第十九章 遗传的化学基础
第十九章 遗传的化学基础 (第1/3页)
回顾起来便会发现，在分子生物学兴起之前所有的实验方法对充分了解基因来说都完全不适用。从1910年到1950年这一段时间里越发认识到遗传的物质基础是由高度复杂的分子所构成，要取得进一步进展唯一的办法是更多地了解基因的化学。将遗传的分子基础无论看成是无定形的颗粒还是当作简单分子显然都不合式。基因的研究已不再是传统的生物学家的问题；它已经成为生物学、化学、和物理学之间的边缘地带，而且起初是无人区。在1940年代，当基因问题被各方面的学者认真考虑和研究时，才知道在解决基因的结构方面化学已经走在前头，做了大量工作（Calms，stent，and Watson，1966）。
到了1880年代中期，一般都认为细胞核是遗传的基地（见第十六章 ），或者范围更窄一些，染色体，或者更专门一些，染色质，才是真正的遗传物质。“染色质”这词是弗莱明（Flemming）于1879年创用，指细胞核中可以染色的物质而言。这立即引出了染色质的化学性质问题：它是不是一种特殊的和其它物质不同的物质，或者是一种与细胞质蛋白质不同的蛋白质？实际上这问题的答案早在十年前（1869）就由瑞士生理学家和有机化学家米歇尔（Friedrich Miescher，1844－1895）作出，他证明染色质根本不是蛋白质。
米歇尔于1868年在医学院毕业后，遵照他舅舅，着名的解剖学家和组织学家西斯的意见从事组织化学研究。正如西斯所说，“因为在我自己的组织学研究中我曾经一再表示关于组织的发育的最终问题只能由化学来解决，米歇尔于是决定在着名有机化学家Hoppe－Seyle的实验室接受博士后训练，并在1868年复活节抵达德国南部小城吞宾根。”
Hoppe－Seyle建议米歇尔研究“淋巴细胞的组成”，因为它们在医学上相当重要。
米歇尔采用脓作材料，这在抗菌素发明以前在医院中是很充裕的。他是谨慎、勤奋而又有才干的青年人，建立了完全新的分离方法并且很快就能够将脓细胞和脓的其他组份分开。然后他就试图将脓细胞的细胞质与细胞核分开，分析和测定细胞质的成分。开始时一切努力都告失败。在他的某次提取程序中所得到的末产物是一种沉淀，不具备任何已知蛋白质的性质。后来他又用高度稀释的盐酸洗完整的脓细胞，最后得到的完全是细胞核。因此那未知物必然是来自细胞核。因为细胞质成分的研究走进了一条死胡同，所以米歇尔决定改而研究细胞核的化学。
我之所以比较详细地介绍这些事态的发展顺序是因为后来虚构了一种神话说什么米歇尔开展他的研究是为了解决遗传现象的奥秘。完全不是这回事！实际情况不过是一位有机化学家根据他舅舅的意见想为细胞和组织的化学增添一些知识。当阅读米歇尔的文章时予人印像很深的是他在方法上的独创性。他总是采用新技术，特别是新的提取与纯化程序，由于他的勤奋和智巧，他之所以成为DNA的发现者是完全当之无愧的、我想这样说也是正确的，即在米歇尔之前，生物化学家采用的是完整组织，而米歇尔则是用分离的细胞；或者甚至是细胞的一部分，例如细胞核。当他分析从细胞核得到的物质时，他发现其突出特点是含有大量的磷。由于这细胞核物质不同于已知的有机物，米歇尔便将之称为“核素”（nuclein）。
米歇尔于1868年春到吞宾根并在1869年秋末完成了他的发现报告。但是Honne－Seyler并没有立即发表这篇报告，因为这发现一结果十分出人意外，他决定亲自加以审核。当他以及他的一些其他学生的实验结果与米歇尔在报告中所陈述的完全相吻合时，这篇关于核素的手稿才于1871年春发表。
米歇尔于1871年返回瑞士巴塞尔后，他发现莱因河的鲑鱼是核素的丰富来源，因为鲑鱼的每个精子就是一个细胞，精子的头部基本上就是细胞核。米歇尔现在几乎拥有无尽无休的核素宝藏（他曾开玩笑地说过，鲑鱼的睾九提供了成吨的核素）并在第二年专心致志地研究它。他发现核素和一种蛋白质紧密联系在一起，他将这蛋白质命名为“鱼精蛋白”（Protamine）。他还测定了核素的许多化学性质和物理性质，包括它的实验式。
十分遗憾的是，在他首次取得卓越成就之后，米歇尔随后的研究事业走的是下坡路。
