DNA分子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)DNA的小故事

1、DNA發(fā)現(xiàn)的小故事19世紀(jì)60年代，孟德爾的植物雜交實驗結(jié)果使他得出了有機體攜帶并傳遞給子代很多遺傳因子的結(jié)論，1909年，丹麥植物學(xué)家約翰遜提議用基因一詞代替孟德爾的遺傳因子。人們還知道每一個基因決定一個性狀，因此有機體的全貌受其全部基因的控制，而這些基因都是由其親代傳授下來的。經(jīng)過摩爾根的努力，生物學(xué)家搞清楚了基因在染色體內(nèi)呈線性排列，確立了基因作為遺傳基本單位的概念。對于以后的生物學(xué)家來說，以解決基因組成和其遺傳機理問題為主要內(nèi)容的分子生物學(xué)時代到來了。核酸1869年，瑞士生物化學(xué)家米切爾(JohannFriedrichMiescher,18441895)獲得醫(yī)學(xué)博士學(xué)位后來到德國南部小

2、城圖賓根向斯特雷克(A.Strecker,1822-1872)和霍佩-賽勒(F.Hoppe-Seyler,1825-1895)學(xué)習(xí)生理化學(xué)并開始從事膿細胞的化學(xué)研究。米切爾建立了全新的分離方法并且很快就能夠?qū)⒛摷毎湍摰钠渌M份分開。然后他就試圖將膿細胞的細胞質(zhì)與細胞核分開，分析和測定細胞質(zhì)的成分。在他的某次提取程序中所得到的末產(chǎn)物是一種沉淀，不具備任何已知蛋白質(zhì)的性質(zhì)。后來他又用高度稀釋的鹽酸洗完整的膿細胞，最后得到的完全是細胞核。而其特點是含磷很高而含硫很低的強有機酸，這不是任何一種已知的有機物，米切爾將它稱為核素nuclein，后來改稱核酸。雖然很快就了解到核素就是細胞學(xué)家所說的染色質(zhì)，

3、但是米切爾和當(dāng)時的生物學(xué)家從來不把它看作是遺傳信息的載體。作為遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，蛋白質(zhì)是更為合理的化學(xué)物質(zhì)。在隨后的50年中，核酸研究的帶頭人是科塞爾和萊文。德國化學(xué)家科賽爾(A.Kossel,18531927)在研究來自胸腺和酵母的核酸時，證明了存在兩種核酸，這兩種核酸開始被稱為胸腺核酸和酵母核酸，現(xiàn)在則被稱為脫氧核糖核酸DNA和核糖核酸RNA。兩種核酸分子都含有四個堿基、一個磷酸、一個糖。DNA和RNA中均有腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)和胞嘧啶(。這三種堿基，DNA中第四種堿基是胸腺嘧啶(T)，而RNA中則是尿嘧啶(U)。早在1893年科塞爾就曾指出有一種戊糖是酵母核酸的成分之一，1909年美

4、國洛克菲勒醫(yī)學(xué)研究所的生物化學(xué)家萊文(PhoebusA.T.Levene，1869-1940)通過實驗測定這戊糖是核糖。其他研究者從小牛胸腺制備核酸(胸腺核酸)并在其中發(fā)現(xiàn)了一種特殊的糖。它非常不容易檢定，但是萊文及其同事終于證明它是2一脫氧核糖。多年來都認為核糖是植物核酸的精，脫氧核糖是動物核酸的精。然而后來在胰臟和其他動物細胞中發(fā)現(xiàn)了核糖核酸(RNA)。在植物細胞的細胞核中發(fā)現(xiàn)了脫氧核糖核酸(DNA)。但是一直到1930年代左右才充分了解一切動物和植物細胞同時含有DNA及RNA。四核苷酸假說在1910年到1930年間雖然對DNA的化學(xué)組成了解得不少，但是對DNA分子作為一個整體的了解及其生

5、物學(xué)功能的認識卻進展很小?？迫麪柡腿R文為了獲得DNA的組分，都采用了有機化學(xué)中十分劇烈的分析方法，而這種方法后來被證明破壞了實際上是非常巨大的分子。因此，他們都認為核酸是很小的分子，分子量約為1500。萊文對核酸的分析表明，在各種不同來源的核酸中，四種堿基的克分子數(shù)相等。這些數(shù)據(jù)導(dǎo)致了四核苷酸假說。這一理論在開始時作為一種在研究工作中所應(yīng)用的假設(shè)，但不久便成了生物化學(xué)的一條原理。四核苷酸假說意味著在一切來源的DNA中，四種堿基都是等量的。更確切地說，它意味著多核苷酸是由某種確定的、排列順序不變的單位所組成，而這些單位本身又是四種核苷酸組成的結(jié)合體。于是在這種假說之下，DNA是一種同糖原相類似的

