DNA双螺旋结构地发现对人类发展地意义.docx

1、DNA双螺旋结构地发现对人类发展地意义科学技术史论文DNA双螺旋结构的发现对人类发展的意义系 别 生物与环境工程学院专业班级 T08 生物工程姓 名 任闯 学 号 T0843118日 期 2010 年12月9日DNA双螺旋结构的发现对人类发展的意义摘要DNA双螺旋结构的提出开始便开启了分子生物学时代，使遗传的研究深入到 分子层次，“生命之谜”被打开， 人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。 1953 年，沃森和克里克发现了 DNA双螺旋的结构，开启了分子生物学时代，使 遗传的研究深入到分子层次， “生命之谜”被打开，人们清楚地了解遗传信息的 构成和传递的途径。在以后的近 50 年里，分子遗

2、传学、分子免疫学、细胞生物 学等新学科如雨后春笋般出现， 一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了更清晰 的阐明，DNA重组技术更是为利用生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景。关键词： DNA 生命之谜 沃森和克里序言1一、 DNA双螺旋结构 - 简介 2二、 DNA双螺旋结构的确定 2三、研究 DNA双螺旋结构 3四、创新 3五、意义 5 六，我国 DNA的发展 5序言DNA双螺旋结构被发现后， 极大地震动了学术界， 启发了人们的思想。 从此， 人们立即以遗传学为中心开展了大量的分子生物学的研究。 首先是围绕着 4 种碱 基怎样排列组合进行编码才能表达出 20种氨基酸为中心开展实验研究。 1

3、967 年， 遗传密码全部被破解，基因从而在 DNA分子水平上得到新的概念。它表明： 基因 实际上就是 DNA大分子中的一个片段， 是控制生物性状的遗传物质的功能单位和 结构单位。 在这个单位片段上的许多核苷酸不是任意排列的， 而是以有含意的密 码顺序排列的。一定结构的 DNA，可以控制合成相应结构的蛋白质。一： DNA双螺旋结构 - 简介1952 年，奥地利裔美国生物化学家查伽夫( E.chargaff ， 1905 ) 测定了 DNA中 4 种碱基的含量发现其中腺膘呤与胸腺嘧啶的数量相等，胞 嘧啶鸟膘呤的数量相等。这使沃森、克里克立即想到 4 种碱基之间存在着 两两对应的关系，形成了腺膘呤

4、与胸腺嘧啶配对、鸟膘呤与胞嘧啶配对的 概念。1953 年 2 月，沃森、克里克通过维尔金斯看到了在 1951 年 11 月富兰克 林拍摄的一张十分漂亮的 DNA晶体 X 射线衍射照片，这一下激发了他们的 灵感。他们不仅确认了 DNA一定是螺旋结构，而且分析得出了螺旋参数。 他们采用了富兰克琳和威尔金斯的判断，并加以补充：磷酸根在螺旋的外 侧构成两条多核苷酸链的骨架，方向相反；碱基在螺旋内侧，两两对应。 一连几天，沃森、克里克在他们的办公室里兴高采烈地用铁皮和铁丝搭建 着模型。1953年 2月 28日，第一个 DNA双螺旋结构的分子模型终于诞生了。二： DNA双螺旋结构的确定Rosalind F

5、ranklin ( 1920 1958 )拍摄到的 DNA晶体照片，为双螺 旋结构的建立起到了决定性作用。但“科学玫瑰”没等到分享荣耀，在研 究成果被承认之前就已凋谢。 Franklin 生于伦敦一个富有的犹太人家庭， 15 岁就立志要当科学家，但父亲并不支持她这样做。她早年毕业于剑桥大 学，专业是物理化学。 1945 年，当获得博士学位之后，她前往法国学习 X 射线衍射技术。她深受法国同事的喜爱，有人评价她“从来没有见到法语 讲得这么好的外国人。”1951 年，她回到英国，在剑桥大学国王学院取得了一个职位。那时 人们已经知道了 DNA可能是遗传物质，但是对于 DNA的结构，以及它如何在生命活

6、动中发挥作用的机制还不甚了解。就在这时， Franklin 加入了研 究 DNA结构的行列，然而当时的环境相当不友善。她开始负责实验室的 DNA项目时，有好几个月没有人干活。同事 Wilkins 不喜欢她进入自己的研究 领域，但他在研究上却又离不开她。他把她看做搞技术的副手，她却认为 自己与他地位同等，两人的私交恶劣到几乎不讲话。当时的剑桥，对女科 学家的歧视处处存在，女性甚至不被准许在高级休息室里用午餐。她们无 形中被排除在科学家间的联系网络之外，而这种联系对了解新的研究动态、 交换新理念、触发灵感极为重要。Franklin 在法国学习的 X 射线衍射技术在研究中派上了用场。 X 射线是波

