结构模型的提出

先简单介绍一下沃森和克里克。沃森1928年出生，15岁进芝加哥大学动物学专业学习，很快就对薛定谔的《生命是什么》这本书着了迷，他说“这本书使他一下子走上了发现基因秘密的歧途”。大学毕业后，他申请进哈佛大学和加州理工学院读研究生均遭拒绝，后来进入印第安纳大学生物系。当时的印第安纳大学十分自豪，因为刚刚获得诺贝尔奖的马勒在那儿执教。但是沃森很快就明白，马勒和果蝇学派是很难回答薛定谔的挑战的。不久他选择了德尔布吕克的好朋友卢里亚为博士论文的指导老师，专攻噬菌体遗传学。沃森非常敬仰德尔布吕克，认为正是德尔布吕克把玻尔和薛定谔的思想具体化了。1948年，他在卢里亚的实验室里见到了他心目中的偶像德尔布吕克，并立志要研究DNA的结构，研究DNA的自体催化和异体催化的具体方式和途径。必须指出，沃森有一点比德尔布吕克强，他重视生物化学的研究，深知要研究基因的结构，就必须彻底弄清楚DNA的分子结构。1951年他拿到博士学位后，就请教他的老师卢里亚：“我现在应该做什么？”卢里亚与他讨论了艾弗里1944年发表的论文后说，你应该到欧洲去研究DNA，因为我觉得DNA确实有点像是遗传物质。沃森听从了老师的话到了剑桥，他在剑桥加入了专门做分子生物学研究的卡文迪什实验室。

沃森在剑桥遇到了克里克。第二次世界大战前克里克是伦敦大学物理系的学生，战时他应召加入英国皇家海军科学研究所，从事用仪器侦察德国战舰动向的情报工作。就在这段时间，他读了玻尔的《生命和光》和薛定谔的《生命是什么》，也想从物理学转到生命科学，但他并不认为研究生物学会发现物理学的新理论，他感兴趣的是用物理学手段去研究生命大分子的结构，他相信运用物理学和化学的概念和精确的术语来重新思考生物学的基本问题是会有成果的。他相信“了不起的事就会在身边发生”。战后，克里克来到剑桥参加了佩鲁茨的实验室，开始用晶体X射线衍射技术研究血红蛋白的结构。他大量阅读有关论文，以弥补自己在X射线衍射晶体学方面的知识欠缺。不久，他就对老一套晶体结构学提出了疑问，毫无顾忌地抨击传统的思想和概念。正是这种品格把年轻的沃森很快地吸引过来，并和他一起工作。沃森兴奋异常地发现克里克也和他一样热衷于探求基因的分子本质。1951年沃森在给德尔布吕克的信中写道：“毫无疑问，克里克是我的同事中最光彩夺目的一个人。他从不间断思考和谈论。我的许多时间是在他家度过的，我时时感到自己处于亢奋、激动和充满生气的状态。克里克把优秀的青年科学家聚集在周围，在他家可以见到剑桥的各种人物。”克里克不但善于表达自己的思想，还能把别人的思想非常条理化地表达出来。沃森说：“克里克理清问题和表达别人思想的速度之快，令人倒吸一口冷气。”正是这种不停顿地思考和议论的魅力把年轻的沃森吸引到了克里克的身边。沃森和克里克在一起很快就形成了浓浓的学术讨论甚至争论的气氛。

克里克是物理学家，沃森是噬菌体遗传学家。克里克对遗传学的兴趣使他致力于生命大分子的研究，而沃森则把注意力集中于遗传信息及其物质载体。他们在知识和能力上是互补的。在沃森看来，克里克是一位富有思想又精于结构分析的物理学家。在克里克的心目中，沃森是一位精通遗传学的生物学家，立志搞清楚基因在分子水平是如何发挥作用的。从1951年秋天到1953年4月，沃森和克里克进行了现代生物学历史上最动人心弦的合作，整个合作过程会让我们领略分子遗传学是怎样起源于结构学家、信息学家、生物化学家和遗传学家在基因研究中的通力合作的。

