双螺旋DNA的发现过程

海云青飞:据我所知,宇宙中没有直线运动的物体,于是物体的运动轨迹必然带有螺旋性。升物DNA双螺旋的结构是生物宏观运动的双螺旋在局部的投影



19.3双螺旋的发现

《生物学思想发展的历史》 恩斯特·迈尔著 涂长晟等译 https://www.tuenhai.com 整理

在这些年的研究中对DNA的认识已经取得了长足进展,由此作出的结论往往具有预见性。例如,DNA在代谢上的惰性似乎也证实了基因理论家所普遍设想的基因是“模板”的推论:“逻辑上的结论是基因(在细胞的代谢作用中)用不着‘做’什么,它只是为合成(代谢)提供一份蓝图”(Mazia,1952:115)。DNA在数量上的绝对稳定性完全符合这一假定

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,自从列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。特别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。其中一个是美国加州理工学院的鲍林(Linus Pauling)实验室。鲍林曾阐明蛋白质的a-螺旋结构,对了解将分子键合起来的作用力曾作出重大贡献

另一个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,这个小组的Rosalind Franklin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?只有一条螺旋还是两教三条?嘌呤-嘧啶碱是怎样联在骨架上的?碱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,这些碱会不会在骨架的里边,这些碱又是怎样彼此相联的?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在剑桥大学的沃森-克里克小组开始研究DNA时还都没有解决

这三个小组的前进步伐、错误猜想以及所遭受的许多挫折的细节用不着再来介绍,因为这些已讲得太多,也有很多精采的介绍(Olby,1974;Judson,1979)。特别值得提到的是沃森比其它研究者更清醒地认识到DNA分子在升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,尽管他在技术上是难于完成这一任务的。威尔金斯则一直到1950年还对“核酸在细胞中究竟是干什么的”感到很奇怪

沃森(1928年出生)曾在美国印第安纳大学S.E.Luria指导下从事博士生研究。他在该大学和冷泉港了解到DNA的重要性,当他的某些研究计划由于技术上的原因无法进一步开展时便决定去英国从事DNA研究。在剑桥大学的卡文迪什实验室他碰上了一个性格癖好相同的人、克里克(1916年生)。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。他们两人对某些方面的知识都很缺乏,然而通过与许多人交谈请教、访问有关的实验室、并无休止地采用各式各样的模型进行试验,他们终于在1953年2月和3月得到了正确的答案。DNA的各种组成分子的拚剪模型大大有助于他们弄清楚DNA分子的三维(立体)结构

最关键的“信息毕特”(bit of information)是恰伽夫(1950)所发现的嘌呤和嘧啶(AT和CG)的1:1比值。虽然这比值已经发现了两年,但是这三个研究小组多少都一直没有重视。当沃森和克里克最后认识到这数值关系的重要意义之后,他们只花了三个星期摆弄他们的拚剪模型就得出了DNA分子的正确结构

最后的结果(现在每个中学生都知道)是,DNA是一个双螺旋,两条带就像盘旋楼梯的梯级由一系列的碱基对相联。四种可能的碱基对(AT,TA,CG,GC)的顺序,正如后来很快就发现的,提供遗传信息。这信息作为装配多肰和蛋白质的蓝图从而控制细胞分化。沃森和克里克的双螺旋如此圆满地解释了一切有关事实因而几乎立即被所有的人接受,包括那两个与之激烈竞争的实验室,鲍林的和威尔金斯的实验室。这就排除了一切关于DNA是否真正是遗传物质的最后怀疑

茹在1883年曾认为传递遗传学的基本过程是细胞核分裂成“两个完全相同的半个”,这样措词是将重点放错了。最重要的实际上是遗传物质的倍增,然后将之分离到两个子细胞中去。因此细胞分裂中最关键的事态是DNA的精确复制。在发现双螺旋之前怎样才能做到这一点完全是一个谜。沃森和克里克一眼就看清了这一点,正像他们在原文中(相当忸怩地)所说的那样(1953a:737):“我们注意到我们所提出的特殊(碱基)配对立刻暗示了遗传物质的一种可能的复制机制。”在随后的一篇文章中他们扼要指出,螺旋解开连同嘌呤和嘧啶碱之间的键断裂产生了两个模板作为DNA的复制机制

