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书比人更有趣，阅读使人生充满意义！ ----J.D.Watson 新事物只有建立在现存的传统之上，才最有生命力。 ----F.Crick 在20世纪乃至整个生命科学发展史上，没有什么工作比沃森(J.D.Watson)和克里克(F.H.C.Crick)于1953年提出的DNA分子双螺旋结构模型，更具有承前启后的决定意义。然而，人们对DNA分子的清楚认识，却经过了百余年艰难曲折的研究历程。 1 DNA的早期发现 空白 1869年，年仅25岁的瑞士生物化学家米歇尔(J.F.Miescher)在德国杜宾根大学做博士论文时，从外科绷带上的脓细胞中，提取出一种含磷的酸性大分子物质，取名为“核素”(nuclein)。不久，米歇尔和阿特曼(R.Aitmann)正式提出“核酸”(nucleic acid)这个名词。 1879年，德国生物化学家科塞尔(A.Kossell)设想，集中在细胞核内的核酸，在细胞分裂或卵子受精和发育过程中，很可能起着关键作用。1885—1901年，他和他的学生美国生物化学家列文(P.A.Levene)和琼斯(W.Jones)等人，先后发现了核酸中常见的四种碱基：腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)。1911—1934年，列文和琼斯等对核酸的化学结构作了进一步的系统研究，证明核酸中含有五碳的核糖和脱氧核糖。据此，核酸被分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)两大类；核酸是由许多核苷酸组成的大分子；每个核苷酸由碱基(嘌呤或嘧啶)、核糖(或脱氧核糖)和磷酸组成。由于受当时化学分析水平的限制，列文轻率地提出了错误的“四核苷酸假说”。该“假说”认为：核酸是由含四种碱基、且含量相等的四种核苷酸，呈线性排列构成的简单重复的多聚体。由于列文是当时学术界的学术大权威，“四核苷酸假说”便阻碍并推迟了人们对核酸结构和功能的正确认识。 在此期间，对核酸在细胞中的分布的研究也不断进展。1924年，德国化学家孚尔根(R.Feulgen)，用他发明的一种DNA特异性染料处理细胞切片，初步证明DNA主要存在于细胞核中。到1940年代初，瑞典生物化学家卡斯佩生(T. Casperson)等进一步发现，DNA分子主要存在于染色体上，RNA分子主要存在于细胞质里；在每种生物的细胞中，DNA分子的含量相当恒定，而染色体上的蛋白质和RNA的含量却可以不同；卵细胞和精子里的DNA含量，只有体细胞里的一半。 这些发现表明，DNA分子与孟德尔(G. Mendel)的“遗传因子”、摩尔根(T.H.Morgan)所研究的“基因”，一定存在着某种必然的联系。 2 生化遗传学家的开拓性研究 空白 从20世纪初到1940年代，试图通过遗传与代谢关系的研究阐明基因与性状关系的实验，一直在不断地进行。早在1896年，美国细胞学家威尔森(E.B.Wilson)就曾指出：“遗传是同一代谢类型在连续世代中的重现。” 1902年，英国医生加罗德(A.E.Garrod)率先报道人的苯丙酮尿症是一种遗传病。他在遗传学的早期倡导者、英国遗传学家贝特森(W.Bateson)的帮助下，通过家谱分析，证明了这种病是受孟德尔遗传因子决定的。1908年他又指出，苯丙酮尿症患者可能是隐性遗传因子的纯合体，是体内某种酶的形成受到了影响。