沃森和克里克所在的卡文迪什实验室的主任是L.布拉格，他的父亲H.布拉格是用X射线衍射分析技术研究晶体结构的第一人。L.布拉格非常欣赏克里克和沃森，认为他们之间那种不停顿地思考和议论是一种很强的科学创造力的表现。

沃森和克里克在决定一起研究DNA的结构后，立刻确定了一个目标：要提出一个DNA结构模型，这个模型不仅应该能解释X射线衍射分析的资料，还必须能阐明DNA的自体催化和异体催化的机制。这个模型既要符合已知的有关DNA的物理、化学知识和结构信息，又要能释基因是怎样复制的，基因是怎样世代相传的，基因是怎样突变的，基因是怎样表达功能、怎样决定蛋白质结构的。为此他们要做的第一件事情就是掌握现有的有关DNA的全部资料。

DNA是25岁的瑞士青年化学家米歇尔在1869年发现的。到20世纪50年代，人们已经知道DNA是一个长链大分子，在整个线状分子的长度上，分子的直径是恒定的。这个分子有三种组分：磷酸根、含五碳的脱氧核糖碱基。DNA中的碱基有四种：两种嘌呤，即腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）；两种嘧啶，即胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。一个碱基、一个五碳的脱氧核糖和一个磷酸根可以组成一个叫作核苷酸的结构亚单位，一个个亚单位叠合起来，组成了柱状的DNA大分子。X射线衍射分析表明，磷酸根和五碳糖通过磷脂键相连形成分子的主轴。层与层之间的距离是0.34 nm。这些就是他们当时知道的有关DNA的全部知识和信息，也就是他们研究的出发点。现在，出发点清楚了，目标也清楚了，问题是选择从出发点达到目标的途径，也就是研究的战略和战术。

他们面临的第一个问题是如何设想DNA分子中核苷酸的排列和连接，才能保证DNA大分子内部的几何协调和力的平衡，并在化学上趋于最稳态，还要保证DNA作为遗传物质所需的复制精确性。这就不但要考虑核苷酸排列在几何学的可能性，还要考虑分子内和分子间各种力的平衡。组成分子骨架的糖磷脂键是结合力很强的共价键，X射线衍射分析还表明DNA分子有不止一个这种糖磷脂骨架。那么两个或更多个长链又是如何结合在一起的呢？很可能几条多核苷酸链靠碱基之间的氢键（一种靠范德瓦耳斯力吸引的较弱的键）相互连接。如果是这样，那碱基间就有三种不同连接方式：①相同的碱基相互连接，如A与A相连，T与T相连；②相同类别的碱基相连，即嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶相连；③不同类别的碱基相连，即嘌呤与嘧啶相连。还要考虑这种连接究竟是不同多核苷酸链上的碱基相互连接，还是同一条链不同部位上的碱基相互连接？这后一种设想也就是所谓单链回旋折叠自我连接，这也是沃森和克里克最初的想法，他们显然受了蛋白质肽链折叠模式的影响。在接下来的一年半中，至少有四件事使他们摒弃了这种看法。

第一件事情：沃森和克里克曾经和一个叫J.格里菲思（J.Griffith）的数学系研究生反复讨论过基因复制问题。J.格里菲思也非常关心基因问题。他认为基因的复制一定是以互补的方式交替形成不同的互补面，不断地拆开来合成，合成后又拆开，这可能就是DNA分子合成的机制。当然这只是一个数学家的猜测。1952年6月，在听完天文学家戈尔德（T.Gold）的讲座“完美的宇宙学原理”后，沃森、克里克和J.格里菲思谈论有没有“完美的生物学原理”，他们又一次谈到DNA的复制，谈到DNA分子中碱基间如何才能形成稳态结构。J.格里菲思应沃森和克里克的请求，答应用量子力学和化学键理论来计算不同碱基间的吸引力大小，以及如何搭配才能使分子趋于最稳态。不久，J.格里菲思告诉他们，理论计算表明A吸引T，G吸引C。克里克立刻想到，A吸引B、B吸引A，这样相互形成的专一性配对不就能解释链的复制吗？那么，怎样把碱基互补和DNA分子的三维结构联系起来呢？克里克动脑筋的速度实在太快了，甚至连J.格里菲思所讲的相互间吸引力最大的碱基对是什么都没有完全记住。

