2024年1月20日发(作者：)

DNA发现的小故事

19世纪60年代，孟德尔的植物杂交实验结果使他得出了有机体携带并传递给子代很多遗传因子的结论，1909年，丹麦植物学家约翰逊提议用"基因"一词代替孟德尔的遗传因子。人们还知道每一个基因决定一个性状，因此有机体的全貌受其全部基因的控制，而这些基因都是由其亲代传授下来的。经过摩尔根的努力，生物学家搞清楚了基因在染色体内呈线性排列，确立了基因作为遗传基本单位的概念。对于以后的生物学家来说，以解决基因组成和其遗传机理问题为主要内容的分子生物学时代到来了。

1.1 核酸

1869年，瑞士生物化学家米切尔（Johann Friedrich Miescher, 1844~1895）获得医学博士学位后来到德国南部小城图宾根向斯特雷克(A. Strecker,

1822-1872)和霍佩-赛勒(F. Hoppe-Seyler, 1825-1895)学习生理化学并开始从事脓细胞的化学研究。米切尔建立了全新的分离方法并且很快就能够将脓细胞和脓的其他组份分开。然后他就试图将脓细胞的细胞质与细胞核分开，分析和测定细胞质的成分。在他的某次提取程序中所得到的末产物是一种沉淀，不具备任何已知蛋白质的性质。后来他又用高度稀释的盐酸洗完整的脓细胞，最后得到的完全是细胞核。而其特点是含磷很高而含硫很低的强有机酸，这不是任何一种已知的有机物，米切尔将它称为"核素"nuclein ，后来改称"核酸"。

虽然很快就了解到核素就是细胞学家所说的染色质，但是米切尔和当时的生物学家从来不把它看作是遗传信息的载体。作为遗传的物质基础，蛋白质是更为合理的化学物质。

在随后的50年中，核酸研究的带头人是科塞尔和莱文。

德国化学家科赛尔(A. Kossel, 1853~1927)在研究来自胸腺和酵母的核酸时，证明了存在两种核酸，这两种核酸开始被称为"胸腺核酸"和"酵母核酸"，现在则被称为脱氧核糖核酸DNA和核糖核酸RNA。两种核酸分子都含有四个碱基、一个磷酸、一个糖。DNA和RNA中均有腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)这三种碱基，DNA中第四种碱基是胸腺嘧啶(T)，而RNA中则是尿嘧啶(U) 。

早在1893年科塞尔就曾指出有一种戊糖是酵母核酸的成分之一，1909年美国洛克菲勒医学研究所的生物化学家莱文(Phoebus A.T. Levene，1869-1940)通过实验测定这戊糖是核糖。其他研究者从小牛胸腺制备核酸（"胸腺核酸"）并在其中发现了一种特殊的糖。它非常不容易检定，但是莱文及其同事终于证明它是2一脱氧核糖。多年来都认为核糖是植物核酸的精，脱氧核糖是动物核酸的精。然而后来在胰脏和其他动物细胞中发现了核糖核酸（RNA）。在植物细胞的细胞

核中发现了脱氧核糖核酸（DNA）。但是一直到1930年代左右才充分了解一切动物和植物细胞同时含有DNA及RNA。

1.2 四核苷酸假说

在1910年到1930年间虽然对DNA的化学组成了解得不少，但是对DNA分子作为一个整体的了解及其生物学功能的认识却进展很小。科塞尔和莱文为了获得DNA的组分，都采用了有机化学中十分剧烈的分析方法，而这种方法后来被证明破坏了实际上是非常巨大的分子。因此，他们都认为核酸是很小的分子，分子量约为1500。

莱文对核酸的分析表明，在各种不同来源的核酸中，四种碱基的克分子数相等。这些数据导致了"四核苷酸假说"。这一理论在开始时作为一种在研究工作中所应用的假设，但不久便成了生物化学的一条原理。

"四核苷酸假说"意味着在一切来源的DNA中，四种碱基都是等量的。更确切地说，它意味着多核苷酸是由某种确定的、排列顺序不变的单位所组成，而这些单位本身又是四种核苷酸组成的结合体。于是在这种假说之下，DNA是一种同糖原相类似的重复的多聚体，因此，它不可能产生那种对于遗传物质来说必不可少的多样性。这使得核酸丧失了作为遗传物质所具备的复杂性，因此核酸是遗传物质的设想被否定了。