7、长非常短的电磁波。 医生通常用它来透视人体， 而物理学家用它来分析晶体的结 构。当 X 射线穿过晶体之后，会形成样一种特定的明暗交替的衍射图形。不同的 晶体产生不同的衍射图样， 仔细分析这种图形人们就能知道组成晶体的原子是如 何排列的。 Franklin 精于此道，她成功地拍摄了 DNA晶体的衍射照片。三：研究 DNA双螺旋结构Watson 和 Crick 也在剑桥大学卡文迪许实验室进行 DNA结构的研究，Watson 在美国本来是在微生物学家指导下从事噬菌体遗传学研究的，他们 希望通过噬菌体来搞清楚基因如何控制生物的遗传。派他出国学习并没有 生硬地规定课题，甚至他从一个国家的实验室到另一个国

8、家的实验室也能 得到导师的支持或谅解。当他听了 Wilkins 的学术报告，看到 DNA的 X 射 线衍射图片后，认定一旦搞清 DNA的结构，就能了解基因如何起作用。于是他不等批准，就决定先斩后奏从丹麦去伦敦学习 X 射 线衍射技术了。至于 Crick ，他是个不拘小节又相当狂妄的聪明人，不太受 “老板” Bragg 欢迎，甚至一度有可能被炒尤鱼。但是，当因为学术问题引 起的误会消除后，老板照样关心他的工作，在那篇划时代的论文写成后， Bragg 认真修改并热情地写信向 Nature 推荐。这种现象在一个以学术为 重的研究机构应该是正常的。人际关系对研究事业的干扰是轻微的。Watson 擅自选

9、择，后来和 Crick 一起在那里做出划时代贡献的研究机构， 在当 时已经是一个闻名全球的单位英国剑桥大学卡文迪许实验室。 这个实验室 创立于 1874 年，麦克斯威尔、卢瑟福、玻尔等一批物理学大师都在这里工作过。 创立至今，先后造就了近 30位诺贝尔奖获得者。早在 20 世纪初，物理学家汤姆 森领导这个实验室时，就形成了一个“ TeaBreak”习惯，每天上午和下午，都有 一个聚在一起喝茶的时间， 有时是海阔天空的议论， 有时是为某个具体实验设计 的争论，不分长幼，不论地位，彼此可以毫无顾忌地展开辩论和批评。历史证明 这种文化氛围确实有利于学术进步， 所以这种习惯现在已经被国外许多大学和研

10、究机构仿效，就连国际学术会议的日程安排中， 这个节目也是必不可少的。 近十 几年来，国内个别大学和科研单位的领导人也在试图推广这种做法。 如果能够长 期坚持下去，必有收获。在卡文迪许实验室里， Watson 遇到了物理学家 Crick ， 又得到机会向 Wilkins 、Franklin 等 X 射线衍射专家学习， 还有包括著名蛋白质 结构专家的儿子在内一批科学家和他经常交换各种信息和意见， 又得到实验室主 任 Bragg 等老一辈的指导和鼓励， 这些都是他取得成就的重要因素。 而直接导致 Watson 集中精力从事 DNA结构研究的契机，则是他得到美国主管部门资助去参 加在拿不勒斯召开的学术

11、会议，在那里他看到了 Wilkins 的 X 射线衍射图片。四：创新创新者必须破除迷信，敢于向权威挑战。 1953 年的 Watson 和 Crick 都是名不见经传的小人物， 37 岁的 Crick 连博士学位还没有得到。受到前人 的影响，他们原来按照 3 股螺旋的思路进行了很长时间的工作，可是既构 建不出合理模型，也遭到结晶学专家 Franklin 的强烈反对，结果使工作陷 于僵局。在发现正确的双股螺旋结构前 2 个月，他们看到蛋白质结构权威 Pauling 一篇即将发表的关于 DNA结构的论文， Pauling 错误地确定为 3 股 螺旋。 Watson 在认真考虑并向同事们请教后，决然

