DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

1、DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)50年代，世界上有三個(gè)小組正在進(jìn)行DNA生物大分子的分析研究，他們分屬于不同派別，競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。結(jié)構(gòu)學(xué)派，主要以倫敦皇家學(xué)院的威爾金斯和富蘭克林(R.Franklin)為代表；生物化學(xué)學(xué)派是以美國加州理工學(xué)院鮑林(L.G.Pauling)為代表；信息學(xué)派，則以劍橋大學(xué)的沃森和克里克為代表。結(jié)構(gòu)學(xué)派的威爾金斯是新西蘭物理學(xué)家，他的貢獻(xiàn)在于選擇了DNA作為研究生物大分子的理想材料，并在方法上采取“X射線衍射法”。他認(rèn)為DNA分子的X射線衍射研究對(duì)于建立嚴(yán)格的分子模型是有幫助的。他和他的同事獲得了世界上第一張DNA纖維X射線衍射圖，證明了DNA分子是單鏈螺旋的，并在

2、1951年意大利生物大分子學(xué)術(shù)會(huì)議上報(bào)告了他們的研究成果。正如前面所介紹的那樣，沃森也參加了那次會(huì)議，并受到很大啟發(fā)。結(jié)構(gòu)學(xué)派的另一位代表人物是富蘭克林，她是一位具有卓越才能的英國女科學(xué)家。1952年，她在DNA分子晶體結(jié)構(gòu)研究上成功地制備了DNA樣品，更重要的是通過X射線衍射拍攝到一張舉世聞名的B型DNA的X射線衍射照片，由此推算DNA分子呈螺旋狀，并定量測(cè)定了DNA螺旋體的直徑和螺距；同時(shí)，她已認(rèn)識(shí)到DNA分子不是單鏈，而是雙鏈同軸排列的。生物化學(xué)學(xué)派的代表鮑林是美國著名的化學(xué)家。致力于研究DNA、蛋白質(zhì)等生物大分子在細(xì)胞代謝和遺傳中如何相互影響及化學(xué)結(jié)構(gòu)。1951年，根據(jù)結(jié)構(gòu)化學(xué)的規(guī)律性

3、，成功地建立了蛋白質(zhì)的“螺旋模型。信息學(xué)派的沃森和克里克主要研究信息如何在有機(jī)體世代間傳遞及該信息如何被翻譯成特定的生物分子。他們無論是在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，還是學(xué)術(shù)成就方面都無法與威爾金斯、富蘭克林、鮑林相比，然而他們后來居上，在18個(gè)月的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)造了DNA分子的雙螺旋模型，躍上20世紀(jì)的科學(xué)寶座，摘取“分子生物學(xué)”的桂冠，領(lǐng)了半個(gè)世紀(jì)的風(fēng)騷。究其根本原因是他們能采百家之長(zhǎng)融為一體，化為己用。自1951年開始，沃森和克里克先后建立了三個(gè)DNA分子模型。他們?cè)诮⒛Ｐ蜁r(shí)，不只是考慮其結(jié)構(gòu)，還要始終聯(lián)系DNA的功能和信息。他們要求建立的模型既要滿足物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)研究的最新事實(shí)，如X射線衍射結(jié)果、堿

4、基配對(duì)的力學(xué)要求，還要滿足生化知識(shí)，如酮型、氫鍵、鍵角等，更要使DNA能解釋遺傳學(xué)和代謝理論，這是一種很先進(jìn)的思想。第一個(gè)模型是一個(gè)三鏈的結(jié)構(gòu)。這是在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)理解錯(cuò)誤的基礎(chǔ)上建立的，最終失敗。但他們并不氣餒，繼續(xù)搜集材料，查閱資料，富蘭克林的B型DNA的X射線衍射照片，查爾加夫的DNA化學(xué)成分的分析都曾給沃森和克里克很大啟示。他們建立的第二個(gè)模型是一個(gè)雙鏈的螺旋體，糖和磷酸骨架在外，堿基成對(duì)的排列在內(nèi)，堿基是以同配方式即A與A,C與C,G與G,T與T配對(duì)。由于配對(duì)方式的錯(cuò)誤，這個(gè)模型同樣宣告失敗。盡管這次又失敗了，但他們從中總結(jié)了不少有益的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為成功地建立第三個(gè)模型打下了基礎(chǔ)1953年

