1950~1960年間發(fā)表在《自然》上的、關(guān)于DNA和雙螺旋的論文數(shù)量

回首往事，過去的發(fā)現(xiàn)常常被夸大——尤其是在50年慶典上——雙螺旋也不例外。歷史檔案顯示，1953年科學(xué)界對這種(雙螺旋)結(jié)構(gòu)的提議的反響悄無聲息。事實(shí)上，只有在DNA涉及蛋白質(zhì)合成的機(jī)制輪廓初現(xiàn)的時(shí)候，生化學(xué)界才開始真正對這一結(jié)構(gòu)感興趣。

“我們可以期待遺傳化學(xué)及時(shí)成為整合細(xì)胞生物學(xué)的核心。”——Robert Sinsheimer，在加州理工學(xué)院發(fā)出的一封信，1956年

回想1953年就是訪問——對于我們中間的一些人是重游——另外一個(gè)世界，當(dāng)時(shí)《自然》雜志還沒有使用DNA作為脫氧核糖核酸的縮寫。那年6月，英國女王伊麗莎白二世在盛況與慶典中加冕。3月，英國科學(xué)家準(zhǔn)備在考爾德(Calder)河邊建立一座核電站。兩個(gè)月后，人們登上了珠穆朗瑪峰。在倫敦大學(xué)，我的生化教師熱衷于弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)首次成功地對一種蛋白質(zhì)——胰島素——的組成單位進(jìn)行了測序。但是脫氧核糖核酸(DNA)甚至沒有被提及。盡管1953年《自然》雜志發(fā)表了7篇關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)和功能的論文，只有一家英國全國報(bào)紙——《新聞紀(jì)事》(News Chronicle)——提到了雙螺旋。

接納雙螺旋

50年之后很難想象當(dāng)初科學(xué)界對雙螺旋的接納是如此的冷淡。但是翻開20世紀(jì)50年代的《自然》和《科學(xué)》我們能發(fā)現(xiàn)什么呢?圖1記錄了《自然》雜志在50年代報(bào)告關(guān)于DNA任何性質(zhì)的論文數(shù)量，以及這些論文中提到了沃森—克里克模型或者引用了任何1953年關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的論文的數(shù)量。(50年代的)10年中《自然》的頁數(shù)增加了，1960年每年出版的卷數(shù)翻了一番。這種增加伴隨著關(guān)于DNA性質(zhì)的論文數(shù)量的增加，但是提及雙螺旋的論文數(shù)量沒有增加。《科學(xué)》雜志的情形也是類似的。

1950~1960年間發(fā)表在《自然》上的、關(guān)于DNA和雙螺旋的論文數(shù)量

當(dāng)DNA結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，已經(jīng)有了相當(dāng)可觀的DNA研究計(jì)劃。這些研究包括DNA的物理屬性、提取的方法以及同一生命體中的所有細(xì)胞的DNA含量和組成是否相同。這些研究也討論了紫外線和電離輻射對DNA的損害作用，以及在核酸參與蛋白質(zhì)合成上的不同觀點(diǎn)。

那個(gè)時(shí)候研究DNA的研究人員主要是生物化學(xué)家和物理化學(xué)家，他們的研究地點(diǎn)和基金主要與醫(yī)學(xué)相關(guān)。他們的興趣和資金與當(dāng)時(shí)人們關(guān)心的兩個(gè)主要問題有關(guān)：誘變劑(導(dǎo)致DNA突變的物質(zhì))的機(jī)能——對于國際上關(guān)于電離輻射和放射性物質(zhì)的辯論很重要的領(lǐng)域——以及蛋白質(zhì)合成的本質(zhì)。除了癌癥研究之外，由于蛋白質(zhì)的合成在生長和營養(yǎng)方面的重要性，生化學(xué)家對此有濃厚的興趣。

考慮到科學(xué)界對于雙螺旋結(jié)構(gòu)寂靜的接納，讓我們換一個(gè)不同的角度，問一問20世紀(jì)50年代把DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)不僅僅作為短暫的注意的理由是什么。那時(shí)候，由于DNA與蛋白質(zhì)有關(guān)，大多數(shù)讀到《自然》雜志的科學(xué)家認(rèn)為DNA是一種“締合蛋白”;它與蛋白質(zhì)同樣重要，但是它的重要性被誤解了。盡管Oswald Avery, Colin MacLeod和Maclyn McCarty于1944年做出了重要的工作，以及其后Al Hershey和Martha Chase于1952年的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。他們證明噬菌體進(jìn)入細(xì)菌的大部分物質(zhì)是核酸而不是蛋白質(zhì)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)讓DNA看上去更像遺傳物質(zhì)。

