科学界中一些重要的发现在公开之初往往并没有引起广泛的注意,当科学家在庆祝发现DNA双螺旋结构50周年之际,人们意识到双螺旋当年也有着类似的经历。历史资料显示,1953年DNA双螺旋结构模型被提出时科学界对它的反应很冷淡。实际上直到科学家们认为这种结构模型可能揭示了DNA参与蛋白质组合的机制时,生命科学界才对DNA双螺旋结构产生了浓厚的兴趣。

里奇 · 考尔德(Ritchie Calder)1953年5月15日在《新闻记事报》上关于发现DNA结构的报道

1956年罗伯特 · 辛谢梅尔(Robert Sinsheimer)在加州理工学院所作的一次报告中谈到:“我们可以预见到遗传化学随着时间的推移将成为细胞生物化学的研究核心”。

回想1953年,我们好像进入了另外一个世界,当时《自然》杂志还没有使用DNA作为脱氧核糖核酸的缩写。1953年3月,英国科学家准备在考尔德河边建一座核电站;而两个月之后,人们征服了珠穆朗玛峰。当时伦敦大学的生物化学老师为弗雷德里克 · 桑格(Frederick Sanger)成功的测出了胰岛素的氨基酸序列兴奋不已,而那时DNA还未被提及。虽然在1953年《自然》发表了7篇关于DNA结构和功能的论文,但只有一份全国性的英国报纸《新闻记事报》提到了双螺旋。

接受双螺旋

现在我们很难想象50年前双螺旋受到如此冷遇。看看上世纪50年代《自然》和其他科学杂志,我们或许能发现些什么。图1显示了《自然》杂志有关DNA方面论文的数量和在这些论文中提到沃森-克里克模型和引用DNA结构论文的数目。在这10年中《自然》杂志的卷数不断在增多,同时有关DNA论文的数量也在不断的增多,但双螺旋结构的引用率却并没有增加。

图1 从1950~1960《自然》杂志涉及DNA的论文数目和提到双螺旋的数目

DNA结构被发现时,已经有相当多关于DNA的研究计划在进行中,其中包括DNA的物理特性、抽提方法、同一组织的所有细胞中的DNA含量组成是否相同、紫外光和放射线对DNA的伤害,以及关于核酸在蛋白质合成中的作用。

在那个时代研究DNA的主要是生物化学家和物理化学家,研究机构和资金有着明显的医学背景。当时的研究主要集中在突变子的作用方式(与国际上关于电离辐射和放射性物质作用的争论有关)和蛋白质合成的机制(它对生长、营养及癌症研究密切相关)两个领域内。

既然双螺旋当时没有被人们认识到其重要性,不妨让我们换一个角度来看看在上世纪50年代科学家们是如何看待DNA双螺旋的。尽管奥斯瓦尔德 · 埃弗里(Oswald Avery)、科林 · 麦克劳德(Colin MacLeod)和麦克莱 · 麦卡蒂(Maclyn McCarty)在1944年做了一些重要的工作,以及阿尔 · 赫尔希(Al Hershey)与马沙 · 蔡斯(Martha Chase)在1952年也做了一些工作——指出从具有转化细菌能力的病毒中进入细菌的物质是核酸而并非蛋白质,这些研究表明DNA非常有可能是遗传物质。那时大多数科学家根据DNA与蛋白质密切连接而认为DNA是一种连接蛋白,虽然这种功能很重要,但它本身并不正确。

连接结构和功能

科学界需要更多的信息使他们承认双螺旋结构,而DNA的化学特性是否能证明它在遗传中的作用呢?沃森和克里克通过提出双螺旋结构模型给出了答案。在他们所描述的DNA的极富生物学价值的新特性中,沃森和克里克叙述了碱基的配对,腺嘌呤与胸腺嘧啶形成氢键、鸟嘌呤和胞嘧啶也形成氢键,他们认为这些配对有很大可能揭示了遗传物质的复制机制。一个月后他们在《自然》杂志上发表了一篇后续论文,认为直到现在还没有证据表明DNA是怎样经历遗传物质必要的一步过程,即精确的自我复制。

依据这一论文,沃森和克里克认为他们初步解释了DNA复制的机制,但也承认他们的理论还有很多不足的地方:核内各种物质缠绕在一起时,DNA双链是如何解开并分离的?基因到底是如何精确复制的?遗传物质是怎样高度特异影响细胞的?深藏在双螺旋分子内部决定个体特异性的碱基序列何时发挥它的作用等?

