核質(nuclein)的發現

1869 年 瑞 士 生 化 學 家 Friedrich Misecher 首 度 發 現 細 胞 裡 有 核 質 (nuclein)的成分，核質“nuclein＂是後來被確認 DNA。Misecher 是在 1868 年到德國杜賓根大學(Tübingen University)Felix Hoppe-Seyler 生化學家 所設立的實驗室進行細胞化學結構的實驗，由於 Hoppe-Seyler 精研於血球 細胞的研究，並確信從血球細胞的化學結構，可以進一步了解感染時膿細胞 如何形成。Misecher 因受到 Hoppe-Seyler 的影響，決定研究淋巴細胞的構 造，他從實驗室附近的一家醫院取得病人拆下的繃帶，並分離出膿細胞，先 用加熱的酒精把會干擾分析結果的脂肪過濾掉後，再把細胞放人從猪胃液萃 取出的蛋白酶(pepsin)內進行沈澱過濾處理，沈澱物在顯微鏡觀察發現係純 核質(pure nuclein)。當這些分離出的核質，再以同一步驟處理，發現沈澱 物質與最初在完整細胞所觀察到的相同，而確認這些沈澱物質來自細胞的核 質部分。其後更進一步在酵母、腎、肝、有核紅血球細胞發現同一物質¹⁸。

稍 早 於 Misecher 的 研 究 ， 在 1857 年 澳 地 利 修 道 士 孟 德 爾 (Gregor Mendel)曾將豌豆種在修道院的花園中，有系統地在植物間互相傳授花粉以 期待觀察七種特徵的遺傳圖譜（例如花瓣顏色，種子顏色，種子質地）。這 些特徵都以兩種交替方式出現，例如綠色相對於黃色種子，平滑相對於皺摺 種子，高大對於矮小植物。孟德爾認為每個親代的豌豆植物針對每一個特徵 均貢獻一個遺傳單位，它可能是顯性或是隱性的型式，孟德爾從他的豌豆實 驗將其系統化為一個遺傳定律，這也是後來有名的孟德爾遺傳學說¹⁹。 2.2 證實核質(nuclein)為遺傳物質

而 Misecher 發現的核質(nuclein)，也就是目前所知的核酸 (nucleic acid)。當時並不知道核酸是遺傳物質，但過了不久，一系列重要的發現促 使了染色體 (chromosome) 被證實了為遺傳物質的攜帶者。1882 年德國的 細胞學家 Walter Flemming 發現在細胞分裂時可看到紡錘體，而且其中的

18 SeeFRANKLIN H.PORTUGAL &JACK S.COHEN,ACENTURY OF DNA:AHISTORY OF THE

DISCOVERY OF THE STRUCTURE AND FUNCTION OF THE GENETIC SUBSTANCE 9-15 (1979).

19 Susan R. Barnum 著，翁秉 霖等譯，生 物科技 概論（ Biotechnology An Introduction），新 加 坡 商 亞洲湯 姆生 國際出 版有 限公司 ，2001 年 11 月，頁 24。

物質平均分佈至子代的細胞中。雖然當時他並不知道他所看到的具有什麼重 要性，但那個紡錘體就是染色體 (染色體意思就是有顏色的物體，因為染色 體的染色結果很明顯，這個名詞是 1888 年 W. Waldeyer 所創造的)。成對 的染色單體 (chromatid) 被平均分配至子代細胞中。在孟德爾的實驗與結 論被重新發現後，過了不久一位美國的細胞學家 Walter Sutton 於 1903 年 提出染色體帶有孟德爾的遺傳單位或是“基因＂，而基因這個名詞是由丹麥 植 物 學 家 Wilhelm Johannsen 所 命 名 的 。 Sutton 觀 察 發 現 在 減 數 分 裂 (meiosis) 時，可產生單倍體 (haploid) 的卵與精子細胞所產生的配子只 接受每個外觀型態所對應的其中一個染色體。因此他合理的解釋認為減數分 裂這個作用機制可以使遺傳單位被平均分配²⁰。

核質(nuclein)雖然早就被發現，英國微生物學家 Frederick Griffith 與美國細菌學家 Oswald Avery 分別在 1928 年及 1944 年進行肺炎雙球菌的 研究，Griffith 的研究發現致命肺炎球菌會將其特徵傳遞到非致命肺炎球 菌，並認為這種特徵是遺傳分子(inheritance molecule)，這種特徵傳遞是 一種形質轉變(transformation) 現象。後來 Avery 針對會引起形質轉變的 細胞萃取物精製其 DNA，成功地加入萃取源不同的細胞中，並使之發生形質 轉變，而確認 DNA 是肺炎雙球菌形質轉變的基本單位，並延續該研究，證明 核質就是基因本體²¹。