6、重復(fù)的多聚體，因此，它不可能產(chǎn)生那種對于遺傳物質(zhì)來說必不可少的多樣性。這使得核酸喪失了作為遺傳物質(zhì)所具備的復(fù)雜性，因此核酸是遺傳物質(zhì)的設(shè)想被否定了。直至1946年到1950年間，奧地利的查伽夫(ErwinChargaff,1905)進行的研究使當(dāng)時對于DNA的看法起了革命性的變化。氨基酸(aminoacids)與蛋白質(zhì)基因究意是什么物質(zhì)構(gòu)成的？對于當(dāng)時整個遺傳界來說，一直是個謎。一般都認為基因很可能是由蛋白質(zhì)組成的，其根據(jù)則是蛋白質(zhì)的多樣性可以解釋基因的多樣性。當(dāng)DNA是一個相當(dāng)小的簡單分子的這種看法流傳開來時，認為DNA具有控制發(fā)育能力的觀點就逐漸夫去了說服力?？紤]到發(fā)育過程和途徑的極端復(fù)雜

7、性，這樣一個簡單的小分子怎么可能在遺傳現(xiàn)象中以及從受精卵到完全成長的生物有機體的發(fā)育過程的控制上具有重要作用？20世紀(jì)60年代，人們已經(jīng)接受了蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)的觀點，通過一系列的研究人們也知道蛋白質(zhì)是由氨基酸構(gòu)成，構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸有20種。對比來說，含有20種不同氨基酸的蛋白質(zhì)大分子似乎能夠提供無限數(shù)量的排列與組合來解釋基因的多樣性。但是，既然染色體中蛋白質(zhì)比DNA多，也就不應(yīng)斷定基因?qū)嶋H上是DNA組成的。事實上，大多數(shù)專家都認為基因是由蛋白質(zhì)組成的，而DNA只不過在遺傳過程中發(fā)揮某些輔助的生理作用罷了。當(dāng)1930年代和1940年代科學(xué)家采用新的研究方法(超速離心，過濾，光吸收等等)后

8、，出乎每個人意外的是DNA分子的分子量是50萬到100萬，比以前測得的(1500)大兩個數(shù)量級。實際上它們比蛋白質(zhì)分子還要大。這些新發(fā)現(xiàn)完全排除了DNA作為遺傳信息載體學(xué)說的一個重要反對意見。人們又開始重新審視核酸和蛋白質(zhì)的研究，并希望澄清這樣的問題：DNA與蛋白質(zhì)，究竟誰是遺傳信息的載體？.遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)化因子與DNA人們早就知道肺炎雙球菌有幾種類型，它們的毒力不同。一種有外膜，表面光滑，有傳染性；一種無外膜，表面粗糙，沒有傳染性。英國細菌學(xué)家格里菲斯(F.Griffith，18771941)于1928年發(fā)現(xiàn)當(dāng)他對老鼠同時注射活的R(粗糙)型無毒肺炎雙球菌以及加熱殺死的S(光滑)型有毒肺炎雙球菌

9、時，很多老鼠不久即死亡，它們的血液中含有活的S型細菌。這一發(fā)現(xiàn)表明活的無毒R型細菌從死去的有毒S型細菌中得到了一些什么東西從而使無毒的R型轉(zhuǎn)化成有毒的S型肺炎雙球菌。后來認為某些遺傳信息被轉(zhuǎn)化因子轉(zhuǎn)移了。不久，有幾位科學(xué)家證實了格里菲斯的觀察，并證明了無論在動物體內(nèi)或在試管中都能產(chǎn)生肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。1944年美國細菌學(xué)家艾弗里(OswaldT.Avery,18771955)、麥克勞德(ColinMacleod)和麥卡蒂(MaclynMcCarty)從S型肺炎雙球菌分離得到活性的轉(zhuǎn)化因子后，通過一系列實驗指出，格里菲斯發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化因子就是DNA。這也意味著DNA確實是遺傳信息的載體。噬菌體小

