双螺旋-第17部分

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参考文献
＇1＇　Pauling，L。，and　Corey，R。B。；Nature，171，346　（1953）．Proc。　U。S．Nat。Acdd．Sci。，39，84　（1953）。
＇2＇　Furberg，S。，Acta。Chem　Scand，6，634　（1952）。
＇3＇Chargaff，E。；　for　references　see　Zamenhof，S。；Brawerman，G。；and　Chargaff，E。；Biochim。　Biophys；　Acta，9，402　（1952）。
＇4＇Wyatt，G。R。，J。Gen。Physiol，36，201（1952）。
＇5＇〕Astbury，W。T。；Symp。　Soc。　Exp．BiOl。；l，Nucleic　Acid；66　（Camb。Univ。press，1947）。
＇6＇Wilkins，M。H。F．，and　Randall，T。T。，Biochim，Biophys。　Acta。　10，192（1953）。　　






脱氧核糖核酸结构的遗传学意义


沃森和克里克
1953年5月30日


　　活细胞中脱氧核糖核酸（DNA）的重要性是无可争议的。在一切分裂着的细胞中，DNA如果不是全部，至少也是大部分存在于细胞核内。DNA是染色体的主要组成成分。很多证据部说明它是染色体一部分（如果不是全部）遗传性状的携带者，也可以说它本身就是基因。但是，至今尚无证据能够说明遗传物质究竟是怎样进行精确自我复制的。

　　最近，我们提出了一个脱氧核糖核酸盐的结构模型。这个模型如果正确的话，就直接地解释了遗传物质自我复制的机制。与我们的前文同时发表的伦敦金氏学院学者们的X射线资料，定性地支持我们的结构模型而与以前提出的所有结构模型都是矛盾的。虽然这一结构模型尚需更多的X　射线资料加以证实，我们充满信心地认为，现在就讨论它的遗传学意义是正确的。为此，我们假定脱氧核搪核酸盐的纤维并非由于制备方法而产生的矫作物。威尔金斯及其同事们曾经指出，由分离出的DNA纤维和某些完整的生物材料，如精子头部和噬菌体颗粒等，同样可以得到类似的X射线图谱。

　　脱氧核糖核酸的化学结构现在已经完全确立了。如图1所示，它是一个很长的分子，以有规律地交替出现的糖和磷酸构成其骨架。每一个糖联结一个含氮碱基，而碱基又有四种不同的类型（我们认为5…甲基胞嘧啶与胞嘧啶等同，因为两者在DNA结构中皆能很好地参与碱基配对）。两种可能出现的碱基——腺嘌呤和鸟嘌呤为嘌呤；另外两种——胸腺嘧啶和胞嘧啶为嘧啶。迄今所知，多核苷酸链中碱基顺序是无规律的。由磷酸、糖和碱基构成的单体称核苷酸。

　　我们这个具有生物学意义的结构模型的第一个特点，在于它不是由一条而是由两条（多核苷酸）链所构成。这两条链皆绕一个共同的纤维轴旋转，如图2所示。一般认为DNA汉有一种化学结构形式，因此螺旋结构中只应有一条链。但是，X射线所得密度图强有力地证明螺旋结构中有两条链。

　　另一个有生物学重要意义的特点是这两条链维系在一起的方式。这种方式表现为碱基间形成的氢键，如图3所示。碱基以配对方式联结在一起，即一条链上一个碱基与另一条链上上个碱基通过氢键联结在一起。关键问题在于螺旋结构中仅能形成某些专一的碱基对，为了维系两条链，碱基对中一个碱基是嘌呤，另一个则必定是嘧啶。否则，如果一个碱基对包含两个嘌呤，两条链之间则容纳不下。

　　我们相信，碱基几乎完全以常见的互变异构形式存在。果真如此的话，形成氢键的条件则是非常严格的。仅能形成的碱基对为：

　　腺嘌呤与胸腺嘧啶

　　鸟嘌呤与胞嘧啶

　　碱基间形成氢键的方式如图4和图5所示。碱基对能以两种方式形成。例如，两条链上都可能出现腺嘌呤。一条链上出现腺嘌呤，则另一条链上和它配对的碱基必是胸腺嘧啶。反之亦然。

　　最近的分析结果指出，在测定过的各种来源的DNA样品中，腺嘌呤的数量接近胸腺嘧啶的数量，鸟嘌呤的数量接近胞嘧啶数量。但是，腺嘌呤与鸟嘌呤的比值则因来源不同而不同。这些分析结果强有力地支持碱基配对法则。事实上，多核苷酸链的碱基顺序如果是无规律的话，除了求助于我们的配对法则外，要解释这些分析结果是很困难的。

　　我们的结构模型中磷酸和糖的骨架是完全规则的。而在这种结构中任意碱基对顺序都是合适的。这一模型说明，在一个很长的分子中可以有很多交换不同的碱基排列顺序。因此，这似乎表明严谨的碱基顺序就是携带遗传信息的密码。如果已知两条链中一条链的碱基顺序，根据专一碱基对法则，可以准确无误地写出另一条链的碱基顺序。可见，一条链与另一条链是互补的。正是这一特点表明了脱氧核糖核酸分子是如何自我复制的。