5、2月20日，沃森靈光一現(xiàn)，放棄了堿基同配方案，采用堿基互補(bǔ)配對(duì)方案，終于獲得了成功。沃森和克里克又經(jīng)過三周的反復(fù)核對(duì)和完善，3月18日終于成功地建立了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并于4月25日在英國的自然雜志上發(fā)表。DNA分子規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型與世人見面了，要點(diǎn)如下：DNA分子是由兩條平行的脫氧核甘酸長(zhǎng)鏈向右螺旋形成的；DNA分子中脫氧核糖和磷酸交替連結(jié)，排列在外側(cè)，構(gòu)成基本骨架，堿基排列在內(nèi)側(cè)；兩條鏈上的堿基通過氫鍵連結(jié)起來，形成堿基對(duì)，即A與T,C與C配對(duì)；DNA分子中兩條脫氧核甘酸長(zhǎng)鏈中的原子排列方向相反，一條是5'-3'走向，另一條是3'-5'數(shù)個(gè)星期之

6、后，沃森和克里克又在自然雜志上進(jìn)一步提出了DNA分子復(fù)制的假說一一半保留復(fù)制機(jī)制，它為進(jìn)一步揭示遺傳信息的奧秘提供了廣闊的前景。從沃森和克里克的成功，我們不難發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代科學(xué)的創(chuàng)舉決非一兩個(gè)人所能辦到的，他們必須采百家之長(zhǎng)，充分借鑒別人的成功經(jīng)驗(yàn)和理論，勤于思考，勇于探索，在掌握先進(jìn)的科學(xué)方法后，有高明正確的科學(xué)思想指導(dǎo)才能成功。從科學(xué)發(fā)展的角度上看，沃森和克里克把各自獨(dú)立研究的信息學(xué)派、結(jié)構(gòu)學(xué)派和生化學(xué)派對(duì)生物遺傳的研究統(tǒng)一起來推向前進(jìn)，建立了不可磨滅的豐功偉績(jī)。是他們完成了歷史的、科學(xué)的統(tǒng)一，創(chuàng)建了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這是分子生物學(xué)史上劃時(shí)代的創(chuàng)舉，是突破性的進(jìn)展，人們從此開始從分子角度

7、來研究生命科學(xué)，奠定了分子生物學(xué)的基礎(chǔ)。我國著名的生物學(xué)家談家楨指出：“DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，不僅是生物科學(xué)的重大突破，也是整個(gè)自然科學(xué)的輝煌成就，其意義足以同迄今已有的任何一次科學(xué)發(fā)現(xiàn)相媲美”。鍥而不舍再創(chuàng)佳績(jī)25歲的沃森因DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型而一舉成名，但他并不滿足，繼續(xù)他的科學(xué)研究。1960年，32歲的他擔(dān)任哈佛大學(xué)教授。他的代表作有雙螺旋結(jié)構(gòu)、基因分子生物學(xué)，后者被視為最重要、最優(yōu)秀的教材之一。1968年，沃森臨危受命擔(dān)任冷泉港實(shí)驗(yàn)室主任，他把一個(gè)財(cái)政困窘，幾乎關(guān)閉的實(shí)驗(yàn)室再度建成世界知名的科研基地，其中凝結(jié)了沃森的智慧和汗水。在那里，他培養(yǎng)了很多科學(xué)人才，為科學(xué)的發(fā)展注入

8、了活力。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)問世后，克里克表現(xiàn)得不如沃森灑脫，他還不得不為博士論文忙碌，直到1957年取得博士學(xué)位后，他又進(jìn)入劍橋大學(xué)分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，再度組織、領(lǐng)導(dǎo)對(duì)分子生物學(xué)的研究，成績(jī)不斐，主要表現(xiàn)在：1 .中心法則的提出早在1953年DNA分子結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)之前，沃森就對(duì)DNA到蛋白質(zhì)的遺傳信息傳遞路線作出了預(yù)測(cè)：“DNA-RNA-蛋白質(zhì)”，但缺少深入分析。1958年，克里克提出了遺傳信息的中心法則，將DNA、RNA和蛋白質(zhì)三種物質(zhì)可能具有的信息流都畫了上去。后來，在人們弄清了三種RNA即mRNA、rRNA、tRNA的存在及作用，知道DNA經(jīng)過轉(zhuǎn)錄可以形成mRNA,mRNA穿過核孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，

