证明DNA是遗传物质的实验

英国细菌学家格里菲斯（Griffith）报告了他用肺炎双球菌感染小鼠的实验结果。肺炎双球菌主要有两种品系：一种在细菌细胞外包裹有多糖荚膜，荚膜能保护细菌免受宿主正常防御体系的杀灭，因而在感染后能导致人类患肺炎，对小鼠则能使其患败血症而死亡。荚膜的存在也使细菌在培养基上形成光滑的菌落，所以被称为光滑型或S型。S型的肺炎双球菌又有许多种血清型，分别被称为SⅠ、SⅡ、S Ⅲ、……等，其物质基础是构成荚膜的多糖的差异。另一种在细菌细胞外没有多糖荚膜，不能保护细菌免受宿主正常防御体系的杀灭，因而是不致病的。它们在培养基上形成粗糙的菌落，所以被称为粗糙型或R型。R型是由于S型的肺炎双球菌发生突变而丧失了合成荚膜的能力，发生这种突变的基因现在也已查清了。不同血清型的S型肺炎双球菌都能突变形成R型，它们又都能发生回复突变形成相应的SⅠ、SⅡ、S Ⅲ、……等。格里菲斯的实验是从SⅡ型细菌中分离得到突变的R型，将这些活的R型细菌与高温杀死的SⅢ型细菌混和并注射到小鼠体内，结果小鼠竟罹患败血症而死亡，并且从其心血中分离到活的S Ⅲ型肺炎双球菌。
这一结果可以有3种解释：⑴S Ⅲ型肺炎双球菌也许并没有完全被高温杀死。这一解释很快被否定，因为单独注射高温杀死的S Ⅲ型细菌并不能使小鼠患败血症而死亡。⑵R型细菌发生了回复突变。这一解释也不能成立，因为所使用的R型细菌是来自SⅡ型细菌的突变，如发生回复突变，从死鼠心血中理应分离到活的SⅡ型而非S Ⅲ型肺炎双球菌。⑶R型细菌从高温杀死的S Ⅲ型细菌中获得了某种物质，导致类型转化，具备了合成S Ⅲ型多糖荚膜的能力。格里菲斯选择了这种解释。1931年发现高温杀死的S Ⅲ型细菌能导致体外培养的R型细菌发生同样的转化，1933年又发现SⅢ型细菌的无细胞提取物也能转化体外培养的R型细菌，进一步肯定了细菌的转化。导致细菌转化的物质被称为转化因子。1941年，格里菲斯在一次希特勒发动的伦敦大轰炸中因实验室中弹而不幸身亡。艾弗里等进一步对转化因子进行研究，其方法是将含有转化因子的SⅢ型肺炎双球菌无细胞提取物中的各组分分别进行鉴定。他们开始也以为转化因子最可能是某种蛋白质，但用蛋白酶将各种蛋白质从提取物中除去后却发现其剩余物质仍保持着转化能力。提取物中的类脂、多糖、RNA等组分在随后的实验中也都被排除。然而，只要提取物中还有DNA，并且只需极低剂量，就能转化体外培养的R型细菌。转化后形成的S Ⅲ型肺炎双球菌其无细胞提取物中的DNA也能转化体外培养的R型细菌。他们因此得出结论：转化因子是DNA。艾弗里等1944年的报告使人们感到非常意外，因为，转化因子意味着决定遗传性状的物质，由于“四核苷酸假说”的统治，人们无法接受DNA是遗传物质这个事实。怀疑主要集中在两个方面：⑴不少人认为，DNA并非遗传物质，而只是荚膜形成的生理过程中发挥作用的一种物质。然而，随后的实验证明，一些与荚膜形成无关的性状也会因DNA而导致转化。例如，1949年证明从青霉素抗性的S型肺炎双球菌中提取的DNA能使从青霉素敏感性的S型肺炎双球菌突变而成的R型细菌转化为青霉素抗性S型细菌；用链霉素抗性和敏感性肺炎双球菌做转化实验也得到类似的结果。这说明，用于这些实验的S型肺炎双球菌其DNA不但带有形成荚膜所需的遗传信息，而且还带有形成青霉素抗性和链霉素抗性所需的遗传信息。⑵更多的人则认为在艾弗里等所得的转化因子DNA中仍混杂有少量的蛋白质，而正是这少量的蛋白质才是实际起转化作用的物质。事实上，到1949年，转化实验已将作为转化因子的DNA纯化到所含蛋白质不高于0.02%的程度，此时的转化效率不但不减，反而增高。尽管在今天看来，艾弗里等的一系列实验及其得出的结论都很有说服力，但在20世纪40年代，由于“四核苷酸假说”的影响，相信DNA是遗传物质的人是极少极少的。