由于他是一位出类拔萃的人物所以就更加令人惋惜。也许这是由于他是五兄弟中的长兄，具有长子的一切特点的缘故。他提出的问题往往是循规蹈矩的而不是开拓性的（Sulloway）。虽然很快就了解到核素就是细胞学家所说的染色质，但是米歇尔从来不把它看作是遗传信息的载体。他不去提问遗传学问题而只是提出生理学的或纯粹化学上的问题，例如“生物在精子形成时是从什么地友得到这样多的磷合成大量的核素？”
1872年他公开谈起他要研究“核素的生丨学问题，它的分布、化学结合、它在身体内的出现与消失，它的更新。”
在Carl Ludwig，Julius Sachs，以及西斯的影响下，米歇尔采取当时很时髦的物理主义者的和非常机械的态度看待生物学现象。这可以用他按接触学说的观点解释受精过程作为例子很好地加以说明。“假定卵细胞的性质，和一般细胞比较来说，是由控制其完整结构的一系列因素中某个缺少的一环这种情况决定的，因为在卵细胞中含有其它的一切必需细胞成分。但是当卵成熟时（细胞核中的）鱼精蛋白分解生成氮（N）……这个在其它方面完全完好的机器由于缺少一个螺丝就无法运行。精子将这螺丝在恰当的位置再度插入后，就恢复了原来完整的结构。它不再需要任何其它的东西。在某处的化学物理静止性被触动或受到干扰时，机器便又开始运转，每个卵细胞产生鱼精蛋白供应邻近细胞，因而运动就按一定的规律扩展开。”这里一个字也没有提到两个亲本配子遗传物质的结合。米歇尔是如何高度评价纯粹机械方面的问题也可以由他所提的问题看出：
“不同物种的精子是按什么方向和深度穿入卵中原生质的？”
米歇尔似乎认为核素的研究比较不怎样重要便转向除教学工作以外的其他研究。从1874年到1887年左右这14年时间里他研究过鲑鱼的生活史与代谢，精子尾部的化学，精子头部详细形态的结构，蛋黄的化学，瑞士联邦政府机构的营养问题，人体血液化学的变化与海拔的关系等。给人的印象是他的研究目的是由机会决定而不是考虑科学上的重要性。只是到了晚年他才又回到DNA研究并且在魏斯曼学说的影响下开始提出“正确的”
问题。但是时间已经太晚了，因为不幸的是他很快就因肺结核而去世，享年只有50岁。
现在已经知道DNA是遗传程序的化学基础，自从沃森（Watson）和克里克（Crick）在1953年发现DNA的分子结构以后，科学史家非常注意DNA研究的历史。已经出版了五、六本有关书籍以及某些生物化学通史中的长篇章节。我在这里只介绍一些重点并侧重DNA研究与生物学有关的方面。
米歇尔研究的是分离了的细胞核，即与细胞质分离后的细胞核。这使得他能够用各种不同的化学试剂来检试它们与核素的反应。将由此所得到的知识运用于完整细胞自然合乎逻辑。细胞学家Zacharias（1881）首先运用这方法在显微镜下观察细胞对各种试剂的反应。他发现细胞核与染色体对胃蛋白酶及稀盐酸具有抗性，溶于碱，在盐溶液中膨胀。所有这些都是米歇尔的核素的特点。其它的细胞成份，例如纺锤丝，并不显示核素反应，弗莱明（1882）由此得出结论，“染色质报可能和核素完全相同，如果不是这样，则从Zacharias的工作看来它们就是一个携带着另一个。染色质这词在它的化学实质弄清楚以前是可以使用的，同时它又表示细胞核中容易染色的物质。”
后来Hertwig，Strasburger，Kolliker，以及Sachs也都同意把染色质看成与核素完全相同，至少他们实际上在文章中就是如此看待。这不仅是德国细胞学者的个人意见，因为俄国进化主义者Menzbir于1891年就曾说过。“因此，毫无疑问只有染色质和双亲的特征传递给子女（推而广之，物种的性状从一代传给下一代）有关。”Zacharias的论点也被化学家接受，例如德国化学家科塞尔（Kossel）在1893年曾说：“组织学家所说的染色质基本上就是多少含有一些清蛋白的核酸化合物，在某种程度上可能就是纯核酸。”
可是后来有人声称早期学者所说的核素是极其不纯的核蛋白，是DNA和大量蛋白质的混合物，因而和这些早期学者是否应享有发现DNA是遗传物质这一荣誉的问题无关。
米歇尔和科塞尔的核素确实不是绝对纯净的DNA，但也决不像后来有人所说的那样混杂有大量蛋白质。这可以从米歇尔和科塞尔提出的实验式清楚看出：
米歇尔的样品可能含有一定程度的水（水合作用），但是无论是米歇尔的还是科塞尔的实验式都看不出含有蛋白质。如果含有蛋白质，C及N的值相对于P3来说应当更高（这是W．MeClure告诉我的）。
