DNA雙螺旋結構的發現之旅

文/馬向濤

DNA雙螺旋結構的發現之旅

文/馬向濤

DNA最重要的功能就隱藏在其結構之中，它具有在細胞間以及生物體間傳遞遺傳信息的能力。這種不穩定的分子組合不僅記錄了生物體的信息、運動與形態，還為達爾文與孟德爾苦苦追尋的夢想找到了答案。

1944年，奧斯瓦德·艾弗里關于DNA研究的論文正式發表，他由此發現了“基因的物質實體”，解決了“基因到底源自何方”這個難題1。隨后DNA的三維結構就成為科學家們競相追逐的熱點領域。

莫里斯·威爾金斯是一位新西蘭物理學家，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的結構則可以解釋這些亞單位的功能2。威爾金斯曾經希望羅莎琳德·富蘭克林到他的團隊擔任助理，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制備過程中質量不過關，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展示了一張DNA衍射照片，與此同時臺下就坐著詹姆斯·沃森4。沃森后來寫道：“在聆聽莫里斯的演講之前，我曾經擔心基因的結構可能無章可循。”但是這張衍射照片卻迅速打消了他之前的擔憂：“突然間，我對基因的化學組成產生了極大興趣。”沃森后來說道：“對于遺傳學家而言，DNA是唯一值得去攻克的難題。”

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·克里克的學者恰巧也在佩魯茨實驗室工作5。沃森與克里克都具有桀驁不馴的個性，他們經常在言談話語中碰撞出火花，而且同樣懷著跨越現實的雄心壯志。沃森與克里克意識到，他們在下一步研究中需要借鑒富蘭克林的定量檢測方法。于是這兩人突發奇想，主動邀請威爾金斯與富蘭克林前來實驗室參觀。

然而當他們看到DNA模型之后卻感到心灰意冷。雖然威爾金斯對此感到“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。她只掃了一眼就發現了這個模型的荒謬之處。這次由沃森與克里克主動邀請的參觀反而變成了對他們的批判。當富蘭克林披頭蓋腦地把這個模型從里到外說的一無是處時，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。雖然鏡頭略微有點偏離樣本中心，但是這張衍射照片在技術上已經堪稱完美。此后，她在戈斯林的幫助下重新調整了鏡頭的位置，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。富蘭克林將其標記為“51號照片”。

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，可是他們在討論問題的時候再次發生了嚴重的分歧。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·富蘭克林在當年夏天已經獲得了一組全新的B型DNA照片，這些照片的清晰程度令人難以置信，DNA骨架的基本結構幾乎躍然紙上。

威爾金斯走到隔壁房間，從抽屜里取出這張關鍵的照片，然后把它展示給沃森。與此同時，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據剛剛被威爾金斯透露給了沃森7。威爾金斯后來對此深感內疚：“也許我應該先得到羅莎琳德的許可，但是我沒有這樣做。那時的情形一言難盡……如果在正常情況下，那么我自然會先征求她的意見，可是即使當時大家相處融洽，她也不會允許別人這樣做……雖然我先看到了這張照片，但是相信沒有人會忽略其中的螺旋結構。”

作者單位/北京市海淀區醫療資源統籌服務中心

沃森立刻就被眼前的照片所震撼。“我在看到這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，簡直達到了令人難以置信的程度……只有某種螺旋結構才能在照片中表現為黑十字的模樣……在經過簡單計算后就可以得知該分子中核酸鏈的數量。”他確信DNA結構由兩條相互纏繞的螺旋鏈組成，而這種“重要遺傳物質以成對的形式出現。”

當堿基在螺旋內部的配對問題解決后，他們又面臨著第二個關鍵問題，也就是如何對于DNA骨架的外部尺寸進行精確測算。這事關模型中各組分的布局問題，并且明顯受到DNA結構空間維度的限制。此時富蘭克林的數據又一次在她不知情的情況下發揮了重大作用。馬克斯·佩魯茨將威爾金斯與富蘭克林關于DNA研究最新進展的工作報告轉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果都近乎于完美8。第二天清晨，威爾金斯在聞訊后就迫不及待地趕到劍橋。他“在轉瞬間…就迷上了它。”威爾金斯后來回憶道：“那個模型高高地佇立在實驗臺上，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行了確認，他發現自己與富蘭克林最新得到的晶體學數據都明確支持雙螺旋結構。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結構。

1953年4月25日，沃森與克里克在《自然》雜志上發表了題為《核酸分子結構：脫氧核糖核酸結構》的文章。同期發表的還有一篇由戈斯林與富蘭克林撰寫的論文，他們為支持雙螺旋結構提供了強有力的晶體學證據9。而第三篇文章則由威爾金斯完成，他根據DNA晶體實驗中獲取的數據進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家，他們共同努力的結果揭示了DNA三維結構的奧秘，并且提出了具有標志性意義的DNA雙螺旋結構學說。1962年，沃森、克里克與威爾金斯憑借他們的發現榮獲了諾貝爾獎，可是富蘭克林卻沒能分享到這種成功的喜悅。1958年，她因卵巢癌廣泛轉移去世，當時年僅37歲10。

DNA雙螺旋結構的提出開啟了分子生物學時代，使遺傳學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成和傳遞途徑。

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

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.