命运的旋梯DNA双螺旋结构发现记本.docx

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命运的旋梯DNA双螺旋结构发现记本

生命科学史上的划时代突破——纪念DNA双螺旋结构发现50周年

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，更具有决定意义。

然而，人们对DNA分子的清楚认识，却经过了近百年艰难曲折的研究历程。

DNA的早期发现

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”（nucleicacid）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。

但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”，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。

由于列文是当时的学术权威，该假说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。

生化遗传学家的开拓性研究

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，一直在不断进行。

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）率先报道人苯丙酮尿症是一种遗传病。

他在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，体内某种酶的形成受到了影响。

由此他提出“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。

在当时能把基因和酶联系起来，无疑是超前的见解。

但加罗德的见解像孟德尔的开创性研究一样，也被同时代的人忽视了。

尽管加罗德的观点在当时并没引起重视，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。

1941年，比德尔又和美国生物化学家塔特姆（E.L.Tatum）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，通过一系列著名的实验，基因的化学本质也逐渐被揭示出来。

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。

受当时分析纯化技术限制，他没有分离出这种“转化因子”。

1944年，美国科学家埃弗里（O.T.Avery）等从加热杀死的S品系细菌提取液中，分离出高纯度的“转化因子”，并鉴定出它是DNA。

将这种“转化因子”注入R品系细菌体内，能够使其转化成S品系细菌。

如果事先用DNA酶将S品系细菌的DNA分解，则不可能发生这种转化。

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：

“埃弗里的实验，使我们闻到了DNA是基础遗传物质的气息。

”

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都持这一种观点。

他们认为埃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”起了遗传作用。

1948年，美国生物化学家查伽夫（E.Chargalf）读到埃弗里的论文后，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，因此对“四核苷酸假说”产生怀疑。

1949—1952年，他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的分子数总相等。

这意味着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，彻底推翻了统治学术界30年之久的“四核苷酸假说”，为双螺旋结构中起重要作用的碱基配对原则奠定了实验基础。

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20世纪生物学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，才使噬菌体得以传代，说明遗传物质是DNA，而非蛋白质，彻底扫除了对DNA是遗传物质的怀疑，催生了几个月后双螺旋结构模型的提出。

物理学家与化学家的重要贡献

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.Schr?

觟dinger）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。

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。

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。

这些工作为双螺旋结构的建立提供了直接的实验基础。

至此，一切重要的条件都已齐备，需要有人做出一项决定性实验，找到合理的结构模型来阐述DNA的遗传作用。

遗传学的研究，正处在重大突破的前夜。

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。

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。

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。

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》吸引，对遗传学产生了兴趣。

1947年，他到印地安那大学研究Ｘ射线对噬菌体增殖的影响。

导师卢里亚对DNA分子可能是遗传物质的预感，以及稍后与德