由此他大胆地提出“孟德尔遗传因子很可能以某种方式，通过影响和调节代谢途径中某特定步骤中酶的产生，从而决定性状”的设想。在当时，能够把基因与酶联系起来，无疑是一个超前的见解。但加罗德的见解像孟德尔的开创性实验研究一样，也被同时代的人忽视了。   加罗德(A.E.Garrod) 尽管加罗德的学术见解在当时并没有引起重视，但遗传的生物化学基础已不再是模糊的问题了。1936年，美国遗传学家比德尔(G.W.Beadle)和法国胚胎学家埃夫鲁西(B. Ephrussi)通过果蝇眼基移植实验，对复眼各种色素突变型之间关系的研究，发表了把基因和酶联系起来的第一篇论文。  比德尔(G.W.Beadle)与塔特姆(E.L.Tatum) 1941年，比德尔又和美国生物化学家合作，创造了一种研究基因控制代谢的新方法。他们用Ｘ射线从链孢霉中诱发出大量的营养缺陷型突变体，并对不同的突变体进行筛选、鉴定和杂交实验。他们不仅发现每一种营养缺陷在杂交实验中都呈现孟德尔式的分离，而且生物化学分析还表明，合成主要代谢物质诸如维生素、氨基酸和构成核酸的基本成分的酶促反应，都是由可鉴别的基因控制的。比德尔和塔特姆由此提出“一个基因一个酶”的假说：生物体内的每一步化学反应都需一种酶来催化，而酶的产生受基因控制。他们的研究证实了30多年前加罗 德的设想，开创了生化遗传学研究的新领域。与此同时，通过一系列著名的生物学实验，基因的化学本质也逐渐被揭示出来。  格里菲斯(F.Griffith) 1928年，英国医生格里菲斯(F.Griffith)进行了肺炎双球菌感染小鼠的实验研究。他将活的R品系(无毒)细菌菌株和加热杀死的同种S品系(有毒)菌株同时注射到小鼠体内，发现某些R品系菌株会转变成S品系菌株。他认为这可能是细菌体内某种“转化因子”所起的作用。由于受当时分析纯化技术的限制，格里菲斯没有分离出这种“转化因子”。1941年，格里菲斯在一次希特勒发动的伦敦大轰炸中因实验室中弹而不幸身亡。 为了弄清楚这种“转化因子”的化学本质，1944年，美国科学家艾弗里(O.T.Avery)及其同事。利用酶学分析实验技术，通过破坏失活的思路，以试图确定“转化因子”的目的。他们首先着手进行了含有R→S转化因子的S细菌的无细胞提取液的分馏工作。在使用一系列的化学和酶催化方法把各种蛋白质、脂质、多糖和RNA从提取液中去掉时，不断检测被纯化留下的提取物（转化因子）把R突变型转化为S野生型的能力。实验结果发现，当加入DNA水解酶后，便观察不到转化现象的发生（即转化因子的活性丧失），这说明DNA是R→S转化所必需的“转化因子”。这个重要发现，首次用实验证明遗传物质就是DNA。9年后， 因双螺旋结构模型声名大振的沃森赞叹道：“艾弗里的实验，使我们闻到了DNA是基础遗传物质的气息。  艾弗里(O.T.Avery)及其实验 由于“四核苷酸假说”的强大影响，当时大多数学者认为，只有由20种氨基酸组成的蛋白质最有可能包含着遗传信息；蛋白质有各种各样的形式和功能，次级结构也花样繁多，因而在其复杂性背后可能隐藏着遗传特性。在1952年初，几乎所有重要的遗传学学者（特别是“噬菌体学派”）都持有这一种观点。他们认为艾弗里提取的“转化因子”纯度不高，正是其中不到0.02%的蛋白质“杂质” ，可能起了重要的遗传作用。 1948年，美国生物化学家查伽夫(E.Chargalf)在读到艾弗里的论文后，却大受启迪。他认为如果不同的生物种类是由于DNA的不同，则DNA的结构必定十分复杂，否则难以适应生物界的多样性，因此他对“四核苷酸假说”产生了怀疑。