2.3 揭開ＤＮＡ化學結構及模型

1936 年英國化學家 Alexander Todd 研究確定核苷酸(nucleotide)的 構造及聯結模式 ²²。DNA 是由去氧核糖核苷酸為單位，重覆組合而成。一個 去氧核糖核苷酸分子由三個部分組成：五碳糖或去氧核糖；磷酸基；四個含 氮鹼基。四個鹼基分別為腺嘌呤(adenine A)、鳥糞嘌呤(guanine G)、胸腺 嘧啶(thymine T)、胞嘧啶(cytosine C) (圖 2.2)²³，DNA 將其遺傳訊息儲 存在四個含氮鹼基中。腺嘌呤、鳥糞嘌呤稱為嘌呤(purine)，具有雙環結構，

而胸腺嘧啶、胞嘧啶稱為嘧啶 (pyrimidine) ，具有單環結構²⁴。鹼基與糖 連 在 一 起 為 核 苷 肽 (nucleoside) ， 核 苷 肽 再 與 磷 酸 連 在 一 起 稱 核 苷 酸 (nucleotide)²⁵。而基因是位於 DNA 鏈上個別的核苷酸鹼基序列，它被當作 是一個訊息單位。基因可位於任何一鏈上且大小範圍從數百至數千個核苷酸 鹼基Ａ、Ｔ、Ｇ、Ｃ。非編碼（non-coding）區域將位於 DNA 鏈上的基因分

20 同前 註，頁 24-25。

21 三浦 謹郎著，劉文 政譯，DNA 與 遺 傳 訊 息，國 立 編 譯 館 出 版，民 國 85 年 1 月，頁 16-17。

22 同上 註，頁 12。

23 圖引 自 <http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/basePair2.html>(last visited on Jun. 25, 2005)。

24 Susan R. Barnum 著 ， 翁秉 霖等譯 ，前 揭註 19，頁 54-55。

25 鄭秀 芬，法醫 DNA 分析 ，中國 人民 公安大 學出 版社， 2002 年 5 月 第 1 版，頁 6。

隔開來，位於特定基因上的鹼基數目與序列決定了基因所攜帶的信息。二條 DNA 鏈呈反向平行，因為其中一鏈為 5′至 3′方向，另一條互補鏈為 3′至 5′方向²⁶ (如圖表 2)²⁷。奧地利科學家 Erwin Chargaff 則在 1940 年代將多 種生物 DNA 萃取後，以紙層分析法(paperchromatography) 作鹼基組成分 析，發現不論自何種材料取得之 DNA，其鳥糞嘌呤與胞嘧啶之量恆為相等，

腺嘌呤與胸腺嘧啶之量亦恆等，G/C 與 A/T 分子比均近於 1.00 之值。G+A 與 C+T 量之比值恆為 1，而不同生物種之鹼基組成差異，竟出現於 G+C 與 A+T 之 比 值 上 。 此 種 鹼 基 組 成 之 規 則 性 ， 後 來 即 稱 之 為 查 考 夫 定 律 (Chargaff’s Rule)²⁸。

圖表 2 DNA 基礎結構圖

DNA 的基礎 結構， 二條 配對鹼 基鏈 腺嘌呤 與胸 腺嘧啶 、鳥 糞嘌呤 與胞 嘧啶經 由氫 鏈 聚 合在一 起。

英國物理學家 Maurice Wi1kins 及物理化學家 Rosalind Franklin 分 別於 1946 年及 1951 年進入倫敦國王學院(King＇s College)進行 DNA 結晶 體的Ｘ射線繞射(X-ray diffraction)研究，Wi1kins 先於 1948 年從 DNA 凝 膠操作實驗中，發現 DNA 中如蜘蛛絲狀的纖維，且其分子呈完美規則性排 列，並以Ｘ射線繞射得到 DNA 模型圖。Franklin 則在 1953 年以較高溼度進 行 DNA 的Ｘ射線繞射，而獲得另一組 DNA 模型圖，並推論出 DNA 結構係雙股 對 稱 排 列²⁹。 同 一 年 美 國 博 士 後 研 究 員 James Watson 與 英 國 物 理 學 家 Francis Crick 利用 Wi1kins 及 FranklinＸ射線繞射研究的資料，作出 DNA 雙股螺旋立體模型結構(three-dimensional structure, 圖表 3,4) ，其結 構模型也被後來實驗認為是 DNA 真實形態。

2 6 同上 註，頁 56、62。

2 7 圖引 自 <http://pubs.acs.org/cen/coverstory/8110/8110dna2.html>(last visited on Jun. 25, 2005)。

2 8 三浦 謹郎著， 劉文政 譯， 前揭註 21，頁 12-14。

2 9 SeePORTUGAL &COHEN, supra note 18, at236-244.

圖表 3³⁰ DNA 雙股螺旋模型圖

Watson 與 Crick 提 出之 ＤＮＡ 雙股 螺旋模 型， 兩股間 由氫 鍵聯結 ，沿 軸以螺 旋環 繞。

圖表 4³¹ DNA 雙股結構圖

DNA 的雙 股結 構，二 股成 反向平 行。 其中一 股為 5′至 3′方 向，另 一股 互補為 3′至 5′ 方 向 。

3 0 圖引自 http://ai.stanford.edu/~serafim/CS374_2004/Lecture%20Notes/lecture2.doc(last visited on Jun.25,2005).