12、地否定了权威的结论。正是在否定权威之后，他们加快了工作，在不到两个月内终于取得了后来 震惊世界的成果。两位年轻科学家没有迷信权威，而且敢于向权威挑战，这需要勇气， 更需要严肃认真的实验工作和深厚的科学功底。在科学界经常遇到的是年 轻人对权威无原则的屈服，甚至 Watson 在开始知道鲍林提出的是三螺旋模 型的一刹那，也曾后悔几个月前放弃了自己按三螺旋思路进行的工作。不 过他们没有从此打住，而是为了赢得时间，加快了工作。因为他们相信这 是智者 Pauling 千虑之一失，很快本人就会发现错误并迅速得出正确结论。 Wilkins 在 Franklin 不知情的情况下给他们看了那张照片。根据照片，整

13、 日焦虑于 DNA结构发现的 Watson 和 Crick 立即领悟到了现在已经成为众所 周知的事实两条以磷酸为骨架的链相互缠绕形成了双螺旋结构，氢键 把它们连结在一起。他们在 1953 年 5 月 25 日出版的英国 Nature 杂志 上报告了这一发现。双螺旋结构显示出 DNA分子在细胞分裂时能够自我复制，完善地解释了生命体要繁衍后代，物种要保持稳定，细胞内必须有遗 传属性和复制能力的机制。这是生物学的一座里程碑，分子生物学时代的 开端，怎样评价其重要性都不过分。在 1953 年 2 月底， 33 岁的 Franklin 已经在日记中写道， DNA具有两 条链的结构。这时她已经确认这个生物

14、分子具有两种形式，链外面有磷酸 根基团。 1953 年 3 月 17 日，当 Franklin 将研究结果整理成文打算发表时， 发现 Watson 和 Crick 破解 DNA结构的消息已经出现在新闻简报中。 4 月 2日， Watson、 Crick 和 Wilkins 的文章送交 Nature 杂志， 4月 25 日发 表，接着他们在 5 月 30 日的 Nature 杂志上又发表了“ DNA的遗传学意 义”一文，更加详细地阐述了 DNA双螺旋模型在功能上的意义。 1953 年初， Watson 和 Crick 构建出 DNA分子双螺旋结构模型， 而此时 Franklin 对这一 进展并不

15、知情。她更不知道的是， Watson 和 Crick 曾看过她拍摄的能验证 DNA双螺旋结构的 X 射线晶体衍射照片，并由此获得了重要启发。Franklin 的贡献是毋庸置疑的：她分辨出了 DNA的两种构型，并成 功地拍摄了它的 X射线衍射照片。 Watson和 Crick 未经她的许可使用了这 张照片，但她并不在意，反而为他们的发现感到高兴，还在 Nature 杂 志上发表了一篇证实 DNA双螺旋结构的文章。Watson 在 1968 年出版的双螺旋一书中坦承，“ Franklin 没有直 接给我们她的数据” 。而 Crick 在很多年后也承认， “她离真相只有两步” 目前，科技界对 Fra

16、nklin 的工作给予较高评价，对 Wilkins 是否有资格分 享发现 DNA双螺旋结构的殊荣存在很大争论。1962 年，当 Watson、 Crick 和 Wilkins 共同分享诺贝尔奖时， Franklin 已经因长期接触放射性物质而患乳腺癌英年早逝。五：意义 DNA双螺旋结构被发现后，极大地震动了学术界，启发了人们的思想。从 此，人们立即以遗传学为中心开展了大量的分子生物学的研究。首先是围绕着 4 种碱基怎样排列组合进行编码才能表达出 20 种氨基酸为中心开展实验研究。 1967 年，遗传密码全部被破解，基因从而在 DNA分子水平上得到新的概念。它 表明：基因实际上就是 DNA大分子

17、中的一个片段， 是控制生物性状的遗传物质的 功能单位和结构单位。 在这个单位片段上的许多核苷酸不是任意排列的， 而是以 有含意的密码顺序排列的。一定结构的 DNA，可以控制合成相应结构的蛋白质。 蛋白质是组成生物体的重要成分， 生物体的性状主要是通过蛋白质来体现的。 因 此，基因对性状的控制是通过 DNA控制蛋白质的合成来实现的。 在此基础上相继 产生了基因工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程等，这些生物技术的发展必将 使人们利用生物规律造福于人类。 现代生物学的发展， 愈来愈显示出它将要上升 为带头学科的趋势。六，我国 DNA的发展1953 年，自然杂志刊登了 DNA双螺旋结构的论文后，全世界