1949—1952年，查伽夫采用纸层析法分离碱基，再用紫外吸收光谱作定量分析，发现DNA的碱基成分随生物种类的不同而有很大差异，而A和T、G和C的分子数总是相等。这就意味着，DNA分子中四种脱氧核苷酸的排列顺序可能蕴藏着大量的信息。查伽夫的实验研究，终于彻底推翻了统治学术界长达30年之久的“四核苷酸假说”， 也由此为稍后，沃森和克里克建立DNA分子的双螺旋结构中起关键作用的碱基配对方式，奠定了坚实的实验基础。  查伽夫(E.Chargalf) 1952年，美国生物化学家赫尔希(A.D.Hershay)和他的学生蔡斯(M.Chase)，通过T-噬菌体侵染大肠杆菌实验，发表了被称为20世纪生物学研究中最著名的判别实验结果。该实验表明，正是包含在蛋白质外壳内的噬菌体DNA进入细菌细胞内，才使噬菌体得以传种接代，说明遗传物质是DNA，而不是蛋白质。赫尔希-蔡斯的实验，彻底扫除了人们对DNA是遗传物质的怀疑，并催生了几个月后DNA分子双螺旋结构模型的提出。  赫尔希(A.D.Hershay)和蔡斯(M.Chase) 3 物理学家与化学家的重要贡献 空白 生物化学家们用实验方法探求基因的化学本质的时候，以丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)、德国物理学家德尔布吕克(M.Delbrück)、奥地利物理学家薛定谔(E.E.Schrödinger)为代表的一大批著名物理学家，持着20世纪物理学及化学辉煌成就的新观点，不失时机地步入遗传学研究领域，引发了一场生物学革命的大风暴。  德尔布吕克(M.Delbrück)和卢里亚(S. E.Luria) 首先把目光投向生物学的是玻尔。1932年，他发表了著名的演说《光和生命》，呼吁通过发展新概念和运用新方法进行研究，以使生物学上升到新的认识水平。受导师玻尔思想的影响，德尔布吕克转向对基因本质的研究。1935年，他在论文中明确提出，作为聚合物的基因的分子模型必须是一种特殊的形式，而不仅仅是类似小单位构成的长链；基因的稳定性基于某种复杂分子的结构稳定性。他还认为，基因突变是基因分子中的电子在辐射激发下发生跃迁的结果。此后，德尔布吕克选择噬菌体作为实验材料，与美国遗传学家卢里亚(S. E.Luria)和赫尔希等一起，共同创立了闻名世界的“噬菌体学派”，奠定了分子遗传学发展的基础。 在德尔布吕克论文的影响下，薛定谔于1945年出版了“唤起生物学革命的小册子”——《生命是什么》。在此书中，薛定谔根据量子论的证据，提出了基因的“非周期性晶体”模型；指出基因分子实际上是“遗传密码的携带体”。这些论述不仅首次从微观层次来表述基因的结构，也首次论述了基因的本质是携带遗传信息的单元，遗传的过程本质上是遗传信息的传递。薛定谔的观点在学术界产生了巨大反响，吸引了一大批富有创造力的物理学家、化学家和数学家，云集到对遗传的分子基础和基因的自我复制这两个当时生物学的中心问题旗帜下。一个生物学研究的新纪元即将开始。  薛定谔(E.E.Schrödinger)和“唤起生物学 革命的小册子”——《生命是什么》 当时，一项解开DNA结构之谜的关键性发展，是由英国结构化学家布拉格父子(W.H.Bragg和W.L.Bragg)1912年就提出并逐渐发展起来的Ｘ射线晶体衍射技术。