直至1946年到1950年间，奥地利的查伽夫(Erwin Chargaff , 1905~ )进行的研究使当时对于DNA的看法起了革命性的变化。

1.3 氨基酸(amino acids)与蛋白质

基因究意是什么物质构成的？对于当时整个遗传界来说，一直是个谜。一般都认为基因很可能是由蛋白质组成的，其根据则是蛋白质的多样性可以解释基因的多样性。当DNA是一个相当小的简单分子的这种看法流传开来时，认为DNA具有控制发育能力的观点就逐渐夫去了说服力。考虑到发育过程和途径的极端复杂性，这样一个简单的小分子怎么可能在遗传现象中以及从受精卵到完全成长的生物有机体的发育过程的控制上具有重要作用？

20世纪60年代，人们已经接受了蛋白质是生命的物质基础的观点，通过一系列的研究人们也知道蛋白质是由氨基酸构成，构成蛋白质的氨基酸有20种。对比来说，含有20种不同氨基酸的蛋白质大分子似乎能够提供无限数量的排列与组合来解释基因的多样性。

但是，既然染色体中蛋白质比DNA多，也就不应断定基因实际上是DNA组成的。事实上，大多数专家都认为基因是由蛋白质组成的，而DNA只不过在遗传过程中发挥某些辅助的生理作用罢了。

当1930年代和1940年代科学家采用新的研究方法（超速离心，过滤，光吸收等等）后，出乎每个人意外的是DNA分子的分子量是50万到100万，比以前测得的（1500）大两个数量级。实际上它们比蛋白质分子还要大。这些新发现完全排除了DNA作为遗传信息载体学说的一个重要反对意见。人们又开始重新审视核酸和蛋白质的研究，并希望澄清这样的问题：DNA与蛋白质，究竟谁是遗传信息的载体？

2.遗传物质

2.1 转化因子与DNA

人们早就知道肺炎双球菌有几种类型，它们的毒力不同。一种有外膜，表面光滑，有传染性；一种无外膜，表面粗糙，没有传染性。英国细菌学家格里菲斯(F．Griffith，1877~1941)于1928年发现当他对老鼠同时注射活的R（粗糙）型无毒肺炎双球菌以及加热杀死的S（光滑）型有毒肺炎双球菌时，很多老鼠不久即死亡，它们的血液中含有活的S型细菌。这一发现表明活的无毒R型细菌从死去的有毒S型细菌中得到了一些什么东西从而使无毒的R型转化成有毒的S型肺炎双球菌。后来认为某些遗传信息被"转化因子"转移了。

不久，有几位科学家证实了格里菲斯的观察，并证明了无论在动物体内或在试管中都能产生肺炎双球菌的转化现象。

1944年美国细菌学家艾弗里(Oswald T. Avery, 1877~1955)、麦克劳德( Colin

Macleod)和麦卡蒂(Maclyn McCarty) 从S型肺炎双球菌分离得到活性的转化因子后，通过一系列实验指出，格里菲斯发现的转化因子就是DNA。这也意味着DNA确实是遗传信息的载体。

2.2 噬菌体小组

艾弗里的工作没有马上得到公认，人们甚至怀疑艾弗里提取的转化因子并不是纯粹的DNA，可能还有蛋白质。怀疑论者大多是"噬菌体小组"的成员，包括德裔美国生物学家德尔布吕克(Max Delbrück，1906~1981)和卢里亚(Salvador

Luria，1912~ )。

德尔布吕克少年时喜爱天文学，后改学理论物理学，是玻尔的学生，薛定谔的好友。由于逐渐对生命的本质感兴趣，遂于1938年改行到美国组建了一个小组专门研究基因问题。他选择噬菌体作为研究对象，因为这种细菌只由一个蛋白质组成，其中含有DNA，结构简单，繁殖又快。

