DNA的发现之旅 | DNA day

撰文 | 王聪

编辑 | 王多鱼

排版 | 水成文

1953年，注定是不平凡的一年，这一年人类开启了分子生物学时代，人们阐明了遗传物质的构成和传递途径。在此后短短的几十年里，人类破解了一个又一个生命之谜。攻克癌症、摆脱遗传病...曾经那些遥不可及的梦想也变得触手可及。

而这一切，都源自1953年4月25日，在这一天，沃森和克里克发表了那篇注定要名留青史的论文： Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid （核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的结构） 。

人们早已知道有两种核酸：DNA 和 RNA，但当时人们更倾向于蛋白质是遗传物质。但是当 DNA 双螺旋结构被发现的这一刻，关于遗传物质的争论便彻底结束，分子生物学时代正式开启。

生命，是如此美丽、复杂而又神秘，每个人都想解开这生命之谜，但是长久以来，却还在为生命的遗传物质到底是什么而困惑。

人们的认知水平总是随着时代的发展而进步，对遗传物质的认知也不例外。很难想象有孟德尔 （1822年-1884年） 这样超越时代的人，在都还不知道遗传物质是什么的时候，以一己之力总结出了基因分离定律和基因自由组合定律，这也注定了他孤独而又不被认可的一生。

今天我们回顾证明DNA是遗传物质的这一系列的重要实验，了解这一伟大历程，并从中学习他们的光辉思想。

肺炎双球菌转化实验

1928年，英国生物学家弗雷德里克·格林菲斯 （Frederick Griffith，1879年-1941年） 通过实验发现了一个很有意思的结果，当非致病型肺炎链球菌 （R型） 与热灭活的致病型肺炎链球菌 （S型） 混合，就会形成致病型菌株。这表明热灭活的致病菌株中释放出了遗传物质，可以导致非致病菌向致病菌的转化。但这个遗传物质是什么，依然不能确定。

Frederick Griffith

Griffith的肺炎双球菌实验

Avery的惊人发现

Frederick Griffith 转化实验之后，科学家一直想确定完成转化的究竟是哪种物质。直到1944年，美国微生物学家奥斯瓦尔德·艾弗里 （Oswald Avery，1877年-1955年） 和他的同事 Colin MacLeod （1909年–1972年） 、Maclyn McCarty （1911年–2005年） 通过实验发现 DNA 是肺炎双球菌转化实验的关键，证实有活性的遗传物质是 DNA。

Avery、MacLeod和McCarty

Avery等人发表在JEM杂志的论文

Avery等人确定DNA是遗传物质的实验

Avery 等人这个仔细而精确的实验被认为是 二十世纪最重要的生物学实验 ，可以说是改变了现代生物学，然而 Avery 直到1955年去世，也未获诺贝尔奖，这也是被公认的诺贝尔奖最著名的过失，诺贝尔奖委员会也专门在官网解释并表达遗憾和后悔 （来自维基百科） 。当然，Avery 的伟大并不需要一座诺奖来证明。

噬菌体实验

Avery 等人的实验已经证实了 DNA 是遗传物质，但当时人们依然倾向于结果复杂多样的蛋白质才是遗传物质，因此 Avery 的实验在当时并没有得到应有的承认。

1952年，阿尔弗莱德·赫尔希 （Alfred Hershey，1908年-1997年） 和他的学生玛莎·蔡斯 （Matha Chase，1927年-2003年） 通过同位素标记的T2噬菌体增殖实验，证实 DNA 才是遗传物质。这一实验结果很快被人们普遍接受，甚至被当成了 DNA 是遗传物质的最后证明。

Hershey和Chase

Hershey和Chase发表在  J Gen Physiol 杂志的文章

T2 噬菌体培养在含有32P （磷的放射性同位素） 的培养基中，使这些噬菌体体内的 DNA 含有放射性元素 （磷存在于DNA中） 。接着将噬菌体用来感染细菌，再将细菌与噬菌体外壳利用离心机分离。最后发现放射性元素存在于受感染的细菌体内。

