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DNA双螺旋结构的发现

2019-10-14  lcy1971

DNA双螺旋结构的阐明,是上世纪最重大的自然科学成果之一。沃森和克里克双螺旋模型的建立,揭开了现代分子生物学的序幕。这一重大发现的诞生,是曲折复杂的。正如沃森所说“科学很少像外行想像的那样,完全按合乎逻辑的方式进行”。

1868年,24岁的瑞士医生米歇尔首先发现核酸,但因为不同生物的核酸性质过于接近,无法解释生物遗传的多样性而与遗传物质的发现失之交臂。当然,现在我们知道核酸就像一本书,所有的书看起来外形都差不多,但里面的内容可是截然不同。

米歇尔,引自百度图片

1929年,美国生化学家莱文阐明了核苷酸的基本结构,但同时又提出一种“四核苷酸假说”,认为核酸由等量的四种核苷酸构成,就像糖原一样,不可能有什么重要功能。这给本来就不热的核酸研究又泼了一桶冷水。

莱文是核酸研究权威,四核苷酸假说也符合当时的主流观点,所以广为流传,以至于艾弗里1944年发表的体外转化实验结果备受争议。直到1950年,美国生化学家查盖夫(Erwin Chargaff)采用纸层析、分光光度法等精确测定了多种生物的碱基组成,才彻底推翻“四核苷酸假说”,并提出“查盖夫规则”,即在任何DNA中,A=T,G=C,所以有A+G=T+C。这成为双螺旋模型中碱基互补配对原则的基础。

Erwin Chargaff,引自百度图片

双螺旋模型的另一个基础是X-射线衍射分析。这方面的成果要归功于威尔金斯和富兰克林。莫里斯·威尔金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins)于1950年首先采用X-射线衍射技术分析DNA晶体。他改进了衍射技术,得到了清晰的DNA衍射照片。沃森正是看到了他的照片,才深受启发,决定通过X-射线衍射技术来研究DNA结构。而且,双螺旋模型的关键,富兰克林的衍射照片也是由威尔金斯拿给沃森看的。

Rosalind Elsie Franklin,引自百度图片

富兰克林(Rosalind Elsie Franklin)于1952年5月获得一张非常清晰的B型DNA衍射照片(照片51号)。1953年1月,沃森访问国王学院时看到了这张照片,立刻领悟了双螺旋模型的关键。他在回忆录《双螺旋》中写道:“在看到图片的瞬间,我目瞪口呆、心跳加速,图片上占主要位置的黑色十字映像只能从螺旋结构中产生”。

照片51号,引自搜狐

1953年4月25日,《自然》杂志同时发表3篇文章,分别属于沃森和克里克、威尔金斯以及富兰克林。沃森在论文中承认“得到威尔金斯博士、富兰克林博士尚未发表的实验结果和思想的鼓舞”,威尔金斯和富兰克林都在论文中表示自己的数据与沃森和克里克的模型相符。

1958年4月,富兰克林因卵巢癌病逝,年仅37岁。1962年,沃森、克里克和威尔金斯分享诺奖。后来,沃森和克里克都坦承富兰克林的贡献是此项发现的关键。

克里克、沃森和威尔金斯分享诺奖

沃森和克里克阐明的是B-DNA结晶的结构模型,与细胞内存在的DNA大体一致。DNA在75%的相对湿度下可形成A型结构,它也是右手螺旋,但较为短粗,每匝11个碱基对。其生物学意义在于它与双链RNA及DNA-RNA杂合体在溶液中的构象极其相似。由于2’-羟基的存在,RNA不易采取B型构象,所以在转录时,DNA要采取A型构象。

DNA还有左手螺旋,即Z-DNA。其骨架呈锯齿走向,在嘌呤与嘧啶交替排列的寡聚DNA中发现,也是反平行互补的双螺旋,每匝12个碱基对,螺旋细长。Z-DNA作为特殊的结构标志,与基因表达的调控有关。

DNA双螺旋的不同形式

除以上较为常见的结构外,DNA还有C型结构,也是右手螺旋,存在于染色质和某些病毒中。此外还有D型及被称为T和P的两种亚稳态结构。除双螺旋外,局部DNA还可以形成三螺旋甚至四螺旋的形式。

三链DNA

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