第二件事情：1952年六七月间，哥伦比亚大学教授查加夫（E.Chargaff）访问剑桥，来到卡文迪什实验室。蛋白质晶体分析专家肯德鲁把两位年轻人介绍给查加夫。这是一次非常重要的会见，克里克多年后记述了这次会见：“起初，我们谈了许多有关蛋白质的问题，后来我问及核酸研究现状，查加夫顿了一下说：‘一句话说完，就是1∶1’。我又问1∶1是什么意思，他说，文章都已经发表了。毫无疑问，我顿时醒悟到我们漏读了查加夫的重要文章，感到茫然若失。他又补充了一句，‘这是电效应的缘故’。我突然闪现了一个念头，天哪！1∶1不就是互补配对吗？我一点也没有听见他接下来还讲了些什么。告别了查加夫，我立刻去找J.格里菲思，请他再告诉我，理论计算表明哪两种碱基间吸引力最大。我转而去查阅查加夫的文章，顿时惊呆了！查加夫的文章竟然彻底颠覆了人们对DNA的看法。”

早在1929年，核酸研究的权威列文（P.A.Levene）提出了一个所谓的“四核苷酸学说”，认为在DNA分子中，A、T、G、C这四种核苷酸组成一个小的分子集团，很多个ATGC分子集团连接起来就是一个DNA分子。根据四核苷酸学说，DNA只能是许许多多ATGC四联体的重复排列，就像淀粉是许许多多葡萄糖分子重复排列一样，这种没有任何变化的分子是不可能负荷千变万化的遗传信息的。然而，查加夫的文章彻底推翻了列文的错误观点。查加夫对来源于不同动物和植物的不同细胞的DNA都做了精确的定量分析，结果发现任何生物或者一种生物中的不同细胞里DNA分子中的A与T的摩尔数总是相等的，G与C的摩尔数也总是相等的。这样，DNA分子中嘌呤的总量和嘧啶的总量也是相等的。令克里克感到十分惊喜的是，J.格里菲思的计算也强烈提示在力学上，最稳定的碱基对是A与T相配、G与C相配。这正是查加夫实验中摩尔数呈现1∶1比例的碱基对。即在DNA分子中，[A]＝[T]、[G]＝[C]。这就是著名的查加夫当量定律，是碱基专一性配对的化学基础。

看了查加夫的文章，再加上J.格里菲思的数学运算，克里克一定想到了碱基专一性配对的问题，但这必须有一个先决条件：只有DNA是双链分子，才有可能进行碱基专一性配对。即这条链上的A和那条链上的T配起来，这条链上的G和那条链上的C配起来。但是，他当时还不知道DNA分子有多少条链，因为从分子密度来说DNA分子可能是双链，也可能是三链。如果是三链的话，查加夫当量定律就很难应用到DNA分子模型的构建上去。

第三件事情：沃森和克里克成功地运用了量子化学家鲍林提出的生物大分子结构分析方法。鲍林根据量子力学原理，提出了作为量子化学基石的化学键理论，在蛋白质结构研究中提出了肽链折叠通过氢键形成a螺旋的学说。他通过多肽链基本构件的拼装组合，构建出符合蛋白质晶体X射线衍射分析图像的结构模型，第一次用物理量来描述和研究蛋白质分子的螺旋直径，并据此建立了结构分析的所谓“第一性原理”，又称逼近法。这种方法要求从生物大分子最基本的构件出发，运用化学规律找出构件间可能形成的所有排列方式，特别要考虑对整个大分子结构稳定有决定作用的氢键的形成方式；再将所获得的各种理论模型与X射线图像一一比对，不断修正，决定取舍。沃森和克里克将鲍林在蛋白质结构研究中发展起来的逼近法运用到DNA结构模型的构建研究中来。他们测定了DNA中各种嘌呤和嘧啶的大小、碱基对的排列、氢键的引力，以及DNA分子的直径、螺距、键角等结构数据，再与衍射图像一一比对，不断校正，逐步逼近真实状态。

