷被開發，例如運用花粉管通道法轉化植物細胞、顯微注射法轉化動物細胞、基因槍法和激光微束穿刺法等則可應用到多種類型細胞，使轉化的效率得到大幅提高。花粉管通道法可以追溯到1980年，Hess 等利用花粉萌發時吸收外源DNA 技術，得到了來自外源DNA 的花色變異 的 矮 牽 牛［6］，1983年，周 光 宇 在Methods in Enzymology首次提出花粉管通道法，1985年，Duan和Chen 在授粉后向子房注射含有目的基因的DNA 溶液，從而將供體植株的DNA 轉移到具有正常綠色色素組織的受體植株中，獲得轉基因植株［7］。自此，花粉管通道法作為一項新技術開始應用于DNA 轉移中，主要為農作物的增產豐收作出極大貢獻，例如最新的研究成果表明，利用花粉管通道法將BpMADS3基因導入玉米細胞中，對玉米花期提前和產量增加有極大功效［8］。除此之外，基因槍法幾乎是一種全能的外源基因導入法，其利用基因槍轟擊受體細胞，從而直接送入包裹了帶目的基因的DNA 溶液的高速微彈。中國農業科學院徐瓊芳等曾采用這一技術將外源基因導入北京地區主栽品種京411 的未成熟胚中，獲得了轉基因植株［9］。Caroline A. Sparks 和Huw D. Jones［10］也于2008年提出了使用粒子轟擊技術將外源基因導入小麥未成熟胚胎獲取轉基因小麥的具體指導。

啟示4：艾弗里的實驗初步勾勒出基因工程的技術藍圖。

艾弗里的實驗中，DNA 從S 型菌轉移至R 型菌后，使R 型菌的性狀發生改變，從無毒性變成有毒性，這說明，DNA 轉移可以使受體的遺傳性狀發生改變。是否可以利用DNA 轉移，按照人們的意愿，定向改造生物體的遺傳性狀？顯然是可以的，以今天的視角看待這一構想，它已初步勾勒出基因工程的技術藍圖。基因工程的藍圖可以簡要歸納為“切、接、轉、檢”，而艾弗里的實驗正是采用了這些操作。基因工程的目的是定向改造生物個體的遺傳性狀，這也與艾弗里的實驗不謀而合。由此可見，艾弗里的實驗早已為基因工程謀篇布局，可謂基因工程的先導，只是限于當時知識的積累，尚未推出基因工程的概念而已。

綜上所述，艾弗里等人的肺炎雙球菌轉化實驗不僅證明了DNA 是遺傳物質，還為DNA 可轉移、可操作提供了有力佐證，為基因工程奠定方法學基礎、繪制技術藍圖，正可謂基因工程的先導。