怎样证明DNA分子是半保留复制的

Question

怎样证明DNA分子是半保留复制的

Answer 1

在上世纪中叶（1950s）James Watson 和 Francis Crick提出了著名的DNA双螺旋以及双链间碱基配对的模型,根据这个模型,他们进一步提出了DNA复制的半保留模型（semiconservative model）,虽然这个模型比当时并存的全保留模型（conservative 模型）看起来简单易行的多,但始终缺乏有说服力的数据. 最后在1957年,当时在Caltech作研究生的Matthew Meselson和作博士后的Franklin Stahl设计并实现了这组著名的,证明了DNA复制半保留机理的实验.
试验中,他们先将大肠杆菌细胞培养在用15NH4Cl作为唯一氮源的培养液里养很长时间（14代）,使得细胞内所有的氮原子都以15N的形式存在（包括DNA分子里的氮原子）.这时再加入大大过量的14NH4Cl和各种14N的核苷酸分子,细菌从此开始摄入14N,因此所有既存的“老”DNA分子部分都应该是15N标记的, 而新生的DNA则应该是未标记的.接下来他们让细胞们继续高高兴兴地生长,而自己则在在不同时间提取出DNA分子,利用CsCl密度梯度离心分离,而当细胞分裂了一次的时候只有一个DNA带,这就否定了所谓的全保留机理,因为根据全保留机理,DNA复制应该通过完全复制一个“老”DNA双链分子而生成一个全新的DNA双链分子,那么当一次复制结束,应该一半DNA分子是全新（双链都完全只含14N）, 另一半是“全老”（双链都完全只含15N）.这样一来应该在出现在离心管的不同位置,显示出两条黑带.
通过与全14N和全15N的DNA标样在离心管中沉积的位置对比,一次复制（分裂）时的这根DNA带的密度应当介于两者之间,也就是相当于一根链是14N,另一根链是15N.而经历过大约两次复制后的DNA样品（generation＝1.9）在离心管中显示出强度相同的两条黑带,一条的密度和generation＝1时候的一样,另一条则等同于完全是14N的DNA.这样的结果跟半保留机理推测的结果完美吻合
就这样,关于DNA复制机理的争论终于被Meselson和Stahl完美解决,而基因学和基因组学也得以在此后的五十年取得一系列重大突破.