1920—1930年代末，老布拉格的学生阿斯特伯里(W.T.Astbury)和贝尔纳(J.D.Bernal)，首先用此方法分析了头发、羊毛的结构，进而对烟草花叶病毒和核酸的结构进行分析，结果表明蛋白质和核酸都是有一定折叠卷曲的长纤维，并于1945年测出了嘌呤和嘧啶之间的间距为0.34纳米，碱基垂直于DNA分子的长轴。1930年代末到1950年代，奥地利出生的晶体学家佩鲁茨(M. F. Perutz)和英国化学家肯德鲁(J. C. Kendrew)，在小布拉格领导的剑桥大学卡文迪什实验室，分别对马血红蛋白和鲸肌红蛋白进行晶体结构研究。他们创立了把重原子引入蛋白质分子的分析方法，并应用计算机处理衍射资料，提高了分析精确度和速度。这些工作为DNA分子双螺旋结构的建立提供了直接的实验基础。  布拉格父子(W.H.Bragg和W.L.Bragg)  佩鲁茨(M.F.Perutz)和肯德鲁(J.C.Kendrew)
4 三个实验室的一场激烈竞争 到了1950年代初期，有三个实验室为了一个共同的目标，展开了一场争分夺秒的激烈竞争。 第一个是美国加州理工学院的著名化学家鲍林(L.C.Pauling)实验室。1950年，鲍林等利用Ｘ射线晶体衍射技术研究蛋白质结构，提出蛋白质是长链分子，并发现了α螺旋结构。对蛋白质研究的成功，大大激励了他们把该技术用于DNA分子结构的研究。1952年底，鲍林等人根据阿斯特伯里的研究照片，明确提出DNA分子并非单链结构，而可能是双链或三链的螺旋体。由于他们缺乏足够的资料，所用的Ｘ射线照片图像尚不够清晰，便得出了在DNA中，磷酸-脱氧核糖骨架位于螺旋体内部、碱基在外侧的错误认识。当时，鲍林的注意力集中在蛋白质结构研究上，根本没想到DNA需要他全力以赴去研究，而且他还自负地认为，其他人未必是他竞争的对手。当他最终为寻找一种合理的结果继续研究DNA时，一切都晚了，成功与他擦肩而过。 鲍林(L.C.Pauling) 利用Ｘ射线晶体衍射技术，发现血红蛋白的α螺旋结构。 第二个实验室在英国皇家学院，由新西兰物理学家威尔金斯(M.Wilkins)和英国女物理学家弗兰克林(R.Franklin)领导，两人都专长Ｘ射线结晶学研究。1950年，威尔金斯开始选择DNA纤维作为研究材料，弗兰克林于翌年加盟。他们于1952年设法制成了高度定向的DNA结晶纤维，并由弗兰克林拍摄出了非常清晰的Ｘ射线衍射照片。通过对这张照片的细致分析，他们推算出DNA分子是双链同轴排列的螺旋结构，磷酸根基团和脱氧核糖在螺旋外侧，碱基在螺旋内侧；并定量测定了DNA螺旋体的直径和螺距。 威尔金斯(M.Wilkins) 到1953年3月17日，DNA分子的结构问题已经差不多被弗兰克林所攻克。然而，他们却未能及时地将分析资料转变为一个合理的结构模型。作为物理学家，他们也未能真正理解DNA分子结构的重大生物学意义。再加上两人的关系一开始就磕磕碰碰，并发展到高度紧张，很难进行合作。结果，让沃森和克里克领先了。 弗兰克林(R.Franklin)及拍摄出的DNA-X射线衍射图 早在1946年，当沃森还是美国芝加哥大学的学生时，就被《生命是什么》的小册子所吸引，对遗传学产生了浓厚的兴趣。1947年，他来到印地安那大学，这里有刚刚（1946年）获得诺贝尔生理学或医学奖的遗传学家缪勒在此任教。在导师卢里亚的指导下，沃森开始研究Ｘ射线对噬菌体增殖的影响。卢里亚对DNA分子可能是遗传物质的预感，以及稍后与德尔布吕克的第一次相见，都进一步影响了沃森，使他产生了要了解DNA如何发挥作用，就必须研究其分子结构的想法。