艾弗里的转化实验为基因工程理论的建立提供的启示

刘二俊 聂刘旺

（安徽师范大学生命科学学院 安徽芜湖 241000）

2017年全国高考Ⅰ卷第38 题是一道选做题，分值为15 分，其中的第5 小题：艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验为证明DNA 是遗传物质做出了重要贡献，也可以说是基因工程的先导，如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示，那么，这一启示是_______________。该题的标准答案是：DNA 可以从一种生物个体转移到另一种生物个体。（3 分，其他合理答案可酌情给分）。

翻阅人教版高中生物学教材必修2《遗传与进化》，在第3 章第1 节“DNA 是主要的遗传物质”中，介绍了艾弗里的转化实验，而在第6 章第2 节“基因工程及其应用”中，对基因工程技术的原理有过简单而形象的说明。不难发现，无论是在内容的编写还是在教材中所处的位置，编者都并未有意识地将两者联系起来。而从时间的跨度上看，艾弗里的转化实验完成于1944年前后，基因工程技术是从70年代才发展起来，前后相距约30年，由此可见，两者的相关性似乎并不显著，然而，在这道题中，出题人创见性地将两者结合起来，提出艾弗里的转化实验是基因工程的先导这一说法。那么，肺炎双球菌转化实验究竟为基因工程理论的建立提供了哪些启示？

1 艾弗里的肺炎双球菌转化实验

艾弗里是杰出的生物学家，出生于1877年10月21日。1913年，他进入了洛克菲勒研究所从事肺炎菌的相关研究，正是在这里，他进行了著名的肺炎双球菌转化实验，动摇了蛋白质作为遗传物质的地位［1］。但在当时由核酸化学界的泰斗列文提出的“四核苷酸”假说深入人心，使得他的实验未能引起广泛重视，这无疑是科学界的一大憾事。

从人教版高中生物学教材《遗传与进化》“DNA是主要的遗传物质”一节的内容编排上看，格里菲斯的体内转化实验、艾弗里的体外转化实验，以及之后郝尔希和蔡斯的肺炎双球菌侵染大肠杆菌的实验，三者处于承接关系，前者是后者的基础，后者是前者的递进。下文对前2 个实验作粗浅的分析。

1928年，英国医学家格里菲斯在研究肺炎双球菌的致病机理时，意外地发现了S 型菌和R 型菌的转化现象（高中教材中对这一实验有较为详细的叙述，不再赘述）。据此，他猜测：在已经被加热杀死的S 型菌中，必然存在某种物质，促使无毒的R 型菌转化为有毒的S 型菌。之后，艾弗里将这种物质称为“转化因子”。

为了弄清“转化因子”究竟是何物质，艾弗里及其同事将格里菲斯的体内转化实验转至体外进行。人教版高中生物学教材对这一实验的说明如图1所示,他的实验证明了转化因子就是DNA。

2 艾弗里转化实验为基因工程理论建立提供的启示

基因工程（genetic engineering）,又称基因拼接技术或DNA 重组技术,它以分子遗传学为理论指导,将不同来源的基因在体外构建成DNA 重组体,然后导入活细胞,以改变生物原有的遗传特性，获得新品种。谈及基因工程的发展史，需要追溯到20 世纪中叶，分子生物学、生物化学和微生物学等学科的基础理论取得重大突破。1944年，艾弗里等人通过肺炎双球菌转化实验，证明了DNA 是遗传物质，成为基因工程的先导。1953年，沃森和克里克建立了DNA 双螺旋结构模型，证实了DNA 作为遗传物质的结构基础。1957年，克里克又提出中心法则，初步构想出遗传信息流动的方向。1年后，梅塞尔松和斯塔尔运用同位素示踪技术，巧妙地证实了DNA 的半保留复制。之后，蛋白质的合成过程又被揭示。至此，中心法则获得了科学界的公认。这一系列重大理论成果的提出，为基因工程技术的萌芽浇水施肥。1963年，尼伦伯格和马太破译了编码氨基酸的遗传密码。1966年，霍拉纳用实验证实了前者提出的遗传密码的存在。这一成果揭示了遗传密码子在生物界的通用性，并且为基因的分离和合成等提供了理论依据。20 世纪下半叶，一系列的重大发现和技术发明使基因工程的实施成为可能。1967年，罗思和赫林斯基发现细菌拟核DNA 之外的质粒有自我复制能力，并可以在细菌细胞间转移，这一发现无疑为基因转移找到了一种运载工具。1970年，阿尔伯、内森斯和史密斯在细菌中发现了第1 个限制性内切酶，之后科学家又相继发现多种限制酶、连接酶和逆转录酶，这些发现无疑又为DNA 的切割、连接及目的基因的获取提供了一套绝佳的工具。1972年，伯格成功构建了第1 个体外重组DNA分子。之后，博耶和科恩将体外重组DNA 分子转入大肠杆菌DNA 中，转录出相应的mRNA, 实现了外源基因在原核细胞中的表达，这成为基因工程正式问世的标志。20 世纪80年代，科学家相继培育出转基因小鼠和转基因烟草，穆里斯发明了PCR 技术，于是，基因工程技术蓬勃发展。回顾基因工程的发展史发现，艾弗里转化实验在基因工程技术的兴起中实则充当的是木本水源的角色，究其根本，前者为后者提供了多方面的启示：