1952年冬天，沃森和克里克的工作越来越紧张，为了和鲍林竞争，他们一再加快研究工作的步子。鲍林的研究表明DNA并不是单链，而可能是双链或三链，却还没有获得碱基和糖磷脂骨架之间关系的实验证据。当时，威尔金斯和富兰克林也在利用X射线衍射图像分析DNA的结构，并与沃森和克里克保持着经常的联系和深入的交流。威尔金斯和富兰克林作为晶体结构学家，总是先从衍射图像中形状和大小不同的点及点的分布和密集程度出发，详细分析衍射点的分布特点，经数学变换，将衍射图像诠释为分子中的各种化学键的键长、键角等结构要素。富兰克林的DNA X射线衍射照片对沃森和克里克的研究起了决定性的作用。富兰克林的照片除了提示DNA大分子呈周期性的螺旋形外，还对沃森和克里克有两点重要的启示：①在DNA的螺旋结构中糖磷脂骨架在外侧，碱基在分子内部，这是非常重要的发现；②DNA一定是双链或三链，不可能是其他形式。

1953年2月初，沃森和克里克赶到伦敦威尔金斯的实验室，发现富兰克林得到的X射线衍射分析照片既能解释双链结构模型，又能解释三链结构。使他们感到意外的是富兰克林一年前提出的“糖磷脂在外，碱基在内”的假设已被X射线衍射分析证实。返回剑桥后，沃森和克里克天天搭模型来探索DNA是双链还是三链的问题。值得一提的是，鲍林也在美国加州理工学院研究DNA模型，鲍林做大分子结构已经非常有经验了，他是诺贝尔化学奖的得主，声望很高。他还有一个儿子叫P.鲍林（P.Pauling），也在卡文迪什实验室工作，彼得完全知道父亲在做什么，也知道沃森和克里克在做什么，但是他恪守职业道德，没有把卡文迪什实验室的工作传给加州理工学院他父亲的实验室。

现在，摆在沃森和克里克面前的问题是DNA分子究竟由双链还是三链组成？这些链又是怎样相互连接的？

第四件事情：我们知道有机化合物的分子在不同条件下往往具有不同的构型，它们互为异构体。当时，沃森和克里克画在草图上的碱基只是若干种异构体中的一种，这种结构很难同时符合分子的几何结构匹配和化学稳定性要求。他们去请教在实验室访问的多诺霍（J.Donohue）。多诺霍曾经是和鲍林共事的量子化学家，他看了沃森的草图后，立刻指出他画的碱基构型属于烯醇式，只有改为酮式异构体后才能同时满足几何结构匹配和化学稳定性的要求。这一改动像一道闪电照亮了三个人的思想。克里克在回忆中写道：“多诺霍和沃森站在黑板旁边，我坐在办公桌一侧。突然，我看到了一幅碱基成对互补的图像，它能解释1∶1。太妙了，真是再美不过了！就在1953年2月20日星期五的这一刻，我们都明白了，碱基在分子内部，它们是靠氢键来专一性配对的。”沃森很快发现，在酮式结构情况下，A—T碱基对与G—C碱基对长度相等，又恰恰与DNA分子的直径相当，这使沃森和克里克确信DNA是双链而不是三链。

沃森和克里克花了整整一星期时间来设计和搭建DNA结构模型，测量了A—T和G—C两种碱基对和DNA长链上每一种键的旋转角度，并和X射线衍射图像一一比对，不断修正。沃森以惊人的记忆力把从威尔金斯和富兰克林实验室得到的新的信息全部融入了这个模型，克里克以他特有的思想和表达能力把一切都记述下来。他们的合作真是到了水乳交融、你我不分的地步。