德尔布吕克结识了来自欧洲的卢里亚，以及圣路易华盛顿大学的赫尔希。他们的结合创立了噬菌体小组。共同的目标——解决基因性质之谜，把这个小组的

成员紧紧地联系在一起。1947年，卢里亚任印第安纳大学教授。他接受了19岁的沃森作他的研究生，并举荐他参加噬菌体小组。后来噬菌体小组在研究基因性质方面做出了重要贡献。

虽然他们也都充分了解艾弗里的发现，但仍然沉湎于四核苷酸假说，因而不能相信DNA能够具有遗传物质所必需的复杂性。因为噬菌体小组在当时的分子生物学领域中占有支配地位，因而他们的怀疑态度具有相当大的影响。

2.3 查伽夫对核酸的新研究

艾弗里的实验结果发表后，引起了一场核酸研究热潮。查伽夫扔下了手头的一切工作，在1946年到1950年间开始转而从事核酸研究。

查伽夫从一开始就假定核酸可能像蛋白质一样高度聚合、非常复杂。他对各种来源的核酸进行了精细的分析，他运用了新的纸层析、紫外分光光度测量和离子交换层析技术，非常明确地证明了四种碱基的数量不是相等的。虽然在当时还没有任何一种理论能够解释他的观察结果，但查伽夫强调了他的发现：任何类型的生物中腺嘌呤A和胸嘧啶T的比值以及鸟嘌呤G和胞嘧啶C的比例总是接近于1。查伽夫的发现彻底否定了莱文的四核苷酸假说，人们不再怀疑DNA就是遗传物质的载体了。

2.4 赫尔希和蔡斯实验

1952年，噬菌体小组中的两位成员赫尔希(Alfred Hershey，1908~1997)和蔡斯(Martha Chase)用放射性标记的细菌病毒（即噬菌体）进行实验，为DNA是遗传物质提供了令人信服的证据。

为了排除艾弗里、麦克劳德和麦卡蒂实验中的不确定成分，赫尔希和蔡斯用放射性磷标记噬菌体的DNA，并用放射性硫标记噬菌体的蛋白质外壳，然后让这种噬菌体去感染细菌，再把受了感染的细菌细胞放在搅拌器内旋转、离心，使受感染的细菌和更小的颗粒分离开来。实验结果显示，大多数噬菌体DNA仍然同细菌细胞在一起，而噬菌体的蛋白质则被释放到细胞外的溶液中。这说明噬菌体颗粒感染寄主细菌时，实际上仅有噬菌体DNA进入细菌，而噬菌体蛋白质却留在细菌外边，对于后来发生在细菌体内的噬菌体再生进程并未发生任何作用。因此，可以得出结论，指导合成子代噬菌体的亲代噬菌体基因寓于它的DNA之中。

虽然有些科学家觉得赫尔希-蔡斯实验的资料应该谨慎地加以解释，但是噬菌体小组的成员沃森很快接受了这一成果，认为它是DNA遗传作用的很好的证据。赫尔希-蔡斯再次证明DNA是遗传物质的实验产生了直接和深远的影响。从那时起，有关遗传机制问题的研究便全部集中于DNA上了。

生物遗传的根本问题可以归纳为DNA分子的两种不同的功能。一是自我催化功能，即通过亲代DNA分子严格的碱基顺序的复制，产生出遗传信息传给后代。二是异体催化功能，即DNA通过对于造成实际有机体的一系列生化反应的控制或主导，将其遗传信息表达出来。

为了搞清楚DNA是如何完成这些功能的，就不仅需要了解DNA的化学组成，而且需要详细研究它的三维结构。

3.发现双螺旋

3.1 三个小组

为了回答基因怎样能够作为模板这个问题，就必须更多地了解DNA分子的结构。这一点已经被很多学者意识到，自从莱文以来有些学者已经预料到DNA必定具有纵向线性结构，由脱氧核糖和磷酸（碱以某种方式与之相联）的骨架构成。需要研究的问题是这三种分子彼此是怎样联结的。只有弄清楚这个问题之后才能够确定DNA怎样执行其遗传功能。当时有三个实验室都在全力探索这个问题，当它们开始行动时应当说都具有同等的成功机会，他们的研究很快就演变成了一场发现DNA双螺旋结构的竞赛。