10、組艾弗里的工作沒有馬上得到公認，人們甚至懷疑艾弗里提取的轉(zhuǎn)化因子并不是純粹的DNA，可能還有蛋白質(zhì)。懷疑論者大多是噬菌體小組的成員，包括德裔美國生物學(xué)家德爾布呂克(MaxDelbruck，19061981)和盧里亞(SalvadorLuria，1912)。德爾布呂克少年時喜愛天文學(xué)，后改學(xué)理論物理學(xué)，是玻爾的學(xué)生，薛定諤的好友。由于逐漸對生命的本質(zhì)感興趣，遂于1938年改行到美國組建了一個小組專門研究基因問題。他選擇噬菌體作為研究對象，因為這種細菌只由一個蛋白質(zhì)組成，其中含有DNA，結(jié)構(gòu)簡單，繁殖又快。德爾布呂克結(jié)識了來自歐洲的盧里亞，以及圣路易華盛頓大學(xué)的赫爾希。他們的結(jié)合創(chuàng)立了噬菌體小組。

11、共同的目標(biāo)解決基因性質(zhì)之謎，把這個小組的成員緊緊地聯(lián)系在一起。1947年，盧里亞任印第安納大學(xué)教授。他接受了19歲的沃森作他的研究生，并舉薦他參加噬菌體小組。后來噬菌體小組在研究基因性質(zhì)方面做出了重要貢獻。雖然他們也都充分了解艾弗里的發(fā)現(xiàn)，但仍然沉湎于四核苷酸假說，因而不能相信DNA能夠具有遺傳物質(zhì)所必需的復(fù)雜性。因為噬菌體小組在當(dāng)時的分子生物學(xué)領(lǐng)域中占有支配地位，因而他們的懷疑態(tài)度具有相當(dāng)大的影響。查伽夫?qū)怂岬男卵芯堪ダ锏膶嶒灲Y(jié)果發(fā)表后，引起了一場核酸研究熱潮。查伽夫扔下了手頭的一切工作，在1946年到1950年間開始轉(zhuǎn)而從事核酸研究。查伽夫從一開始就假定核酸可能像蛋白質(zhì)一樣高度聚合、非

12、常復(fù)雜。他對各種來源的核酸進行了精細的分析，他運用了新的紙層析、紫外分光光度測量和離子交換層析技術(shù)，非常明確地證明了四種堿基的數(shù)量不是相等的。雖然在當(dāng)時還沒有任何一種理論能夠解釋他的觀察結(jié)果，但查伽夫強調(diào)了他的發(fā)現(xiàn)：任何類型的生物中腺嘌呤A和胸嘧啶T的比值以及鳥嘌呤G和胞嘧啶C的比例總是接近于1。查伽夫的發(fā)現(xiàn)徹底否定了萊文的四核苷酸假說，人們不再懷疑DNA就是遺傳物質(zhì)的載體了。赫爾希和蔡斯實驗1952年，噬菌體小組中的兩位成員赫爾希(AlfredHershey，19081997)和蔡斯(MarthaChase)用放射性標(biāo)記的細菌病毒(即噬菌體)進行實驗，為DNA是遺傳物質(zhì)提供了令人信服的證據(jù)。

13、為了排除艾弗里、麥克勞德和麥卡蒂實驗中的不確定成分，赫爾希和蔡斯用放射性磷標(biāo)記噬菌體的DNA，并用放射性硫標(biāo)記噬菌體的蛋白質(zhì)外殼，然后讓這種噬菌體去感染細菌，再把受了感染的細菌細胞放在攪拌器內(nèi)旋轉(zhuǎn)、離心，使受感染的細菌和更小的顆粒分離開來。實驗結(jié)果顯示，大多數(shù)噬菌體DNA仍然同細菌細胞在一起，而噬菌體的蛋白質(zhì)則被釋放到細胞外的溶液中。這說明噬菌體顆粒感染寄主細菌時，實際上僅有噬菌體DNA進入細菌，而噬菌體蛋白質(zhì)卻留在細菌外邊，對于后來發(fā)生在細菌體內(nèi)的噬菌體再生進程并未發(fā)生任何作用。因此，可以得出結(jié)論，指導(dǎo)合成子代噬菌體的親代噬菌體基因寓于它的DNA之中。雖然有些科學(xué)家覺得赫爾希-蔡斯實驗的資料