了解双螺旋及其功能不仅对遗传学而且对胚胎学,生理学,进化论,甚至哲学(Delbrhck,1971)都有深刻影响。遗传型和表现型的问题现在可以用明确的语言说明,对获得性状遗传学说这是一道催命符。虽然早在1880年代和90年代就一再有人怀疑遗传物质可能和躯体的结构物质有所不同,而且即使1908年创用了“遗传型”和“表现型”这两个词,直到1944年才充分认识它们在根本上是多么不同。从1953年以后才知道遗传型的DNA本身并不进入发育途径而只不过是一套指令。1950年代分子升物学的突破和信息科学的诞生在时间上正好巧合,信息科学中的一些关键词,如程序、编码。也在分子遗传学中使用

编码的“遗传程序”一代又一代的经过修饰并且编入历史信息,成为了一个强有力而又为人们熟悉的概念。这一概念的历史演变还没有缕述成文。Hering(1870)和Semon(1904)的“记忆单位”(mneme)概念,虽然起初是用来支持获得性状遗传的,肯定属于这一范畴。更接近的是His(1901)将种质的活动比作讯息(message)的产生,种质活动的结果当然远比简单讯息复杂。遗传程序作为不动的运转者(Unmoved mover,Delbruck,1971)的概念是如此新颖在1940年代以前还没有人理解它

在全部升物学历史上还几乎没有比发现双螺旋更具有决定意义的突破。我同意Beadle(1969:2)的评断:“我曾经说过多次我认为研究出DNA的细致结构是20世纪中升物学的一大成就,其重要性可以和19世纪达尔文及孟德尔的成就相媲美。我这样说是因为沃森-克里克结构立刻说明了它在每一细胞世代中是怎样复制自己的,它在发育和功能中是怎样被运用并发挥作用的,它是怎样经历作为升物进化基础的突变性变化的。”

对双螺旋的了解开拓了一个广阔的、激动人心的研究新领域而且可以毫不夸张的说由于这一发现的结果分子升物学在随后的15年中完全左右了升物学。对遗传现象真正本质的长期研究已告结束。没有解决的问题越来越多的是生理学问题,涉及基因的功能以及它在个体发生和神经生理学方面的作用。然而传递遗传学的情节已经完结

传递遗传学的一切发现(在第十七章 已作总结)在主要方面并没有被分子升物学的发现加以修正。值得提起的是基因细微结构的分析(Benzer发现亚单位)是由经典遗传学方法而不是升物化学方法取得的。有时能听到这样的议论,说什么由于分子升物学的新的研究路线和方法,传递遗传学已“还原”成分子遗传学。这种说法完全没有事实根据(Hull,1974)。早在1880年代就有升物学家认为基因是化学分子,大部分著名孟德尔主义者都同意这一假定。但是在1944年以前这只是一种假说。是分子升物学无可置疑的成就提供了传递遗传学有关现象的化学解释。DNA的结构(双螺旋)(1)解释了基因的线性顺序的实质,(2)表明了基因精确复制的机制,(3)按化学观点说明了突变的实质,(4)指明为什么突变、重组、功能在分子水平上是可以区分的现象

分子升物学对我们认识基因功能的影响更大,从而开辟了一个完全新的研究领域。将基因分为几类,如结构基因、调节基因,重复DNA等,仍然还处于初期阶段。核小体(nycleosomes)以及真核升物染色体中各种蛋白质的作用还只是粗略地有所了解。内含子、转位子(转座子)以及假想的“不活动”(silent)DNA的作用还是谜。几乎每个月都有新现象被发现同时也提出了新的疑难问题。我们知道的确实很少这一情况也许表明所有这些现象都和基因功能的调节有关。分子遗传学仍然很像一个未讲完的故事

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