劉二俊 聶劉旺

（安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 安徽蕪湖 241000）

2017年全國(guó)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(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)為證明DNA 是遺傳物質(zhì)做出了重要貢獻(xiàn)，也可以說是基因工程的先導(dǎo)，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(biāo)準(zhǔn)答案是：DNA 可以從一種生物個(gè)體轉(zhuǎn)移到另一種生物個(gè)體。（3 分，其他合理答案可酌情給分）。

翻閱人教版高中生物學(xué)教材必修2《遺傳與進(jìn)化》，在第3 章第1 節(jié)“DNA 是主要的遺傳物質(zhì)”中，介紹了艾弗里的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，而在第6 章第2 節(jié)“基因工程及其應(yīng)用”中，對(duì)基因工程技術(shù)的原理有過簡(jiǎn)單而形象的說明。不難發(fā)現(xiàn)，無論是在內(nèi)容的編寫還是在教材中所處的位置，編者都并未有意識(shí)地將兩者聯(lián)系起來。而從時(shí)間的跨度上看，艾弗里的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)完成于1944年前后，基因工程技術(shù)是從70年代才發(fā)展起來，前后相距約30年，由此可見，兩者的相關(guān)性似乎并不顯著，然而，在這道題中，出題人創(chuàng)見性地將兩者結(jié)合起來，提出艾弗里的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)是基因工程的先導(dǎo)這一說法。那么，肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)

艾弗里是杰出的生物學(xué)家，出生于1877年10月21日。1913年，他進(jìn)入了洛克菲勒研究所從事肺炎菌的相關(guān)研究，正是在這里，他進(jìn)行了著名的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，動(dòng)搖了蛋白質(zhì)作為遺傳物質(zhì)的地位［1］。但在當(dāng)時(shí)由核酸化學(xué)界的泰斗列文提出的“四核苷酸”假說深入人心，使得他的實(shí)驗(yàn)未能引起廣泛重視，這無疑是科學(xué)界的一大憾事。

從人教版高中生物學(xué)教材《遺傳與進(jìn)化》“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”一節(jié)的內(nèi)容編排上看，格里菲斯的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)、艾弗里的體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，以及之后郝爾希和蔡斯的肺炎雙球菌侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)，三者處于承接關(guān)系，前者是后者的基礎(chǔ)，后者是前者的遞進(jìn)。下文對(duì)前2 個(gè)實(shí)驗(yàn)作粗淺的分析。

1928年，英國(guó)醫(yī)學(xué)家格里菲斯在研究肺炎雙球菌的致病機(jī)理時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)了S 型菌和R 型菌的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象（高中教材中對(duì)這一實(shí)驗(yàn)有較為詳細(xì)的敘述，不再贅述）。據(jù)此，他猜測(cè)：在已經(jīng)被加熱殺死的S 型菌中，必然存在某種物質(zhì)，促使無毒的R 型菌轉(zhuǎn)化為有毒的S 型菌。之后，艾弗里將這種物質(zhì)稱為“轉(zhuǎn)化因子”。

為了弄清“轉(zhuǎn)化因子”究竟是何物質(zhì)，艾弗里及其同事將格里菲斯的體內(nèi)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)至體外進(jìn)行。人教版高中生物學(xué)教材對(duì)這一實(shí)驗(yàn)的說明如圖1所示,他的實(shí)驗(yàn)證明了轉(zhuǎn)化因子就是DNA。