在发现DNA结构开始的一段时间内,人们的讨论主要集中在双螺旋是如何解开的。在1953年,沃森和克里克认为他们无法解决这个问题,但在1958年,马修 · 梅塞尔森(Matthow Meselson)和富兰克林 · 斯塔(Franklin Stah)证明了DNA的半保留复制而有力的支持了他们的理论:DNA复制时会产生两条新的子代DNA分子,它包含一条父代DNA链和一条以它为模板复制的新链。这证明了沃森和克里克从DNA结构推出的DNA采取半保留方式进行复制的假设。同年晚些时候,亚瑟 · 科恩伯格(Arthur Kornberg)宣布他纯化了一种催化DNA合成的酶,这种酶后来被命名为DNA聚合酶(这是科学家第一次将酶和双螺旋联系起来)。不久科恩伯格证明了DNA聚合酶合成新链时在两条链上的合成方向是相反的。

1957年克里克将生物遗传信息定义为核酸的碱基序列和蛋白质中的氨基酸序列,并提出了非常著名的中心法则,即遗传信息是仅从核酸到蛋白质进行单向传递的。仅在四年后,马歇尔 · 尼伦伯格(Marshall Nirenberg)和海因里希 · 马太(Heinrich Matthaei)就成功地利用只含有一种碱基尿嘧啶的RNA,合成了一条仅含一种氨基酸苯内氨酸的肽链。他们认为,一个或多个RNA的碱基可能被作为合成苯丙氨酸的密码。同时克里克、悉尼 · 布伦纳(Sydney Brenner)和莱斯利 · 巴尼特(Leslie Barnett)运用遗传分析来研究突变子,他们发现一种新的突变形式,DNA碱基序列的改变可以产生移码突变,推测遗传信息是由单个或多个三联碱基组成的,而且遗传信息总是从固定位置和同一方向开始读取的。这就为科学家们随后解开遗传密码奠定了基础。

从刚开始不被大多数科学家接受到越来越受到人们的关注,人们可能会觉得直到DNA参与蛋白质合成的机制开始成形时,DNA的双螺旋结构理论才引起人们的重视。有些科学家从双螺旋结构一经发表就对它抱以极大的热情,如梅塞尔森和亚历山大 · 里奇(Alexander Rich)穷其一生来研究双螺旋结构的含义,西摩 · 本泽(Seymoru Benzer)和布伦纳改变了他们原来的研究方向而致力于双螺旋结构的研究。然而有些科学家如欧文 · 查伽夫(Erwin Chargaff)和亚历山大 · 道恩斯(Alexander Dounce)在他们50年代的论文中并没有提及双螺旋,即使和他们的研究领域相关,但他们并不认为双螺旋对他们的工作有帮助。

蛋白质合成之争

一些生化学家对双螺旋很冷淡部分是因为在1953年还没有足够的证据来证明它的正确性,沃森和克里克自己也承认,虽然他们的理论很有前景,但好像一时无法认为是能被充分证明的。还有一部分科学家对它热情不高,是因为他们在蛋白质合成机制的认识上存在着分歧。彼得 · 坎贝尔(Peter Campbell)和托马斯 · 沃克(Thomas Work)在1953年6月6日《自然》杂志上发表的文章生动的描述了这样的争论。他们就蛋白质合成描述了两种争锋相对的理论:先是肽理论也被称为多酶理论,即蛋白质是由小的肽单元依次连接而成的;第二种是模板理论,认为作为每种蛋白质结构的模板都是特异的,而且可以被确认为是基因。