18、的目光都 集中到了 DNA这个小小的分子上。 但是，我国的 DNA发展可不是一般的缓慢， 就 像我国计算机的发展，到现在连自己的一点点技术核心都没有。而我国法医 DNA技术的发展就更落后了，不过也取得了一些成果，在侦查破案 中发挥了巨大的作用。在“七五”后期，从 1987 年起，我国正式立项对 DNA指纹技术进行研究，经 过两年的努力， 至 1989 年我国首次把 DNA指纹技术应用于办案， 开始了我国 法 医 DNA检验的新时代。 随着 DNA指纹技术的不断应用， 技术人员越来越感到其不 能满足实际工作的需要，存在许多不足之处。“八五”期间，我国把解决法医 DNA检验存在的疑难问题的研究列入

19、重点攻关 计划。在 DNA指纹技术的研究中装备了国产化的多位点探针， 建立了用非同位素 标 记探针的方法检测 DNA指纹技术 ; 在利用 PCR技术进行 DNA检验的研究中建立 了检测 DNA扩增片段长度多态性的方法， 用于一系列多态性位点的分析 ; 在解 决 毛发、指甲等特殊检材的检验上， 建立了测定人类线粒体 DNA序列多态性的方法。 所有这些成果，扩大了 DNA技术检验各种检材的能力，更加适合于实际检材 的需要，尤其是 PCR检验方法的建立，使得 DNA技术更有生命力，适合于推广应用。 进入“九五”期间，我国法医 DNA检验技术又有了新的发展，除了对一些疑难检材 如骨骼等的检验进行研究外

20、，商品化 DNA检验试剂盒的出现，使 DNA检验技 术 更加规范和标准化， 尤其是 STR复合扩增技术的应用使 DNA检验技术步入了新的 阶段。在检测方法上，也从银染法人工染色、 肉眼观察分析结果发展到荧光法 自 动电泳收集、计算机分析结果，一次检验分析的 STR多态性位点显著增多， 最多 的一次检验可达 16 个位点，大大提高了个体识别率，达到了同一认定的水平。经过十余年的刻苦攻关，法医 DNA检验技术取得了丰硕的成果， DNA指纹技术正 日趋被淘汰。目前， 随着 PCR多态性系统的大量增多， 基于 PCR方法进行的检验 在个体识别率上显著提高，在我国使用 DNA指纹进行办案的实验室也大大减

21、少， 该方法在案件鉴定中已基本被淘汰。STR是存在于人类基因组 DNA中的一类具有长度多态性的 DNA序列，其核心序 列一般由 26 个碱基构成，不同数目的核心序列呈串联重复排列，而呈现出长 度多态性。一般认为， 人类基因组 DNA中平均每 610kb 就有一个 STR位点，其 多态性成为法医物证检验个人识别和亲子鉴定的丰富来源。与 DNA指纹技 术相比，基于 PCR技术的 STR多态性分型在操作上要简便得多， 在灵敏度上要高得多， 在检验降解 DNA的能力上要强得多， 在结果分析上要标准得多。 同时， 由于 STR 的扩增片段较短、扩增条件类似， 能够在同一体系中进行复合扩增， 一次检验就

22、获得较多的多态性信息。 分析 STR位点的多态性是法医 DNA检验技术 的新突破， 目前己成为法医学上个体识别和亲子鉴定主要技术方法。在检测方法上，目前国内根据各自实验室情况的不同，分别采用银染法和荧光 法进行 STR的分型。近两年来，荧光法检测技术以其快速 （一次检验仅需数小时 ） 、 灵敏度高 （适合现场提取的微量样品的检验 ） 、检验结果更加准确 （每个泳道内都 加入内标 ） 、易于标准化和建立数据库等优点逐渐代替了银染法检测技术，但是 使 用荧光自动分析方法对 STR位点分型又有所需仪器设备以及所用消耗试剂昂 贵的缺陷。参考文献1 YU Jun,HU Song-nian,WANG Ju

23、n,et al. A draft sequence of rice(Oryza sativa ssp.indica) genome J . Chinese Science Bulletin,2001,40(23):1 937-1 942.2 黄健秋,卫志明,安海龙 ,等.农杆菌转化获得转 B.T.基因 水稻及其生物学鉴定 J. 植物生理学报 ,2000,26( 6):519-524. 3赵艳,于彦春,钱前,等.无载体主干序列的 bar 和 cecropin B 基因表达框共转化水稻 J. 遗传学报 ,2003,30(2):135-141. 4 安韩冰 , 朱祯 , 李慧芬 , 等 . 基因枪法转化水稻( Oryza sativa L. )获得可育的转抗虫基因水稻再生植株 J. 高技术 通讯 ,2001,2:12-17.