紀念DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型發(fā)表70周年

庚鎮(zhèn)城

今年4月25日是英國《自然》（Nature）雜志發(fā)表美國分子生物學(xué)家沃森（J. Watson， 1928—）和英國物理學(xué)家克里克（F. Crick， 1916—2004）關(guān)于脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid， DNA）雙螺旋結(jié)構(gòu)模型論文70周年。論文標題是：“核酸的分子結(jié)構(gòu)（Molecular Structure of Nucleic Acids）”，副標題是：“脫氧核糖核酸的結(jié)構(gòu)（A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid）”。這是一篇只有約千字的短文章，可是在科學(xué)史上卻具有重大的價值，可與達爾文的《物種起源》（1859）和孟德爾的《植物雜交的試驗》（1866）相媲美。正是由于這篇論文的問世，生命科學(xué)才有了今日如此多分支的、迅猛的、繁花似錦般的發(fā)展。在迎來此文發(fā)表70周年之際，筆者擬對它發(fā)表前科學(xué)界發(fā)生的相關(guān)重要事件，以及已作古的克里克的學(xué)術(shù)生涯做簡短的回顧，以茲紀念。

基因和DNA幾乎同時被發(fā)現(xiàn)

基因和DNA在當初它們被發(fā)現(xiàn)的時候，都不是這樣的名稱。1865年孟德爾（G. Mendel， 1822—1884）在植物雜交試驗中確立了“遺傳因子”（element）的概念。DNA則是1869年由瑞士年輕的生物化學(xué)家米歇爾（F. Miescher， 1844—1895）從繃帶的膿液中分離出來的，當時命名為“核素（nuclein）”。最近，我的學(xué)友劉宇剛博士剛剛訪問了瑞士巴塞爾大學(xué)醫(yī)院附近的弗利德里希·米歇爾研究所（Friedrich Miescher Institute， FMI），他說，F(xiàn)MI的大樓并不太顯眼，可是研究所里竟有330位研究人員，是一所力量雄厚的研究機構(gòu)。

最初，“遺傳因子”和“核素”的發(fā)現(xiàn)，是兩個完全孤立的事件，沒有受到世人的關(guān)注，更沒有人把它們聯(lián)系到一起?？茖W(xué)家們經(jīng)過近90年的艱辛探索，一個發(fā)現(xiàn)接著一個發(fā)現(xiàn)，最終，沃森和克里克才把基因和DNA聯(lián)系起來，在它們之間畫上了等號。沃森和克里克因此成就榮獲1962年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

DNA雙螺旋確立前的相關(guān)重要事件

1900年，被埋沒了35年之久的孟德爾遺傳規(guī)律，被荷蘭植物生理學(xué)家和遺傳學(xué)家德弗里斯（H. de Vris， 1848—1935）、德國的植物遺傳學(xué)家科倫斯（C. Correns， 1864—1932）和奧地利的植物遺傳學(xué)家切爾馬克（E.Tschermak， 1871—1962）三人分別在研究月見草（Oenothera biennis）、玉米（Zea mays）和豌豆（Pisum sativum）的遺傳規(guī)律過程中重新發(fā)現(xiàn)，這在遺傳學(xué)史上被稱為“戲劇性的再發(fā)現(xiàn)”。從此，遺傳學(xué)蓬蓬勃勃地發(fā)展起來。1902年美國細胞學(xué)家薩頓（W. Sutton， 1877—1916）在研究蚱蜢生殖細胞的減數(shù)分裂過程中，注意到染色體的行為與孟德爾遺傳法則有對應(yīng)的并行關(guān)系，提出遺傳因子在染色體上的染色體學(xué)說。1909年，丹麥植物生理遺傳學(xué)家約翰森（W. Johennsen， 1857—1927）出版了用德文寫的《精確遺傳學(xué)的諸要素》（Elemente der Exakten Erblichkeitslehre）一書，書中提出了基因、基因型、表現(xiàn)型等概念，將孟德爾提出的“遺傳因子”改為“基因”。德文的基因為Gen，丹麥語（屬于印歐語系的日爾曼語族）的基因也為Gen。英文譯為gene，俄文譯為 Ген，日文譯為“遺傳子”，中文譯為“基因”。從此，基因作為遺傳的基本單位為國際遺傳學(xué)界所公認和使用。

