Biology 版 (精华区)

发信人: rainy (机器猫), 信区: Biology
标  题: DNA双螺旋与分子生物学的崛起
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月19日06:54:22 星期二), 站内信件

斯坦特

在芝加哥海德公园高中上历史课时，我知道了文艺复兴运动开始于1453年5月29日
。这一天，土耳其人攻下了康土坦丁堡。人们这时突然发现，中实际已经过去，古
典文艺和科学开始再度兴起。虽然我后来终于懂得了把某个具体日期定为某个历史
时期的开始，这种作法是多么荒唐可笑，但我仍然认为，分子生物学时代确实开始
于康士坦丁堡陷落五百年以后，甚至一天也不差。这个时代开始于1953年4月25日
。这一天，英国科学杂志《自然》发表了两位年轻科学家——沃森（原为海德公园
高中的劲敌——南海岸高中的学生）和克里克写的一篇论文。这篇文章宣布发现了
DNA双螺旋。消息传开，不胫而走，它的内容广为流传。对遗传机制感兴趣的多数
生物学家很快就认识到，从携带遗传信息的生物大分子角度研究遗传学的时代到来
了。

正如文艺复兴运动诞生于西方基督世界同东方穆斯林世界的对抗之中一样，分子生
物学在遗传学与生物化学的对峙中降临人间。遗传学创立于1865年。盂德尔（
Gregor Mendel)发表了他用种子形状和花的颜色等遗传性状各不相同的豌豆品种进
行杂交实验的结果。孟德尔曾经研究过圆形和皱形种子，红花和白花等性状在子代
植物中的分布情况。他的杂交实验结果使他得出了有机体携带着并传递给子代很多
遗传因子或称基因的著名结论。每一个基因决定一个性状，因此有机体的全貌受其
全部基因的控制，而这些基因都是由其亲代传授下来的。孟德尔的见解远远超越了
他的时代，以致他的发现在以后35年内没有引起生物学界的注意。1900年，孟德尔
的研究成果才重新受到重视，遗传学在本世纪头二十年中才发展成生物学领域内一
门最重要的前沿科学。基因在染色体上呈线状排列。（在细胞核内染色体呈线状。
细胞分裂前，染色体一分为二。细胞分裂期间，染色体分布到两个子细胞之中，而
每个子细胞都获得它自己的一组染色体。）这在很大程度上应该归功于摩尔根（
Thomas H.Morgan)及其助手们所进行的大量工作。此外，他们还发现了基因能够进
行突然的、永久性的变化或称突变。一个突变可以导致由基因所决定的特定遗传性
状发生变化，例如红花颜色变为白花颜色。

这些实验结果大大推动了对于生命的认识。从理论上来说，它为了解生物进化打下
了坚实的基础。这时已经可以看出，基因突变是生物界新物种的基本源泉，因此也
是推动生物进化的动力。达尔文提出的自然选择，其实就是选择那些携带着新基因
、或基因新组合的有机体；正是这些新基因或基因新组合，为生物在生存竞争中提
供了更大的适应性。而在实践上，遗传学也为人类带来了巨大的利益。农业方面，
人们因此能够设计出合理的培育方法，从而改良传统的作物和家畜，获得较好的经
济效益。医药方面，由于认识到基因在人类很多疾病中的作用，也就为有效地防止
或治疗这些疾病提供了合理的措施。但是，在二十世纪上半叶，遗传学虽然已经成
为生物科学的皇后，但作为它的中心概念的基因的物理性质却仍然是神秘莫测的。
例如，没有人知道基因是由什么组成的，其性状是怎样作用于携带它的有机体的，
以及在细胞分裂中，基因是如何忠实地自我复制的，等等。

