沃森和克里克

    沃森(James Dewey Watson,1928出生)与克里克(Francis Harry Compton Crick,1916出生)是二位杰出的分子生物学家。并由于对蛋白质脱氧核糖核酸结构的研究,而同时荣获诺贝尔奖。

  沃森在大学毕业后,主要从事动物学的研究,克里克则是一位对数学和物理十分感兴趣的科学家,一段时间的偶然合作,使得沃森和克里克在剑桥大学对脱氧核糖核酸的分子结构产生了浓厚的兴趣,并经过周密、细致的研究测算,提出了“沃森、克里克双螺旋模型”。根据沃森一克里克的双螺旋模型,人们马上便可说明DNA是怎样既作为一个稳定的晶体分子而存在,同时又为变异和突变提供足够的物质、结构基础。

  沃森和克里克对DNA双螺旋结构的阐述,被公认是20世纪生物学上最伟大的成就之一,并导致了许多分子生物学和遗传学的新发现、新成就。

DAN双螺旋结构的发现
  欧洲第一峰阿尔卑斯山每年夏天都要吸引大批登山者。它的巨大的冰川,白雪皑皑的峰顶,悬崖峭壁上的婉蜒曲折的小路,处处都是对人类意志和能力的挑战。1955年的一个夏日,沃森和同伴越过冰川,艰难地攀登着位于秦纳尔的阿尔卑斯山峰。没有人会特别注意他,可不是吗,登山季节里每天都有这样的年轻人经过这里,何况他的衣着又那么随意。只有同伴知道,这位年仅27岁的沃森和比他仅年长IO岁的克里克己在两年前携手登上了当代世界科学的高峰。他们在1953年4月25 H通过著名的“自然”(“Nature”)杂志向全世界宣布他们发现了DNA的空间结构,即DNA双螺旋结构。DNA双螺旋结构的发现具有划时代的意义。它象征在分子生物学时代的到来。这个时代也许将延续几个世纪,在这个时代里,一切生命科学问题都不可能与分子特别是DNA分子分开了。

  DNA结构的发现是生物学的奇迹,因为这样一件伟大的事业主要是由两位年轻人完成的,也因为这两位年轻人当时并不是生物化学或生物物理领域的资深专家,他们从真正接触DNA到提出DNA结构模型只用了不到一年时间!因此有关DNA双螺旋的发现过程就成为启迪生物学工作者的极好典范。

  1951年秋天,沃森以美国公派博士后身份从哥本哈根转到英国剑桥。正如沃森所说,他是为着DNA而去的。沃森师从美国微生物学家努里亚,到欧洲以前做的是细胞遗传研究。1951年春天在那不勒斯一个关于生物大分子的结构的会议上他偶然知道了英国伦敦皇家学院的物理学家威尔金斯正在研究DNA的结构,这使他产生了到英国做DNA研究的念头。克里克是英国物理学家,1946年他阅读了著名的量子物理学家薛定愕的“生命是什么”一书,对基因发生了很大兴趣。当沃森和克里克在英国剑桥大学卡文迪许实验室相遇时,克里克正在研究蛋白质晶体结构。沃森和克里克的共同点是他们都由对基因着迷进而对DNA发生强烈的兴趣,他们相信搞清奖 DNA结构就能揭开基因遗传增殖的秘密。当时已经知道.DNA由核昔酸组成,并且美国细菌学家艾佛里已经完成了DNA转化细菌的实验,基本确定了DNA是遗传物质。世界上已有几个实验室正在角逐看谁先发现DNA结构,不过这些研究者都不是生物学家,其中一个就是威尔金斯领导的小组,他们使用X射线衍射作为主要研究手段,并且已经获得了DNA衍射照片。此时遗传学家们则仍沉迷在杂交或微生物遗传实验中,对DNA结构没有多大的兴趣。两个年轻人被DNA的结构之谜强烈地吸引着,只是他们没有像其它人那样做实验,一是卡文迪许实验室当时主要在做蛋白质的晶体结构研究,不可能为他们另搞一摊,而且正如沃森估计,成立一个DNA的X射线衍射小组至少要二到三年的时间。幸运的是两位年轻人的合作体现了生物学和物理学的完美结合,沃森对生物结构独有的认识加上克里克对X射线衍射分析的知识,使他们很快理解了当时所能得到的关于DNA的结构的各种数据,包括X射线衍射照片。现在的问题是怎样利用这些数据揭示出DNA结构?

