三、DNA的双螺旋

孟德尔等人关于基因概念的提出，只是根据生物性状的遗传现象所做的一种推理，并不是物质性的。摩尔根等人的果蝇杂交实验证实，基因在染色体上呈直线排列。但基因的本质、遗传物质的实体究竟是什么？当时的实验手段与实验材料还无法解决这一问题。因此，基因学说引导了学术界对基因本质的探究。

染色体是基因的载体。染色体的化学分析表明，它是由蛋白质和核酸这两种成分构成的，但到底其中哪一种物质是遗传的物质基础还不清楚。人们对遗传物质和遗传机制的认识，是与核酸和蛋白质的发现分不开的。

核酸是由几百个以至几万个甚至更多的核苷酸（核苷酸是由碱基、戊糖、磷酸构成的单体）所组成的多核苷酸链。1929年确定，核酸有两种：脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。构成DNA的碱基主要有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）四种，构成RNA的碱基主要有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U）。蛋白质的发现比核酸早30年，已发现组成蛋白质的氨基酸单体有20种之多，一个蛋白质大分子又由成百上万个氨基酸所组成，这些氨基酸的排列方式有非常多的可能，比起只有四种核苷酸组成的核酸大分子的可能排列方式要多得多，因此曾有人以为蛋白质是构成基因的化学成分，似乎只有蛋白质才能包容如此复杂的遗传信息。基因化学构成的问题到20世纪40年代才得到澄清。

1928年格里菲斯（J.Griffith，1877—1941，英国生理学家）在研究肺炎球菌时发现有两种类型：有强烈毒性的S型双球菌和无毒性的R型双球菌。他用肺炎双球菌在小鼠身上进行转化实验：取少量R型细菌，与大量已被高温杀死的有毒的S型细菌混在一起，注入小白鼠体内，照理应该没有问题。但是出乎意料，小白鼠全部死亡。检验它的血液，发现了许多S型活细菌。活的S型细菌是从哪里来的呢？这一发现表明，活的无毒的R型细菌从死去的有毒S型菌得到了某种“转化因子”。艾弗里（O.T. Avery，1877—1955，美国细菌学家）在格里菲斯实验的基础上，进一步研究“转化因子”的化学成分。1944年，他得到了研究结果，证明了“转化因子”就是核酸（DNA），进而揭开了肺炎双球菌转化实验的谜。但他因受“蛋白质是遗传信息载体”这种传统观念的影响，不相信只有四种核苷酸组成的DNA能携带数量如此巨大的遗传信息，因此，没有把自己的观点坚持下去。1952年，赫希尔（A.D.Herishey，1908—，美国著名的噬菌体研究小组成员）等人用放射性同位素标记法证明了DNA是遗传信息的载体。此后，DNA是所有生物的遗传的物质基础（除RNA病毒和RNA噬菌体外），即遗传信息的载体的事实才被学术界所接受。DNA分子与组蛋白结合在一起，通过螺旋化、扭曲、折叠等方式压缩至原来的八千分之一至万分之一而形成染色体，并主要存在于细胞核中。

DNA既已被确认为携带遗传信息的物质，那么如何解释遗传物质组成的成分呢？既然具有有限性（四种碱基），但为何又创造了无限的生命表现形式和类型呢？显然，曾提出的“核酸分子结构只是四种核苷酸的重复排列”的假说是无法解释多样化的生命表现形式的。因此，紧接着的问题是要弄清楚DNA的化学构成以及它携带遗传信息的机制。(www.daowen.com)

事实上，遗传物质被确定以后，就吸引了许多科学家对这一物质结构进行研究。沃森（J.Watson，1928—，美国生物学家）和克里克（F.Crick，1916—2004，英国物理学家）从1951年起致力于对DNA分子结构的研究。

