1958年諾貝爾生理醫學獎 

 

 

Joshua Lederberg可說是位科學天才,他年僅三十三歲時,便憑著對細菌遺傳學的突出研究,奪得一九五八年的諾貝爾生理醫學獎。

生平:

1925年出生於美國新澤西州。父母原本是猶太人,在1924年移居來美國。父親是一位虔誠的猶太牧師,家中除了母親之外還有兩個弟弟,其中一位在Brown University任職教授,另外一位弟弟年紀與Lederberg相差16歲,因為父親的影響後來也成為猶太教會的牧師。

Lederberg從小就對於科學很有興趣,當他12歲時就開始研讀生化方面的書籍。原本Lederberg的興趣在於細胞學方面的研究,但是當時哥倫比亞大學的老師Ryan建議Lederberg如果要深入地研究細胞結構的話,從遺傳學方面著手則是一個比較有力的方法,因此Lederberg以後的研究方向則轉向遺傳學方面的研究。(注一)

好學不倦的Lederberg在二十二歲時﹐在哥倫比亞大學醫學院放暑假期間﹐跑到耶魯大學塔特姆教授的實驗室當暑期臨時工。結果他就在該實驗室內﹐發現了細菌的有性生殖﹐並憑著這項傑出發現﹐獲諾貝爾獎。(4、5、12、13)

在一九五八到一九四七年期間Lederberg也擔任了威斯康辛大學副教授、教授、遺傳學系主任;一九五九到一九六二年期間擔任斯坦福醫學院教授兼遺傳學系主任。一九六二年任肯尼迪分子醫學實驗室主任。一九五八年他和另外兩位博士(George Wells BeadleEdward Lawrie Tatum)共同獲得諾貝爾生理醫學獎,得獎原因是「發現細菌的遺傳物質及其重組現象」。另外Lederberg在研究人工智慧、太空生物學、生物化學戰、公共衛生中也均有卓越的貢獻。(6、9)

 

研究內容(細菌的有性生殖conjugation):

背景:1940年代,不少科學家希望在細菌中尋找類似高等生物的有性生殖現象,因為遺傳最重要的是有性生殖,只有透過有性生殖才能觀察到基因重組的現象,但是可惜都沒有成功。Lederberg有個新構想,想要用不同的突變種進行交配,希望透過遺傳操作分析建立起交配系統。他向遺傳學家Tatum提出合作研究構想的時候,Tatum在史丹佛大學正好在用一種大腸桿菌(E. coli K12)做學生實驗課的材料。

開始研究:因此他們兩個人就用了Tatum所製造的營養缺陷型(auxotroph)的突變,這些突變需要在培養基中加入某些特定的氨基酸或維他命。他們選擇的突變A(met- bio- thr+ leu+ thi+)是必須在培養基中加入 methionine 和 biotin才可以生長,另一種突變B(met+ bio+ thr- leu- thi-)是必須在培養基中加入threonine、leucine和 thiamine才可。他們把這兩種突變種分別培養,並且將這兩種突變品系混合培養,經過幾小時之後,把菌液離心清洗,完全去除培養基,然後再將細液稀釋塗抹到只含有minimum medium(沒有任何氨基酸或維他命)的培養皿中。(圖一)

結果:

發現只含有A或B的培養皿都沒有菌落產生,但它們的混合細胞中卻有菌落產生(每1×107個細胞即得到一個原營養型菌株)。他們認為這種情形表示突變種A和B必定發生了重組,因為突變種A的兩個基因(met 和 bio)同時發生突變或者突變種B的三個基因(thr、leu和 thi)同時發生突變的機率是非常微小的。有基因的交換重組就表示有有性生殖(稱之為conjugation)的發生。(11)

(圖一)

圖片來源:http://www.dls.ym.edu.tw/l10.htm#g8

 

討論:倘若使用U型管裝置,分開兩種突變株,除非將U型管中的玻璃濾片去除,否則不會有菌落(原營養型菌株)的產生。這代表了細菌的conjugation需要細菌彼此接觸才可能發生,如果把它們分隔開來則不行。(1)

 

結論:1952年,Lederberg 雖然還沒有看到,但是他將此染色體外之遺傳物質命名為Plasmid(質體)。後來知道是質體引導細菌染色體的重組。當年他們使用的是有質體的E. coli K12;如果當除他們使用另外一種大腸桿菌E. coli B則無法成功,因為E. coli B中並沒有plasmid的存在。(10)

 