也许只能用迄今尚不了解的物理和化学规律才能解释基因性质的奥秘，基因自我复
制的机制以及基因对细胞功能的控制。这就吸引了许多物理学家转而研究遗传学。
其中最有影响的一位物理学家就是杰出的丹麦物理学家波尔（Niels Bohr)的学生
——德尔布吕克。1935年，29岁的德尔布吕克因为以生物学家的身份发表了一篇题
为“论基因突变和基因结构的性质”的纯理论性文章而崭露头角。十年后，德尔布
吕克在他那篇只在私下传播，并不为很多人知道的文章中表达的观点却在一本广为
阅读的《生命是什么？》的书中得到了普及。这本书是当时已经声名显赫的物理学
家薛定谔写的。回顾起来，薛氏一个最重要的观点就是，基因乃遗传信息的携带者
；而基因携带遗传信息，据估计，其唯一合理方法又在于它包含着少量连续的种类
不同的重复因子，或称符号，这种精确的连续的模式即是编码的遗传信息。薛定谔
在举例图解这种编码体系的最大信息量时，曾使用摩尔斯密码的两个符号——点和
横来代表它的重要因子。与此同时，德尔布吕克已开始用实验方法研究基因问题。
1918年，在帕萨迪纳加州理工学院，德尔布吕克作为博士研究员开始研究细菌病毒
（通常称噬菌体）。虽然噬菌体是很小的、结构比较简单的超显微颗粒（长度小于
万分之一毫米），然而，它们却有自我复制能力。德尔布吕克发现，噬菌体颗粒感
染寄主细菌后，半小时内就产生几百个同样的子代噬菌体颗粒。因此，基因复制的
中心问题可以简化为亲代噬菌体颗粒如何在半小时内产生上百个子代颗粒的问题。
两年后，德尔布吕克结识了来自饱经战争创伤的欧洲的避难者——卢里亚，以及圣
路易华盛顿大学的赫尔希。他们的结合创立了噬菌体小组。共同的目标——解决基
因性质之谜，把这个小组的成员紧紧地联系在一起。1947年，卢里亚任印第安纳大
学教授。他接受了19岁的沃森作他的研究生，并举荐他参加噬菌体小组。

虽然噬菌体小组在研究实际上尚待弄清的基因性质方面做出了重要贡献，然而，最
终确定基因的物理性质却完全来自不同的领域。十九世纪六十年代，孟德尔的同时
代人瑞士化学家米歇尔（Friedrich Miescher）发现细胞核含有一种以前不知道的
合磷丰富的物质——核酸。到本世纪初，生物化学家证明了植物和动物细胞中普遍
存在核酸，并且证明了核酸合有四种不同的含氮碱甚、一种五碳糖和磷酸。后来又
发现，一个含氮碱基，一个糖和一个磷酸分子联结而成核酸的基本构件——核苷酸
。而核酸分子就是由很多这样的核苷酸通过糖之间的磷酸二酯键而组成的。所以，
核酸是一种多核苷酸链。到本世纪二十年代，大家又证实实际上存在两类不同的核
酸。类为核糖核酸（RNA），另一类为脱氧核糖核酸（DNA）。这两类核酸的化学组
分几乎是相同的。但是，DNA的糖为脱氧核糖。它比RNA的核糖少一个羟基。另外，
RNA中有一种含氮碱基为尿嘧啶，与DNA中相应的含氮碱基胸腺嘧啶相比，尿嘧啶缺
少一个甲基。可是，就是这两种化学结构上的细微差异却导致了DNA和RNA生物功能
的重大区别。最早得知这种不同功能，是因为本世纪二十年代后期发现DNA几乎全
在染色体上；而RNA则在细胞核外，即在原生质之中。由于当时摩尔根的研究业已
表明基因寓于染色体之中，假设DNA在遗传中具有重要作用，看来也就并非是毫无
根据的想象。但是，既然染色体中蛋白质比DNA多，也就不应断定基因实际上是
DNA组成的。事实上，大多数专家都认为基因是由蛋白质组成的，而DNA只不过在遗
传过程中发挥某些辅助的生理作用罢了。

