双螺旋结构的成功发现

DNA双螺旋结构的成功发现

953年4月25日，两位年轻科学家沃森和克里克的一篇重要论文——“核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的结构”刊登在英国最权威的科学杂志《自然》里。他们在论文中宣布，他们已经发现了生物大分子脱氧核糖核酸即DNA分子的双螺旋结构。一个DNA分子有两条核苷酸链，这两条链以一定的间距平行地围绕同一根轴盘旋，形成右旋的双链螺旋体。这种结构与DNA的复制、转录及遗传信息传递都有密切关系，具有重要的生物学意义。沃森和克里克的发现，在分子水平上揭开了遗传现象的微观本质，开辟了生物遗传学的新纪元，从此分子生物学和分子遗传学诞生了。这项发现是20世纪生命科学乃至整个现代科学的最重要研究成果之一，1962年，他们因这一发现而分享了诺贝尔医学和生理学奖金。

二聚体蛋白质的三维结构

1944年，奥地利著名物理学家薛定谔发表了一篇演讲，在演讲中，他试图用热力学、量子力学等理论来解释生命现象的本质，引进了非周期性晶体、负熵、密码、传递、量子跃迁式的突变等一系列概念，说明有机体的物质结构、生命活动的维持和延续、生命的遗传和变异等问题，开拓了研究生命现象的某些新途径。薛定谔的演讲稿在1944年出版，书名是《生命是什么》，副题是“活细胞的物理学观”。书中强调，自然界的一切规律都符合统计物理学定律，遗传物质是一种有机大分子，遗传性状以密码形式通过染色体而遗传等设想，对生物遗传学的发展起了重要作用。这本书在西方科学界负有盛名，影响颇大，被称为“唤起生物学革命的小册子”。它影响了一大批物理学家转而投身于生物学研究，并对分子生物学发展做出杰出贡献。沃森、克里克和威尔金斯都读过《生命是什么》一书，沃森说，正是这本书使他走向基因秘密的发现之路。

细胞核、染色质

20世纪初期，生物学家已经研究清楚，生物体性状由基因决定，基因即是遗传物质，基因在细胞核的染色体内，染色体由蛋白质、脱氧核糖核酸DNA和少量核糖核酸RNA组成。当时，在攻克DNA结构之谜的科学竞赛中，有五位科学家名列前茅。一位是美国加州理工学院的鲍林，他是著名的化学家，因发现蛋白质分子的α螺旋结构而蜚声国际科学界；两位英国结晶学家威尔金斯和年轻的女学者富兰克林，他们用第一流的X射线结晶学技术，拍摄了很多精彩的DNA分子X射线衍射图，以此直接分析DNA分子结构；还有两位就是美国生物学家沃森和英国物理学家克里克，论专业知识和专业技术比不上鲍林和威尔金斯、富兰克林，然而，他们选择了恰当的方法，即用建构模型来探索DNA的结构，同时以X射线衍射图谱作为参照和验证。沃森说：“特别重要的是我们认真讨论了鲍林是怎样发现蛋白质分子α螺旋的，我们发现螺旋并不是仅仅靠研究X射线衍射图谱，相反的，其主要方法是探讨原子之间的相互关系。”他不用纸和笔，主要工具是一组分子模型，这些模型从表面上看与学龄前儿童的玩具非常相似。为什么我们不能用同样的方法解决DNA分子问题呢！我们只要制作一组分子模型，动手摆弄起来就行了。

DNA转录RNA的图解

1949年，克里克在剑桥大学卡文迪许实验室的医学科学研究院分子生物学研究室。此时，克里克的密友威尔金斯已经在DNA分子X射线衍射研究中取得很多宝贵资料。1950年，沃森在美国印第安纳大学获动物学哲学博士学位，同年9月，他去丹麦哥本哈根学习生物化学，1951年5月沃森在意大利那不勒斯的一次生物学会议上见到威尔金斯，听到威尔金斯关于DNA分子X射线衍射分析报告，第一次看到DNA结构的X射线衍射照片，促使沃森决心向核酸结构进军。同年8月沃森到达英国，10月正式到克里克所在的分子生物学研究室工作，从此他们并肩作战，经过两个月的实验研究活动，沃森为克里克的科学思想敏锐和对青年科学家的吸引力所折服。