1953年4月2日他们把论文稿寄了出去。鲍林闻讯时正在赴布鲁塞尔开会途中，特地于4日赶到剑桥。他仔细看了模型，又看了富兰克林的DNA分子的X射线衍射照片，当即由衷地向两位年轻人表示祝贺。4月23日出版的自然杂志（Nature）发表了他们这篇仅有900多字的文章《DNA的分子结构》。这个结构模型的要义是：DNA是一个长长的双链分子，由两条同轴反向相互缠绕的多核苷酸链组成，外侧是由脱氧核糖和磷酸根组成的分子骨架，中间是由互补的碱基对组成的阶梯，碱基配对方式是A配T，C配G。碱基对间距为0.34nm，每10个碱基对形成一个螺旋周期，螺旋直径为1nm。这个模型既能从螺旋性、螺距、分子直径、碱基对的几何学尺度等方面阐明X射线衍射图像，又能以碱基专一性互补配对来解释查加夫当量定律（图1-15，图1-16）。

图1-15　沃森和克里克提出的DNA双螺旋模型

（a）DNA双螺旋结构模型；（b）DNA复制模型

图1-16　DNA结构的精确模型（改自L.Stryer）

（a）DNA（B型）的X射线衍射图；（b）DNA分子侧视图；（c）DNA分子纵剖面图
脱氧核糖（五边形）和碱基（不规则多边形）沿分子主轴方向呈有规则排列。

这个模型不但外形美，更有内在的科学美。它的科学美体现在两个方面：①碱基配对的专一性保证了复制的高度精确性，只要一条链上的碱基序列确定了，其互补链上的碱基序列也随之确定了；②就一条链而言，模型并不限制碱基排列顺序的变异，例如一段1 000个核苷酸对组成的DNA可以有41000（也可以用10602表示）种不同的排列方式，保证DNA有载负无穷多样的遗传信息的可能性。这个模型充分体现了基因的两个主要属性：变异的无穷多样性和复制的高度精确性。这个模型既说明了DNA的自体催化（复制），也为DNA的异体催化（决定蛋白质的结构）的研究铺平了道路。同时，这个模型也为从信息论的角度阐明遗传信息的储存、复制和传递的基本问题奠定了基础。这个模型是从孟德尔开始的许多代科学家集体智慧的结晶，体现了一条艰辛的科学创新之路。

现在让我们回顾一下在整个研究过程中沃森和克里克做了一些什么事情呢？X射线衍射照片是威尔金斯和富兰克林拍的；作为碱基配对化学基础的当量定律是查加夫发现的；将碱基从烯醇式异构体改为酮式异构体的是多诺霍；基于量子力学原理的生物大分子结构分析方法是鲍林提出来的。然而，所有这些人都没有发现DNA分子结构，却让似乎什么都没做的沃森和克里克发现了。这是什么道理呢？这是因为他们做的不是一般意义上的观察和实验，而是通过对已有的来自各个学科各个实验室的有关DNA的所有科学资料和实验结果，用全新的学术观点进行审视和评价，再把它们融合在一起，形成一个崭新的整体。沃森和克里克自始至终认为他们研究的不是一般的化学物质的结构，所以他们提出的DNA结构模型必须满足作为遗传物质的基本要求，即变异的无穷多样性和复制的高度精确性。这种从遗传学出发的立论思想是一般的物理学家和化学家难以拥有的。他们真正做到了诺贝尔奖得主森特-哲尔吉（A.von Szent-Gygyi）的一句名言“见人人之所见，思人人所未思”。

一个新的学术思想的产生不一定总要依赖新的实验数据或材料，通过重新审视现有的数据资料也有可能形成新的、革命性的思想或观点。沃森-克里克模型就是一个很有说服力的例子，他们把抽象的、概念上的基因演绎成了物理学上非常形象的分子结构，并且赋予碱基序列有无穷多样的变异可能性，它还借助碱基配对的专一性保证了遗传物质复制的高度精确性。可以说没有任何一个分子具有这样的特性，它是DNA分子的生命之魂。他们文章开头的第一句是：“我们想提出一个DNA的结构，这个结构具有一些有着重要生物学意义的新特征。”文章的最后一句是：“我们没有忽略我们提出的专一性配对，直接提示了遗传物质的一种可能的复制机制。”很快他们又发表了一篇文章，专门讲述DNA怎么复制。　　

然而，在1953年的春天，这个模型还只是一种假设，它还有待于实验的验证。