1944年，纽约洛克菲勒研究所的艾弗里及其同事们首先直接证明DNA事实上是遺传
物质。

艾弗里指出，把从正常供体细菌抽提出的纯品DNA加到畸化的受体细菌之中，某些
受体细菌的遗传性状就转化为供体细菌型的，而这种受体细菌只有一个变异基因不
同于供休细菌。由此可见，正常的供体细菌基因必然是以供体DNA分子的形式进入
受体细菌，并在受体细菌中取代了它变异的同源基因。这说明，细菌DNA包含看细
菌基因。在1944年，这样的结论似乎过于急进，甚至艾弗里本人也难以接受，只是
在利用最为精密的装置做了对照实验后才不得不相信。事实上，在当时多数生物化
学家和遗传学家看来，艾弗里的对照实验装置显然还不是十分严格的。艾弗里的这
个发现虽然广为流传，但在以后的八年中，并没有对有关遗传机制的理论产生多大
的影响。后来，在1952年，赫尔希和他的年轻助手蔡斯终于指出，噬茵体颗粒感染
寄主细菌时，实际上汉有噬菌体DNA进入细菌，而噬菌体蛋白质却留在细菌外边，
对于后来发生在细菌体内的噬菌体再生进程并未发生任何作用。因此，可以得出结
论，指导合成子代噬菌体的亲代噬菌体基因寓于它的DNA之中。赫尔希-蔡斯再次证
明DNA是遗传物质的实验产生了直接和深远的影响。从那时起，有关遗传机制问题
的研究便全部集中于DNA上了。

为什么艾弗里宣布DNA是遗传物质对当时遗传学界产生的影响比其后赫尔希-蔡斯的
实验产生的影响小呢？至少在我看来，其主要原因在于：1944年人们仍普遍认为，
DNA分子是由四种核苷酸有规则地重复而构成的。一个DNA分子既由四个单调重复的
单位构成，而每个单位又各含有四种含氮碱基，即腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞
嘧啶之中的一种，那么，要设想这样一个DNA分子怎样能够携带遗传信息，自然也
就非常困难。不过，到了1952年，有关DNA结构的观点发生了变化。哥伦比亚大学
的查戈夫对DNA进行了一系列严格的生化分析。他发现，DNA并不是由单调的四种核
苷酸重复出现组成的。实际上，在多核苷酸链中，四种合氮碱基能以任意顺序排列
。由于发现了DNA中四种碱基的相对数量，在不同生物来源的样品中并不相同，因
此也就可以想象，在赫尔希-蔡斯时代，任何DNA分子都可以用多核苷酸链中严格的
碱基顺序储存其遗传信息。换言之，薛定谔提出的遗传编码的重复因子，现在可以
看作是腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶四种不同的核苷酸。在这种观点的基础
上，生物遗传的根本问题可以归纳为DNA分子的两种不同的功能。一是自我催化功
能，即通过亲代DNA分子严格的碱基顺序的复制，产生出遗传信息传给后代。二是
异体催化功能，即DNA通过对于造成实际有机体的一系列生化反应的控制或主导，
将其遗传信息表达出来。为了搞清楚DNA是如何完成这些功能的，就不仅需要了解
DNA的化学组成，而且需要详细研究它的三维结构。

在噬菌体小组出现的同时，另外一个完全不同的物理学家小组也开始了对于生物学
问题的研究。噬菌体小组的主要目标是想搞清楚遗传信息传递的物理基础，而这些
物理学家的兴趣则集中在生物分子的三维结构——也就是它的形状上。对于这个结
构分析小组来说，遗传学问题仅仅是其研究工作的一个项目，最多只占辅助地位。
这个结构分析小组的工作可以说是从W.H.布喇格和W.L.布喇格沿袭下来的。布喇格
父子于1912年建立了X射线晶体学并创立了晶休结构学派。这一创举使英国成了研
究分子结构的故乡。在成功地测定了一些相当复杂的分子结构之后，这些晶体学家
大受鼓舞，于是进一步将他们的结构分析方法应用于一些更加复杂的重要生物大分
子结构上。因为他们相信，不搞清楚细胞组分的空间构型，就不能很好地理解细胞
的生理功能。奥斯特伯和贝纳尔就是进行这方面工作的布喇格的第一批学生。他们
于本世纪三十年代后期起，着手研究蛋白质和核酸结构。奥斯特伯将这种研究生命
过程的方法命名为“分子生物学”。尽管他极力鼓吹了多年，这一新兴学科并没有
得到广泛接受。例如，在1953年4月25日以前，噬菌体小组的成员都没有自认为或
者自称为是“分子生物学家”。然而，在那一天，这个小组突然发现，他们一直在
研究着的课题正是分子生物学，这就象莫里哀笔下的儒尔丹先生突然发现自己原来
是在说些普通大白话一样。

