文/馬向濤

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)之旅

文/馬向濤

DNA最重要的功能就隱藏在其結(jié)構(gòu)之中，它具有在細(xì)胞間以及生物體間傳遞遺傳信息的能力。這種不穩(wěn)定的分子組合不僅記錄了生物體的信息、運(yùn)動(dòng)與形態(tài)，還為達(dá)爾文與孟德爾苦苦追尋的夢想找到了答案。

1944年，奧斯瓦德·艾弗里關(guān)于DNA研究的論文正式發(fā)表，他由此發(fā)現(xiàn)了“基因的物質(zhì)實(shí)體”，解決了“基因到底源自何方”這個(gè)難題1。隨后DNA的三維結(jié)構(gòu)就成為科學(xué)家們競相追逐的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

莫里斯·威爾金斯是一位新西蘭物理學(xué)家，他推斷基因作為遺傳的基本單位必然是由亞單位組成，而DNA的結(jié)構(gòu)則可以解釋這些亞單位的功能2。威爾金斯曾經(jīng)希望羅莎琳德·富蘭克林到他的團(tuán)隊(duì)擔(dān)任助理，但是富蘭克林根本就不喜歡威爾金斯溫和的做派3。由于威爾金斯在DNA制備過程中質(zhì)量不過關(guān)，因此無法得到清晰的X射線衍射圖。而盡管富蘭克林能夠得到清晰的衍射圖，但是她卻無法解釋其中的道理。

1951年春天，威爾金斯在那不勒斯演講時(shí)展示了一張DNA衍射照片，與此同時(shí)臺(tái)下就坐著詹姆斯·沃森4。沃森后來寫道：“在聆聽莫里斯的演講之前，我曾經(jīng)擔(dān)心基因的結(jié)構(gòu)可能無章可循?！钡沁@張衍射照片卻迅速打消了他之前的擔(dān)憂：“突然間，我對(duì)基因的化學(xué)組成產(chǎn)生了極大興趣?！蔽稚髞碚f道：“對(duì)于遺傳學(xué)家而言，DNA是唯一值得去攻克的難題?！?/p>

為了拍攝DNA衍射照片，沃森搬到了劍橋。而就在來到劍橋的當(dāng)天，他遇到了志同道合的伙伴。這位名叫弗朗西斯·克里克的學(xué)者恰巧也在佩魯茨實(shí)驗(yàn)室工作5。沃森與克里克都具有桀驁不馴的個(gè)性，他們經(jīng)常在言談話語中碰撞出火花，而且同樣懷著跨越現(xiàn)實(shí)的雄心壯志。沃森與克里克意識(shí)到，他們?cè)谙乱徊窖芯恐行枰梃b富蘭克林的定量檢測方法。于是這兩人突發(fā)奇想，主動(dòng)邀請(qǐng)威爾金斯與富蘭克林前來實(shí)驗(yàn)室參觀。

然而當(dāng)他們看到DNA模型之后卻感到心灰意冷。雖然威爾金斯對(duì)此感到“失望”，但是他并沒有流露出來。而性格直率的富蘭克林就沒那么客氣了。她只掃了一眼就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)模型的荒謬之處。這次由沃森與克里克主動(dòng)邀請(qǐng)的參觀反而變成了對(duì)他們的批判。當(dāng)富蘭克林披頭蓋腦地把這個(gè)模型從里到外說的一無是處時(shí)，他們從心底里感到無地自容。

1952年5月，富蘭克林將DNA纖維置于X射線下曝光過夜。雖然鏡頭略微有點(diǎn)偏離樣本中心，但是這張衍射照片在技術(shù)上已經(jīng)堪稱完美。此后，她在戈斯林的幫助下重新調(diào)整了鏡頭的位置，并且拍攝出了更為清晰的照片，而這是她所見過最完美的DNA照片6。富蘭克林將其標(biāo)記為“51號(hào)照片”。

1953年1月底，沃森來到倫敦拜訪威爾金斯，并且順便也到辦公室看望了富蘭克林，可是他們?cè)谟懻搯栴}的時(shí)候再次發(fā)生了嚴(yán)重的分歧。相比之下，他在威爾金斯這兒就受歡迎多了。威爾金斯告訴沃森，羅莎琳德·富蘭克林在當(dāng)年夏天已經(jīng)獲得了一組全新的B型DNA照片，這些照片的清晰程度令人難以置信，DNA骨架的基本結(jié)構(gòu)幾乎躍然紙上。

威爾金斯走到隔壁房間，從抽屜里取出這張關(guān)鍵的照片，然后把它展示給沃森。與此同時(shí)，富蘭克林還呆在辦公室里，心中燃燒著憤怒的火焰。她并不知道自己最珍貴的數(shù)據(jù)剛剛被威爾金斯透露給了沃森7。威爾金斯后來對(duì)此深感內(nèi)疚：“也許我應(yīng)該先得到羅莎琳德的許可，但是我沒有這樣做。那時(shí)的情形一言難盡……如果在正常情況下，那么我自然會(huì)先征求她的意見，可是即使當(dāng)時(shí)大家相處融洽，她也不會(huì)允許別人這樣做……雖然我先看到了這張照片，但是相信沒有人會(huì)忽略其中的螺旋結(jié)構(gòu)?！?/p>