14、應(yīng)該謹慎地加以解釋，但是噬菌體小組的成員沃森很快接受了這一成果，認為它是DNA遺傳作用的很好的證據(jù)。赫爾希-蔡斯再次證明DNA是遺傳物質(zhì)的實驗產(chǎn)生了直接和深遠的影響。從那時起，有關(guān)遺傳機制問題的研究便全部集中于DNA上了。生物遺傳的根本問題可以歸納為DNA分子的兩種不同的功能。一是自我催化功能，即通過親代DNA分子嚴格的堿基順序的復(fù)制，產(chǎn)生出遺傳信息傳給后代。二是異體催化功能，即DNA通過對于造成實際有機體的一系列生化反應(yīng)的控制或主導(dǎo)，將其遺傳信息表達出來。為了搞清楚DNA是如何完成這些功能的，就不僅需要了解DNA的化學(xué)組成，而且需要詳細研究它的三維結(jié)構(gòu)。.發(fā)現(xiàn)雙螺旋三個小組為了回答基因怎樣能

15、夠作為模板這個問題，就必須更多地了解DNA分子的結(jié)構(gòu)。這一點已經(jīng)被很多學(xué)者意識到，自從萊文以來有些學(xué)者已經(jīng)預(yù)料到DNA必定具有縱向線性結(jié)構(gòu)，由脫氧核糖和磷酸(堿以某種方式與之相聯(lián))的骨架構(gòu)成。需要研究的問題是這三種分子彼此是怎樣聯(lián)結(jié)的。只有弄清楚這個問題之后才能夠確定DNA怎樣執(zhí)行其遺傳功能。當(dāng)時有三個實驗室都在全力探索這個問題，當(dāng)它們開始行動時應(yīng)當(dāng)說都具有同等的成功機會，他們的研究很快就演變成了一場發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的競賽。其中一個是美國加州理工學(xué)院的鮑林(LinusPauling，19011994)實驗室。他于1951年發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)也是一條長鏈分子，由二十種不同的氨基酸

16、通過肽鍵彼此聯(lián)結(jié)而成。這樣的氨基酸鏈亦稱多肽鏈。鮑林在構(gòu)想多肽鏈空間構(gòu)型，即蛋白質(zhì)大分子骨架形狀時發(fā)現(xiàn)，這種骨架實際上只能有少量不同的螺旋構(gòu)型，并且預(yù)見到其中一種構(gòu)型，即a-螺旋在決定蛋白質(zhì)分子的形狀中必定發(fā)揮著主導(dǎo)作用。這個預(yù)見不久即被證實。另一個小組是倫敦皇家學(xué)院的威爾金斯(MauriceWilkins)實驗室。威爾金斯及其同事的專長是X射線結(jié)晶學(xué)，運用X射線方法研究生物大分子DNA的晶體結(jié)構(gòu)在這個小組取得了重大突破。小組成員弗蘭克林(RosalindFranklin，19201958)曾就DNA的X射線衍射(折射)圖像拍攝了一些非常出色的照片。通過她的研究和其它發(fā)現(xiàn)引出了下面一些問題：D

17、NA分子的骨架是直的還是扭曲成螺旋？若是螺旋形的，那么只有一條螺旋還是兩條或三條？嘌呤-嘧啶堿基是怎樣聯(lián)在骨架上的？堿基是不是像瓶刷的刷毛那樣聯(lián)在骨架的外邊？如果是兩條或三條螺旋，這些堿基會不會在骨架的里邊，這些堿基又是怎樣彼此相聯(lián)的？劍橋大學(xué)的沃森-克里克小組開始研究DNA時，鮑林和威爾金斯小組所提出的上述問題以及其它一些問題還都沒有解決。特別值得提到的是沃森比其它研究者更清醒地認識到DNA分子在生物學(xué)中的決定性重要意義。正是這種認識，激發(fā)他百折不撓地將他的研究推向前進并取得成就。沃森和克里克沃森(山$Watson,1929)在中學(xué)時就是一個極聰明的孩子，15歲便進入芝加哥大學(xué)，對鳥類學(xué)極有

18、興趣，而對其他任何東西似乎不特別感興趣。雖然在別人看來，他在課堂上從不作筆記，但在課程結(jié)束時，他的成績總是在班上名列前茅。當(dāng)他讀了薛定諤(ErwinSchrodinger，18871961)的生命是什么？(1944年)一書后，便下定決心去發(fā)現(xiàn)基因的秘密。由于加州理工學(xué)院和哈佛大學(xué)都未招收他，他便在印第安納大學(xué)當(dāng)研究生。在眾多的教授中，沃森選擇在盧里亞的指導(dǎo)下工作。22歲獲得博士學(xué)位后到歐洲繼續(xù)深造。在哥本哈根同卡爾喀和馬勒一起工作了一年后，他的某些研究計劃由于技術(shù)上的原因無法進一步開展，于是又轉(zhuǎn)到了劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室加入佩盧茲小組從事植物病毒核酸的分子結(jié)構(gòu)研究?？死锟诵『每?5Crick，