奥斯特伯、贝纳尔和布喇格的其他几位学生早期的工作为晶体学后来的飞速发展奠
定了基础。但是，最先取得分子生物学巨大胜利的并不是英国学派，而是加州理工
学院的鲍林。他于1951年发现了蛋白质的基本结构。蛋白质也是一条长链分子，由
二十种不同的氨基酸通过肽键彼此联结而成。这样的氨基酸链亦称多肽链。鲍林为
自己提出了测定多肽链空间构型，即蛋白质大分子骨架形状的任务。他发现，这种
骨架实际上只能有少量不同的螺旋构型，并且预见到其中一种构型，即α螺旋在决
定蛋白质分子的形状中必定发挥着主导作用。这个预见不久即被证实。鲍林取得成
功的部分原因是使用了测定蛋白质结构的新方法。想象和模型在这个新方法中比在
英国晶体学家通常采用的直接分析法中起了更大的作用。但是，鲍林发现α螺旋不
论是个多么伟大的胜利，并没有为人们提供很多关于蛋白质的新观点，更没有指出
蛋白质如何工作和怎样合成出来的。他的胜利似乎没有导致很多新实验，或者说没
有开辟思维的新前景，而是仅仅指出了使用他的结构分析方法可以达到多大的深度
。与此同时，在剑桥布喇格实验室的佩鲁兹和肯德鲁一直从事于两种载氧蛋白质—
—血红蛋白和肌红蛋白的结构研究。由于当时使用工具的限制，他们要完成的任务
是非常困难和复杂的，因而他们的进展是很缓慢的。鲍林的光辉胜利给剑桥小组很
大的震动。但是，他们仍然坚定地干了下去。他们应用新的技术和更加有效的计算
机对X射线照片做了复杂的数学分析。这样经过几乎十年的艰苦劳动，佩鲁兹和肯
德鲁终于搞清楚了他们各自的蛋白质的全部三维结构。

1951年，鲍林成功地建立多肽链的基本结构以及同威尔金斯的一次偶然相遇，鼓舞
着沃森试图搞清楚DNA分子的结构。威尔金斯在伦敦对DNA已经进行了很久的X射线
晶体学分析，而沃森当时刚刚拿到博士学位正在哥本哈根继续进行他的噬菌体工作
。为了学到X射线方面必要的技术，沃森到剑桥与肯德鲁一起工作。在剑桥，沃森
遇到了克里克。克里克当时已经想到，DNA的三维结构对于了解基因的性质是很重
要的。于是，沃森和克里克合作，在1953年春天发现了DNA分子是一个包括两条相
互缠绕的多核苷酸链的双螺旋。DNA双螺旋是自身互补的，其中一条链的腺嘌呤核
苷酸对应另一条链的胸腺嘧啶核苷酸，同样，鸟嘌呤核苷酸对应胞嘧啶核苷酸。这
两组相互对应的核苷酸都是由氢键维系着。双螺旋中全部核苷酸皆是如此。

乍一看，自身互补的DNA双螺旋结构与两年前鲍林发现的α螺旋非常相似，特别是
专一的氢键在α螺旋中也起着重要的作用。再一看，宣布DNA双螺旋结构其实是一
个具有不同性质的重要事件。首先，在鉴定双螺旋结构的过程中，沃森和克里克首
次引人了遗传学推论方法，因为这种鉴定要求DNA高度有规律的结构，必须在两条
链上同时包含任意碱基顺序的信息因子。其次，与蛋白质α螺旋不同，DNA双螺旋
的发现丰富了人们的想象力并为今后理解遗传物质如何表现功能开辟了道路。

DNA双螺旋结构是结构分析和遗传学概念相结合的光辉典范，它开辟了分子生物学
的新纪元。沃森和克里克不仅仅是这个新纪元的开拓者，而且在以后的十年中，在
分子生物学研究方面，他们仍处于主导地位。特别重要的是，他们是分子生物学的
“中心法则”的主要创始人，而这一法则后来又对大量关于基因性质的研究起了指
导作用。