  沃森和克里克讨论了美国化学家鲍林是如何发现蛋白质的α—螺旋的,沃森注意到鲍林成功的关键是他并不仅仅靠研究X射线衍射图谱,相反地,其主要方法是用一组分子模型来探讨分子中的原子问的关系。在这一启示下,沃森用硬纸板和金属构建了一些模型来解释所观察到的事实。他们特别注意到四个证据:第一是DNA分子是细而长的多聚物,含有4种碱基和磷酸键;第二是查戈夫法则,即A=T,G=C;第三是DNA分子内存在弱键,经过纯化的DNA能形成一种粘稠的溶液,好像鸡蛋清一样,但是一加热,DNA溶液的轮度就会降低。由于中度加热时,糖的磷酸骨架的共价键不会被破坏,因此加热时DNA溶液的物理性质的改变意味着一系列弱的化学键被破坏,这些弱键对维持DNA的正常结构可能是非常必要的;第四是鲍林发现多肽链通过红键扭成α—螺旋,氢键是一种可以通过适度加热而破坏的弱键。鲍林曾由此推测 DNA可能形成如 α—螺旋那样的结构。这时伦敦皇家学院的威尔金斯和弗兰克林各自拍摄的DNA的X射线衍射照片提供了有关DNA螺旋结构的进一步证据。这两张照片比以往任何照片都好,各个衍射斑点清晰可见。由于DNA是巨大复杂的分子,它的X射线衍射照片分析起来非常困难。弗兰克林尝试过,她猜测到图中的阴影部分和标记部分可能意味着DNA是一个螺旋体,其中磷酸骨架在外,分子的平均直径约是 2.0纳米,她甚至还估计了这样一个螺旋体中相邻螺圈IN的距离。

  守着各种各样的证据,沃森和克里克开始构建DNA三维模型,他们设计了经过精确度量的模型,评价模型解决复杂的三维空间问题的能力。建了拆,拆了建。模型的建立过程是对沃森和克里克的意志和能力的考验。两位科学家回忆当年的情景时写道:我们就是这样,不用笔和纸,关键的工具是一套用来装配学前儿童玩具的模型。用这样的工具他们制作了由单个核昔酸组成的模型,计算模型中原子的大小,键长和键角等等。工作非常冗长乏味和令人沮丧,因为至少有十几种方式可以让碱基,磷酸和核糖结合在一起。一开始,没有一个模型能与所观察到的数据和标准一致。由X射线衍射图测量到的数据提供了DNA的两个重复性特征:一个是3.4纳米的周期性,另一个是0.34纳米的周期性。沃森和克里克推测0.34纳米可能是核苷酸碱基堆积的距离,他们试着在纸板模型上把分子排成这样的螺旋型:长3.4纳米,宽2.O纳米。常言说的好,功夫不负有心人。成功的一天终于到来了。可以想象,当那天早上他们突然看到纸板模型上A和T相对,G和C相对时,年轻的沃森兴奋得满脸通红。这就是关键:两套碱基堆积在双螺旋的内侧,它们排列的方式非常像梯子上的横木,磷酸基团和糖环排在梯子的外面。DNA不是单螺旋,而是两条链彼此缠绕的双螺旋。沃森和克里克搭成的第一个完整的DNA分子模型清楚地显示出含氮的碱基精确地配置在双轨之间,由于碱基的楔合,双螺旋梯子扭转产生了一个有着3.4纳米重复的螺旋。如果将一对双环状瞟吟并排在直径只有2.O纳米的双轨间,螺旋体就显太小,让两个单环的呼峻并排,螺旋体又显太大。惟一的方式是一个漂吟通过氢键结,合一个嚼咛,而且必须是A与T结合,G与C结合,这正是查戈夫法则!沃森和克里克用奇妙绝顶的洞察力使人类掌握了地球上所有生物的主要遗传分子的秘密。接下来的另一个问题是,如果碱基配对限制在A=T和G=C,那么DNA如何携带多种多样的遗传信息?这就是沃森和克里克的另一杰出推理,即四种碱基沿螺旋长轴的排列是随机的。根据这个推理,A=T和C=G可以存在于分子的任何序列中,也就是说有大量的可能序列来编码各种蛋白质。实际上,种间和种内所有的分化上的差异都反映在 A+ T/G+ C的比例和 A~的顺序上。 DNA分子非常长,一个物种又有自己的全套染色体,可供配对的核昔酸碱基对的数目是特别大的。例如人有23对染色体,共有3O亿对碱基,可以组成无数个序列,因此每个人只有一种特定的序列是完全可能的。

  DNA的双螺旋模型令所有的生物学家们叹为观止,它解释了迄今为止所观察到的DNA的一切物理的和化学的性质,它说明了DNA为什么是遗传信息的携带者,说明了基因的复制和突变等等。克里克曾满怀深情地这样讲起他心爱的DNA:有一种内在美存在于DNA分子中,DNA是一个有模有样的分子。1962年,沃森和克里克因构建DNA双螺旋模型与威尔金斯和弗兰克林共同获得诺贝尔奖金,威尔金斯的贡献是他在X射线衍射方面的研究,弗兰克林的贡献是她提供了关键参数。不过弗兰克林1958年就去世了,当时她只有37岁。

  DNA双螺旋结构的发现标志着科学家们终于摸到了山的“金脉”,一门新兴的学科——分子遗传学在此基础上产生。分子遗传学是目前最重要和发展最快的学科之一。