另外一項研究:1952年,LederbergZinder以實驗證實了菌株之間不需要借細胞接觸,也能發生遺傳物質的轉移(那時候只知道遺傳物質可經由transformation和conjugation而轉移)。實驗菌株為沙門桿菌(Salmonella),實驗裝置是一根U型管,中間有一塊玻璃濾板分隔兩臂,玻璃濾板上有小孔,但孔徑小至細菌無法通過。管內盛裝基礎培養液,不能支持突變株的生長。玻璃管的一臂內盛裝突變菌株(Met-His-Phe+Trp+),另一臂則置入突變株(Met+His+Phe-Trp-)。結果在U型管的一臂內發現野生型菌株(Wildtype),而核酸脢處理不會干擾此變化,故可知此種遺傳物質的轉移並非經由transformation,而是一種濾過性物質從U型管的一邊轉移至另一邊所造成。(1、2)

 

 

 

補充:

LederbergTatum本以為參與conjugaion的兩個突變株接扮演同樣角色—即都會變成原營養型菌株,但後來Hayes發現了性因子(sex factor)而推翻了這個觀念。Hayes於1950年發現利用鏈黴素(streptomycain)處理兩種突變株發現結果不一樣,因此提出了gene recombination只循單一方向發生,且可發生在同種或異種細菌間。這種大腸桿菌的sex factor就是F plasmid,plasmid會促進細胞染色體的交換。有F plasmid的細胞是供給者(donor)或雄菌(male),以F+ 表示;沒有F plasmid的是接受者(recipient)或雌菌(female),以F- 表示。如果將雄菌與雌菌混合培養,兩個細胞之間就會有接合橋(conjugation bridge),F plasmid會開始複製並且利用接合橋轉移至F-, 雌菌體就會含有F plasmid而轉變成雄菌,所以conjugation的結果會造成細菌的「變性」。Plasmid在conjugation過程中從雄菌傳到雌菌中,有時候也會將雄菌的染色體的一部份帶入雌菌中,和雌菌的染色體發生重組,產生新的染色體組合。這和高等生物的形式不太一樣。雄菌的染色體通常只有一小部份進入雌細菌中;高等生物受精時,雄雌所貢獻的染色體一樣多。此外,有些雄菌之間(特別是含不同質體的)也可以發生conjugation,這是高等生物所沒有的。

細菌的另外一種生殖形式為Transformation。

Griffith1928年研究肺炎雙球菌(Pneumococci)之毒性時偶然發現的。具有莢膜的S型菌株會使小白鼠體內產生敗血症而死亡;不據莢膜的R型菌株則不會使小老鼠發病。混合活的R型菌株和死的S型菌株發現會使小老鼠致死。因此,Griffith大膽推測,死亡之S型菌株中某些成分將R型菌株轉換成S型菌株,稱之為transformation。後來Avery等人於1944年進一步發現此種某些成分其實為DNA。

Transformation以下列三個步驟進行:(1)高分子量DNA結合至細胞表面,(2)經由細胞膜將此DNA吸收,(3)donor的DNA片段與receptor之染色體整合為一。對於有plasmid的細菌而言,只有前兩步驟的發生,plasmid DNA於進入receptor後,會自行獨立複製。

細菌的三種基因重組:transformation是由 free DNA居中傳達;conjugation是藉由質體;transduction則由噬菌體來轉入。這三種方式都牽涉到 merozygote ,而且交換次數都需要偶倍數。(1、2、3)

 

 

注釋:

注一:本段的生平主要引用自http://microbiology.scu.edu.tw/micro/people/Lederberg.htm

參考資料:

1、         詹前朕,簡明微生物學,1997年6月4版,華杏出版股份有限公司。

2、         吳孟儒、陳崇文、黃嘉文、詹東霖、楊明杰、趙又麟,醫用微生物學,88年1月初版,合記圖書出版社。

3、         Prescott Harley Klein,Microbiology,2001年第五版,藝軒圖書公司代理進口。

4、         http://www.nobel.se/

5、         http://nobelprizes.com/

6、         http://nobelchannel.com

7、         http://focus.aps.org/v2/st19.html

8、         http://www.mednobel.ki.se/

9、         http://www.lib.ntu.edu.tw/pub/mk/mk48/mk48-08.htm

10、    http://www.ym.edu.tw/ig/cwc/thread_chinese/exerpts.html

11、    http://www.dls.ym.edu.tw/l10.htm#g8

12、    http://members.fortunecity.com/greenprotect/truth/superb/superbater4.htm

13、    http://microbiology.scu.edu.tw/micro/people/Lederberg.htm

 

 

 本網頁內容由 生科系  黃淳瑩同學提供