具有諷刺意味的事是，20世紀初曾激烈反對過薩頓的遺傳因子染色體說的摩爾根（T. Morgan， 1866—1945）在1910年后，率領(lǐng)其研究團隊通過對黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）的遺傳研究及對唾液染色體的解析，證明基因在染色體上呈線狀排列，并可交換重組，從而建立起完備的染色體基因理論。1934年施萊辛格（M. Schlesinger）報道噬菌體是由DNA和蛋白質(zhì)組成的。1941年比德爾（G. Beadle， 1903—1989）和塔特姆（E. Tatum， 1909—1975）提出“一基因一酶”假說，基因制約酶——蛋白質(zhì)的觀念，令人耳目一新。

在核酸研究方面，“核素”被發(fā)現(xiàn)后的許多年里，一直乏人問津。直到1880年德國生理化學(xué)家科塞爾（A. Kossel， 1853—1927）從核素中分離出一種有機堿的成分——黃嘌呤（xanthine），方知核素不是一種單純的物質(zhì)，而是復(fù)雜的復(fù)合物，其中包括蛋白質(zhì)和與其有本質(zhì)不同的物質(zhì)。科塞爾研究團隊在其后十多年的研究中，發(fā)現(xiàn)有兩類堿基：嘌呤堿基和嘧啶堿基。前者又分腺嘌呤堿基與鳥嘌呤堿基，后者又分胸腺嘧啶、胞嘧啶與尿嘧啶。尿嘧啶僅存在于RNA中，還發(fā)現(xiàn)有磷酸存在?？迫麪栄芯拷M的成果，陸續(xù)發(fā)表于1888年至1903年間。由于探明了核素是包含堿基、磷酸和蛋白質(zhì)組成的復(fù)合物，于是，德國組織化學(xué)家阿爾特曼（R. Altman， 1852—1900）在1899年將包含于核素中的堿基和磷酸定名為核酸（nucleic acid）。從此之后，“核素”一詞便被廢棄了。進入20世紀，人們發(fā)現(xiàn)核酸中除了有嘌呤堿基、嘧啶堿基和磷酸外，還有糖的成分。俄國出生的美國化學(xué)家萊文（P. Levene， 1869—1940）在1909年報道，在酵母的核酸中發(fā)現(xiàn)具有5個碳原子的糖，稱之為核糖，它與堿基、磷酸相結(jié)合。含有這種核糖的核酸稱為核糖核酸（ribonucleic acid， RNA）。萊文在發(fā)現(xiàn)RNA 20年后即1929年，在動物的胸腺中又發(fā)現(xiàn)了另一類核酸，它含有脫氧核糖，而不是核糖，含脫氧核糖的核酸稱為脫氧核糖核酸（DNA）。