作者單位/北京市海淀區(qū)醫(yī)療資源統(tǒng)籌服務(wù)中心

沃森立刻就被眼前的照片所震撼?！拔以诳吹竭@張照片的瞬間即感心跳開始加速。它比之前得到的那些衍射圖更加簡潔，簡直達(dá)到了令人難以置信的程度……只有某種螺旋結(jié)構(gòu)才能在照片中表現(xiàn)為黑十字的模樣……在經(jīng)過簡單計(jì)算后就可以得知該分子中核酸鏈的數(shù)量?！彼_信DNA結(jié)構(gòu)由兩條相互纏繞的螺旋鏈組成，而這種“重要遺傳物質(zhì)以成對(duì)的形式出現(xiàn)?！?/p>

當(dāng)堿基在螺旋內(nèi)部的配對(duì)問題解決后，他們又面臨著第二個(gè)關(guān)鍵問題，也就是如何對(duì)于DNA骨架的外部尺寸進(jìn)行精確測算。這事關(guān)模型中各組分的布局問題，并且明顯受到DNA結(jié)構(gòu)空間維度的限制。此時(shí)富蘭克林的數(shù)據(jù)又一次在她不知情的情況下發(fā)揮了重大作用。馬克斯·佩魯茨將威爾金斯與富蘭克林關(guān)于DNA研究最新進(jìn)展的工作報(bào)告轉(zhuǎn)交給了沃森與克里克。

1953年3月，沃森與克里克隨即開始搭建DNA雙螺旋模型，他們把代表堿基的紙板逐一固定在骨架上，仿佛是在謹(jǐn)小慎微地建造一所紙牌屋，無論是角度、寬度還是分子間隙等測量結(jié)果都近乎于完美8。第二天清晨，威爾金斯在聞?dòng)嵑缶推炔患按刳s到劍橋。他“在轉(zhuǎn)瞬間…就迷上了它?！蓖柦鹚购髞砘貞浀溃骸澳莻€(gè)模型高高地佇立在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，它簡直就是生命的精靈，看上去就像剛剛呱呱墜地的嬰兒……”威爾金斯返回倫敦后再一次進(jìn)行了確認(rèn)，他發(fā)現(xiàn)自己與富蘭克林最新得到的晶體學(xué)數(shù)據(jù)都明確支持雙螺旋結(jié)構(gòu)。富蘭克林在兩周之后才見到了雙螺旋模型，她也隨即相信這就是理想中的DNA結(jié)構(gòu)。

1953年4月25日，沃森與克里克在《自然》雜志上發(fā)表了題為《核酸分子結(jié)構(gòu)：脫氧核糖核酸結(jié)構(gòu)》的文章。同期發(fā)表的還有一篇由戈斯林與富蘭克林撰寫的論文，他們?yōu)橹С蛛p螺旋結(jié)構(gòu)提供了強(qiáng)有力的晶體學(xué)證據(jù)9。而第三篇文章則由威爾金斯完成，他根據(jù)DNA晶體實(shí)驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)一步印證了該模型的合理性。

詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克、莫里斯·威爾金斯與羅莎琳德·富蘭克林都是杰出的科學(xué)家，他們共同努力的結(jié)果揭示了DNA三維結(jié)構(gòu)的奧秘，并且提出了具有標(biāo)志性意義的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)學(xué)說。1962年，沃森、克里克與威爾金斯憑借他們的發(fā)現(xiàn)榮獲了諾貝爾獎(jiǎng)，可是富蘭克林卻沒能分享到這種成功的喜悅。1958年，她因卵巢癌廣泛轉(zhuǎn)移去世，當(dāng)時(shí)年僅37歲10。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出開啟了分子生物學(xué)時(shí)代，使遺傳學(xué)研究深入到分子層面，“生命之謎”就此被解開，人們終于掌握了遺傳信息的構(gòu)成和傳遞途徑。

(致謝:感謝中信出版社允許我引用普利策獎(jiǎng)獲得者悉達(dá)多·穆克吉作品《基因傳》的部分內(nèi)容。)

1.Cobb M. Oswald Avery, DNA, and the transformation of biology[J]. Curr Biol, 2014 , 24(2):R55-60.

2.Whyte B. Maurice Wilkins: the third man of the double helix[J]. Drug Discov Today, 2004, 9(22):956-957.

3.Maddox B. The double helix and the 'wronged heroine'[J].Nature, 2003, 421(6921):407-408.

4.Portin P. The birth and development of the DNA theory of inheritance: sixty years since the discovery of the structure of DNA[J]. J Genet, 2014,93(1):293-302.

5.Teive HA. On the centenary of the birth of Francis H. C.Crick - from physics to genetics and neuroscience[J]. Arq Neuropsiquiatr, 2016, 74(4):351-353.

6.Subirana JA. DNA discoveries through crystallography[J].Nature, 2003, 423(6941):683.

7.Klug A. The discovery of the DNA double helix[J]. J Mol Biol,2004, 335(1):3-26.

8.Watson JD, Crick FH. Molecular structure of nucleic acids：A structure for deoxyribose nucleic acid. 1953[J]. Rev Invest Clin, 2003, 55(2):108-109.

9.Klug A. Rosalind Franklin and the discovery of the structure of DNA[J]. Nature, 1968, 219(5156):808-810.

10.Glynn J. Remembering my sister Rosalind Franklin[J].Lancet, 2012, 379(9821):1094-1095.