　　以前讨论目我复制通常要涉及样板或模板这个概念。曾经提出过直接自我复制的样板论，也有过由样板产生“副本“，“副本“反过来作样板再产生初始的“正本“的说法。但是，这两种观点都没有具体解释这一过程是如何在原子和分子水平上进行的。

　　现在，我们的脱氧核搪核酸模型实际上是一对样板。这两条祥板是彼此互补的。我们假定，在复制之前氢键断裂，两条链解开并彼此分离。然后，每条链都可以作为样板，在其上形成一条新的互补链。这样，我们最后得到了两对链，而此前我们汉有一对链。而且，在复制过程中，也是严格符合碱基对顺序的。

　　仔细琢磨一下我们的模型表明，如果一条链（或它的有关部分）呈螺旋结构，复制就很容易进行。我们设想，细胞在其生活阶段中合有大量游离核苷酸（严格他讲应是多核苷酸的前体）可以被细胞利用。游离核苷酸的碱基常常通过氢键与链上一个碱基配对。我们现在假定，如果新合成的链可以形成我们设想的这种结构，则生成新链的单体聚合化反应才有可能进行。这种观点表面上似乎是讲得通的。除非这些核苷酸是形成我们的结构所必需的，否则，由于位阻效应，它们就不能在初始的链上“结晶”并彼此接近最终联成一条新链。这种聚合化反应是否需，要一个专一的酶，或者已有的单股螺旋是否可以有效地起到酶的作用。这些都是尚侍进一步研究的问题。

　　因为我们的模型中两条链是相互缠绕在一起的，要分开它们必须解除这种缠绕。两条链每34埃缠绕一周，因此，一个分子量为一百万的DNA约有150周螺旋。不管染色体具有怎样精细的结构，仍然需要有相当数量的非螺旋部分存在。显微镜观察的结果明确指出，在染色体有丝分裂中出现很多缠绕部分和非缠绕部分。尽管这是宏观现象，大概也反映了分子水平上的类似情况。要并井有条地弄明白这些过程是怎样发生的，虽然现在还有困难，我们觉得上述的看法还是值得考虑的。

　　在前文中，我们提出的结构模型仍然有值得商榷之处。两条多核苷酸链之间可以摆一条多肽链围绕同一螺旋轴旋转。邻位磷原子之间的距离为7。1埃，与完全伸展的多肽链一个周期的距离非常接近，这或许有某种意义。我们认为，在精子头部或核蛋白体矫作物之中，多肽链大概占据着这个位置。关于DNA已发表的X射线图中，出现比较微弱的次级谱线（second　layer…1ine）与这种观点粗略地相符合。蛋白质在这里的功能可能是控制DNA链是否缠绕，有助于将一条多肽链维持在螺旋构型之中，或者表现其他非专一性的作用。

　　我们的模型也为其他一些现象提供了可能的解释。例如，自发变异可能是由于一种碱基偶尔以它不常有的互变异构体形式出现而产生的。另外，在减数分裂中，同源染色体的配对可能也依赖于专一的碱基配对。我们将另外详细讨论这些问题。

　　现在，我们提出的脱氧核糖核酸复制的一般概念，应该看作是一种推测。即使这种观点是正确的，要详细描述遗传复制机制尚需很多新的发现。多核苷酸的前体是什么？什么力量促使两条链解开？蛋白质的确切作用是什么？染色体究竟是一对长的脱氧核糖核酸链，或者它包含一束由蛋白质联结在一起的核酸链？

　　尽管这些都是不能肯定的问题，我们觉得我们提出的脱氧核搪核酸结构可能有助于解决一个基本的生物学问题——遗传复制中样板的分子基础。我们提出的假说是，祥板是由一条脱氧核糖核酸链的碱基组成的图案，而基因包含着这种样板的互补碱基对。

　　作者之一（沃森）由美国小儿麻痹症国家基金会奖学金资助。


　　剑桥卡文迪什实验室，医学研究委员会生物分子结构研究单位


参考文献
＇1＇　Watson，J．D，，and　Crick，F。H，C。；Nature，171，737（1953）。
＇2＇Wilkins，M，H．F。；Stokes，A，R。；and　Wilson，H。R。，Nature，171，738（1953）；　Franklin，R。E。；and　Gosling，R，G。，Nature；171，740（1953）。　
＇3＇（a）　Astbury，W。T，Symp．Soc。EXp。BiCl。；No。1，66（1947）。
　　（b）　Furberg，S．，Acta。Chem。Scand．，6；634（1952）。
　　（c）Pauling，L。，and　Corey，R。B。；Nature，171，346（1953）。　Proc。Nat．Acad。　Sci。U，S。，39，84　（1953）。
　　（d）Fraser，R。D。B，，（in　prcparation）。
＇4＇Wilkins，M。H，F。，and　Randal1，J．T。，Biochim。　Biophys．Acta，10，192（1953）。
＇5＇Chargaff，E。，for　references　see　Zamenhof，S．，Brawerman，G。；　and　Chargaff，E。；　Biochim，　Biophys．Acta；9，402（1952）。Wyatt，G。R。；J．Gen。Physio1，，36，201（1952）。