1950年，沃森在布卢明顿市（Bloomington）的印第安纳大学获得博士学位，其间的工作内容是病毒的遗传学。1951年春，沃森在欧洲继续研究工作时遇到了威尔金斯。沃森那时已经被DNA“迷住”了，而且他确信DNA分子的结构就是解开基因传递遗传信息之谜的钥匙。当威尔金斯告诉他可以用X射线照相术研究DNA后，沃森意识到DNA分子结构是有序的、周期重复的。1951年秋，23岁的沃森来到剑桥的卡文迪什实验室，这个实验室的研究人员用X射线晶体照相法研究蛋白质分子。他在那里遇到了35岁的英国科学家克里克。克里克1916年6月8日生于英国北安普敦郡（Northampton），是一个鞋子制造商的儿子。遇到沃森时，克里克还没获得博士学位。1937年克里克在伦敦大学学院（University College London）获得物理学学士学位，不幸的是第二次世界大战中断了他的科学生涯。当他再次求学时，他的兴趣已经转向了生物学。他们两人最大的共同兴趣就是DNA。沃森和克里克主要通过思考和讨论解决这个科学问题。他们也建立可能的分子结构模型，就像鲍林解开蛋白质分子结构时做的那样。模型让他们可以从三维方向观察可能的DNA分子结构。沃森和克里克在1952年末作出对DNA结构的初步猜想，不过弗兰克林证明他们错了。弗兰克林坚持认为这种分子的外形不可能是螺旋形的，这个想法最后看来也是错的。后来，鲍林在1953年1月宣布DNA分子有3个螺旋形的骨架。这个结论很快也被证实是错的。对沃森来说，DNA形状之谜的答案于1953年1月30日浮出水面。那天，他去国王学院拜访威尔金斯。虽然两人在DNA竞赛中争夺激烈，但他们成了好朋友。威尔金斯给沃森看了一些弗兰克林拍的DNA的X射线照片。沃森看了那些照片，那些照片比他之前见过的任何照片都清楚。“我惊呆了，谜团开始解开了”，他后来在记录DNA发现过程的回忆录《双螺旋》（The Double Helix）中写道。他意识到，DNA分子很可能有两条平行的螺旋形骨架。沃森匆忙赶回剑桥，向克里克描述那些照片。当他们对骨架问题的答案满意后，他们的注意力很快转向第二个重大问题：碱基在分子中是怎样组织的。克里克得出结论，碱基必须在骨架内侧，在骨架间像螺旋形梯子的台阶那样伸展开来。最初，沃森觉得碱基可能是同类型的成对出现的——例如腺嘌呤和腺嘌呤组成对出现，但是这与已知的骨架间的空间尺寸不符。沃森实在是等不及新的金属模型完工了，他把硬纸板剪成小块模型，尝试各种组合。其中的两种碱基，即腺嘌呤和鸟嘌呤比另两种大。成对的大碱基太大了，放不进相互缠绕的骨架之间，而成对的小碱基又太小了。沃森不断摆弄纸板模型，终于，他发现由一个大碱基腺嘌呤和一个小碱基胸腺嘧啶组成的一对，与胞嘧啶和鸟嘌呤组成的另一对大小性状完全一样。正如克里克推测的那样，这两组碱基都可以完美的水平放入垂直的两列骨架之间。胞嘧啶与鸟嘌呤成对出现、胸腺嘧啶与腺嘌呤成对出现，这也印证了查格夫发现的DNA分子中碱基数量的比例关系。沃森相信碱基之间形成的氢键能使之相互连接。2月28日早上，当克里克一回到他们公用的办公室，沃森给他看拼好的硬纸板模型，克里克马上意识到沃森的发现意味着两条骨架间碱基的序列，或者说碱基的排列顺序是互补的。如果已知其中一条骨架上碱基的序列，就可以预知另一条骨架上的碱基序列。沃森和克里克撰写了一篇简短的论文，描述他们提出的结构。那篇文章于1953年4月25日刊登在英国久负盛名的科学杂志《自然》上。在论文结尾部分，只有一句朴素的话语提到这个发现的重要性“：我们注意到，我们假设的这种特殊的成对组合暗示一种遗传材料可能的复制机制。”

1953年5月30日，沃森和克里克的第一篇论文发表5周后，他们两人在《自然》杂志上发表了第二篇文章，解释第一篇文章中隐晦的话语。沃森和克里克认为，如果DNA分子承载遗传信息，当细胞分裂染色体数目翻倍时，DNA分子必须能自我复制。他们相信DNA自我复制的关键在于分子互成镜像的结构。两人提出，在细胞分裂前夕，DNA分子中成对碱基间氢键连接断裂，氢键连接较弱。每个分子沿纵向裂开，就像拉开拉链的过程。在细胞核中自由漂浮的物质中，每个碱基吸引与它成对的另一个碱基配对、与骨架片段组装。一个腺嘌呤分子总是吸引一个胸腺嘧啶，反之亦然，胞嘧啶和鸟嘌呤之间也是这样的。这个过程结束后，细胞核中就有两条与原先的DNA一模一样的DNA双链分子。细胞分裂后，两个子细胞都获得一套与原始细胞一模一样的DNA。^［4］

沃森与克里克

1989年，美国的研究人员首次利用扫描隧道显微镜观察到了DNA的双螺旋结构，成为当年全世界最大的科学事件。DNA分子结构的探明是揭开生物遗传奥秘的关键性的一步，由此也宣告了分子生物学的诞生。沃森和克里克因此获得了1962年诺贝尔生理学与医学奖，同时分享奖项的还有威尔金斯。但遗憾的是，拍摄DNA晶体X光照片的富兰克林却在沃森和克里克获奖的4年前就因病去世了。