在沃森写给德尔布鲁克的信里曾这样赞扬克里克：“克里克无疑是我过去从未接触过的最生气勃勃的人，也是我过去从未见到过最像鲍林的人，事实上他看上去极像鲍林。他总是不停地说话和思考，自从我和他在一起以后，我发现自己也处在高度兴奋之中，他把许多优异的年轻科学家都吸引到自己的周围。”从此两人紧密合作，共同为探索DNA分子结构而刻苦钻研。

威尔金斯和富兰克林所拍摄的DNA分子X射线衍射照片表明，DNA分子由几个糖一磷酸骨架所组成。但这些骨架如何结合到一起呢，结合力是化学键还是氢键，四种碱基配对是同配还是异配，克里克请剑桥的青年数学家格里菲思计算得出结论，碱基是不相似的配对，彼此之间以弱的吸引力氢键相结合。下一个问题是碱基的数量关系如何。实际上，早在1950年，美籍奥地利生物化学家查哥夫就公开发表过有关的数据，“在迄今为止所有已经检验过的各种DNA中，总的嘌呤和总的嘧啶分子数比值，还有腺嘌呤和胸腺嘧啶的分子数比值与鸟嘌呤和胞嘧啶的分子数比值，都与1相去不远。”然而沃森和克里克并未看过这篇文献。直到1952年6月，查哥夫访问他俩的实验室后，二人才知道这些数据。格里菲思的计算结果与查哥夫的数据惊人的一致，这就是DNA分子可能为1∶1的不相似碱基配对。克里克意识到这一点是非常重要的，因为这能解释DNA分子结合在一起和DNA分子能自我复制。

组成DNA分子的原料堆砌联结在一起构成什么形状呢？起初，沃森和克里克曾经想象是直线排列，1951年看到鲍林发表多肽分子的α螺旋结构，两人决定把DNA分子也看成螺旋形。

螺旋究竟由几股核苷酸链组成呢？沃森和克里克主张三股螺旋，威尔金斯则主张单股螺旋。他们三人经常讨论DNA分子结构的问题，然而却没有选中双螺旋结构。

沃森与克里克用废弃不用的蛋白质分子结构模型材料制成一个DNA分子三螺旋模型，他们兴高采烈地把消息告诉威尔金斯所在的DNA小组，以为DNA分子结构已经找到，大功告成。第二天威尔金斯和富兰克林来看他们，立即发现他们对实验数据理解错了，三股螺旋模型便被否定了。从此，沃森和克里克情绪一度低落，沃森回去继续研究烟草花叶病毒，克里克则回去继续研究蛋白质。然而他们对建立DNA分子结构模型，仍然保持很大的兴趣，并且频繁地与各方面学者接触。

染色体和DNA

不久，鲍林在美国建立起DNA分子结构模型，沃森和克里克知道这个消息后紧张起来，立刻又加紧工作。这次沃森建立起一个双螺旋模型，糖一磷酸骨架在外，碱基在里，表面看来似乎已接近最后成功，但在配对碱基时却错误地坚持同配原则。

1953年2月19日，沃森的双螺旋同配模型已经成功，但同室工作的美国结晶学家多诺休指出，他们采用的鸟嘌呤与胸腺嘧啶的互变异构体搞错了。沃森旁引达维生《核酸的生物化学》书中的观点，坚持自己的观点是正确的。多诺休坦率地指出，教科书中列举的烯醇式在化学上很少见，正确的应该是酮式。由于多诺休是鲍林的老同事，长期从事有机物晶体结构研究，他的意见中肯、正确，还是具有权威性的，沃森采纳了酮式结构，进行重新调整，建立正确的双螺旋模型。

基因的分子生物学

2月20日，沃森来到实验室，清出桌面，再一次摆弄起碱基模型来。接着多诺休和克里克也进来了，沃森以各种配对方式移动四种碱基。突然，他觉察到由两个氢键保持在一起的A—T配对与两个氢键相连结在一起的C—G配对，形式上完全相同，整个结构自然形成。就这样，沃森发现了碱基配对的正确规则。由氢键联系，两条无规则的碱基序列，可以合乎规则地排列在螺旋中间；而氢键的要求意味着腺嘌呤总是与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤只能与胞嘧啶配对。另外，查哥夫的规则，作为双螺旋的结果，突出得令人难以想象正确。更令人激动的是，这种双螺旋结构所暗示的复制格式比单纯同配更使人满意。