其中一个是美国加州理工学院的鲍林（Linus Pauling，1901~1994）实验室。他于1951年发现了蛋白质的基本结构。蛋白质也是一条长链分子，由二十种不同的氨基酸通过肽键彼此联结而成。这样的氨基酸链亦称多肽链。鲍林在构想多肽链空间构型，即蛋白质大分子骨架形状时发现，这种骨架实际上只能有少量不同的螺旋构型，并且预见到其中一种构型，即α- 螺旋在决定蛋白质分子的形状中必定发挥着主导作用。这个预见不久即被证实。

另一个小组是伦敦皇家学院的威尔金斯（Maurice Wilkins）实验室。威尔金斯及其同事的专长是X射线结晶学，运用X射线方法研究生物大分子DNA的晶体结构在这个小组取得了重大突破。小组成员弗兰克林(Rosalind Franklin，1920~1958)曾就DNA的X射线衍射（折射）图像拍摄了一些非常出色的照片。通过她的研究和其它发现引出了下面一些问题：DNA分子的骨架是直的还是扭曲成螺旋？若是螺旋形的，那么只有一条螺旋还是两条或三条？嘌呤-嘧啶碱基是怎样联在骨架上的？碱基是不是像瓶刷的刷毛那样联在骨架的外边？如果是两条或三条螺旋，这些碱基会不会在骨架的里边，这些碱基又是怎样彼此相联的？

剑桥大学的沃森-克里克小组开始研究DNA时，鲍林和威尔金斯小组所提出的上述问题以及其它一些问题还都没有解决。特别值得提到的是沃森比其它研究者更清醒地认识到DNA分子在生物学中的决定性重要意义。正是这种认识，激发他百折不挠地将他的研究推向前进并取得成就。

3.2 沃森和克里克

沃森(James Watson，1929~ )在中学时就是一个极聪明的孩子，15岁便进入芝加哥大学，对鸟类学极有兴趣，而对其他任何东西似乎不特别感兴趣。虽然在别人看来，他在课堂上从不作笔记，但在课程结束时，他的成绩总是在班上名列前茅。当他读了薛定谔(Erwin Schrodinger，1887~1961)的《生命是什么？》(1944年)一书后，便下定决心去发现基因的秘密。由于加州理工学院和哈佛大学都未招收他，他便在印第安纳大学当研究生。在众多的教授中，沃森选择在卢里亚的指导下工作。22岁获得博士学位后到欧洲继续深造。在哥本哈根同卡尔喀和马勒一起工作了一年后，他的某些研究计划由于技术上的原因无法进一步开展，于是又转到了剑桥大学卡文迪什实验室加入佩卢兹小组从事植物病毒核酸的分子结构研究。

克里克(Francis Crick，1916~ )1938年在伦敦大学学院获得物理学硕士学位，继续在那里跟随安德拉德博士作研究生，但是第二次世界大战中断了他的学习，他和许多科学家及学生一道进入了位于特丁顿的海军实验室，研究用于探测和引爆敌方水雷的电路操作系统。恢复和平后，克里克仍然留在海军部，打算从事粒子物理的基础性研究或者研究物理学在生物学中的应用。之所以想研究物理学在生物学中的应用，是受到了战争即将结束时阅读的薛定谔《生命是什么？》一书的启发。1947年，克里克进入剑桥大学作研究，并开始自学了生物学。两年后加入佩卢兹小组用X射线技术研究蛋白质及蛋白质分子结构。

克里克发现沃森是一位对遗传学很有造诣的生物学家，并且急于想知道基因是如何活动的。沃森则发现克里克是一位不仅了解X射线结晶学，而且对基因的结构与生物学功能很感兴趣的物理学家。克里克和沃森具有同样的才华，并且在实验技术上很内行（这是沃森所不及的），但是至少在开始时他对DNA的重要性的认识并不如沃森那样清楚。由于他们两人的思想上都受到了薛定谔的影响，所以尽管他们的经历不同，但是他们却以相似的观点来探讨生物学的问题。

3.3发现双螺旋

在赫尔希和蔡斯发表他们的确切证据表明DNA的确是遗传物质之前的一年多，沃森和克里克就开始合作研究DNA的结构。他们打算设计一种分子模型，该模型不仅要和X射线资料相一致，而且也能解释DNA的自催化和异催化功能。

