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老虎機和分子生物學(12) 病毒遺傳學
送交者: 苦行僧 2019年03月31日19:31:28 於 [教育學術] 發送悄悄話

      細菌是有基因的,也可以產生突變,而這些突變不需要環境因子的誘導就可以自然產生。當在它們的培養基中施加某種不利它們生長的環境因子(如可以感染並導致細菌裂解的噬菌體或某種抗生素)時,只有那些能抵抗該環境因子壓力的變異(如抗病毒感染的細菌菌株)才能被被選擇存活下來,這是Luria-Delbrück實驗的主要結論。

      伴隨這一結論的是大量的生物學家開始關注這種稱為大腸桿菌(E. coli)的不起眼的微生物及其變異的機理,從而催生了細菌遺傳學的興起。Luria也受邀親自與冷泉港的Eugene F. Oakberg合作,證實當時在臨床上發現的一些對磺胺類藥物有抗性的金黃色葡萄球菌(Staphyloccus Aureus)是由基因突變引起的,這些發現直接影響了藥物的開發和臨床上對抗生素藥物的使用方式。今天,如果我們不立即採取行動,對抗生素藥物作出更嚴格的使用規範,以抗性細菌產生的速度(每10^8個細菌就可能產生一個對噬菌體感染產生抗性的變異個體),受到違害的將是全人類。

      在研究這些抗噬菌體感染的變異大腸菌菌株時,Luria又在思考另外一個問題:噬菌體自身的基因產生變異的可能性,雖然當時還沒有人知道這種長得象"精子"、只有利用電子顯微鏡才能觀察到的亞細胞結構是否有基因。

       與研究細菌的變異不一樣的是,離開了其寄生的宿主細菌,噬菌體本身並不會生長,無法進行單獨培養。噬菌體感染細菌後,需要先經歷一個潛伏期,從一個裂解的細菌裡面釋放的噬菌體數目可能多達一百多個。噬菌體的體積更小,只有在電子顯微鏡才能觀察到。雖然此前Luria在和Delbrück合作發現兩種不同的噬菌體之間存在互不相容的現象,但生物學家們對這種微小的細菌病毒的了解甚少。這些局限性讓研究噬菌體變異比研究細菌變異的難度更大。

      為了更好地研究噬菌體變異,更加方便地研究和記錄其實驗結果,Luria首先創造了一套系統的方法來命名實驗中使用的細菌和噬菌體的變異菌株。

      Luria用希臘字母B代表大腸桿菌,兩種可以感染大腸桿菌並產生形態和大小不同的噬菌斑的噬菌體分別用拉丁文的α和γ代表。將用α和γ噬菌體感染大腸桿菌B後,二次生長並篩選出來的抗α和γ噬菌體的大腸桿菌菌株分別命名為Bα或Bγ。如果在抗α和γ噬菌體的大腸桿菌菌株Bα或Bγ有形態或生長狀況不一樣的菌株,則用阿拉伯數字表示,如Bα1,Bα2…,或Bγ1,Bγ2…。

      利用抗α噬菌體的大腸桿菌菌株Bα與大數量的α噬菌體一起培養,Luria篩選出其中一種新的噬菌體並命名為α‘。α’噬菌體既可以感染和裂解對α噬菌體敏感的大腸桿菌菌株B,也可以感染和裂解抗α噬菌體的大腸桿菌菌株Bα。同樣地,Luria又從抗γ噬菌體的大腸桿菌菌株Bγ和γ噬菌體的培養中篩選出另一種新的噬菌體並命名為γ‘。γ’噬菌體可以感染和裂解大腸桿菌菌株B和Bγ。

      利用前面Luria-Delbrück實驗中建立起來的波動測試的原理,Luria證明了這兩種新的噬菌體α’和γ’分別是由α和γ噬菌體自身的基因變異產生的,這種變異直接改變了噬菌體對其寄生對象的選擇。而且這種野生型的α和γ噬菌體與突變型的α’和γ’噬菌體在感染同一種大腸桿菌菌株時,存在着互不相容的現象。

     Luria單獨完成的這篇文章可以稱得上是病毒遺傳學的開山之作,它為以後研究病毒的遺傳機理的研究指明了方向。

      首先,Luria在這篇論文裡建立了一套系統的方法來分類和研究不同的噬菌體,論述非常清楚明了,邏輯推理非常嚴密,這為後來者研究病毒遺傳學提供了一個可供參考的樣板。

       其次,他證明了即使是這種小得只有通過電子顯微鏡才能觀察到的亞細胞結構也有自己的基因,而且噬菌體的基因也會象細菌的基因一樣發生變異。雖然病毒有自己的基因這一概念對現代人來說已經是一種常識,但在一個"基因是一種分子"的概念剛剛被提出不久且人們還不知道基因這種分子到底是蛋白質還是核酸的年代,在一個人們認為病毒可能是"生物界的原子"的年代,提出病毒自身也有基因,它控制着病毒某些性狀方面的表現,這在概念上就是一個很重大的突破。

      另外,由噬菌體自身的某個基因的變異就可以改變該噬菌體識別其寄生的對象立即就可以演生出很多的問題。如這個調節噬菌體識別寄生對象的基因的作用機理是什麼?除了這個基因之外,一個噬菌體內到底還有多少基因、它們的功能又是什麼?噬菌體在細菌體內複製的機理是什麼?噬菌體進入溶原或溶菌狀態的決定因素是什麼?順便提一下分子生物學中最常用的LB培養基,由於這種培養基最早由Giuseppe Bertani在Luria實驗室研究噬菌體的溶原狀態時開始使用,雖然Bertani的原意是指其為溶原培養基(Lysogeny Broth),科學界卻將它稱為Luria-Bertani培養基。

      作為一個比細菌還要小得多的最基本的生命單位,"噬菌體含有基因"這一發現可以將研究基因屬性的工作聚焦到結構和組成更簡單的噬菌體的身上,將從撈針的範圍從大海縮小到了一個小池塘。在此基礎上,Alfred Hershey和Martha Chase合作,通過簡單地應用放射性同位素32P或35S分別標計含有磷酸基團的核酸或含硫的蛋白質,證明DNA而非蛋白質是遺傳信息傳遞的載體——即著名的Hershey-Chase實驗,為困擾生物學家們長達78年(從Mendel發表遺傳因子的分離和重組理論的論文算起)關於基因屬性的問題畫上了一個完美的句號。

       最後,Luria首創的這種噬菌體的遺傳學的方法也可以推廣到其他病毒的研究上,如Renelto Dulbeco和David Baltimore都得益於Luria對噬菌體的研究方法,並分別用來研究制癌的DNA病毒和逆轉錄RNA病毒的作用機制而分享諾貝爾生理醫學獎,


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  謝謝介紹,讚一個!  /無內容 - 五十肩 04/04/19 (390)
    謝謝您持續關注  /無內容 - 苦行僧 04/04/19 (403)
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