2 艾弗里轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)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(shù)或DNA 重組技術(shù),它以分子遺傳學(xué)為理論指導(dǎo),將不同來源的基因在體外構(gòu)建成DNA 重組體,然后導(dǎo)入活細(xì)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(fā)展史，需要追溯到20 世紀(jì)中葉，分子生物學(xué)、生物化學(xué)和微生物學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)理論取得重大突破。1944年，艾弗里等人通過肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，證明了DNA 是遺傳物質(zhì)，成為基因工程的先導(dǎo)。1953年，沃森和克里克建立了DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，證實(shí)了DNA 作為遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。1957年，克里克又提出中心法則，初步構(gòu)想出遺傳信息流動(dòng)的方向。1年后，梅塞爾松和斯塔爾運(yùn)用同位素示蹤技術(shù)，巧妙地證實(shí)了DNA 的半保留復(fù)制。之后，蛋白質(zhì)的合成過程又被揭示。至此，中心法則獲得了科學(xué)界的公認(rèn)。這一系列重大理論成果的提出，為基因工程技術(shù)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(shí)驗(yàn)證實(shí)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(jù)。20 世紀(jì)下半葉，一系列的重大發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明使基因工程的實(shí)施成為可能。1967年，羅思和赫林斯基發(fā)現(xiàn)細(xì)菌擬核DNA 之外的質(zhì)粒有自我復(fù)制能力，并可以在細(xì)菌細(xì)胞間轉(zhuǎn)移，這一發(fā)現(xiàn)無疑為基因轉(zhuǎn)移找到了一種運(yùn)載工具。1970年，阿爾伯、內(nèi)森斯和史密斯在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)了第1 個(gè)限制性內(nèi)切酶，之后科學(xué)家又相繼發(fā)現(xiàn)多種限制酶、連接酶和逆轉(zhuǎn)錄酶，這些發(fā)現(xiàn)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(gòu)建了第1 個(gè)體外重組DNA分子。之后，博耶和科恩將體外重組DNA 分子轉(zhuǎn)入大腸桿菌DNA 中，轉(zhuǎn)錄出相應(yīng)的mRNA, 實(shí)現(xiàn)了外源基因在原核細(xì)胞中的表達(dá)，這成為基因工程正式問世的標(biāo)志。20 世紀(jì)80年代，科學(xué)家相繼培育出轉(zhuǎn)基因小鼠和轉(zhuǎn)基因煙草，穆里斯發(fā)明了PCR 技術(shù)，于是，基因工程技術(shù)蓬勃發(fā)展?；仡櫥蚬こ痰陌l(fā)展史發(fā)現(xiàn)，艾弗里轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)在基因工程技術(shù)的興起中實(shí)則充當(dāng)?shù)氖悄颈舅吹慕巧科涓?，前者為后者提供了多方面的啟示?/p>

啟示1：DNA 可以從一個(gè)生物個(gè)體轉(zhuǎn)移至另一個(gè)生物個(gè)體。

回顧艾弗里的實(shí)驗(yàn)過程，S 型菌的DNA 作為外源DNA，直接進(jìn)入了R 型菌中指導(dǎo)新性狀的形成。之后，郝爾希和蔡斯的實(shí)驗(yàn)中，利用DNA 含有32P 標(biāo)記或蛋白質(zhì)含有35S 標(biāo)記的噬菌體，分別侵染未被標(biāo)記的大腸桿菌，結(jié)果也證明了，正是DNA 進(jìn)入了R 型菌的細(xì)胞中，指導(dǎo)該菌形成了S型新性狀。所以，艾弗里的實(shí)驗(yàn)說明了DNA 可以從一個(gè)生物個(gè)體轉(zhuǎn)移至另一個(gè)生物個(gè)體。實(shí)際上，在自然界中也存在類似的DNA 轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。早在1907年，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，根癌農(nóng)桿菌侵染植物后會(huì)使植物形成冠癭瘤，冠癭瘤細(xì)胞產(chǎn)生冠癭堿，為根癌農(nóng)桿菌所利用。1974年，根癌農(nóng)桿菌致瘤機(jī)制被揭示，原來，這種細(xì)菌在感染植物時(shí)，細(xì)胞內(nèi)環(huán)形Ti 質(zhì)粒上一段T-DNA 可以轉(zhuǎn)移進(jìn)入植物細(xì)胞核并整合到基因組中，隨基因組進(jìn)行遺傳和表達(dá)［2］。DNA可以在不同物種中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，為基因工程技術(shù)的建立奠定了理論基礎(chǔ)。

啟示2：人類可以在體外對(duì)DNA 進(jìn)行操作。

比較格里菲斯和艾弗里的實(shí)驗(yàn),可以看出，前者是在小鼠體內(nèi)進(jìn)行的，而人的肉眼無法觀察到有機(jī)體內(nèi)部的物質(zhì)變化，所以他的實(shí)驗(yàn)其實(shí)還存在一系列未知的干擾因素。相比之下，艾弗里將轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)至體外進(jìn)行，即將DNA 提取出來后，進(jìn)行操作，再轉(zhuǎn)至體內(nèi)，觀察效果。這無疑使實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)潔明了，更具說服力。DNA 可以在體外進(jìn)行操作，為基因工程的建立奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。今天在基因工程中常用的技術(shù)手段，例如基因重組、 基因融合、DNA 酶切等，無一不是在體外對(duì)DNA 進(jìn)行操作的?；蛑亟M技術(shù)克服了生物親緣關(guān)系的局限，它用限制性內(nèi)切酶在體外將目的基因從DNA 鏈上切割下來，即DNA 酶切，再運(yùn)用連接酶將目的基因與載體組合成DNA 重組體，轉(zhuǎn)至受體細(xì)胞中，以形成全新的性狀?；蛉诤显谌祟惢蚪M的遺傳表達(dá)中也可自然發(fā)生，但往往成為致病的因素，例如分子遺傳學(xué)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(fā)生中起重要作用［3］。而基因工程卻是運(yùn)用融合技術(shù)造福人類，其基本原則是：將第1 個(gè)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(gè)蛋白基因，將融合基因轉(zhuǎn)至受體細(xì)胞中進(jìn)行表達(dá)，表達(dá)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(xì)胞增殖等免疫調(diào)節(jié)功能的蛋白質(zhì)，已被成功應(yīng)用于治療各種病毒感染和腫瘤［5］，人醫(yī)臨床上常用人血清蛋白與干擾素的融合蛋白延長(zhǎng)干擾素半衰期，使得干擾素能夠發(fā)揮更大效用。