沃森和克里克抓紧时间研究已经获得的数据，于1951年底提出了第一个模型。这个模型是一个由三股链组成的螺旋结构，但后来发现，由于算少了DNA的含水量而设想的三股链是不对的。第一个模型失败了。

然而，不久后，有三个因素影响了沃森和克里克的思路。一是与剑桥年轻的数学家约翰·格里菲斯(John Griffith)的偶然相遇，格里菲斯也对一些生物学问题比较感兴趣。格里菲斯答应帮助沃森和克里克计算DNA分子间同类碱基之间

的吸引力(弱相互吸引)。过了一段时间，当克里克在一次茶会上见到格里菲斯时，问他是否做完了计算，格里菲斯回答做完了，但是从理论上考虑，不是相同碱基之间的互相吸引，而是不同碱基之间的互相吸引。克里克受到启发，立刻想到了另一种可能性，即互补配对，这样就可以很好地解释复制了。然而根据这个发现仍然不能说明DNA分子的整个三维性质。

更重要的是1952年7月，查伽夫访问剑桥，由肯德鲁介绍与沃森和克里克相识。在谈话中，克里克得知DNA所含四种碱基含量不相等，嘌呤与嘧啶的比例总是1：1，验证了克里克设想的碱基配对可能是DNA分子结构的基础。这个认识极为重要，因为它提示出DNA分子如何被维系在一起，以及如何复制自己。然而，还没有证据表明DNA分子由几条链组成，或链与链之间的空间关系如何。

第三条线索来自鲍林对于蛋白质α-螺旋的研究，但并不是这项研究的内容，而是这项研究中所采用的方法。鲍林提供了一个独特的查看分子维度的物理方法，即先根据理论上的考虑建立模型，再用X射线衍射来检验模型。沃森和克里克采用这种方法，建立了一大堆嘌呤碱基和嘧啶碱基模型，以确定什么样的维度和排列才能既符合氢键的理论要求，又符合查伽夫规则的经验要求。

1952年冬天，当他们得知鲍林不久可能建立一个DNA模型时，沃森和克里克更加疯狂地工作，希望赶在别人的前面建立一个精确的DNA模型。可供选择的方案已经缩减到两链或三链分子，这种链的碱基朝内，糖-磷酸骨架朝外，或者碱基朝外，糖-磷酸骨架朝内。

1953年2月，沃森访问伦敦大学的威尔金斯小组，从威尔金斯那里得到了弗兰克林关于DNA结构的新照片和新数据。克里克看到这张照片后受到启发，X射线的数据与密度的测量结果符合DNA是双链的可能性，糖-磷酸骨架一定位于DNA链的外侧，于是决定建立一个双链的DNA螺旋结构。在拼接分子模型时，沃森和克里克用的是嘌呤碱基和嘧啶碱基几种可能形式的一种。他们用了几种方法试图使分子链上的碱基结合在一起但都没有成功，于是便去请教同一个办公室的美国化学家多诺休(Jerry Donohue, 1920~ )。多诺休告诉沃森和克里克，他们一直使用的是错误的分子形式，当他提出了正确的形式时，他们突然感到茅塞顿开。

他们做到了!最终，他们发现了DNA结构的关键所在。他们花了一个星期的时间对DNA模型作了一系列令人激动的重新调整，偶尔的一点精确微调之后，模型完成了。

1953年4月25日，沃森-克里克的DNA模型在《自然》杂志的一篇短文中公布于世，仅用了900个单词，一个简单图解说明了全部内容。这个模型包括两个彼此缠绕的螺旋体，像是一个螺旋楼梯，梯阶由配对的碱基(腺嘌呤-胸腺嘧啶、胞嘧啶-鸟嘌呤)构成，糖-磷酸骨架在外侧。

DNA双螺旋结构的提出是生物学史上划时代的事件，它宣告了分子生物学的诞生，标志着生物学已经进入了分子水平。以此为开端，生物学各个领域均发生了巨大的变化。沃森、克里克和威尔金斯因此获得了1962年的诺贝尔医学与生理学奖。