結構生物化學/核酸/DNA/梅塞爾森-斯塔爾實驗

梅塞爾森-斯塔爾實驗

DNA複製理論

保守型

子代DNA完全由新的DNA組成，親代DNA保留其相同的骨架和鹼基。

半保守型

複製產生兩個DNA複製，由50%來自親代DNA螺旋的DNA和50%的新DNA組成。在這種情況下，每個子代DNA雙螺旋包含一條來自親代的舊鏈和一條新的鏈（複製產生的互補鏈）。

分散型

這種複製形式也產生由50%新DNA和50%親代DNA構成的子代DNA。然而，在這種情況下，新DNA和舊DNA被隨機分配，複製後兩條螺旋的每條鏈上都發現了它們的片段。

三種複製理論示意圖，由CJHIGGIN繪製

實驗

沃森和克里克提出DNA以半保守的方式複製，但保守型和分散型複製仍然是可能的，直到這些理論被證偽。1957年，馬修·梅塞爾森和弗蘭克林·斯塔爾設計了一個實驗來確定DNA是否遵循保守型、半保守型或分散型模型進行復制。

方法

梅塞爾森和斯塔爾將大腸桿菌培養在含有重氮同位素 (¹⁵N) 作為唯一氮源的培養基中，而不是更常見的氮-14 (¹⁴N)。經過幾代培養後，大腸桿菌包含由含有¹⁵N同位素的核苷酸鹼基組成的DNA。 (¹⁵N) DNA比常見的 (¹⁴N) DNA密度更大，密度差異允許透過密度梯度平衡沉降進行分離。

為了透過密度分離大腸桿菌DNA，將DNA與CsCl溶液混合並進行離心。由於沉降和擴散相互作用，形成了CsCl密度梯度。DNA分子位於CsCl密度梯度中與其自身密度相等的區域。

將(¹⁵N) 大腸桿菌細胞轉移到僅含有(¹⁴N) 的培養基中。從在(¹⁴N) 培養基中生長的第一代細胞中分離DNA，並透過密度梯度平衡沉降進行分析。然後提取從(¹⁴N) 培養基中生長的第二代大腸桿菌的DNA並進行分析。

結果

在¹⁴N 培養基中生長的第一代大腸桿菌包含一條DNA帶，位於¹⁴N DNA帶和¹⁵N DNA帶應在的位置之間。這表明存在一種比在¹⁵N 培養基中生長的原始大腸桿菌群體中的DNA更輕的DNA，但仍然比¹⁴N DNA重。由於這條中間DNA帶在密度梯度中的位置，很明顯，該DNA是雜合體，包含¹⁴N 和¹⁵N。這自動排除了保守型複製模型，該模型會導致兩條不同的帶：一條與包含¹⁵N 的DNA的位置相匹配，另一條與僅包含¹⁴N 的DNA的位置相匹配。只有分散型和半保守型模型符合這種情況。

在¹⁴N 培養基中生長的第二代大腸桿菌包含兩條不同的帶。一條帶是¹⁴N DNA，另一條帶是中間的 (¹⁴N/¹⁵N) DNA。這一結果支援半保守型複製理論，因為分散型複製會導致每代連續產生一條密度較低的DNA單帶。

下圖說明了保守型、分散型和半保守型模型的理論結果以及梅塞爾森和斯塔爾獲得的實驗結果。

圖：在密度梯度中離心後，DNA樣本各部分的外觀示意圖，由CJHIGGIN繪製

參考文獻

Berg, Jeremy M., John L. Tymoczko, and Lubert Stryer. "Exploring Genes and Genomes." Biochemistry. New York: W. H. Freeman, 2007. 113-14. Print.

Campbell and Reese's Biology, 7th Edition

Nelson and Cox's Lehninger Principles of Biochemistry, 5th Edition