1944年埃弗里（O. Avery， 1877—1955）以肺炎雙球菌為材料，通過設(shè)計極其嚴密的實驗，證實了導(dǎo)致性狀轉(zhuǎn)換的因子是DNA，這是一項偉大的發(fā)現(xiàn)。遺憾的是，埃弗里的這項發(fā)現(xiàn)卻沒有得到當時學(xué)術(shù)界的認同。這主要是因為1940年代的權(quán)威學(xué)者們?nèi)怨虉?zhí)地相信基因的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。1950年是孟德爾遺傳法則再發(fā)現(xiàn)的50周年，在美國召開了紀念會。根據(jù)鄧恩（L. Dunn）編輯的《20世紀的遺傳學(xué)》一書的記錄，有26位遺傳學(xué)家在大會上發(fā)言。其中談到埃弗里工作的只有一個人，是埃弗里在洛克菲勒研究所的同事、美國著名生物化學(xué)家米爾斯基（A. Mirsky， 1900—1974）。但米爾斯基的發(fā)言并非表彰埃弗里的發(fā)現(xiàn)，而是對埃弗里關(guān)于性狀轉(zhuǎn)化物質(zhì)是DNA的結(jié)論提出質(zhì)疑，認為在埃弗里提取到的DNA中可能混有微量蛋白質(zhì)。美國著名遺傳學(xué)家穆勒（H. Muller， 1890—1967）也參加了這次會議。他對于埃弗里的研究是很了解的，但他當時也贊同基因的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)的觀點，在其發(fā)言中只字未提埃弗里的工作。在講演后的討論會上，穆勒說，由于DNA還不能說明基因的自我復(fù)制問題，所以不能接受埃弗里的結(jié)論。

分子生物學(xué)的奠基人德爾布呂克（M. Delbrück， 1906—1981）、盧里亞（S. Luria， 1912—1997）、赫爾希（A. Hershey， 1908—1999）等人在1940年代也為同樣的偏見所障礙，未及時認識到埃弗里發(fā)現(xiàn)的偉大意義。尤為可嘆的是，赫爾希1952年在噬菌體感染的實驗中已明確地證明噬菌體的復(fù)制、增殖是由噬菌體DNA完成的事實?？墒窃?952年——DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的前夜——雖然研究者們都認可性狀轉(zhuǎn)變因子是DNA，可是除了埃弗里外，沒有人識破基因的實質(zhì)就是DNA。所幸的是，埃弗里在有生之年，看到了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)表，堿基的互補性保證了DNA的自我復(fù)制性和相對高度的同一性即連續(xù)性，從而滿足了基因本性的要求。于是，他在9年前發(fā)表的結(jié)論立馬被學(xué)術(shù)界所認可。

出生于奧地利的美國生物化學(xué)家查加夫（E. Chargaff， 1905—）讀了埃弗里的論文后，深受感動，決心邁入DNA研究領(lǐng)域。1951年他發(fā)現(xiàn)DNA中的腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）具有相等的數(shù)量，鳥嘌呤（G）和胞嘧啶（C）具有相等的數(shù)量，即A和T，G和C含量的比值均為1∶1。此事實被稱為查加夫定律。但是查加夫?qū)τ谒l(fā)現(xiàn)的這個奇異的規(guī)律并沒有理論的解釋，更未意識到這個定律對于闡明DNA結(jié)構(gòu)是何等地重要。1952年7月查加夫到劍橋去報告他的這個發(fā)現(xiàn)，當時正在構(gòu)建DNA結(jié)構(gòu)模型的克里克和沃森聽了查加夫的報告，簡直欣喜若狂?？死锟苏f：我像觸電一樣，突然想到“啊，我的上帝，如果有堿基的互補性配對，那就只能呈現(xiàn)1對1之比”。

鮑林的工作促使沃森、克里克踔厲前行

美國著名化學(xué)權(quán)威鮑林（L. Pauling， 1901—1994）是研究生物高分子結(jié)構(gòu)的代表人物。從1930年代起，他就用X射線衍射技術(shù)研究結(jié)晶的氨基酸和小肽鏈結(jié)構(gòu)。1952年7月沃森參加了一次噬菌體方面學(xué)術(shù)會議，會上他聽鮑林說：“正在從事的用X射線衍射技術(shù)解析氨基酸的工作，對于最終理解核酸是非常重要的”一席話。大權(quán)威將涉足DNA的研究，對于沃森、克里克來說，無疑是一種震懾。是年12月中旬，沃森、克里克在鮑林給其子彼得·鮑林的信中獲悉，鮑林開始著手研究DNA的結(jié)構(gòu)，沃森和克里克倆人感到異?；趴?，害怕鮑林搶先獲得成功，他們加緊研究。1953年2月初，他們又從彼得·鮑林處看到鮑林關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)論文原稿的拷貝。霎那間，他們緊張萬分，“五臟六腑緊縮一團”，可當他們匆匆看完拷貝后，松了一口氣。原來，鮑林設(shè)想的DNA模型是由3條鏈組成的，而且含有化學(xué)結(jié)構(gòu)上的錯誤。沃森、克里克高興萬分，當晚兩人就跑到老鷹酒吧（Eagle Pub），為慶賀鮑林的失誤而熱烈干杯。緣由于此，老鷹酒吧在三四十年前竟成為不少外國遺傳學(xué)家旅游瞻仰的場所。