克里克在回忆这个茅舍顿开的过程时说：“我记得非常清楚，多诺休和沃森靠近黑板，我靠近写字台，我们忽然都想到，好了，我们多半可以由这种碱基配对说明1∶1比例，在这时我们三人都有了这种思想——我们会把碱基摆在一起形成氢键。”这样，科学史上的一项伟大发现，就在办公桌上用铁块、纸板和铁丝摆出来了。

在DNA分子结构模型的建立过程中，沃森和克里克多次试验，犯过许多错误，出现多次失败挫折。但是，他们勤于思考，锲而不舍，勇于实践，不怕失败，在很多学者专家的协助下，最终实现了突破，到达了成功的颠峰。

DNA分子的结构模式图

初出茅庐的沃森因DNA分子的双螺旋结构模型而一炮而红，但他并不满足，仍然继续他的科学研究。1960年，32岁的他担任哈佛大学教授。他的代表作有《双螺旋结构》《基因分子生物学》，后者被视为最重要、最优秀的教材之一。1968年，沃森临危受命担任冷泉港实验室主任，他把一个财政困窘，几乎关闭的实验室再度建成世界知名的科研基地，其中凝结了沃森的智慧和汗水。在那里，他培养了很多科学人才，为科学的发展注入了活力。

中心法则

DNA双螺旋结构问世后，为了取得博士学位，克里克不得不为论文忙碌，直到1957年取得博士学位后，他又进入剑桥大学分子生物学实验室，再度组织、领导对分子生物学的研究，成绩斐然，主要表现在：

1．中心法则的提出：

早在1953年DNA分子结构被发现之前，沃森就对DNA到蛋白质的遗传信息传递路线作出了预测：“DNA→RNA→蛋白质”，但缺少深入分析。1958年，克里克提出了遗传信息的中心法则，将DNA、RNA和蛋白质三种物质可能具有的信息流都画了上去。后来，在人们弄清了三种RNA即mRNA、rRNA、tRNA的存在及作用，知道DNA经过转录可以形成mRNA，mRNA穿过核孔进入细胞质，在以rRNA为主形成的核糖体上，以mRNA为模板，以tRNA为运载工具合成蛋白质后，克里克对中心法则又进行了修改。

DNA分子结构模型

1965年，科学家发现了RNA复制酶，说明RNA可以自我复制。1970年，坦明和巴尔的摩在一种RNA病毒侵染的宿主细胞中分离出一种反向转录酶，它能使RNA反常地转向DNA，从而整合到宿主的细胞上去。根据这些实际情况，克里克于1970年再次修改了中心法则，在这次修改中，他认为遗传信息从DNA到蛋白质的直接转移只是一种理论上的假设。

中心法则合理地说明了核酸和蛋白质两类大分子的联系和分工：核酸的功能在于贮存和转移遗传信息，指导和控制蛋白质的合成；蛋白质的主要功能是进行新陈代谢以及作为细胞结构的组成成分。

2．遗传密码表的建立

当DNA分子双螺旋结构公布于世后，人们认识到四种碱基的排列方式包含极大的信息量。如果是一个由100个脱氧核苷酸组成的DNA，那么它所包含的最大信息量将达到4100，这个数字比太阳系所有原子总数还要大1000倍，因此引起科学家极大兴趣，都想来破译遗传密码。人们经推理很明显地看出是4个碱基的排列决定蛋白质中20个氨基酸的排列，简化为数学排列组合只能是4→20，为满足20这个数，4的全排列只能是4³＝64，这可以为编码20种氨基酸提供足够的信息。三联体密码方案初步建立起来，即mRNA分子中相邻的三个碱基称为三联体，它能决定多肽中的一个氨基酸，所以又把mRNA的三联体称为密码子。