中心法则表示一系列的信念。这些信念对DNA赖以获得自我催化和异体催化这两种
基本功能的机制提供了清晰的说明。中心法则用最简单明了的形式指出，自我催化
功能是一个单一步骤的过程。在这个过程中，DNA分子直接作为模板合成自身的
DNA复制多核链。但是，异体催化功能则是两步过程。在此过程中，第二类核酸（
RNA）参与作用。第一步，DNA作模板合成一个RNA多核链，DNA链中的碱基顺序又转
录于这个多核链上。第二步，用细胞内蛋白质合成机器将RNA变换成一定结构的多
肽链。必须注意，中心法则的一个基本特征是从DNA到蛋白质的单向信息流；这种
单向信息流是永远不可逆的。

关于DNA的这种异体催化功能的观点是以另一个附属法则为基础的，不过这种看法
在当时并没有得到证实。这一附属法则（亦称“顺序假说”）认为，一种蛋白质分
子精确的空间构象，以及与此相关的生物功能的特异性，完全取决于构成多肽链的
那二十种氨基酸的特定排列顺序。因此，构成与某一基因相对应的一段DNA的四种
核苷酸的特定顺序的“意义”，不外乎决定某种多肽链的氨基酸排列顺序。

至于自我催化功能，沃森和克里克认为，亲代DNA分子的两条互补的相互缠绕的多
核苷酸链首先分离，然后才能得到它自己的复制本。两条亲代链皆可作为模板合成
它自己的互补子代链。从中心法则的观点看，基因突变可以看作是在模板复制过程
中出现的细微误差，这种误差导致了DNA的核苷酸顺序发生变化。显然，这些变化
引起了相应的基因编码的遗传信息的变化。大约化了五年时间，人们才证明了自我
催化功能观点基本上是正确的。

对于异体催化功能的理解，一开始似乎就比自我催化功能复杂得多，因此经过了更
大的努力，化费了更长的时间之后才搞清楚。中心法则及其附属“顺序假说”使人
们相信有遗传密码的存在。这种遗传密码把DNA的核苷酸顺序与相应多肽链的氨基
酸顺序联系了起来。稍微思考一下很快就可以看出，遗传密码非常简单，其实就是
在DNA中至少有三个连续的核苷酸对应多肽链中一个氨基酸。这就是说，四种核苷
酸每次取三个,则总共有4X4X4=64个不同的密码子。因此，蛋白质中的二十种氨基
酸，其中每一种至少可有一个这样的密码子来表示。由于密码子的种类比氨基酸的
种类多，所以，一种氨基酸可能有不止一种密码子。在沃森和克里克发现DNA双螺
旋后不久，就已推论出了密码子的这种情况，而且，字宙物理学家加莫（George 
Gamow）在1954年就已以文字形式发表了这种观点。但是，直到1961年，才最后证
明遗传密码确实含有一种语言，在这种语言中，DNA的多核苷酸链在多肽翻译过程
中念为3X3。克里克是用带有突变基因的噬菌体进行纯形状性质的遗传实验证实这
一观点的。

