DNA结构的发现：开创生物学研究新纪元

BioArt植物 · 公众号 · · 2021-01-02 20:47

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原文丨Georgina Ferry

编译 | 十一月

责编 | 兮

1953年4月25日，James Watson以及Francis Crick在 Nature 发文表示他们找到了一种可能的DNA结构 【1】 。在这篇只有一页多的paper之中 （图1） ，Watson和Crick给出了改变整个生物界的一个图片：DNA双螺旋结构 （图2） 。从那时起，开启了生物学的新纪元，找到“遗传物质可能的复制机制”，并且促进了五十年后人类全基因组的序列的完成。

图1 DNA结构发现的原文 【1】

图2 DNA双螺旋结构，此结构示意图来源于1952年DNA双螺旋结构的文章，由Crick的妻子Odile绘制。

其实直到那个时候，生物学家也没有完全信服DNA是遗传物质这一说法，很多科学家仍然认为蛋白质作为遗传物质更有说服力，但是也有一些科学家揭示了DNA是遗传物质。比如，1944年，加拿大-美国医学研究人员Oswald Avery和他的同事通过实验表明将有毒细菌的DNA转入无毒细菌菌株之后，使得后者产生了毒性 【2】 。在1952年，生物学家Alfred Hershey以及Martha Chase发现噬菌体病毒通过注射病毒DNA感染细菌 【3】 。

Watson，一个23岁的美国遗传学家在1951年的秋天到达了英国剑桥的卡文迪许实验室。他确信基因的本质是生物学的关键问题，而基因的关键是DNA。卡文迪许实验室是一个物理学实验室，同时也是一个医学实验室，由化学家Max Perutz领导研究生物系统的分子结构。Perutz实验室当时在使用X-ray晶体学技术研究血红蛋白和肌红蛋白的结构。在他的研究组中有一个35岁的放弃了物理学重新在生物学领域接受“再教育”的研究生Francis Crick，一个比起自己做实验，更乐于从别人的研究结果中得出理论结论的学生。由此，Watson找了他在DNA研究方面的真正的同盟。

但是DNA是伦敦国王学院Maurice Wilkins实验室的一个课题。Crick是Wilkins的朋友，而且课题组之间一般也不想在同一种分子的研究中竞争。那个时候晶体学家Rosalind Franklin在伦敦国王学院也已经开始了对于DNA结构的研究。由于他们之间的误解，Franklin与Wilkins之间的关系很不融洽。

但是没有什么能够阻止Watson和Crick探究DNA分子的热情和脚步。由A、G、C、T组成，连接到糖基和磷酸基组成的骨架，可能组装成为纤维，但是详细的DNA结构一直没能解开，而螺旋结构则是其中一种可能性。Linus Pauling彼时刚刚证明了肽链可以形成α-螺旋 【4】 。1951年底，Crick和Watson将该理论以及基于他们对DNA的了解，和他们对Franklin与Wilkins演讲所给出的东西结合在一起，构建出了一个DNA模型。

但是Franklin与Wilkins破坏了这一模型的构建过程。卡文迪许实验室的负责人Lawrence Bragg十分生气，并禁止Watson和Crick在DNA方面做进一步的工作。但是在那之后，卡文迪许实验室团队收到了来自Pauling研究组的一个手稿，其中包括了一个DNA模型。这个模型并不正确，但是Watson和Crick得到了警告的信号： Pauling研究组的工作已经快要接近DNA结构的真相 。

这个时候，Bragg允许Watson和Crick试一试。Franklin之后搬到了伦敦伯克贝克学院，将DNA相关的工作留给了Wilkins。Franklin和她的研究生Raymond Gosling给了Wilkins一张X-ray衍射的B型DNA的照片。 Watson去看Wilkins，Wilkins在没有知会Franklin、Gosling的情况下，将这张照片给Watson看了。

这张非常著名的“51号照片” （图3），与Franklin其他未发表的数据都被Perutz展示给了Watson和Crick，并且告诉他们DNA的确是形成了螺旋结构，而且这一结构中两个链以相反的方向进行。Watson来回踱步，但是还是没有想出来这些碱基两两之间是如何配对的。他做了碱基的硬纸板想要尝试将他们相互契合，但是看起来还是不行。

图3 Franklin完成的DNA晶体衍射照片 【7】

他的同事Jerry Donohue指出配对结构中的问题，Watson改为将A与T结合，DNA链的结构部变得非常完美。这同时也 揭示了Erwin Chargaff的发现的正确性 ：任何一种DNA 的都由相同量的G和C，以及相同量的A和T 【5】 。同时处在螺旋结构中的DNA链也能够在相反的方向读取碱基序列。

几天之内，Watson和Crick建立出了一个新的DNA模型。Wilkins立刻接受了这一观点。两个研究组之间达成共识，同时在 Nature 上发表三篇文章 （全文详见下图） ，一篇是Watson和Crick对于DNA结构的解析 【1】 、一篇是国王学院的研究者对于Watson和Crick的结构的评注 【6】 、一篇是Franklin以及Gosling发表出的“51号照片” 【7】 。

三篇 Nature 文章的完整截图。

DNA双螺旋结构极大地改变了人们对于遗传物质的认识。并且Watson、Crick 以及Wilkins于1962年共同分享了生理学与医学奖 （图4） ，而直接证实了DNA结构的Franklin （图5） 1958年由于癌症离世，而错失了获得诺贝尔奖的机会。

图4 1962年诺贝尔生理学与医学奖由Watson、Crick 以及Wilkins共享

图5 Rosalind Franklin，英国物理学家、晶体学家

近日，诺贝尔奖官方推特发布了一则消息 （下图） ，对Rosalined Franklin的贡献予以极大的肯定，由于她在Watson、Crick和Wilkins被提名诺奖之前的2年去世了，所以永远的与诺奖无缘，从而成为分子生物学史上最大的遗憾。

但其实在当时，大家对于DNA双螺旋结构这一理论的接受是非常迟缓的，可能主要是因为没有什么证据表明其在蛋白质生物合成中的功能。1957年，Crick提出了一个假说，认为DNA中的碱基序列能够编码蛋白质中的氨基酸序列。George Gamow以及Sydney Brenner各自独立的发现了三联体碱基编码氨基酸，Brenner在当时称其为密码子（Codons） 【8】 。这些预测在随后的几年逐渐被证实。1966年，密码子破译的竞赛全部完成。

Fred Sanger在1977年发明了有效的DNA测序技术 【9】 ，从此有了可以解读任意物种中遗传信息的方式。而到2003年，人类全基因组测序的完成成为了DNA研究历史中的另一个里程碑式的事件。

后来，Watson将自己的全部的精力放在了冷泉港实验室的教育和科学管理之中。但是由于口无遮拦，反复发表关于遗传学、种族和智力的有争议的观点时，他最终被冷泉港撤职。而Crick在继续解决科学方面的难题，并于1977年从剑桥搬到加利福尼亚州的萨尔克研究所，在他的余生中，他一直在神经的意识基础上进行研究工作特别是关于视觉感知方面。Crick于2004年去世，享年88岁。

不得不说的是， DNA双螺旋结构的发现开启了生物学领域的新纪元。 时势造了英雄，英雄也开了盛世。 DNA结构的发现为多种研究奠定了基石，而且，在未来也会继续为各方研究提供基础。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/d41586-019-02554-z

DNA结构的发现：开创生物学研究新纪元

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