将噬菌体培养在含有35S （硫的放射性同位素） 的培养基中，使这些噬菌体体内的蛋白质含有放射性元素 （硫存在于蛋白质中） ，接着将噬菌体用来感染细菌，再将细菌与噬菌体利用离心机分离。最后发现放射性元素存在于噬菌体外壳中。

由于噬菌体会将本身的遗传物质植入细菌体内，因此这一系列的实验结果显示，DNA 才是这些噬菌体的遗传物质，而蛋白质则无此功能。

T2噬菌体结构

Hershey和Chase的噬菌体实验

1969年，阿尔弗莱德·赫尔希、Max Delbrück、Salvador  Luria 三人因发现病毒的复制机理和遗传结构而获得诺贝尔生理学或医学奖。

DNA双螺旋结构

1951年，年仅23岁的詹姆斯·沃森 （James Watson，1928年 - ） 博士毕业后前往英国剑桥大学卡文迪什实验室进修，沃森在这里遇到了正在准备博士论文的弗朗西斯·克里克 （Francis Crick，1916年 - 2004年） ，两人一拍即合，从1951年10月开始转向 DNA 结构方向。

沃森当时只是一个刚获得博士学位的23岁的年轻人，克里克是一个物理学博士生，两个初出茅庐的门外汉，竟然在高手如林的研究 DNA 结构团队中脱颖而出，首先破解 DNA 双螺旋结构，不可不谓奇迹。

当时在研究 DNA 结构的并不只有沃森和克里克，美国化学家鲍林 （Linus Pauling，1901年 - 1994年） 、威尔金斯 （Maurice Wilkins，1916年 - 2004年） 、罗莎琳德·富兰克林 （Rosalind Franklin，1920年 - 1958年） 等人，都在探究DNA结构的秘密。

1952年，沃森和克里克率先发表了一篇 DNA 三螺旋结构的论文，很快被证实错误，这一打击让他们一度暂停了 DNA 结构的研究。

1952年5月，富兰克林与雷蒙·葛斯林 （Raymond Gosling，1926年 - ） 拍到了一张 B 型 DNA 的 X 射线晶体衍射照片，也就是著名的“ 照片51号 ”，被誉为“几乎是有史以来最美的一张X射线照片。”

照片51号

1952年11月，鲍林发表了一篇 DNA 三螺旋结构的论文，同样很快被证实错误。

1952年底，埃尔文·查戈夫 （Erwin Chargaff，1905年 - 2002年） 来到英国与沃森和克里克见面，并告知他们自己的新发现，也就是查戈夫法则：鸟嘌呤 （G） 与胞嘧啶 （C） 的比例为1：1，腺嘌呤 （A） 与胸腺嘧啶 （T） 的比例也为1：1。奇怪的是，这一重要发现竟然没有被其他研究 DNA 结构的人重视。

1953年1月，威尔金斯以为沃森与克里克已不再做 DNA 结构研究，将“照片51号”拿给沃森过目，并且详细的解释相关的研究结果，沃森此时意识到 DNA 可能是双螺旋的。

1953年2月4日，沃森和克里克重启对 DNA 结构模型的建构，2月8日请求威尔金斯同意他们也进行相同研究。

1953年3月7日，沃森和克里克在实验室中联手搭建的 DNA 双螺旋模型宣告成功。

沃森（左）、克里克（右）在DNA双螺旋模型前

1953年4月25日，詹姆斯·沃森 （James Watson，1928年- ） 和弗朗西斯·克里克 （Francis Crick，1916年-2004年） 在 Nature 杂志发表了一篇名为： Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid （核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的结构） 的论文。

沃森和克里克的DNA双螺旋结构论文

Nature 杂志同期发表了三篇 DNA 结构的论文，除了沃森和克里克的这一篇，还有威尔金斯的一篇，以及富兰克林和雷蒙·葛斯林的一篇。

沃森与克里克在论文中提及他们是的 DNA 双螺旋结构受到威尔金斯与富兰克林等人的启发，威尔金斯与富兰克林在论文中表示自己的数据与沃森和克里克的模型相符。

这篇划时代的论文一经发表，人们立刻明白了为什么结构似乎很简单的DNA分子能够担当做为遗传物质的重任，阻碍人们认可DNA是遗传物质的最后一个障碍被彻底消除。

生命之美在DNA双螺旋结构里得到了最完美的展示

沃森与克里克这篇仅1000字的论文被誉为“ 生物学的一个标志，开创了新的时代 ”。这是在生物学历史上唯一可与达尔文进化论相比的最重大发现，它与自然选择一起，统一了生物学的大概念，是科学史上的一个重要里程碑，标志着分子生物学的诞生。