9、在以rRNA為主形成的核糖體上，以mRNA為模板，以tRNA為運(yùn)載工具合成蛋白質(zhì)后，克里克對(duì)中心法則又進(jìn)行了修改。1965年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了RNA復(fù)制酶，說明RNA可以自我復(fù)制。1970年，坦明(H.M.Temin)和巴爾的摩(D.Baltimore)在一種RNA病毒侵染的宿主細(xì)胞中分離出一種反向轉(zhuǎn)錄酶，它能使RNA反常地轉(zhuǎn)向DNA,從而整合到宿主的細(xì)胞上去。根據(jù)這些實(shí)際情況，克里克于1970年再次修改了中心法則，在這次修改中，他認(rèn)為遺傳信息從DNA到蛋白質(zhì)的直接轉(zhuǎn)移只是一種理論上的假設(shè)。中心法則合理地說明了核酸和蛋白質(zhì)兩類大分子的聯(lián)系和分工：核酸的功能在于貯存和轉(zhuǎn)移遺傳信息，指導(dǎo)和控制蛋白質(zhì)的

10、合成；蛋白質(zhì)的主要功能是進(jìn)行新陳代謝以及作為細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組成成分。2 .遺傳密碼表的建立當(dāng)DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)公布于世后，人們認(rèn)識(shí)到四種堿基的排列方式包含極大的信息量。如果是一個(gè)由100個(gè)脫氧核甘酸組成的DNA,那么它所包含的最大信息量將達(dá)到4100,這個(gè)數(shù)字比太陽系所有原子總數(shù)還要大1000倍，因此引起科學(xué)家極大興趣，都想來破譯遺傳密碼。人們經(jīng)推理很明顯地看出是4個(gè)堿基的排列決定蛋白質(zhì)中20個(gè)氨基酸的排列，簡(jiǎn)化為數(shù)學(xué)排列組合只能是4-20,為滿足20這個(gè)數(shù)，4的全排列只能是43=64,這可以為編碼20種氨基酸提供足夠的信息。三聯(lián)體密碼方案初步建立起來，即mRNA分子中相鄰的三個(gè)堿基稱為三聯(lián)體，

11、它能決定多肽中的一個(gè)氨基酸，所以又把mRNA的三聯(lián)體稱為密碼子?？死锟苏J(rèn)為不僅存在一個(gè)三聯(lián)體密碼字典，可能還有起始密碼、終止密碼和同義密碼。在克里克及眾多科學(xué)家不懈努力下，1966年遺傳密碼全部被破譯出來：所有遺傳密碼都是由三個(gè)連續(xù)的核甘酸組成；許多氨基酸的密碼子并非一個(gè)，而是由許多近似的核甘酸組成，即存在簡(jiǎn)并碼；3個(gè)堿基的64種組合中，有61種可以用于編碼各種氨基酸，其中AUG、GUG還是翻譯的起始信號(hào)，稱為起始密碼子；另外三種組合不能編碼任何氨基酸，它們?nèi)渴蔷幋a的終止符號(hào)，這就是UAA、UAG、UGA,稱為終止密碼子。由此可以看出，克里克的推測(cè)多么準(zhǔn)確，使我們看到了一個(gè)真正掌握科學(xué)脈搏的

12、科學(xué)家，他的眼光有多么遠(yuǎn)大，他的思路有多么清晰呀！1969年，在克里克及其他科學(xué)家的不斷努力下，克服種種困難，終于將核酸中的堿基排列與蛋白質(zhì)合成聯(lián)系起來，形成了遺傳密碼表，使人們一目了然，能迅速地掌握氨基酸合成時(shí)堿基的三聯(lián)體密碼。人們常把它與門捷列夫的元素周期表相媲美，它是生物學(xué)發(fā)展史上的重要里程碑。沃森和克里克創(chuàng)建的DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，在以后的科學(xué)研究中得到進(jìn)一步的證實(shí)，極大地推動(dòng)了分子生物學(xué)的發(fā)展。1962年，他們雙雙獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。后記一一克隆自從1953年，沃森和克里克提出DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型以來，基因的分子生物學(xué)迅速發(fā)展起來。1967年，DNA連接酶首次被分離出來

13、，這種酶能使DNA分子的末端之間形成3',5'-磷酸二酯鍵，因此可以使2個(gè)DNA分子連接起來。1970年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一種限制性內(nèi)切酶，這種酶能識(shí)別特定的DNA順序，并且在這個(gè)順序內(nèi)的一定位置上把DNA分子切斷。1972年，美國斯坦福大學(xué)的伯格（P.Berg）等人設(shè)想，如果把猿病毒DNA和入噬菌體DNA用同一種限制性內(nèi)切酶切割后，再用DNA連接酶把這兩種DNA分子連接起來，就會(huì)產(chǎn)生一種新的重組DNA分子，這是分子克隆的開創(chuàng)性工作。1973年，科恩（S.Cohen）等人將外源DNA片段與質(zhì)粒DNA連接起來，構(gòu)成一個(gè)重組質(zhì)粒，并成功地將其轉(zhuǎn)移到大腸桿菌中，從而首次建立了分子克隆體

