DNA雙螺旋結構發現的前前後後

央視國際 2003年12月29日 15:37

　　豐富多彩、引人入勝的生命現象，歷來是人們最為關注的課題之一。在探索生物之謎的歷史長河中，一批批生物學家為之奮鬥、獻身，以卓越的貢獻揚起生物學“長風破浪”的航帆。今天，當我們翻開群星璀璨的生物學史冊時，不能不對J沃森（JinWatson）、F克裏克（FrancisCrick）的傑出貢獻，予以格外關注。50年前，正是這兩位科學巨匠提出了DNA雙螺旋結構模型的驚世發現，揭開了分子生物學的新篇章。如果説十九世紀達爾文進化論在揭示生物進化發展規律、推動生物學發展方面，具有里程碑意義的話，那麼，DNA雙螺旋結構模型的提出，則是開啟生命科學新階段的又一座里程碑。由此，人類開始進入改造、設計生命的征程。

　　誠然，生物科學的每一次突破都是其自身發展到一定階段的産物，是不同學科新理論、新技術相互滲透融合的結果，但毋庸置疑，它首先是科學家個人創造性勞動的寶貴結晶。今天，了解DNA雙螺旋結構模型産生的背景、條件，以及對生物學發展産生的積極影響，對我們深刻認識這一重大發現的科學價值，正確把握現代生命科學發展的規律和方向，是大有裨益的。正是基於這一認識，筆者撰寫了這篇短文，權作對DNA雙螺旋結構模型提出50週年的紀念。

　　浩繁紛雜的生物儘管千差萬別，但不論哪一個種類，從最小的病毒直至大型的哺乳動物，都毫無例外地可以把自己的性狀一代一代地傳下去；而無論親代與子代，還是子代各個體之間，又多少總會有些差別，即便是雙胞胎也不例外。人們曾用“種瓜得瓜，種豆得豆”和“一母生九子，九子各別”，生動形象地概括了存在於一切生物中的這一自然現象，併為揭開遺傳、變異之謎進行了不懈的努力。

　　17世紀末，有人提出了“預成論”的觀點，認為生物之所以能把自己的性狀特徵傳給後代，主要是由於在性細胞（精子或卵細胞）中，預先包含著一個微小的新的個體雛形。精原論者認為這種“微生體”存在於精子之中；卵原論者則認為這種“微生體”存在於卵子之中。但是這種觀點很快為事實所推翻。因為，無論在精子還是卵子之中，人們根本見不到這種“雛形”。代之而來的是德國胚胎學家沃爾夫提出的“漸成論”。他認為，生物體的任何組織和器官都是在個體發育過程中逐漸形成的。但遺傳變異的操縱者究竟是何物？仍然是一個謎。

　　直到1865年，奧地利遺傳學家孟德爾在闡述他所發現的分離法則和自由組合法則時，才第一次提出了“遺傳因子”（後來被稱作為基因）的概念，並認為，它存在於細胞之內，是決定遺傳性狀的物質基礎。

　　1909年，丹麥植物學家約翰遜用“基因”一詞取代了孟德爾的“遺傳因子”。從此，基因便被看做是生物性狀的決定者，生物遺傳變異的結構和功能的基本單位。

　　1926年，美國遺傳學家摩爾根發表了著名的《基因論》。他和其他學者用大量實驗證明，基因是組成染色體的遺傳單位。它在染色體上佔有一定的位置和空間，呈直線排列。這樣，就使孟德爾提出的關於遺傳因子的假説，落到具體的遺傳物質———基因上，為後來進一步研究基因的結構和功能奠定了理論基礎。

　　儘管如此，當時人們並不知道基因究竟是一種什麼物質。直至本世紀40年代，當科學工作者搞清了核酸，特別是脫氧核糖核酸（簡稱DNA），是一切生物的遺傳物質時，基因一詞才有了確切的內容。

　　1951年，科學家在實驗室裏得到了DNA結晶；

　　1952年，得到DNAX射線衍射圖譜，發現病毒DNA進入細菌細胞後，可以複製出病毒顆粒……

　　在此期間，有兩件事情是對DNA雙螺旋結構發現，起了直接的“催生”作用的。一是美國加州大學森格爾教授發現了蛋白質分子的螺旋結構，給人以重要啟示；一是X射線衍射技術在生物大分子結構研究中得到有效應用，提供了決定性的實驗依據。

　　正是在這樣的科學背景和研究條件下，美國科學家沃森來到英國劍橋大學與英國科學家克裏克合作，致力於研究DNA的結構。他們通過大量X射線衍射材料的分析研究，提出了DNA的雙螺旋結構模型，1953年4月25日在英國《發現》雜誌正式發表，並由此建立了遺傳密碼和模板學説。

　　之後，科學家們圍繞DNA的結構和作用，繼續開展研究，取得了一系列重大進展，並於1961年成功破譯了遺傳密碼，以無可辯駁的科學依據證實了DNA雙螺旋結構的正確性，從而使沃林、克裏克同威爾金斯一道于1962年獲得諾貝爾醫學生理學獎。

　　現代生物學研究業已搞清，核酸是由眾多核苷酸組成的生物大分子。核苷酸主要有四種類型，它們按不同的順序排列，構成了含有各種遺傳信息的核酸分子。基因就是核酸分子（主要是DNA）中含有特定信息的核苷酸片斷。