連接結(jié)構(gòu)和功能

科學(xué)界需要更多的證據(jù)才能信服。證明DNA的遺傳中扮演的角色的化學(xué)證據(jù)是什么?一個(gè)答案來自沃森和克里克提出的結(jié)構(gòu)。沃森和克里克描述了堿基的配對——腺嘌呤和胸腺嘧啶形成氫鍵，鳥嘌呤和胞嘧啶形成氫鍵。他們寫道：這種配對“直接表明了一種可能的遺傳物質(zhì)復(fù)制機(jī)制”。對這個(gè)問題的擴(kuò)展討論的論文出現(xiàn)在了一個(gè)月之后在《自然》雜志上，他們寫到DNA：“然而直到現(xiàn)在，沒有證據(jù)表明DNA如何進(jìn)行作為遺傳物質(zhì)所必需的活動(dòng)，即精確的自我復(fù)制。”

根據(jù)這些話，沃森和克里克認(rèn)為他們最早提出了DNA的復(fù)制機(jī)制，但是他們承認(rèn)他們的理論有一些問題：DNA的雙鏈如何能夠解旋和分開，“而不會(huì)繞成一團(tuán)亂麻”?基因復(fù)制的精確機(jī)制是什么?遺傳物質(zhì)如何能夠“在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生高度特定的影響”?代表特異性的堿基序列何時(shí)出現(xiàn)在了這種螺旋分子的內(nèi)側(cè)? 　　DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)之后的早期爭論主要集中在“解旋問題”上。1953年，沃森和克里克承認(rèn)這個(gè)問題是相當(dāng)“困難”的，但是1958年出現(xiàn)了支持他們提出的結(jié)構(gòu)的理論，當(dāng)時(shí)Matthew Meselson 和Franklin Stah證明了DNA復(fù)制的半保留特性：每一個(gè)在DNA復(fù)制階段形成的子DNA由來自原始的父DNA的一條鏈，和一條根據(jù)父DNA鏈合成的新鏈組成。父DNA鏈作為合成的模版。這就證實(shí)了沃森和克里克根據(jù)DNA結(jié)構(gòu)做出的理論預(yù)測，即DNA的復(fù)制采用一種半保留方式。這一年的晚些時(shí)候，Arthur Kornberg宣布他部分提純了一種催化DNA合成的酶，后來稱之為DNA聚合酶。這一發(fā)現(xiàn)第一次把酶化學(xué)和雙螺旋聯(lián)系在了一起，在那以后的不長時(shí)間，Kornberg就提供了生物化學(xué)的證據(jù)證明DNA聚合酶從DNA分子雙鏈的相反方向合成新鏈。

1957年，克里克把生物學(xué)意義的“信息”定義為核酸中堿基的排列順序以及蛋白質(zhì)種氨基酸的排列順序，并且根據(jù)核酸和蛋白質(zhì)之間單向的信息流動(dòng)——從前者到后者——提出今天著名的“中心法則”。僅僅4年之后，Marshall Nirenberg 和Heinrich Matthaei使用只含有一種堿基(尿嘧啶)的RNA，成功的合成了只含一種氨基酸(苯丙氨酸)的多肽。他們斷定，“一個(gè)或者多個(gè)RNA堿基應(yīng)該是苯丙氨酸的代碼。”與此同時(shí)，克里克， Sydney Brenner和Leslie Barnett已經(jīng)開始使用遺傳分析研究突變現(xiàn)象。遺傳分析讓他們得到了關(guān)于一種突變形式的重要概念，在這種突變中，DNA的堿基序列產(chǎn)生了“移碼”(frame shift，今天人們已經(jīng)知道，三個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸，如果插入1個(gè)或多個(gè)堿基，就會(huì)導(dǎo)致后面的序列對應(yīng)的氨基酸產(chǎn)生混亂——譯注)。他們進(jìn)而根據(jù)這種突變推斷，遺傳信息是由一組或者多組三聯(lián)堿基組成的，并且總是從一個(gè)固定點(diǎn)開始讀信息，處理信息的方向是相同的。這為后來解開整個(gè)遺傳密碼提供了舞臺(tái)。

