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分子生物学约 10 分钟阅读

赫尔希–蔡斯 1952:搅拌器把硫和磷拆到细胞两侧

1952 年赫尔希与蔡斯用搅拌器把 T2 的硫和磷拆开:约四分之三的噬菌体硫被剪到溶液里,磷只有约一成五离开细胞,细胞仍能产生子代。论文没有宣布不含硫的其他物质没有进入细胞。

噬菌体DNA赫尔希蔡斯遗传物质

1952 年,阿尔弗雷德·赫尔希与玛莎·蔡斯在冷泉港卡内基研究所遗传学系发表 Independent Functions of Viral Protein and Nucleic Acid in Growth of Bacteriophage,载于 Journal of General Physiology 第 36 卷,第 39–56 页。对象不是肺炎链球菌的酶管,也不是双螺旋的几何。对象是噬菌体 T2 感染大肠杆菌时,用华林搅拌器把吸附在细胞表面的外壳剪下来,再问放射性硫和放射性磷分别落在溶液里还是留在仍能产生子代的细胞上。论文自己的摘要写得很窄:受感染细胞的悬浮液在搅拌器里搅动之后,噬菌体的硫有百分之七十五被释放到溶液中,磷只有百分之十五;细胞仍然能够产生噬菌体子代。由此,噬菌体的硫大部分留在细胞表面,噬菌体的 DNA 大部分进入细胞。不含硫的、DNA 以外的物质有没有进入细胞,尚未判定。

破除误解:不是百分之百的分流,也不是把 1944 年作废

第一个误解,是把搅拌器读成一次干净的全有或全无。百分之七十五的硫进了溶液,意味着还有约四分之一的硫没有被剪下来。百分之十五的磷进了溶液,意味着大部分磷留在细胞一侧,但不是每一份磷。教科书若画成“蛋白质全部在外、DNA 全部在内”,就把摘要里的“大部分”换成了“全部”。大部分已经够把两种标记的功能拆开。全部是后加的修辞。

第二个误解,是把 1952 年写成第一次证明遗传物质是 DNA,或写成把 1944 年埃弗里小组的纯化表作废。埃弗里、麦克劳德与麦卡蒂问的是肺炎链球菌转化因子跟哪一馏分走:蛋白酶和核糖核酸酶不灭活,脱氧核糖核酸酶关掉活性。读出是转化。赫尔希与蔡斯问的是 T2 的硫标记与磷标记在感染时是否分开走。读出是放射性在溶液与细胞之间的分配,以及细胞是否仍产生子代。两份实验都指向核酸而不是蛋白质外壳,材料、标记和读出都不同。后一份没有重做酶管。前一份没有使用搅拌器。病毒学总览把它们并列,正是为了不让搅拌器冒充酶管的续集,也不让酶管冒充噬菌体小组的语言。

第三个误解,是把论文没有写下的那一句补成已经证明。摘要第 5 点写明:这些事实表明,感染时噬菌体的大部分硫留在细胞表面,大部分噬菌体 DNA 进入细胞。不含硫的、DNA 以外的物质是否进入细胞,尚未判定。尚未判定,就不能写成“只有 DNA 进了细胞,任何别的东西都没进”。磷标记追踪的是 DNA 里的磷。硫标记追踪的是蛋白质里的硫。两者之间还有摘要自己留白的那一类物质。留白是论文的边界,不是后人可以替它填上的结论。

装置:两种标记、一次剪切、仍能产子代的细胞

T2 的蛋白质含硫,不含磷;它的 DNA 含磷,不含硫。因此用放射性硫标记的噬菌体,放射性主要在蛋白质上;用放射性磷标记的噬菌体,放射性主要在 DNA 上。两种标记不是同一次感染里的两支笔,而是两批制备。一批问硫往哪去,一批问磷往哪去。问完才把两张表并置。

感染之后,噬菌体吸附在细菌表面。搅拌器提供的是剪切,不是把细胞打碎的离心极限。摘要写的是:搅动把百分之七十五的噬菌体硫和只有百分之十五的噬菌体磷释放到溶液里,而这是施加的剪切力的结果。细胞在这之后仍然能够产生噬菌体子代。子代还在,说明被剪过的感染细胞没有变成一堆不能生产的碎片。生产还在,而大部分硫已经在溶液里,才使得“外壳蛋白质必须整份进入才能遗传”这句变得难站。磷大部分还在细胞一侧,才使得“遗传物质跟着磷标记走”有了正的对照。

渗透休克是同一篇长文里的另一张表,不要和搅拌器焊死。休克把 T2 颗粒拆开:几乎全部噬菌体硫留在能被抗噬菌体血清沉淀、并能特异吸附到细菌上的物质里;几乎全部噬菌体 DNA 被释放到溶液中,既不被抗血清沉淀,也不吸附到细菌上。含硫蛋白质因此被写成一层膜:它保护 DNA 免受脱氧核糖核酸酶,构成主要或唯一的抗原,并负责病毒附着到细菌上。膜的职务是附着与保护。膜的职务不是摘要已经证明的“遗传”。遗传那一句,靠的是感染时标记的去向加上子代仍能产生。