啟示3：為DNA 在不同物種中的轉(zhuǎn)移奠定了方法學(xué)基礎(chǔ)。

在啟示1 中已經(jīng)提到，根癌農(nóng)桿菌細(xì)胞中的T-DNA 構(gòu)成了天然的遺傳轉(zhuǎn)化體系，那么，是否可以利用某些技術(shù)手段，人為地實(shí)現(xiàn)DNA 在不同物種中的轉(zhuǎn)移？ 答案是肯定的?；蚬こ碳夹g(shù)中，最初就是用艾弗里的方法將DNA 與受體細(xì)胞混合，直接進(jìn)行轉(zhuǎn)化，但轉(zhuǎn)化效率極低，隨著技術(shù)的發(fā)展，新轉(zhuǎn)化方法不斷被開發(fā)，例如運(yùn)用花粉管通道法轉(zhuǎn)化植物細(xì)胞、顯微注射法轉(zhuǎn)化動(dòng)物細(xì)胞、基因槍法和激光微束穿刺法等則可應(yīng)用到多種類型細(xì)胞，使轉(zhuǎn)化的效率得到大幅提高?；ǚ酃芡ǖ婪梢宰匪莸?980年，Hess 等利用花粉萌發(fā)時(shí)吸收外源DNA 技術(shù)，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(zhuǎn)移到具有正常綠色色素組織的受體植株中，獲得轉(zhuǎn)基因植株［7］。自此，花粉管通道法作為一項(xiàng)新技術(shù)開始應(yīng)用于DNA 轉(zhuǎn)移中，主要為農(nóng)作物的增產(chǎn)豐收作出極大貢獻(xiàn)，例如最新的研究成果表明，利用花粉管通道法將BpMADS3基因?qū)胗衩准?xì)胞中，對(duì)玉米花期提前和產(chǎn)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?qū)敕?，其利用基因槍轟擊受體細(xì)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(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院徐瓊芳等曾采用這一技術(shù)將外源基因?qū)氡本┑貐^(qū)主栽品種京411 的未成熟胚中，獲得了轉(zhuǎn)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(shù)將外源基因?qū)胄←溛闯墒炫咛カ@取轉(zhuǎn)基因小麥的具體指導(dǎo)。

啟示4：艾弗里的實(shí)驗(yàn)初步勾勒出基因工程的技術(shù)藍(lán)圖。

艾弗里的實(shí)驗(yàn)中，DNA 從S 型菌轉(zhuǎn)移至R 型菌后，使R 型菌的性狀發(fā)生改變，從無毒性變成有毒性，這說明，DNA 轉(zhuǎn)移可以使受體的遺傳性狀發(fā)生改變。是否可以利用DNA 轉(zhuǎn)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(gòu)想，它已初步勾勒出基因工程的技術(shù)藍(lán)圖?；蚬こ痰乃{(lán)圖可以簡(jiǎn)要?dú)w納為“切、接、轉(zhuǎn)、檢”，而艾弗里的實(shí)驗(yàn)正是采用了這些操作。基因工程的目的是定向改造生物個(gè)體的遺傳性狀，這也與艾弗里的實(shí)驗(yàn)不謀而合。由此可見，艾弗里的實(shí)驗(yàn)早已為基因工程謀篇布局，可謂基因工程的先導(dǎo)，只是限于當(dāng)時(shí)知識(shí)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(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)不僅證明了DNA 是遺傳物質(zhì)，還為DNA 可轉(zhuǎn)移、可操作提供了有力佐證，為基因工程奠定方法學(xué)基礎(chǔ)、繪制技術(shù)藍(lán)圖，正可謂基因工程的先導(dǎo)。