DNA双螺旋与分子生物学的崛起


斯坦特


　　在芝加哥海德公园高中上历史课时，我知道了文艺复兴运动开始于1453年5月29日。这一天，土耳其人攻下了康土坦丁堡。人们这时突然发现，中实际已经过去，古典文艺和科学开始再度兴起。虽然我后来终于懂得了把某个具体日期定为某个历史时期的开始，这种作法是多么荒唐可笑，但我仍然认为，分子生物学时代确实开始于康士坦丁堡陷落五百年以后，甚至一天也不差。这个时代开始于1953年4月25日。这一天，英国科学杂志《自然》发表了两位年轻科学家——沃森（原为海德公园高中的劲敌——南海岸高中的学生）和克里克写的一篇论文。这篇文章宣布发现了DNA双螺旋。消息传开，不胫而走，它的内容广为流传。对遗传机制感兴趣的多数生物学家很快就认识到，从携带遗传信息的生物大分子角度研究遗传学的时代到来了。

　　正如文艺复兴运动诞生于西方基督世界同东方穆斯林世界的对抗之中一样，分子生物学在遗传学与生物化学的对峙中降临人间。遗传学创立于1865年。盂德尔（Gregor　Mendel）发表了他用种子形状和花的颜色等遗传性状各不相同的豌豆品种进行杂交实验的结果。孟德尔曾经研究过圆形和皱形种子，红花和白花等性状在子代植物中的分布情况。他的杂交实验结果使他得出了有机体携带着并传递给子代很多遗传因子或称基因的著名结论。每一个基因决定一个性状，因此有机体的全貌受其全部基因的控制，而这些基因都是由其亲代传授下来的。孟德尔的见解远远超越了他的时代，以致他的发现在以后35年内没有引起生物学界的注意。1900年，孟德尔的研究成果才重新受到重视，遗传学在本世纪头二十年中才发展成生物学领域内一门最重要的前沿科学。基因在染色体上呈线状排列。（在细胞核内染色体呈线状。细胞分裂前，染色体一分为二。细胞分裂期间，染色体分布到两个子细胞之中，而每个子细胞都获得它自己的一组染色体。）这在很大程度上应该归功于摩尔根（Thomas　H。Morgan）及其助手们所进行的大量工作。此外，他们还发现了基因能够进行突然的、永久性的变化或称突变。一个突变可以导致由基因所决定的特定遗传性状发生变化，例如红花颜色变为白花颜色。

　　这些实验结果大大推动了对于生命的认识。从理论上来说，它为了解生物进化打下了坚实的基础。这时已经可以看出，基因突变是生物界新物种的基本源泉，因此也是推动生物进化的动力。达尔文提出的自然选择，其实就是选择那些携带着新基因、或基因新组合的有机体；正是这些新基因或基因新组合，为生物在生存竞争中提供了更大的适应性。而在实践上，遗传学也为人类带来了巨大的利益。农业方面，人们因此能够设计出合理的培育方法，从而改良传统的作物和家畜，获得较好的经济效益。医药方面，由于认识到基因在人类很多疾病中的作用，也就为有效地防止或治疗这些疾病提供了合理的措施。但是，在二十世纪上半叶，遗传学虽然已经成为生物科学的皇后，但作为它的中心概念的基因的物理性质却仍然是神秘莫测的。例如，没有人知道基因是由什么组成的，其性状是怎样作用于携带它的有机体的，以及在细胞分裂中，基因是如何忠实地自我复制的，等等。

　　也许只能用迄今尚不了解的物理和化学规律才能解释基因性质的奥秘，基因自我复制的机制以及基因对细胞功能的控制。这就吸引了许多物理学家转而研究遗传学。其中最有影响的一位物理学家就是杰出的丹麦物理学家波尔（Niels　Bohr）的学生——德尔布吕克。1935年，29岁的德尔布吕克因为以生物学家的身份发表了一篇题为“论基因突变和基因结构的性质”的纯理论性文章而崭露头角。十年后，德尔布吕克在他那篇只在私下传播，并不为很多人知道的文章中表达的观点却在一本广为阅读的《生命是什么？》的书中得到了普及。这本书是当时已经声名显赫的物理学家薛定谔写的。回顾起来，薛氏一个最重要的观点就是，基因乃遗传信息的携带者；而基因携带遗传信息，据估计，其唯一合理方法又在于它包含着少量连续的种类不同的重复因子，或称符号，这种精确的连续的模式即是编码的遗