19、1916)1938年在倫敦大學(xué)學(xué)院獲得物理學(xué)碩士學(xué)位，繼續(xù)在那里跟隨安德拉德博士作研究生，但是第二次世界大戰(zhàn)中斷了他的學(xué)習(xí)，他和許多科學(xué)家及學(xué)生一道進入了位于特丁頓的海軍實驗室，研究用于探測和引爆敵方水雷的電路操作系統(tǒng)?；謴?fù)和平后，克里克仍然留在海軍部，打算從事粒子物理的基礎(chǔ)性研究或者研究物理學(xué)在生物學(xué)中的應(yīng)用。之所以想研究物理學(xué)在生物學(xué)中的應(yīng)用，是受到了戰(zhàn)爭即將結(jié)束時閱讀的薛定諤生命是什么？一書的啟發(fā)。1947年，克里克進入劍橋大學(xué)作研究，并開始自學(xué)了生物學(xué)。兩年后加入佩盧茲小組用X射線技術(shù)研究蛋白質(zhì)及蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)?？死锟税l(fā)現(xiàn)沃森是一位對遺傳學(xué)很有造詣的生物學(xué)家，并且急于想知道基因是如何活

20、動的。沃森則發(fā)現(xiàn)克里克是一位不僅了解乂射線結(jié)晶學(xué)，而且對基因的結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能很感興趣的物理學(xué)家?？死锟撕臀稚哂型瑯拥牟湃A，并且在實驗技術(shù)上很內(nèi)行(這是沃森所不及的)，但是至少在開始時他對DNA的重要性的認識并不如沃森那樣清楚。由于他們兩人的思想上都受到了薛定諤的影響，所以盡管他們的經(jīng)歷不同，但是他們卻以相似的觀點來探討生物學(xué)的問題。發(fā)現(xiàn)雙螺旋在赫爾希和蔡斯發(fā)表他們的確切證據(jù)表明DNA的確是遺傳物質(zhì)之前的一年多，沃森和克里克就開始合作研究DNA的結(jié)構(gòu)。他們打算設(shè)計一種分子模型，該模型不僅要和X射線資料相一致，而且也能解釋DNA的自催化和異催化功能。沃森和克里克抓緊時間研究已經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)，于1

21、951年底提出了第一個模型。這個模型是一個由三股鏈組成的螺旋結(jié)構(gòu)，但后來發(fā)現(xiàn)，由于算AgNA的含水量而設(shè)想的三股鏈?zhǔn)遣粚Φ?。第一個模型失敗了。然而，不久后，有三個因素影響了沃森和克里克的思路。一是與劍橋年輕的數(shù)學(xué)家約翰格里菲斯JohnGriffith)的偶然相遇，格里菲斯也對一些生物學(xué)問題比較感興趣。格里菲斯答應(yīng)幫助沃森和克里克計算小八分子間同類堿基之間的吸引力（弱相互吸引）。過了一段時間，當(dāng)克里克在一次茶會上見到格里菲斯時，問他是否做完了計算，格里菲斯回答做完了，但是從理論上考慮，不是相同堿基之間的互相吸引，而是不同堿基之間的互相吸引。克里克受到啟發(fā)，立刻想到了另一種可能性，即互補配對，這樣

22、就可以很好地解釋復(fù)制了。然而根據(jù)這個發(fā)現(xiàn)仍然不能說明DNA分子的整個三維性質(zhì)。更重要的是1952年7月，查伽夫訪問劍橋，由肯德魯介紹與沃森和克里克相識。在談話中，克里克得知DNA所含四種堿基含量不相等，嘌呤與嘧啶的比例總是1：1,驗證了克里克設(shè)想的堿基配對可能是DNA分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。這個認識極為重要，因為它提示出DNA分子如何被維系在一起，以及如何復(fù)制自己。然而，還沒有證據(jù)表明DNA分子由幾條鏈組成，或鏈與鏈之間的空間關(guān)系如何。第三條線索來自鮑林對于蛋白質(zhì)a-螺旋的研究，但并不是這項研究的內(nèi)容，而是這項研究中所采用的方法。鮑林提供了一個獨特的查看分子維度的物理方法，即先根據(jù)理論上的考慮建立模型，再用X射線衍射來檢驗?zāi)Ｐ汀Ｎ稚涂死锟瞬捎眠@種方法，建立了一大堆嘌呤堿基和嘧啶堿基模型，以確定什么樣的維度和排列才能既符合氫鍵的理論要