在上一个世纪末威尔逊（E．B．Wilson）在他的名着《细胞学》的第二版（1900）中指出，“染色质可能就是核素。……细胞核物质，尤其是染色质，是遗传现象中的首要物质，这一点已得到成熟作用，受精作用和细胞分裂的研究结果大力支持”（332页）。然而他又有些怀疑“染色质究竟能不能真正被看作是像Hertwig和Strasberger所说的那样是异胞质（idioplasm）或遗传的物质基础”（259页）。
核素发现后不久就有人提出（Sachs，1882）不同的物种的核素在化学上也应当有所不同。早在1871年Hoppe—Sevler就曾指出酵母含有核素，1881年证明高等植物也有核素。1880年代正是系统发生的研究处于**的时候，对低等无脊椎动物的核素研究是企图将会发现某种“原始核素”比鲑鱼核素更简单得多以证明系统发生。当发现海胆的核素和鲑鱼的基本相同时这一愿望便告落空。
19．1 种质的实质
一旦认识到染色质（大部分）由DNA组成以及染色质就是种质（germ plasm）之后不久，染色体的基本性质究竟是形态上的还是化学方面的这个问题就引起了争论。生物学家几乎一致地反对纯化学的解释，说什么核素在化学上是过于简单的物质不足以说明种质结构的极端复杂性。波弗利（Boveri，1904）用比喻来说明他的观点。如果将细胞核比作表，“细胞核的形态涉及表的全部机件，而细胞核的化学至多只能告诉我们这表的齿轮是用什么金属制成的”（1904：123）。这就又是瞎子摸象的情况，因为这问题的最终解决是依靠高分子的形态（波弗利的那个时候是不了解的）来说明种质的不寻常结构。
在早期的学者中，德弗里由于同时具有植物学和物理化学的坚实基础，所以他的观点是最正确的。他强调指出种质决不可能是简单的化学物质：“在历史过程中所获得的性状要求有一个如此复杂的分子结构，而当今的化学是完全无法作出解释的”（1889：
31）甚至在他以前Kolliker（1885：41）也曾说过“具有完全相同化学组成的细胞核由于其有效物质（异胞质）的分子结构可能具有不同的效应。”这真是预见性的见解！
到了1880年代末期细胞学者运用他们的方法作出了他们所可能作出的贡献。他们尽可能具有说服力地揭示了染色质符合遗传物质的一切要求以及精子的头部实际上是真正的遗传物质。至于这些物质在化学上究竟是什么他们并不特别关心，他们也不注意这些分子的大小和结构。这种情况很特别，因为本来就应该很清楚除非知道了DNA的结构否则它在遗传中的作用就永远也无法说明。我在查阅文献中发现这个问题从来也没有认真地被提出过，可能就是由于当时还没有提供回答这问题所必需的数据资料的实验方法。
到了这个时候问题就由化学家接了过来，在半个多世纪里探索DNA的本质就完全是化学的事。头一个要求就是证实核素确实是一种与蛋白质完全不同的物质并且和生物有机体中的其它含磷丰富的物质（如卵磷脂）无关。米歇尔对这些问题还认识不清。为了证实核素的独有特征便必须建立纯化（提纯）核素的方法并保证蛋白质被除掉。
Altmann（1889）胜利完成了这一任务并且将这不含蛋白质的细胞核物质定名为核酸。
核酸和蛋白质根本不同化学家要比生物学家了解得更清楚。一直迟至1900年，威尔逊还以为纯核酸通过一系列含磷越来越少的步骤转变成清蛋白；“它们因不同的生理情况而改变其组成”。
就纯DNA的研究来说，研究者在理论上有两条路可走。他们或者是将DNA分子加以分解而研究其组分；或者是研究DNA整个分子，在192o年代Staudinger创立了聚合物化学理论之后就是按这种方式进行研究。但是，后一条途径在有机化学的概念结构之内是走不通的，因为有规化学的概念结构在十九、二十世纪交替时是由胶态化学的观念支配。
在随后的五十年中核酸研究的两位着名带头人是柯塞尔和列文。生物化学史家对核酸分子化学本质是怎样逐步阐明的已有介绍（Fruton，1972；Portugal and Cohen，1977）。到了1910年普遍认为DNA分子含有四种碱：两个嘌呤（鸟嘌呤和腺嘌呤）和两个嘧啶（胞嘧啶和胸嘧啶），一个磷酸盐，一个糖。但是又经过了40年才最后确定这些组分是怎样联结的（
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