克里克认为不仅存在一个三联体密码字典，可能还有起始密码、终止密码和同义密码。在克里克及众多科学家不懈努力下，1966年遗传密码全部被破译出来：①所有遗传密码都是由三个连续的核苷酸组成；②许多氨基酸的密码子并非一个，而是由许多近似的核苷酸组成，即存在简并码；③3个碱基的64种组合中，有61种可以用于编码各种氨基酸，其中AUG、GUG还是翻译的起始信号，称为起始密码子；另外三种组合不能编码任何氨基酸，它们全部是编码的终止符号，这就是UAA、UAG、UGA，称为终止密码子。由此可以看出，克里克的推测多么准确，使我们看到了一个真正掌握科学脉搏的科学家，他的眼光有多么远大，他的思路有多么清晰呀！

DNA复制

1969年，在克里克及其他科学家的不断努力下，克服种种困难，终于将核酸中的碱基排列与蛋白质合成联系起来，形成了遗传密码表，使人们一目了然，能迅速地掌握氨基酸合成时碱基的三联体密码。人们常把它与门捷列夫的元素周期表相媲美，它是生物学发展史上的重要里程碑。

沃森和克里克创建的DNA分子双螺旋结构模型，在以后的科学研究中得到进一步的证实，极大地推动了分子生物学的发展。1962年，他们双双获得诺贝尔医学和生理学奖。

自从1953年，沃森和克里克提出DNA分子双螺旋结构模型以来，基因的分子生物学迅速发展起来。

1967年，DNA连接酶首次被分离出来，这种酶能使DNA分子的末端之间形成3，，5，－磷酸二酯键，因此可以使2个DNA分子连接起来。1970年，科学家发现了第一种限制性内切酶，这种酶能识别特定的DNA顺序，并且在这个顺序内的一定位置上把DNA分子切断。1972年，美国斯坦福大学的伯格等人设想，如果把猿病毒DNA和λ噬菌体DNA用同一种限制性内切酶切割后，再用DNA连接酶把这两种DNA分子连接起来，就会产生一种新的重组DNA分子，这是分子克隆的开创性工作。1973年，科恩等人将外源DNA片段与质粒DNA连接起来，构成一个重组质粒，并成功地将其转移到大肠杆菌中，从而首次建立了分子克隆体系。

克隆是clone的译音，是无性繁殖的意思。分子克隆又称重组DNA或基因工程，是指用人工方法取出某种生物的个别基因，把它转移到其他生物的细胞中去，并使后者表现出新的遗传性状，这是一种DNA的无性繁殖技术。这项技术从20世纪70年代开始，迅速发展起来，先后培育出一些具有商业价值的转基因产品。例如1988年，我国科学家合成了抗黄瓜花叶病毒基因，并把这一基因引入到烟草等作物的细胞中，得到抗病能力很强的新品种。1989年，中国科学院武汉水生生物研究所的朱作言等科学家将人的生长激素基因成功地导入泥鳅、鲤鱼、鲫鱼的卵细胞中，从而使这些鱼的生长速度明显加快。基因工程在改良生物品种，治疗人类的遗传病等方面潜力还很大，但仍有很多难题需突破。

另外，在遗传工程中还有一种细胞水平的遗传。1997年，首例体细胞克隆羊问世。据1997年2月27日英国《自然》杂志报道，英国苏格兰卢斯林研究所的科学家们首次成功利用细胞核移植技术，经人工繁殖产生哺乳动物——多莉羊。其克隆过程大致是：从一个六龄母羊身上取乳腺细胞，经培养后取核，利用电打孔使该核进入另一只羊的去核卵细胞中，经培养后植入第三只羊的子宫中生长，直至分娩。经基因图分析，多莉与供核者基因组成相同，也就是说，多莉几乎是第一只羊的翻版，这就是无性繁殖——克隆，即细胞水平的遗传工程。这项实验的成功使由人体细胞克隆产生克隆人成为可能，从而引起了道德、伦理与法律等问题的激烈争论。

多莉的克隆全过程

总之，一次新的技术或新的理论的产生与成熟，必将会带来新的革命与挑战。随着道德、法律的不断完善，人们终将受益。

在分子生物学飞速发展的今天，人们还是不能忘记它的创始人沃森和克里克。他们将一生都献给了20世纪的分子生物学，由他们两个人所掀起的狂澜，席卷了全球，带动一系列学科的发展。人们尊称他们为“分子生物学的元勋”。

知识是一种快乐，而好奇则是知识的萌芽。

——培根