DNA双螺旋结构的发现之旅

文/马向涛

DNA双螺旋结构的发现之旅

文/马向涛

DNA最重要的功能就隐藏在其结构之中，它具有在细胞间以及生物体间传递遗传信息的能力。这种不稳定的分子组合不仅记录了生物体的信息、运动与形态，还为达尔文与孟德尔苦苦追寻的梦想找到了答案。

1944年，奥斯瓦德·艾弗里关于DNA研究的论文正式发表，他由此发现了“基因的物质实体”，解决了“基因到底源自何方”这个难题1。随后DNA的三维结构就成为科学家们竞相追逐的热点领域。

莫里斯·威尔金斯是一位新西兰物理学家，他推断基因作为遗传的基本单位必然是由亚单位组成，而DNA的结构则可以解释这些亚单位的功能2。威尔金斯曾经希望罗莎琳德·富兰克林到他的团队担任助理，但是富兰克林根本就不喜欢威尔金斯温和的做派3。由于威尔金斯在DNA制备过程中质量不过关，因此无法得到清晰的X射线衍射图。而尽管富兰克林能够得到清晰的衍射图，但是她却无法解释其中的道理。

1951年春天，威尔金斯在那不勒斯演讲时展示了一张DNA衍射照片，与此同时台下就坐着詹姆斯·沃森4。沃森后来写道：“在聆听莫里斯的演讲之前，我曾经担心基因的结构可能无章可循。”但是这张衍射照片却迅速打消了他之前的担忧：“突然间，我对基因的化学组成产生了极大兴趣。”沃森后来说道：“对于遗传学家而言，DNA是唯一值得去攻克的难题。”

为了拍摄DNA衍射照片，沃森搬到了剑桥。而就在来到剑桥的当天，他遇到了志同道合的伙伴。这位名叫弗朗西斯·克里克的学者恰巧也在佩鲁茨实验室工作5。沃森与克里克都具有桀骜不驯的个性，他们经常在言谈话语中碰撞出火花，而且同样怀着跨越现实的雄心壮志。沃森与克里克意识到，他们在下一步研究中需要借鉴富兰克林的定量检测方法。于是这两人突发奇想，主动邀请威尔金斯与富兰克林前来实验室参观。

然而当他们看到DNA模型之后却感到心灰意冷。虽然威尔金斯对此感到“失望”，但是他并没有流露出来。而性格直率的富兰克林就没那么客气了。她只扫了一眼就发现了这个模型的荒谬之处。这次由沃森与克里克主动邀请的参观反而变成了对他们的批判。当富兰克林披头盖脑地把这个模型从里到外说的一无是处时，他们从心底里感到无地自容。

1952年5月，富兰克林将DNA纤维置于X射线下曝光过夜。虽然镜头略微有点偏离样本中心，但是这张衍射照片在技术上已经堪称完美。此后，她在戈斯林的帮助下重新调整了镜头的位置，并且拍摄出了更为清晰的照片，而这是她所见过最完美的DNA照片6。富兰克林将其标记为“51号照片”。

1953年1月底，沃森来到伦敦拜访威尔金斯，并且顺便也到办公室看望了富兰克林，可是他们在讨论问题的时候再次发生了严重的分歧。相比之下，他在威尔金斯这儿就受欢迎多了。威尔金斯告诉沃森，罗莎琳德·富兰克林在当年夏天已经获得了一组全新的B型DNA照片，这些照片的清晰程度令人难以置信，DNA骨架的基本结构几乎跃然纸上。

威尔金斯走到隔壁房间，从抽屉里取出这张关键的照片，然后把它展示给沃森。与此同时，富兰克林还呆在办公室里，心中燃烧着愤怒的火焰。她并不知道自己最珍贵的数据刚刚被威尔金斯透露给了沃森7。威尔金斯后来对此深感内疚：“也许我应该先得到罗莎琳德的许可，但是我没有这样做。那时的情形一言难尽……如果在正常情况下，那么我自然会先征求她的意见，可是即使当时大家相处融洽，她也不会允许别人这样做……虽然我先看到了这张照片，但是相信没有人会忽略其中的螺旋结构。”

作者单位/北京市海淀区医疗资源统筹服务中心

沃森立刻就被眼前的照片所震撼。“我在看到这张照片的瞬间即感心跳开始加速。它比之前得到的那些衍射图更加简洁，简直达到了令人难以置信的程度……只有某种螺旋结构才能在照片中表现为黑十字的模样……在经过简单计算后就可以得知该分子中核酸链的数量。”他确信DNA结构由两条相互缠绕的螺旋链组成，而这种“重要遗传物质以成对的形式出现。”

当碱基在螺旋内部的配对问题解决后，他们又面临着第二个关键问题，也就是如何对于DNA骨架的外部尺寸进行精确测算。这事关模型中各组分的布局问题，并且明显受到DNA结构空间维度的限制。此时富兰克林的数据又一次在她不知情的情况下发挥了重大作用。马克斯·佩鲁茨将威尔金斯与富兰克林关于DNA研究最新进展的工作报告转交给了沃森与克里克。

1953年3月，沃森与克里克随即开始搭建DNA双螺旋模型，他们把代表碱基的纸板逐一固定在骨架上，仿佛是在谨小慎微地建造一所纸牌屋，无论是角度、宽度还是分子间隙等测量结果都近乎于完美8。第二天清晨，威尔金斯在闻讯后就迫不及待地赶到剑桥。他“在转瞬间…就迷上了它。”威尔金斯后来回忆道：“那个模型高高地伫立在实验台上，它简直就是生命的精灵，看上去就像刚刚呱呱坠地的婴儿……”威尔金斯返回伦敦后再一次进行了确认，他发现自己与富兰克林最新得到的晶体学数据都明确支持双螺旋结构。富兰克林在两周之后才见到了双螺旋模型，她也随即相信这就是理想中的DNA结构。

1953年4月25日，沃森与克里克在《自然》杂志上发表了题为《核酸分子结构：脱氧核糖核酸结构》的文章。同期发表的还有一篇由戈斯林与富兰克林撰写的论文，他们为支持双螺旋结构提供了强有力的晶体学证据9。而第三篇文章则由威尔金斯完成，他根据DNA晶体实验中获取的数据进一步印证了该模型的合理性。

詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克、莫里斯·威尔金斯与罗莎琳德·富兰克林都是杰出的科学家，他们共同努力的结果揭示了DNA三维结构的奥秘，并且提出了具有标志性意义的DNA双螺旋结构学说。1962年，沃森、克里克与威尔金斯凭借他们的发现荣获了诺贝尔奖，可是富兰克林却没能分享到这种成功的喜悦。1958年，她因卵巢癌广泛转移去世，当时年仅37岁10。

DNA双螺旋结构的提出开启了分子生物学时代，使遗传学研究深入到分子层面，“生命之谜”就此被解开，人们终于掌握了遗传信息的构成和传递途径。

(致谢:感谢中信出版社允许我引用普利策奖获得者悉达多·穆克吉作品《基因传》的部分内容。)

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.