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第56章 DNA的研究

第六章第二节DNA的研究

 用X光衍法研究DNA 

物理学与生物学的奇妙结合,使在20世纪30年代末学者们开始应用X光衍射技术,来研究生

物大分子的结构(当时主要是研究蛋白质),形成了分子生物学中的结构学派。结构决定着

功能,对结构了解得越精细,则从中推导出功能信息的可能性就越大,准确性就越高。这就

是当时生物学中观念尚未十分明确,但气氛却非常浓厚的还原论。

在蛋白质分子结构模型的基础上,学者们开始应用X光衍射法来研究DNA的分子结构。

第一幅DNA的X光衍射照片,是由先驱者阿斯特伯里在1938年得到的,但这中间停顿了几十

年。到威尔金斯小组重新研究这个问题时,已是20世纪50年代了。1950年,威尔金斯得到伯

恩实验室作为礼物送来的一份纯净的DNA。这份DNA呈胶状,是一种黏性物质。当威尔金斯用

玻棒点了一下,然后拿开玻棒时,他发现玻棒“带出一条细得几乎看不见的DNA纤维,就像

蜘蛛丝一般”。这些纤维表明其内部分子具有有序的排列。威尔金斯和他的研究生戈斯林,

立即用X光衍射设备拍摄了DNA纤维产生的图样照片,他们得到的照片比阿斯特

伯里的要精美得多。其中一个主要原因就是他们保持了DNA纤维的湿润状态,而阿斯特伯里

研究的是干了的DNA薄膜。DNA的X光衍射照片中有明显的几组点组成了十字的一横,提示DNA

的整个结构为螺旋形,但证据并不充分。要弄明白DNA究竟是什么样的螺旋,研究者们还有

很长的路要走。

正在此时,富兰克林加入了研究组。富兰克林生于1920年,她是X光衍射技术的专家。富兰

克林此时也进行DNA的X光衍射研究,并于1952年5月获得一张清晰的DNA的X光衍射照片。

威尔金斯和富兰克林为沃森(J·D·Watson)和克里克(F·H·C·Crick)提出DNA分子双

螺旋结构模型,提供了宝贵的数据资料。沃森、克里克和威尔金斯于1962年荣获诺贝尔生理

学医学奖。

 DNA分子的双螺旋模型

在X光衍射照片的基础上,综合DNA化学研究方面的资料,沃森和克里克,特别是沃森,有着

更宽广的眼界,从各专家处汲取所需,而得到新的综合结果,而且这种综合结果比其各部分

更伟大,这是那些不能聚木为林的专家们无法领悟到的。

沃森和克里克构建DNA分子结构模型的工作始于1951年秋。他们仿照泡林构建蛋白质α

螺旋模型的方法,根据结晶学的数据,用金属片按原子间键角与键长的比例搭配核苷酸。核

苷酸(DNA中的核苷酸是脱氧核苷酸,为简单起见,以下简称核苷酸)是DNA的基本结构单位

。核苷酸有A、T、G、C共4种。1950年,生物化学家查伽夫报道了,他对人、

猪、牛、羊、细菌和酵母等不同生物DNA进行分析的结果。查伽夫的结果表明,虽然在不同

生物的DNA之间,4种核苷酸的数量和相对比例很不相同,但无论哪种物质的DNA中,都有A=T

和G=C,这被称为DNA化学组成的“查伽夫法则”。1952年7月,查伽夫访问卡文迪什实验室

时,向克里克详细解释了A∶T=G∶C=1∶1的法则。1952年春,克里克的朋友,理论化学家格

里菲斯(他是发现肺炎球菌遗传转化现象的F·格里菲斯的侄子)通过计算表明,DNA的4种

核苷酸中,A必须与T成键,G必须与C成键。这与查伽夫法则完全一致,以上这些工作,就成

了沃森和克里克DNA分子模型中A-T配对、G-C配对结构的基础。

1953年2月,威尔金斯将富兰克林1952年5月拍的一张非常精美的DNA的X光衍射照片,拿给

沃森和克里克看,克里克立即发现,DNA是双螺旋的,而且构成双螺旋的两条单链走向相反

。至此,DNA骨架已经浮现。随后,泡林以前的同事多诺告诉沃森,A-T和G-C配对是靠氢键

维系的。克里克提出,与糖—磷酸骨架垂直的碱基只有朝向骨架中心(而不是

离开中心向外),才能保持稳定的氢键联系。2月28日,沃森用纸板做成4种碱基的模型,将

纸板粘到骨架上朝向中心配对,克里克马上指出,只有两条单链的走向相反才能使碱基完善

配对,这正好与X光衍射资料一致。完整的DNA分子结构模型完成于1953年3月7日,星期六。

根据这个模型,DNA分子是一个双螺旋结构,每一个螺旋单位包含10对碱基,长度为34埃(1

埃=10-10米)。螺旋直径为20埃。4月15日,沃森和克里克关于该模型的第一篇论文

在《自然》杂志上发表。同时在这期杂志上发表的有关论文还有:威尔金斯、斯托克和威尔

逊合署的文章,介绍了X光衍射数据的总体证据支持DNA的双螺旋结构模型,以及富兰克林和