14、系。克隆是clone的譯音，是無性繁殖的意思。分子克隆又稱重組DNA或基因工程，是指用人工方法取出某種生物的個(gè)別基因，把它轉(zhuǎn)移到其它生物的細(xì)胞中去，并使后者表現(xiàn)出新的遺傳性狀，這是一種DNA的無性繁殖技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)從20世紀(jì)70年代開始，迅速發(fā)展起來，先后培育出一些具有商業(yè)價(jià)值的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品。例如1988年,我國科學(xué)家合成了抗黃瓜花葉病毒基因，并把這一基因引入到煙草等作物的細(xì)胞中，得到抗病能力很強(qiáng)的新品種。1989年，中國科學(xué)院武漢水生生物研究所的朱作言等科學(xué)家將人的生長(zhǎng)激素基因成功地導(dǎo)入泥酗:、鯉魚、鯽魚的卵細(xì)胞中，從而使這些魚的生長(zhǎng)速度明顯加快?；蚬こ淘诟牧忌锲贩N，治療人類的遺傳病等方面

15、潛力還很大，但仍有很多難題需突破。另外，在遺傳工程中還有一種細(xì)胞水平的遺傳。1997年，首例體細(xì)胞克隆羊問世。據(jù)1997年2月27日英國自然雜志報(bào)道，英國蘇格蘭盧斯林研究所的科學(xué)家們首次成功利用細(xì)胞核移殖技術(shù)，經(jīng)人工繁殖產(chǎn)生哺乳動(dòng)物一多莉羊。其克隆過程大致是：從一個(gè)6齡母羊身上取乳腺細(xì)胞，經(jīng)培養(yǎng)后取核，利用電打孔使該核進(jìn)入另一只羊的去核卵細(xì)胞中，經(jīng)培養(yǎng)后植入第三只羊（替代母羊）的子宮中生長(zhǎng)，直至分娩。經(jīng)基因圖分析，多莉與供核者（6齡母羊）基因組成相同，也就是說，多莉幾乎是第一只羊的翻版，這就是無性繁殖一一克隆，即細(xì)胞水平的遺傳工程。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成功使由人體細(xì)胞克隆產(chǎn)生克隆人成為可能，從而引起了道

16、德、倫理與法律等問題的激烈爭(zhēng)論?？傊淮涡碌募夹g(shù)或新的理論的產(chǎn)生與成熟，必將會(huì)帶來新的革命與挑戰(zhàn)。隨著道德、法律的不斷完善，人們終將受益。在分子生物學(xué)飛速發(fā)展的今天，人們還是不能忘記它的創(chuàng)始人沃森和克里克。他們將一生都獻(xiàn)給了20世紀(jì)的分子生物學(xué)，由他們兩個(gè)人所掀起的狂瀾，席卷了全球，帶動(dòng)一系列學(xué)科的發(fā)展。人們尊稱他們?yōu)椤胺肿由飳W(xué)的元?jiǎng)住薄NA發(fā)現(xiàn)史20世紀(jì)50年代初，英國科學(xué)家威爾金斯等用X射線衍射技術(shù)對(duì)DNA結(jié)構(gòu)潛心研究了3年，意識(shí)到DNA是一種螺旋結(jié)構(gòu)。女物理學(xué)家富蘭克林在1951年底拍到了一張十分清晰的DNA的X射線衍射照片。1952年，美國化學(xué)家鮑林發(fā)表了關(guān)于DNA三鏈模型的研究報(bào)告，這種模型被稱為口螺旋。沃森與威爾金斯、富蘭克林等討論了鮑林的模型。威爾金斯出示了富蘭克林在一年前拍下的DNA的X射線衍射照片，沃森看出了DNA的內(nèi)部是一種螺旋形的結(jié)構(gòu)，他立即產(chǎn)生了一種新概念：DNA不是三鏈結(jié)構(gòu)而應(yīng)該是雙鏈結(jié)構(gòu)。他們繼續(xù)循著這個(gè)思路深入探討，極力將有關(guān)這方面的研究成果集中起來。根