1962年，沃森、克里克、威尔金斯三人因 DNA 双螺旋结构的发现而获得诺贝尔生理学或医学奖。遗憾的是富兰克林已于1958年因乳腺癌去世。

威尔金斯（左）、富兰克林（右）

DNA复制之谜

1956年，阿瑟·科恩伯格 （Arthur Kornberg，1908年-2007年） 用无细胞的细菌抽提物证明了 DNA 的合成和自我复制，随后他进一步证明催化 DNA 前体元件的连接需要特定的聚合酶，也证明了 DNA 是合成自身的直接模板。

1959年，阿瑟·科恩伯格和 Severo Ochoa （1905年－1993年） 因对 DNA 和 RNA 合成机制的贡献而获得当年的诺贝尔生理学或医学奖。

Kornberg（左）、Ochoa（右）

1958年，Matthew Meselson （1930年 - ） 和 Frank Stahl （1929年 - ） 通过一个非常巧妙的实验，首次在分子水平上成功地证明了 DNA 的半保守复制。

Meselson（左）、Stahl（右）

他们在仅以15N （氮的放射性同位素） 为氮源的培养基里，使大肠杆菌繁殖数代，将其 DNA 用15N标记上，然后立即将大肠杆菌转移到14N （氮的非放射性同位素） 培养基中继续培养，按不同时间取样品抽提 DNA，采用氯化铯密度梯度离心法分析。

结果表明 DNA 分子在0代显示重密度 （HH） ，1代全部为中等密度 （HL） ，2代表现为中等密度 （HL） 与轻密度 （LL） 等量。成功证实了DNA的半保留复制。

Meselson--Stahl实验，证实DNA的半保留复制

遗传密码

1954年开始，人们就在思考遗传密码究竟是什么，1966年，在众多科学家的努力下，遗传密码被全部破解，64个密码子中有61个编码对应的氨基酸，有3个编码终止子。

遗传密码表

1968年，尼伦伯格 （Marshall Warren Nirenberg，1927年 - 2010年） 、科拉纳 （Har Gobind Khorana，1922年－2011年） 、霍利 （Robert William Holley，1922年 - 1993年） 因破解遗传密码并阐释其在蛋白质合成中的作用而获得当年的诺贝尔生理学或医学奖。

尼伦伯格（左）、科拉纳（中）、霍利（右）

中心法则

1958年，DNA 双螺旋结构的发现者之一弗朗西斯·克里克首次提出了“ 中心法则 ”，如果说生物学里最重要的规律是什么，相信绝大多数人都会脱口而出“中心法则”。中心法则之于生物学，就是“元素周期表”之于化学、“牛顿三定律”之于经典物理学。

中心法则是指遗传信息从 DNA 传递给 RNA，再从 RNA 传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译的过程。也可以从 DNA 传递给 DNA，即完成 DNA 的复制过程。这是所有有细胞结构的生物所遵循的法则。但在逆转录病毒中，它们的遗传物质是 RNA，RNA 可以自我复制，也可以逆转录成 DNA，这也是是对中心法则的补充。

“中心法则”在探索生命现象的本质及普遍规律方面起了巨大的作用，极大地推动了现代生物学的发展，是现代生物学的理论基石，并为生物学基础理论的统一指明了方向，在生物科学发展过程中占有重要地位。

至此，人类终于证实了DNA是遗传物质，并阐明了DNA的复制方式，知晓了遗传信息的流动方式，并破解了全部遗传密码。

进入二十一世纪后，人类基因组计划破译了人类的基因组序列，越来越多的物种基因组被破译，可以随心所欲的编辑基因，甚至创造全新的生命，以及新的碱基。现代生物学进步如此之快，许多之前遥不可及的梦想正在一步步实现，但我们距离真正地解开生命之谜，还有很多路要走。