戈斯林合署的文章,文中展示一幅重要的、精美的DNA的X光衍射照片,并确认了沃森—克里

克模型的合理性。

DNA分子双螺旋结构模型的发现,是生物学史上的一座里程碑,它为DNA复制提供了构型

上的解释,使人们对DNA作为基因的物质基础不再怀疑,并且奠定了分子遗传学的基础。DNA

双螺旋模型在科学上的影响是深远的。2003年是DNA双螺旋模型发现50周年,科学界举行了

隆重的纪念活动。

 半保留复制方式 

在构建DNA分子的结构模型时,沃森和克里克事实上已经提供了DNA分子的复制模式。他们充

分了解DNA双螺旋的两条链互补(碱基配对)的重要性,这是DNA复制模式的基础。复制时,

DNA双螺旋就像拉开拉链那样,两条链的配对碱基之间的氢链断开,碱基暴露出来,这就形

成了两条“模板链”(母链)。然后作为合成原料的游离核苷酸,按碱基配对的原则结合

到模板链上去。最后,结合到模板链上各有一条新链(子链)形成,原来的一个双螺旋DNA

分子就变成(复制)了两个双螺旋分子。这两个双螺旋分子中各含有一条母链(旧链)和一

条子链(新链)。DNA的这种复制方式称为“半保留复制”。

我们不妨从沃森和克里克1953年的原始论文中,引出关于DNA半保留复制模式推测的一段

话:“我们的DNA模型实际上是一对模板,每一模板与另一个互补。我们设想:在复制前氢

键断开,两条链松开、分离,然后每条链作为形成自己新链的模板,最后我们从原先仅有的

一对链得到了两对链,而且准确地复制了碱基序列。”真是天才的推测!这一推测的DNA复

制模式,后来得到了实验事实的充分证明。1957年,泰勒等人应用放射性标记的胸腺嘧啶与

放射自显影技术,证明蚕豆根尖染色体的半保留复制。1958年,梅塞尔森和斯塔尔应用重氮

标记与密度离心技术,证明大肠杆菌DNA的半保留复制。

后来关于DNA分子复制的细节又有了更多的了解。1968年,日本生化学家冈崎等人发现DNA是

“不连续”复制的。复制时,先在DNA模板链上合成一些短的片段,然后再连接成与母链等

长而且互补的新链。DNA合成过程中的这些短片段,后来被称为“冈崎片段”。每一冈崎片

段的合成都需要DNA多聚酶的作用。但DNA多聚酶只能把单个的核苷酸连接到已形成的核苷酸

链上。因此,每一新的片段合成时,需要有一个已存在的片段作为“引物”。

 PCR在试管中复制DNA

目前,已经可以在试管中人工复制DNA。这个体外的生化反应称为多聚酶链式反应(pol

ymerase chain reaction,简称PCR)。这个反应大致是这样进行的:将DNA模板、多聚酶、

作为合成原料的4种脱氧核苷酸和引物,一起加入到一种特制的薄壁塑料管中。之所以要用

壁管,是为了便于传热。先将试管置于90℃的高温中约20秒,使DNA模板拆开成两条链(这

叫“变性”)。然后将试管转置于55℃的环境中约20秒,使一对引物分别结合到两条分开的

模板上去。再在72℃的温度下放置约30秒,使单核苷酸从引物的一端一个接一个地连接上去

,从而复制两条新链。于是,一个DNA双螺旋分子便复制成了两个。再重复一个上述的温度

循环,两个便复制成四个……如此循环下去,便可以得到大量的DNA分子。例如,20次循环

就可使DNA扩增至100万倍。这一切,都可以在带电脑控制的PCR仪内进行,非常方便。

说来有趣,PCR技术是缪里斯在1983年4月一个周末之夜,与其女友(一位化学家)驾车行驶

在通往北加州红杉林县的山间公路上时想出来的。星期一,缪里斯一回到他所供职的西特斯

公司,就以DNA多聚酶为关键词在电脑上进行一次文献检索,未发现有关于DNA体外扩增的文

章。以后的几个月里,缪里斯反复进行实验,结果表明PCR技术是可行的。1984年春,缪里

斯贴出一张海报,叙述了PCR技术,但未能引进起广泛注意。惟一感兴趣的人是细菌遗传学

家、诺贝尔奖获得者、当时洛克菲勒大学的校长里德伯格。

最初的PCR技术有一个缺点,就是DNA多聚酶不耐热,在90℃以上的高温即失活。因此,反应

过程中要不断添加新的DNA多聚酶。这不利于实现反应的自动化。1969年,有人从美国黄石

国家公园温泉中的水生栖热菌体内,分离纯化出了耐热的DNA多聚酶,后来的商品名叫Taq酶

。1988年,西特斯公司的研究者们开始在PCR中使用Taq酶。这是PCR技术的重大改进,在此

基础上实现了反应的自动化,PCR技术从而得到了极为广泛的应用。缪里斯因发明PCR技术面

荣获1993年的诺贝尔化学奖。

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