從1953年對雙螺旋寂靜的接納，到50年代末雙螺旋研究勢頭的加速發(fā)展，人們傾向于認(rèn)為，直到DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)合成中發(fā)揮作用的機(jī)制開始成形的時(shí)候，它才被人們認(rèn)真地對待。確實(shí)有一小群科學(xué)家從一開始的時(shí)候就把自己的研究方向放在了雙螺旋結(jié)構(gòu)的推論上(例如Meselson 和Alexander Rich)，或者把研究方向重新調(diào)整到這方面(包括Seymour Benzer 和 Sydney Brenner)。然而，許多科學(xué)家特別是Erwin Chargaff和Alexander Dounce，在他們50年代中期的科學(xué)論文中并沒有提到雙螺旋結(jié)構(gòu)，盡管這與他們的研究是相關(guān)的，并且他們很可能知道雙螺旋。對雙螺旋的這樣一種忽視表明一些生化學(xué)家有他們自己的日程表，雙螺旋起先被認(rèn)為對他們的工作沒有幫助。

生化學(xué)家辯論蛋白質(zhì)的合成

生化學(xué)家對雙螺旋的保留態(tài)度部分來源于支持1953年論文的證據(jù)不那么堅(jiān)實(shí)。沃森和克里克他們自己承認(rèn)雙螺旋結(jié)構(gòu)當(dāng)時(shí)“可能沒有被人們認(rèn)為已經(jīng)證明了”，盡管它“非常有可能是正確的”。生化學(xué)家的冷靜部分要?dú)w結(jié)于他們對蛋白質(zhì)合成機(jī)制的爭論。Peter Campbell和Thomas Work在1953年6月6日《自然》雜志上發(fā)表的論文生動(dòng)地描繪了這一爭論。他們確定了兩個(gè)對比鮮明的關(guān)于蛋白質(zhì)如何合成的理論：第一，縮氨酸理論(也稱作多酶理論)，即蛋白質(zhì)“通過許多小的縮氨酸單元逐步結(jié)合而成”。第二，模版理論，認(rèn)為蛋白質(zhì)“按照模版合成，每一個(gè)模版對應(yīng)一種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，并且模版或許可以看作一個(gè)基因。” 　　長期以來包括Jpseph Fruton在內(nèi)的很多著名的生化學(xué)家支持縮氨酸模型。在這種理論背后的是相信酶具有合成和分解它們的底物的能力的信念。蛋白質(zhì)的合成被認(rèn)為涉及到一系列縮氨酸的聯(lián)合，最終形成了蛋白質(zhì)分子，酶僅僅合成這些能水解的縮氨酸鍵。但是這個(gè)理論存在的問題是，除了一些非常特殊的例子，所謂的縮氨酸合成蛋白質(zhì)的中間產(chǎn)物既沒有在細(xì)胞中找到，也不能組合到蛋白質(zhì)中。然而，氨基酸能夠被組合到蛋白質(zhì)中，這意味著它們可能是蛋白質(zhì)的基本單元。

蛋白質(zhì)合成的第二個(gè)模型認(rèn)為合成是依照一個(gè)模版進(jìn)行的，它由Dounce于1952年提出。Dounce認(rèn)為多肽鏈躺在RNA分子上，RNA序列確定氨基酸的順序(按照一對一的原則)。這樣，細(xì)胞核中的DNA就能夠控制RNA的堿基順序。

權(quán)衡了Dounce理論的優(yōu)點(diǎn)和困難之后，Cambell和Work于1953年表達(dá)了他們對于遺傳控制蛋白質(zhì)合成的不贊成：“基因本質(zhì)上是一種抽象的觀念，并且試圖給這個(gè)觀念穿上一件核酸或者蛋白質(zhì)的外衣或許是一種錯(cuò)誤……如果我們必須引入基因，它在蛋白質(zhì)合成中應(yīng)該發(fā)揮消極的而不是積極的作用。”然而僅僅3年之后，Robert Sinsheimer在加州理工學(xué)院的一次演講中說道：“基因曾經(jīng)是一個(gè)形式上的概念，現(xiàn)在開始具體化，開始出現(xiàn)對它的形式、結(jié)構(gòu)以及活動(dòng)的猜測。”