它证明了什么,没有证明什么

它证明:在这篇 1952 年的摘要所报告的搅拌条件下,噬菌体硫的百分之七十五进入溶液,磷只有百分之十五进入溶液,细胞仍能产生子代。它证明大部分硫留在表面、大部分 DNA 进入细胞,是这篇论文自己愿意写下的句子。它证明含硫蛋白质可以被描述成负责附着的膜。它没有证明不含硫的其他物质没有进入。它没有证明每一个磷原子都进了细胞,或每一个硫原子都留在外面。它没有给出双螺旋,没有给出碱基配对,也没有重做肺炎链球菌的元素比。

它也没有测量子代噬菌体里亲代标记的精确百分比,并把那个百分比写成遗传的定义。摘要把判决放在感染当下的分配和子代仍能产生。后来的教材若补上“百分之三十的磷进入子代、硫几乎不进入”,那是论文后部表格的另一读数,不能倒过来改写摘要已经用百分之七十五和百分之十五说完的剪切结果。本页停在摘要自己用来下结论的那两个释放比例,以及它明确说尚未判定的那一句。

1969 年诺贝尔生理学或医学奖把赫尔希与卢里亚、德尔布吕克并置,表彰的是噬菌体小组关于病毒复制与遗传结构的工作。奖项的并置不是实验的并置。卢里亚与德尔布吕克 1943 年比较的是培养物之间的方差,问抗性差异何时出现。他们的专页已经写明搅拌器是另一张表。本页领取的是 1952 年这张表,不领取 1943 年的方差。

深一层:标记的化学职务不能互相代替

硫被选中,是因为半胱氨酸和甲硫氨酸里有硫,DNA 的骨架里没有。磷被选中,是因为 DNA 的骨架里有磷,蛋白质里没有。选择标记的理由是化学职务不同,不是因为两种射线看起来一样。若一种生物分子既含硫又含磷,这套对照就会垮。T2 在当时已知的组成上把这两种职务分开了。分开是这套实验能做的前提。前提不是结论。结论仍要看剪切之后放射性落在哪一侧,以及那一侧的细胞还能不能生产。

这也是它和酶失活谱的差别。埃弗里小组用酶问活性跟哪一类分子一起消失。赫尔希与蔡斯用同位素问标记跟细胞的哪一侧一起留下。消失和留下都是排除。排除的对象不同:一个排除的是蛋白质馏分或 RNA 馏分作为转化因子,一个排除的是含硫外壳作为必须整份进入的遗传物质。排除不是同一句话。把两句收成“1952 年终于证明了 DNA”,会把 1944 年已经写下的酶管删掉,也会把 1952 年摘要里“尚未判定”删掉。

搅拌器本身也不该被写成厨房神话的全部。它是剪切表面吸附物的工具。工具能把百分之七十五的硫剪进溶液,同时只带走百分之十五的磷,才是数据。工具的品牌不是遗传物质的证据。证据是两种标记在同一种剪切下的不同去向,加上细胞仍产子代。去向不同,功能才开始被拆开。论文的标题因此是“独立的功能”,不是“唯一的物质”。

跨域连接

  • Avery–MacLeod–McCarty:1944 年用酶和元素比把转化活性钉在 DNA 馏分上,并写明检测限下的蛋白质没有被宣布为零。本页用硫和磷的去向把 T2 的外壳与 DNA 拆开,并写明不含硫的其他物质是否进入尚未判定。对读时保持两套留白。留白不同,才不会用搅拌器宣布酶管作废。
  • 卢里亚–德尔布吕克:1943 年的方差比较判决抗性差异出现在接触之前还是之后。它不鉴定差异写在哪一类分子上。本页不比较培养物的散度。对读时把时间表和标记分流分成两张。诺奖把名字并置,实验仍要分开。
  • 格里菲斯 1928:型别转换问死的光滑型会不会改写活的粗糙型。本页问活菌被噬菌体吸附之后,哪一种标记留在表面。型的血清学名字解释不了磷为什么大部分不进溶液。剪切解释不了荚膜多糖从哪来。
  • 梅塞尔森–斯塔尔:1958 年用密度带在三种复制模型里做排除。本页用放射性在溶液与细胞之间做排除。一个称浮力,一个数硫和磷。复制会计回答旧链怎样交给下一代。感染会计回答噬菌体外壳是否必须整份进入。
  • 中心法则:信息从核酸到蛋白质的方向,是后到的概括。1952 年还没有那张箭头图。它只有硫、磷和子代。对读时不要把搅拌器写成已经画出转录和翻译。箭头是后一章。本章只把两种标记拆到细胞两侧。

参考文献

  1. Hershey, A. D., and M. Chase. "Independent Functions of Viral Protein and Nucleic Acid in Growth of Bacteriophage." Journal of General Physiology 36 (1952): 39–56.
  2. Avery, O. T., C. M. MacLeod, and M. McCarty. "Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types." Journal of Experimental Medicine 79 (1944): 137–158. 用来把酶管与搅拌器分开,不把两份留白互相填上。