　　在對生物的遺傳物質進行深入研究，並不斷取得進展的同時，自然界中的大量生命現象和實驗中的許多實驗結果，也給生物學工作者以有益的啟示。

　　比如，大腸桿菌是一個品係繁多的大家族，有上萬種不同的類型。有的品係因缺少指導合成某些特殊營養物質的基因，因而必須從培養基中直接攝取這些營養物質方能生活。這些大腸桿菌被稱作營養缺陷型。如大腸桿菌K不能合成蘇氨酸（T）和亮氨酸（L）；而它的另一個品係則不具備合成生物素（B）和甲硫氨（M）的能力。把這兩種大腸桿菌的任何一種單獨放在缺少TLBM的培養基上都不能生長。但是，當把這兩種大腸桿菌混合在一起，放到缺少上述四種物質的培養基上，卻奇跡般地長出了新菌落。這是什麼原因呢？前面已經説過，大腸桿菌K中缺少T、L兩種基因，卻含有B、M兩種基因；而另一個品係的DNA上，儘管不具備B和M基因，卻含有K中缺少的T、L兩種基因。當把它們放在一起大量培養時，前一品係細胞中的DNA有可能通過細胞膜進入後一品係的細胞中，使兩種類型的DNA之間進行重新組合，形成同時含有BMTL四種基因的大腸桿菌新類型。其實，上面這種細菌間的雜交現象並不是僅僅在生物學家專門設計的營養缺陷型實驗中才能進行，在自然狀態下的許多細菌中同樣存在，只不過數量太少，一般不易被人們發現罷了。

　　上述DNA的轉移，主要是靠細胞之間的接觸實現的，無需借助外力的幫助。但是，也存在另一種情況，DNA的轉移和重組，是在第三者的介入下完成的。如噬菌體的轉導就是一個典型的例證。

　　噬菌體是專門侵染細菌和放線菌的一類病毒。它體積小，結構簡單，除六角形頭部含有DNA外，周身披有一個起保護作用的外殼和一個蝌蚪狀的尾巴。侵染細菌時，先從自身尾部分泌出一種溶菌酶，將菌體某處的細胞壁溶解，然後再把頭部的DNA經由這個缺口送入細菌體內。噬菌體侵染細菌的過程有兩種類型。一種叫烈性感染，即侵入菌體內的噬菌體DNA立即進行自我複製，産生新的DNA和蛋白質外殼，然後分泌溶菌酶使菌體細胞壁裂解，釋放出新的噬菌體；另一種類型叫溫和感染，即噬菌體DNA進入菌體細胞後，並不立即進行自我複製，而是插入到被感染菌體細胞的染色體內，潛伏下來。當細菌染色體進行自我複製時，它也跟著複製，並隨染色體一同悄悄地進入子細胞內。可是一遇到紫外光照射等外來刺激，溫和噬菌體的DNA就會立即脫離細菌染色體，迅速複製，進而使菌體裂解，釋放出新的噬菌體。生物學工作者用溫和噬菌體去感染有鞭毛的沙門氏桿菌，並通過紫外光照射促使侵入菌體內的噬菌體DNA迅速複製，釋放出成熟的噬菌體，然後再用它們去感染無鞭毛的沙門氏菌，結果使無鞭毛細菌長出了鞭毛。其原因在於，當溫和噬菌體侵染有鞭毛的沙門氏菌，進行自我複製時，陰差陽錯地誤把菌體細胞中決定鞭毛性狀的DNA片斷，也裹進了自己的蛋白質外殼內，而當它們再去感染無鞭毛的沙門氏菌時，就把這種決定鞭毛性狀的DNA片斷帶進了無鞭毛的沙門氏菌中，以至出現了使無鞭毛的菌長出鞭毛的怪事。這種現象叫“轉導現象”。這一實驗不僅再次證明，生物細胞中的DNA可以從一個細胞轉移到另一個細胞，而且表明，在實現這種轉移的過程中，噬菌體是一種理想的運載工具。

　　既然DNA是決定生物性狀的主要遺傳物質，在自然界中又存在著DNA的轉移和重組，並且還有噬菌體等充當基因的運載工具，那麼，能不能設法把不同生物細胞中的DNA分子分離出來，進行體外切割，以獲得我們需要的某些特定基因；或者人工合成某些基因片斷，然後再按照預先設計好的方案，讓基因重新組合，通過一定的運載手段，把重組體重新送回到生物體細胞內，並使它的功能表達出來，從而突破遠緣雜交的障礙，按照人們的意志改造生物、創造出新的品種呢？

　　如前所述，大腸桿菌是人類最熟悉的微生物之一。大腸桿菌細胞質中的質粒是一種環狀DNA，出入細胞較為容易。加之它結構簡單，繁殖快，易於培養，所以大腸桿菌自然就成了基因工程研究的對象和理想的操作工具。1969年，美國生物學家夏皮洛等人首先用生物學方法，從大腸桿菌的質粒環狀DNA片斷上人工分離出了基因。三年之後，美國科學家科恩，首次把兩個大腸桿菌的質粒從細胞中分離出來，在體外讓質粒中的DNA分子重新進行組合，然後再送回大腸桿菌中，使其成功地獲得表達，從而第一次實現了基因操作。

　　自此以後，基因工程獲得了如火如荼的發展，取得了一個個振奮人心的突破，宛如升起在科學上空的瑰麗明星，令人神往。今天，我們已經可以用基因操作突破種間壁壘，實現各種生物遺傳性狀的重組，基因工程已成為生物技術的核心技術，廣泛應用於醫藥健康和各個産業部門。放眼未來，它在造福人類中的作用是無可限量的。前景誘人，任重道遠，讓我們為之奮鬥努力吧！（《科技日報》主編 徐九武）