3 1 圖引自 http://ai.stanford.edu/~serafim/CS374_2004/Lecture%20Notes/ lecture2.docure2.

doc(last visited on Jun.25,2005).

1956 年遺傳學實驗支持了“DNA 的鹼基配對序列詳述了 DNA 的訊息＂這 個假說，1957 年美國遺傳及分子生物學家 Matthew Meselson 與分子生物學 家 Frank Stahl 說明 DNA 如何經由解開雙股螺旋互補鏈而進行複製。同年 Francis Crick 與其同事提出假設，認為 DNA 的鹼基決定了蛋白質中線性的 胺基酸序列，而且每一個胺基酸由三個鹼基決定，另外一個推測認為在真核 細胞中，核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)當作核中 DNA 與細胞質中核糖 體二者之間傳遞訊息者³²。DNA 是由去氧核糖核苷酸為單位，重覆組合而成 一個去氧核糖核苷酸分子由三個部分組成：五碳糖或去氧核糖；磷酸基；四 個含氮鹼基。四個鹼基分別為腺嘌呤(adenine A)、鳥糞嘌呤(guanine G)、

胸腺嘧啶(thymine T)、胞嘧啶(cytosine C)，DNA 將其遺傳訊息儲存在四 個含氮鹼基中³³。

2.4 DNA 的功能

2.4.1 DNA 的複製(DNA Replication)

當一個細胞分裂成兩個子細胞時，則遺傳物質必須正確的增殖或複製，

如此方可使得每個子細胞都含有相同的 DNA 複製品。複製時的準確是必須 的，因為 DNA 儲存了供細胞利用的遺傳訊息。在有絲分裂(mitosis)過程中，

兩個 DNA 分子分別移動至分裂中細胞的相反兩側，接著細胞分裂產生兩個子 細胞，每個細胞中含有雙股的 DNA 分子³⁴。DNA 複製是一個複雜的過程，在 原核生物中就須要 30 種左右的蛋白質共同參與，而真核生物則需要更多種 了，此複雜性就是要確保複製出來的 DNA 完全無誤，其中一股 DNA 可作為 另一股 DNA 合成時的模板，就是所謂的半保留複製(semiconservative 圖 表 5)。半保留複製的原理為了要複製雙股 DNA (dsDNA)，必須具備以下事 項：複製起點(origin)必須被確認、dsDNA 必須被解開成單股 DNA (ss DNA) 模板、開始 DNA 合成(包含 RNA 引子的合成)³⁵。複製作用時雙螺旋的兩個長 鏈必須分開，只要二股 DNA 一分開來，鹼基配對法則可使每個單股分子在複 製時皆可作為一個模板，以提供互補(complememtary)長鏈的形成，這兩個 相同的雙股 DNA 分子中的每一個都含有一個原來親代的長鏈與一個新的子 代的長鏈，因為此新分子中的一半來自於原來的物質³⁶。

32 Susan R. Barnum 著 ， 翁秉 霖等譯 ，前 揭註 19，頁 33。

33 同上 註，頁 54-55。

34 同上 註，頁 58。

35 Emma Jones & Anna Morris 著 ，曾 文智 編譯， 漫畫 細胞生 物學 與遺傳 學 （ Mosby’s Crash Course: Cell Biology and Genetic）， 合 記圖書 出版 社，民國 89 年 6 月 10 日初版 ，頁 81。

36 Susan R. Barnum 著 ， 翁秉 霖等譯 ，前 揭註 19，頁 58。

圖表 5³⁷ DNA 半保留複製過程圖

DNA 半 保留 複製過 程， 複製出 來的 DNA 是 由親 代與子 代組 成的 DNA 鏈 。

2.4.2 DNA 與 RNA（ribosenucleic acid，即核糖核酸）

RNA 與 DNA 除了結構特性上不同外，在其他方面都類似。RNA 鹼基由尿 嘧啶(uracil U)取代胸腺嘧啶(thymine T)，且與腺嘌呤(adenine A)形成配 對，骨架上的核糖部分是由核糖分子取代去氧核糖，RNA 分子係單股的，但 有時存在於 RNA 分子內的短核苷序列，彼此互補形成鹼基配對也形成短的雙 鏈結構區域。這種分子內的鹼基配對可以幫助維持分子的完整性或一些 RNA 相關作用得以正常發揮。例如轉移 RNA(transfer RNA)的大部分 RNA 分子都 遠小於 DNA 分子，且相較於 DNA 分子一直存在於細胞內，而 RNA 分子的存在 則相當短暫，一般經過一段特定時間後較容易裂解。不同的基因譯有功能上 不相同的 RNA 類型，有些基因譯有信使 RNA(messenger RNA, mRNA)，其餘 分別譯有轉移(RNA transfer tRNA)與核糖體 RNA(ribosomal RNA rRNA)，

雖然 mRNA 譯有即將合成的蛋白質或多肽的胺基酸序列，但 tRNA 與 rRNA 兩

雖然 mRNA 譯有即將合成的蛋白質或多肽的胺基酸序列，但 tRNA 與 rRNA 兩