异体催化功能的形状和信息原理，业已得到证明，这当然是件很有意义的事。但是
，为了搞清楚它的分子机制，就需要运用生化方法去打开分子结构的奥秘，因为正
是这种分子结构实际上影响着中心法则的转录和翻译。运用生化方法的第一个结果
，是认识到核糖核蛋白体是细胞内蛋白质合成的部位。核糖核蛋白体是一种小的颗
粒，由三分之一的蛋白质和三分之二的RNA所组成。活细胞内有大量核糖核蛋白体
。但是，基因编码的遗传信息是如何通过核糖核蛋白体转变成多肽链的氨基酸顺序
的呢？为了回答这个问题，1961年雅柯布（Francois Jacob）和莫诺德提出，按照
中心法则，首先由基因的核苷酸顺序转录出称为信使RNA的核酸。这种信使RNA分子
与核糖核蛋白体表面相结合后，再由信使RNA的核苷酸顺序以密码子为单元翻译为
多肽链的氨基酸顺序，在翻译过程中，信使RNA正象录音带穿过录音机一样穿过核
糖核蛋白体。沃森和他的学生们在阐明核糖核蛋白体的结构、信使RNA形成的机制
以及信使RNA翻译成蛋白质等方面都做出了重要的贡献。当信使RNA穿过核糖核蛋白
体时，信使RNA是如何指导氨基酸排列成早就确定了的正确顺序的呢？1958年，在
信使RNA的概念尚未明确提出以前，克里克就对这个问题提出了他的看法。他认为
，二十种不同的氨基酸不可能以一种特别方式与RNA模板的核苷酸三联体直接发生
作用。因此，他提出一个“适应子”核苷酸的概念。任何种类的氨基酸在进入多肽
链以前首先要装配在适应子上。这种适应子被认为含有一个三联体核苷酸，即“反
密码子”。反密码子按沃森-克里克碱基对原理与表示带有该适应子的那个氨基酸
三联体核苷酸密码子互补配对。适应子上的反密码子核苷酸与信使RNA上的相应密
码子核苷酸形成特定的氢键，从而将带有该适应子的氨基酸带到核糖核蛋白体上的
预先确定的适当位置。适应子假说提出后不久，研究蛋白质合成的生物化学家就发
现了一整套专一的酶和专一的化学反应；并且逐渐认识到它们与适应子假说的内容
非常相似。首先，发现了一类小分子RNA，即tRNA。它有八十个左右的核苷酸。每
个细胞都含有几十种不同的tRNA。每一种tRNA都能与一种氨基酸，而且只能与一种
氨基酸相结合。这种tRNA后来证明就是克里克预见到的适应子，因为它有一个与密
码子互补的反密码子。其次，发现了一批酶。这种酶能催化一种氨基酸与相应的
tRNA分子结合。这些能使每一种氨基酸和宫的相对应的转移RNA接头的酶就成为遗
传的词典，亦即能识别遗传密码的细胞工具。

遗传密码的破识是由一个不知名的年轻生化学家尼伦伯格（MarshllII Nlrenber功
开始的。1961年春天，尼伦伯格研究出了一个无细胞体系，这种体系能将氨基酸结
合殓多肚之中。实际上，他并不是研究蛋白质休外合成的第一人。但是，他的体系
与前人相比，有一个重大的优点。在他的体系里，多肤的合成有赖干将信使RNA加
入到反应混合体中去。这就为通过加入任意的信使RNA从而在体外合成专一的多肽
链提供了一个切实可行的途径。尼伦伯格把人工合成的只台有尿嘧啶核苷酸的均聚
的多核苷酸（与含有四种核苷酸的天然信使RNA不同）加到无细胞体系中，他得到
了一个意想不到的结果。在体外体系中加入人工均聚的信使RNA可以合成均聚的多
肽，即只含有一种氨基酸的多肚一聚苯丙氨酸。这个实验结果只能有一个意义：即
在遗传密码中，U U U（U表示尿嘧啶核苷酸）三联体为苯丙氨酸的密码子。1961年
8月，在莫斯科国际生物化学代表大会上，尼伦伯格宣布了他鉴定的这第一个密码
子。这件事引起了全场轰动（克里克后来写道，他就感到象“触了电”一样）。这
样一来，也就一下子能够直接运用化学实验来破译遗传密码了。因为，将各种已知
成分构成的合成信使RNA引入无细胞蛋白质合成体系，其效果变得可以检验了。莫
斯科国际生化会议开始了一场破识遗传密码的竞赛。结果六十四种密码子全部破识
。到了本世纪六十年代中期，DNA自我催化和异体催化功能的一般性质已经基本上
搞清楚了。通过互补氢键的形成，DNA获得了双重功能。一是作为模板合成自身的
复本，完成DNA的自我催化功能。二是转录成mRNA，然后在蛋白质合成中，mRNA通
过与（RNA的反密码子形成互补氢键完成它独特的异体催化功能。中心法则结果证
明基本上是正确的。在没有借助物理学和化学未知原理的情况下，基因的奥秘揭开
了。沃森和克里克早已发现，同类物质循环繁衍，其过程看来就是互补氢键的形成
过程。

--
明明知道我们已经跋涉千里,           .oooO  Oooo.
  我仍觉得你我才初初相遇.           (   )  (   )
      胸怀中满溢着幸福,              \ (    ) / 
        只因你就在我眼前,             \_)  (_/
          对我微笑，一如当年.        

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: sunny.hit.edu.cn]