肽-模型理论很长一段时间被约瑟夫 · 弗鲁顿(Joseph Fruton)等权威生化学家认同。这是因为酶既能合成也能分解它的底物,而且两种反应都有较高的特异性。合成与肽连续性的形成有关,最终产生蛋白质分子,同时酶合成的肽键最后也会被水解掉。但是这一理论的问题除了在少数特殊的情况下,无论是在细胞中还是在已合成的蛋白质中都找不到所谓的构成蛋白质合成中间产物的肽。而氨基酸却可以被找到,这意味者它有可能是蛋白质最基本的组成单位。

道恩斯在1952年曾提出过第二种蛋白质合成理论,即基于模板的蛋白质合成。他依据RNA分子描绘出了多肽链,而且RNA的碱基序列决定着多肽的氨基酸序列。因此核中的DNA将控制着RNA的碱基顺序。

坎贝尔和沃克在仔细研究了道恩斯的理论后,在1953年表达了他们对蛋白质合成的遗传控制理论的不同意见:基因实际上是一个抽象的名词,给它穿上蛋白质和核酸的外衣也许是一个错误。如果真的存在所谓的基因,对于蛋白质合成来说,它的负面功能可能大于它的正面作用。仅在三年之后,辛谢梅尔在加州理工学院的一次讲座中总结到:“基因由一个抽象词开始变得具体,有着明确的形态、结构和活动”。

当1957年1月弗鲁顿在修订他那被广泛使用的教材《通用生物化学》时,他对肽理论的评论是非常谨慎的。他写道:在蛋白质合成中核酸作为模板的作用是一个很吸引人的问题。而在早一版的书中他把双螺旋描述成无根据的猜想,那些图只是关于腺嘌呤和鸟嘌呤的碱基对,绝非DNA结构的螺旋模型。

科恩伯格在1957年提出DNA复制要遵循碱基配对的法则,即DNA聚合酶在新合成链上加的碱基和模板链上相对应的碱基是互补的,腺嘌呤总是和胸腺嘧啶结合,胞嘧啶总和鸟嘌呤结合,但他似乎并没有从沃森和克里克的发现中获得灵感(1953年他主要研究酶行使其功能所必需的非蛋白成份辅酶是怎样由核苷合成的;同时又对DNA和RNA是怎样由几千个核苷合成的产生了兴趣)。科恩伯格回忆,直到1956年他发现了有可能对DNA链延伸起作用的DNA聚合酶适度纯化的部分后,他才开始意识到双螺旋的重要性。

总 结

50年代早期,物理、有机化学和生物化学领域的研究计划并未意识到DNA复制和蛋白质合成之间到底有何种联系。在沃森和克里克发现了DNA的双螺旋结构之后,DNA的复制从DNA的结构中找到了它的分子基础,虽然科学家们花了近20年时间才研究清楚它在细胞中复杂的机制——从DNA碱基序列中找到了蛋白质合成特异性的基础。

但是为什么单单庆祝这一发现呢?为什么不庆祝马克斯 · 佩鲁茨(Max Perutz)解决蛋白质问题的50周年呢?没有它,科学家们不可能发现肌红蛋白和血红蛋白的结构。那么在2005年庆祝桑格测出胰岛素的氨基酸序列50周年又如何呢?看来双螺旋对开阔科学界的视野有着极其显著的标志性意义,这是其他蛋白质结构的发现无法比拟的。正如沃森在1968年发表的关于他们是如何发现双螺旋结构的文章中所写到的,以及布伦达 · 马道克斯(Brenda Maddox)最近公开的罗莎琳德 · 富兰克林(Rosalind Franklin)的自传中所写到的那样,DNA双螺旋结构从刚开始不被人们所接受到后来引起广泛的关注使它本身更富有传奇性色彩。现在科学家们一致认为,广义生物学的中心是遗传学,而DNA则是遗传学的核心。

女王王冠上的宝石绚丽如常,英国再也不允许建造核电站了,登山者一次又一次的征服珠穆朗玛峰却无人报道,只有DNA还是人们关注的焦点。科学家运用它来研究进化,为强奸案提供法医学证据,它是遗传信息的源泉和药物设计的新途径。难道现在还有什么比50年前弗兰西斯的妻子奥黛尔 · 克里克(Odile Crick)在他们论文原稿中以优美简洁地描述双螺旋更能作为分子生物学的标志吗?

[Nature,2003年1月23日]