但是這三年是變化的時(shí)期。1957年1月，F(xiàn)ruton修訂了被廣泛采用的《普通生物化學(xué)》教科書，他對縮氨酸理論的評論是謹(jǐn)慎的，并且伴隨著對RNA角色的討論。他寫道，“有一種激動(dòng)人心的推測，即核酸在蛋白質(zhì)合成過程中起著‘模版’的作用。”早些時(shí)候他在這本書里用了一段文字描寫雙螺旋，把它描繪成一個(gè)“有獨(dú)創(chuàng)性的推測”。唯一的插圖是腺嘌呤—鳥嘌呤的堿基對，而不是雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。 　　Kornberg在1957年證明DNA的復(fù)制遵循堿基配對原則，借助于DNA聚合酶把一個(gè)堿基加到新合成的鏈上，這條鏈與它的模版鏈的堿基互補(bǔ)(A總是對應(yīng)T，C總是對應(yīng)G)。但是他在這個(gè)領(lǐng)域的興趣并沒有被沃森和克里克的發(fā)現(xiàn)所激勵(lì)。相比之下，1953年他全神貫注于輔酶(酶活動(dòng)所必需的非蛋白質(zhì)化合物)是如何根據(jù)核酸合成的。這讓他考慮一個(gè)問題，即DNA和RNA是如何用成千上萬的核苷構(gòu)成的。“雙螺旋的重要性，”他回憶說，“并沒有強(qiáng)加到”他的工作中，直到1956年他證明了后來稱之為DNA聚合酶的“適度純化的片斷”“看上去增加了DNA鏈的長度。”

結(jié)論

兩個(gè)一度如同謎一般的過程——DNA復(fù)制和蛋白質(zhì)合成——把20世紀(jì)50年代早期的進(jìn)行的研究計(jì)劃分割成了物理的、有機(jī)化學(xué)的和生物化學(xué)的部分。在雙螺旋發(fā)現(xiàn)之后，這些試圖解決復(fù)制問題的人們才根據(jù)DNA的結(jié)構(gòu)找到了DNA復(fù)制的分子依據(jù)，盡管人們花了20多年時(shí)間才弄清了它在細(xì)胞中運(yùn)作的復(fù)雜機(jī)制。那些關(guān)于蛋白質(zhì)合成的研究發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的特異性來源于DNA堿基序列。

但是為什么慶祝DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)呢?為什么不慶祝Max Perutz在1953年解決了蛋白質(zhì)“相位問題”50周年呢?如果沒有這個(gè)發(fā)現(xiàn)，后來就不可能發(fā)現(xiàn)肌紅蛋白和血紅蛋白結(jié)構(gòu)。2005年慶祝一下Sanger發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的氨基酸順序50周年如何?毫無疑問，雙螺旋有著非凡的象征價(jià)值，沒有任何蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠超過它。DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)方式和相關(guān)的人物在某種程度上的壞名聲為這個(gè)故事增添了情趣。這個(gè)故事在詹姆斯·沃森1968年出版的《雙螺旋》里被廣為宣揚(yáng)，Brenda Maddox近來撰寫的羅沙琳德·富蘭克林的傳記也具有啟發(fā)性。但是DNA的中心地位類似于遺傳在普通生物學(xué)的中心地位。

英國女王登基的25周年紀(jì)念已經(jīng)過去了，50周年紀(jì)念即將到來，英國不再建造核電站，一批又一批登山家登上了珠穆朗瑪峰，然而沒有記者的關(guān)注。但是DNA仍然是新聞熱點(diǎn)——無論作為研究進(jìn)化的工具，還是鑒定強(qiáng)奸案的法律證據(jù)，遺傳信息的來源或者設(shè)計(jì)新藥的途徑。50年前，那份原始論文中的雙螺旋簡樸而優(yōu)雅的肖像誕生于弗朗西斯的妻子Odile Crick的筆下，作為分子生物學(xué)的象征或者吉祥物，難道還有什么東西能勝過它嗎?