1951年秋，经卢里亚的引荐，沃森进入到英国剑桥大学的卡文迪什实验室，在肯德鲁的指导下，对植物病毒中提取的核酸分子结构进行研究。在卡文迪什实验室，沃森与比他早两年进入卡文迪什实验室、跟随佩鲁茨作血红蛋白结构研究的克里克有幸相遇。克里克是一位不仅了解Ｘ射线结晶学，而且对DNA分子的结构与生物学功能也很感兴趣的物理学家。这两个年轻人的结识，开始了现代生物学最激动人心、最卓有成效的合作。 沃森和克里克决定共同研究DNA分子的 结构，并确定了提出一个结构模型的目标。这个模型不仅要能解释Ｘ射线衍射分析的资料，还必须能阐明DNA的自我复制和控制蛋白质合成的机理。从1951年秋到1953年春，他们先后提出了三种结构模型。 1951年底，沃森和克里克根据Ｘ射线衍射照片和键距计算资料，提出了一个三链螺旋模型。由于他们所研究的Ｘ射线照片的质量太差，这个模型经威尔金斯和弗兰克林等人验证和核实，发现对实验资料的处理有明显错误，第一次模型建立宣告失败。小布拉格将克里克调回蛋白质课题组，沃森被调回去做烟草花叶病毒晶体衍射，但两人并没有就此罢休，继续偷偷地研究DNA，尤其是沃森热衷于DNA“简直到了疯狂的地步”。 正当两人一筹莫展的时候，有三件事对沃森和克里克的研究思路产生了重要影响。 第一件事是沃森和克里克与剑桥大学年轻的数学家格里菲斯(J. Griffth)的偶遇。格里菲斯也对一些生物学问题比较感兴趣，便答应帮助他们计算DNA分子中碱基之间的吸引力。格里菲斯不久便告诉他们，理论计算表明碱基之间的结合力是A吸引T，G吸引C。这使克里克看到了碱基互补配对的可能性。 第二件事是查伽夫1952年6月到剑桥大学访问时，肯德鲁介绍他与沃森和克里克进行了一次非常重要的会面。当他们谈到核酸研究工作的进展时，查伽夫略微迟疑了一下，回答道：“一句话说完，就是1:1。”克里克立即意识到，格里菲斯和查伽夫所说的碱基配对是完全一样的；不同类型的碱基配对，可能就是DNA分子结构的基础。 第三件事则是鲍林对蛋白质α螺旋结构的研究，为研究生物大分子提供了一个独特的物理方法，即先根据理论上的考虑建立模型，再用Ｘ射线衍射结果对模型进行检验。沃森和克里克两人深受启示，先后建立了一大堆有关嘌呤碱基和嘧啶碱基的模型，以确定什么样的维度和排列才既符合氢键的理论要求，又符合查伽夫碱基配对规则的经验要求。 1953年2月初，沃森和克里克看到了鲍林关于DNA研究论文的手稿，使他们大吃一惊的是，鲍林的模型与他们那个三链结构很相似。他们清楚地意识到，待鲍林觉察出自己的错误再回过头来全力研究DNA，至少需要六周时间。 由于鲍林的论文，使沃森和克里克终于得到布拉格的指示，重返DNA的研究，第二次模型建立又雄心勃勃地开始了。当时，可供考虑的方案已经缩小到是双链还是三链、碱基是排列在内侧还是外侧。几天后，当沃森又一次访问威尔金斯的实验室，向他讲述了鲍林的错误，介绍自己关于DNA螺旋的想法后，他看到了弗兰克林拍摄的高度清晰的DNA Ｘ射线衍射照片。富兰克林已经发现，DNA存在两种形式，一种处于缩合干燥状态，另一种处于扩张湿润状态。鲍林使用的阿斯特贝里的照片，是两种形式的混合；而富兰克林的新照片则清晰得多，而且纯粹是扩张的形式。正是威尔金斯给沃森看的这张照片及其反映出的几个主要参数，为沃森和克里克的继续研究，提供了非常关键的信息。 于是，沃森和克里克又重新设计了一个双链螺旋模型。但这个模型基于相同碱基配对，当即受到同一实验室的美国化学家多诺休(J.Donohue)的质疑。多诺休建议他们将模型的构型由烯醇型改为酮型。