启示1：DNA 可以从一个生物个体转移至另一个生物个体。

回顾艾弗里的实验过程，S 型菌的DNA 作为外源DNA，直接进入了R 型菌中指导新性状的形成。之后，郝尔希和蔡斯的实验中，利用DNA 含有32P 标记或蛋白质含有35S 标记的噬菌体，分别侵染未被标记的大肠杆菌，结果也证明了，正是DNA 进入了R 型菌的细胞中，指导该菌形成了S型新性状。所以，艾弗里的实验说明了DNA 可以从一个生物个体转移至另一个生物个体。实际上，在自然界中也存在类似的DNA 转化现象。早在1907年，科学家就发现，根癌农杆菌侵染植物后会使植物形成冠瘿瘤，冠瘿瘤细胞产生冠瘿碱，为根癌农杆菌所利用。1974年，根癌农杆菌致瘤机制被揭示，原来，这种细菌在感染植物时，细胞内环形Ti 质粒上一段T-DNA 可以转移进入植物细胞核并整合到基因组中，随基因组进行遗传和表达［2］。DNA可以在不同物种中实现转移，为基因工程技术的建立奠定了理论基础。

启示2：人类可以在体外对DNA 进行操作。

比较格里菲斯和艾弗里的实验,可以看出，前者是在小鼠体内进行的，而人的肉眼无法观察到有机体内部的物质变化，所以他的实验其实还存在一系列未知的干扰因素。相比之下，艾弗里将转化实验转至体外进行，即将DNA 提取出来后，进行操作，再转至体内，观察效果。这无疑使实验简洁明了，更具说服力。DNA 可以在体外进行操作，为基因工程的建立奠定了技术基础。今天在基因工程中常用的技术手段，例如基因重组、 基因融合、DNA 酶切等，无一不是在体外对DNA 进行操作的。基因重组技术克服了生物亲缘关系的局限，它用限制性内切酶在体外将目的基因从DNA 链上切割下来，即DNA 酶切，再运用连接酶将目的基因与载体组合成DNA 重组体，转至受体细胞中，以形成全新的性状。基因融合在人类基因组的遗传表达中也可自然发生，但往往成为致病的因素，例如分子遗传学研究表明，染色体易位后大多造成基因融合，这些融合基因在多种白血病的发生中起重要作用［3］。而基因工程却是运用融合技术造福人类，其基本原则是：将第1 个蛋白基因的终止密码子删除，再接上带有终止密码子的第2个蛋白基因，将融合基因转至受体细胞中进行表达，表达得到的融合蛋白能够具有更高的活性［4］，带来更大效益，例如干扰素是一种具有抗病毒和抑制癌细胞增殖等免疫调节功能的蛋白质，已被成功应用于治疗各种病毒感染和肿瘤［5］，人医临床上常用人血清蛋白与干扰素的融合蛋白延长干扰素半衰期，使得干扰素能够发挥更大效用。

启示3：为DNA 在不同物种中的转移奠定了方法学基础。

在启示1 中已经提到，根癌农杆菌细胞中的T-DNA 构成了天然的遗传转化体系，那么，是否可以利用某些技术手段，人为地实现DNA 在不同物种中的转移？ 答案是肯定的。基因工程技术中，最初就是用艾弗里的方法将DNA 与受体细胞混合，直接进行转化，但转化效率极低，随着技术的发展，新转化方法不断被开发，例如运用花粉管通道法转化植物细胞、显微注射法转化动物细胞、基因枪法和激光微束穿刺法等则可应用到多种类型细胞，使转化的效率得到大幅提高。花粉管通道法可以追溯到1980年，Hess 等利用花粉萌发时吸收外源DNA 技术，得到了来自外源DNA 的花色变异 的 矮 牵 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，从而将供体植株的DNA 转移到具有正常绿色色素组织的受体植株中，获得转基因植株［7］。自此，花粉管通道法作为一项新技术开始应用于DNA 转移中，主要为农作物的增产丰收作出极大贡献，例如最新的研究成果表明，利用花粉管通道法将BpMADS3基因导入玉米细胞中，对玉米花期提前和产量增加有极大功效［8］。除此之外，基因枪法几乎是一种全能的外源基因导入法，其利用基因枪轰击受体细胞，从而直接送入包裹了带目的基因的DNA 溶液的高速微弹。中国农业科学院徐琼芳等曾采用这一技术将外源基因导入北京地区主栽品种京411 的未成熟胚中，获得了转基因植株［9］。Caroline A. Sparks 和Huw D. Jones［10］也于2008年提出了使用粒子轰击技术将外源基因导入小麦未成熟胚胎获取转基因小麦的具体指导。

启示4：艾弗里的实验初步勾勒出基因工程的技术蓝图。

艾弗里的实验中，DNA 从S 型菌转移至R 型菌后，使R 型菌的性状发生改变，从无毒性变成有毒性，这说明，DNA 转移可以使受体的遗传性状发生改变。是否可以利用DNA 转移，按照人们的意愿，定向改造生物体的遗传性状？显然是可以的，以今天的视角看待这一构想，它已初步勾勒出基因工程的技术蓝图。基因工程的蓝图可以简要归纳为“切、接、转、检”，而艾弗里的实验正是采用了这些操作。基因工程的目的是定向改造生物个体的遗传性状，这也与艾弗里的实验不谋而合。由此可见，艾弗里的实验早已为基因工程谋篇布局，可谓基因工程的先导，只是限于当时知识的积累，尚未推出基因工程的概念而已。

综上所述，艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验不仅证明了DNA 是遗传物质，还为DNA 可转移、可操作提供了有力佐证，为基因工程奠定方法学基础、绘制技术蓝图，正可谓基因工程的先导。