最后的助力者

1953年2月6日對于沃森和克里克而言是獲得成功的極為重要的關(guān)鍵一天。那天，沃森為了想與富蘭克林（R. Franklin， 1920—1958）和威爾金斯（M. Wilkins， 1916—2004）兩人討論鮑林的DNA模型，并想聽聽他們的想法，去了倫敦金斯學(xué)院。熟料，與富蘭克林未說上幾句話，便發(fā)生口角，交談無法繼續(xù)?？墒牵翘煳稚瓘耐柦鹚鼓抢飬s得到了極其寶貴的信息。威爾金斯把富蘭克林拍的十分清晰的B型DNA的X射線衍射照片的拷貝給沃森看，沃森一看便立刻聯(lián)想到DNA呈雙螺旋結(jié)構(gòu)。威爾金斯還把富蘭克林認為堿基在內(nèi)側(cè)、骨架在外側(cè)的結(jié)論告訴了沃森。獲得如此重要信息的沃森在滿懷喜悅返回劍橋的途中便決意搭建兩條鏈的模型了。同日，克里克從富蘭克林在1952年12月15日上報給倫敦國王學(xué)院生物物理學(xué)實驗室主任蘭德爾（J. Randall）的研究總結(jié)中，得到了搭建雙螺旋鏈模型的詳細數(shù)據(jù)。

對于DNA結(jié)構(gòu)的闡明，富蘭克林功不可沒。如果她能活到1962年，她將當之無愧地獲取諾貝爾獎的榮譽?？上?，她在1956年秋天罹患腸癌。盡管遭受極大的病痛，但是她不與人道及也不企望人們的同情，頑強地奮斗到最后一息。富蘭克林是一位偉大的令人尊敬的不幸的天才科學(xué)家。

關(guān)于氫鍵配對問題，則是研究氫鍵專家多諾霍（J. Donohue）幫助沃森、克里克糾正了起初所犯的錯誤。

沃森從1951年秋天來到劍橋大學(xué)卡文迪什（Cavendish）研究所與克里克合作研究DNA的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過約20個月的奮斗，在1953年4月2日，將完成了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的論文寄給了《自然》（Nature）雜志，4月25日刊出。從此，生物學(xué)進入了嶄新的分子生物學(xué)時代。