这一合理的主张，使他们茅塞顿开。一直困扰他们的碱基配对问题，终于得到了解决。 沃森（J.D.Watson）与克里克（F.Crick）（1953年） 克里克在后来的回忆录中写道：“太妙了！我们可以用这种特异的碱基配对方式，来说明查伽夫的1:1的碱基比例。就在那一刻(1953年2月20日)，我们三个人都明白了，排列在DNA分子结构内侧的碱基，是靠氢键来形成A-T、G-C两种碱基对的。” 在这种DNA的双螺旋结构模型中，A与T配对，G与C配对，两条相互缠绕的链上碱基顺序彼此互补，结合在一起，就能形成符合Ｘ射线衍射资料的螺旋。这样一来，查伽夫关于“碱基配对的1:1法则”，也就成了DNA双螺旋结构的必然结果。该模型还反映出，只要确定了一条链的碱基顺序，另一条链的碱基顺序也就确定了。 沃森和克里克对这个双螺旋模型经过逐项精确的检查，得到布拉格、威尔金斯和弗兰克林以及鲍林等学者的一致肯定，DNA分子的双螺旋结构模型便成功建立了。 从1951年11月到1953年4月，经过短短18个月紧张而有序的合作，一篇具有划时代意义的重要文献“核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的结构”，于1953年4月25日在英国的Nature周刊上发表了。 沃森（J.D.Watson）与克里克（F.Crick） 1953年发表的论文书影：脱氧核糖核酸的结构 就在这篇不到1 000字的论文中，沃森和克里克不仅第一次从分子水平上，阐明了DNA分子的双螺旋结构和碱基互补配对的原则；基于该模型，他们还提出了一种DNA分子自我复制的可能机制。 这是一个在整个科学界都激动人心的时刻，称赞和喝彩从世界各地不断飞来，两位年轻人充满了喜悦。他们二人，一人是资历尚浅的博士后研究者，另一人是年龄偏大的研究生。然而，正是他们的亲密合作和锲而不舍的追求，才谱写出了生命科学史上的壮丽篇章。 DNA分子双螺旋结构模型的建立，为人们进一步探求遗传物质的自我复制和控制蛋白质合成的功能，奠定了坚实的基础，标志着人类对遗传和变异现象的研究进入到分子水平，也由此开创了遗传学研究的新时代。 1962年，因发现核酸的分子结构及其在生命物质中传递信息的重要意义，沃森、克里克与威尔金斯3人。共享了诺贝尔医学或生理学奖。同年，因分别测出肌红蛋白和血红蛋白的原子序列，肯德鲁与佩鲁茨共享了诺贝尔化学奖。 从左至右的学者依序为：威尔金斯-佩鲁兹-克里克- 斯坦贝克（J.Steinbeck，获1962年诺贝尔文学奖）-沃森-肯德鲁) 弹指一挥50年，黑发已白，笑颜依然。当年，沃森和克里克协力提出了DNA分子的双螺旋结构模型；随后的50年，他们又立于科学潮头，亲身体验和见证了由DNA分子双螺旋结构模型所开创的分子生物学的大发展。 沃森（J.D.Watson）与克里克（F.Crick）（2003年） 致 谢 主要参考文献 [1] J.D.Watson著.刘望夷等译.双螺旋——发现DNA结构的故事.北京:科学出版社,1984 [2] G E.Allen著.田洺译.20世纪的生命科学史.上海:复旦大学出版社,2000 [3] R.Olby著.赵寿元、谌民家译.通往双螺旋之路: DNA的发现.上海:复旦大学出版社,2012 [4] 李佩珊,许良英主编. 20世纪科学技术发展简史. 北京: 科学出版社, 1999 作者简介：冯永康 |
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