對Meselson和Stahl半保留復制實驗的解析

高瑾英

(河北省石家莊市第一中學 050000)

人教版高中生物學教材必修2中有關DNA半保留復制證據的實驗是難度較大的經典實驗，本文對其中的一些疑難點進行分析，希望對教師講授此實驗有所幫助。

1 什么是密度梯度離心

最先提出密度梯度離心概念的是Meselson。密度梯度離心就是用一定的介質在離心管內形成連續或不連續的密度梯度，再通過重力或離心力場的作用使樣品分層、分離。又可分為速度區帶離心和等密度梯度離心。Meselson和Stahl證明DNA半保留復制的實驗利用的是等密度梯度離心。

等密度梯度離心又稱為平衡密度梯度離心，被分離的物質依靠其各自的密度不同而分離。氯化銫(CsCl)是最常用的離心介質，因為6mol/L的氯化銫溶液密度約1.7g/mL，與DNA密度最接近。在高速離心(30000～50000r/min)48～72h后，重金屬鹽的沉降作用與擴散作用達到動態平衡，氯化銫離心形成1.65～1.75g/mL的密度梯度。氯化銫密度梯度離心分離DNA原理是： 不同密度的DNA(14N、15N)在離心液中進入與自身密度最接近的區域，從而將微小差異的DNA很明顯地區分開。

2 為什么實驗要從獲得15N-DNA做起

為什么實驗要從獲得15N-DNA做起，而不是直接將含14N-DNA的大腸桿菌放在15N培養基中逐代進行實驗？這是因為在一定的培養基中培養大腸桿菌后，要確定提取出的DNA經密度梯度離心得到的究竟是哪種類型的DNA，必須進行比對。因此，首先要得到15N-DNA，方法是在15N培養基中將大腸桿菌培養多代后提取其DNA。然后將15N-DNA和14N-DNA進行密度梯度離心，得到它們在離心管中的位置，以作為后續實驗的參照。結果表明，15N-DNA顯示為一條重密度帶位于離心管靠近管底的位置，而14N-DNA顯示為一條輕密度帶位于離心管靠近管口的位置。將含15N-DNA的大腸桿菌轉入14N標記培養基中，在不同的時間取出樣品，以一定手段裂解得到DNA，然后進行密度梯度離心，與前兩組結果比對，即可判定得到的DNA種類。

3 將15N標記的大腸桿菌放在14N普通培養液后為什么要顯示培養兩代的結果

Watson和Crick提出了DNA半保留復制的假說后，不乏質疑。有人提出另外的假說： 即全保留復制和分散復制(也稱彌散復制)。全保留復制模型認為： 在DNA復制時，DNA并不需要解鏈，復制后新的DNA分子單鏈結合在一起，親代分子保持完整；分散復制認為： 在復制過程中親代DNA雙鏈被切割成小片段，分散在新合成的兩個DNA分子中(圖1)。

圖1 DNA分子復制模型[1]

分析一代實驗的結果： 子一代如果出現輕帶和重帶兩個條帶，則可斷定是全保留復制；但如果只有中密度帶，很可能是半保留復制，但也排除不了分散復制的可能，這樣就無法作出判斷。當只有中密度帶時，再培養一代，如出現一條輕密度帶，一條中密度帶，則可確定為半保留復制；如無輕密度帶出現，則可確定為分散復制?？梢姡?4N培養液中至少培養兩代，才能以充足的證據證明DNA 復制的方式為半保留復制。當然，將第一代全位于中帶的DNA 進行熱變性和梯度離心，也能區分是半保留還是分散復制，如果僅得到中帶，則是分散復制; 若一半中帶、一半重帶，則是半保留復制。事實上，Meselson 和Stahl 不僅做了雙鏈DNA 的多代實驗，而且也做了熱變性后梯度離心的實驗。

4 Meselson和Stahl測定DNA條帶位置的手段是什么

同位素分為放射性同位素和穩定性同位素兩類。15N是穩定性同位素，不具有放射性。兩位科學家利用的是15N和14N質量的不同，含15N和14N的DNA可處在不同的CsCl密度位置。因此，本實驗的檢測手段不是放射性同位素示蹤。DNA分子吸收紫外線，所以用一光源系統照射離心管，在照相底板上記錄DNA帶的位置[2]，其黑度可表示DNA的相對含量。

5 證明DNA半保留復制的實驗是否運用了假說演繹法

該實驗確實運用了假說演繹法。但是，提出假說的是Watson和Crick(1950年)。提出DNA的雙螺旋結構模型后，特定的堿基配對性質讓他們立刻注意到遺傳物質可能的復制機制，于是大膽地預測DNA復制可能采取的是一種半保留的方式。而Meselson和Stahl則設計了以大腸桿菌為材料的密度梯度離心實驗，并預測假如為半保留復制，子一代出現的密度帶應全部為中帶，子二代則應出現中帶和輕帶兩種條帶，實驗結果果真如此?？梢姡氡Ａ魪椭剖怯蒞atson和Crick提出問題和假說，1957年由Meselson和Stahl演繹推理并驗證了該假說。