筆者曾將此篇論文譯成中文發(fā)表在1975年第3期《摘譯》雜志上。

值得尊敬的克里克

DNA雙螺旋模型的搭建者之一——克里克已經(jīng)作古。他是一位非常睿智和勇氣非凡的學(xué)者。1916年6月8日他出生于英國的北安普敦郡。自幼就喜歡做物理化學(xué)實驗，由于過于熱衷，曾經(jīng)發(fā)生過爆炸事故。在倫敦大學(xué)畢業(yè)后，又到劍橋?qū)W習(xí)物理學(xué)，取得碩士學(xué)位。第二次世界大戰(zhàn)中他積極參與雷達的開發(fā)，盡全力制作使用磁力的新型地雷和水雷。1947年劍橋大學(xué)建立了進行最前沿的綜合科學(xué)研究的高等研究機構(gòu)——卡文迪什研究所。1949年克里克成為該所的研究員?？死锟藢τ诳茖W(xué)未來的發(fā)展具有超常的敏感性和洞察力，受匈牙利籍生物化學(xué)家阿爾伯特（S. Albert，發(fā)現(xiàn)維生素C、P）的著作影響，克里克從物理學(xué)轉(zhuǎn)向生命科學(xué)的研究。當時科學(xué)家們普遍認為構(gòu)成生命的基本物質(zhì)是蛋白質(zhì)?？死锟嗽诓祭窠淌冢╓. Bragg）的指導(dǎo)下，充分活用其物理學(xué)知識，用X射線解析蛋白質(zhì)的螺旋結(jié)構(gòu)（弄清了骨膠原的結(jié)構(gòu)）。1951年秋天，克里克與從美國來的博士后沃森相遇，兩人開始研究DNA結(jié)構(gòu)。

克里克身上具有兩種異乎尋常的特質(zhì)。其一是思想深邃，具有高度洞察力，善于提出新的預(yù)見。關(guān)于基因信息的傳遞方向（含轉(zhuǎn)錄及翻譯）問題，1958年克里克提出了中心法則（central dogma）。在遺傳密碼完全闡明之前，他就預(yù)言遺傳信息的傳遞單位是三聯(lián)體（triplet），即3個核苷酸組成一個密碼子。關(guān)于DNA在染色體中存在方式，1975年他提出了90度彎曲堆積成四角形的絞纏螺旋（kinky helix）假說。1977年克里克轉(zhuǎn)到美國圣地亞哥索爾克（Salk）生物研究所工作?？死锟说牡诙€特質(zhì)是勇于向未知的艱難的科學(xué)課題挑戰(zhàn)。在DNA研究后，他選擇了最終要闡明人的心或意識——大腦高級功能的研究。這是當今生命科學(xué)面對的最艱難的問題。他在對以往的實驗數(shù)據(jù)、信息進行全盤綜合性整理和思考后，開始了可提出新假說類型的研究。人每天在腦中都形成龐大的知覺信息的記憶，怎樣進行整理才能防止泛濫呢？克里克提出了睡夢中快速眼動睡眠（rapid eye movement， REM）時消除不需要記憶的假說（1983）。此后，他與神經(jīng)科學(xué)家科赫（C. Koch）合作研究，一直到他生命的終點。

我們看到一個物體的時候，它在腦內(nèi)怎樣成像呢？首先將物像分解成零碎的因素進行處理，而后再把七零八落的因素整合成一個物像，即知覺信息的整合（binding），他和科赫提出同步振蕩（synchronous oscillation）的模型（1990）。接著，向闡明心、意識的腦內(nèi)機制問題沖刺。2003年與科赫發(fā)表了“意識的框架”（a framework for consciousness）假說。認為意識存在于屏狀核（claustrum）與新皮質(zhì)相聯(lián)系的許多功能尚不明了的部位。據(jù)說克里克在臨終前幾小時還在思索這個問題?！癱laustrum”的原意是“被關(guān)閉的修道院”，作為與心或意識相關(guān)的場所，是頗具諷刺意味的。就是說，那是難以進入的領(lǐng)域。在其生前的最后一篇論文（2004）里，主張對意識的研究，光靠實驗動物不行，非得以人為對象不可。并認為當今的核磁共振成像技術(shù)的解析能力是遠不夠解析人的心或意識，需要有腦外科醫(yī)生的協(xié)作，這可謂之是他的“遺言”。克里克至死未能實現(xiàn)他解開人的心或意識的秘密的宏愿，但是，這種勇于向科學(xué)難題挑戰(zhàn)的精神是難能可貴的，值得后人尊重。近20年過去了，腦科學(xué)取得了長足的進步，可是距離闡明人的心或意識的腦機制，大概還有遙遠的路要走。

（作者系復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授） ■