解码DNA：从双螺旋到中心法则

经过近百年来科学家们的思考、验证，人们确认--DNA就是遗传物质。

但新的问题随之而来：为什么是 DNA？

为什么这样一个微小的分子，能够承载如此庞杂而精确的遗传信息？

DNA仅由四种简单的脱氧核糖核苷酸分子组成，却要描述一个生命体的全部性状。

这就像让一支只会写"ABCD"的笔去描述一整部《红楼梦》。

谜底并未因此解开，反而显得更加神秘。

双螺旋的出现：结构揭示信息的秘密

科学史从不缺少转折点。

1953 年，一个神奇的构型从 X 射线的模糊影子里跃出--DNA双螺旋结构。

詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克从晶体学家莫里斯·威尔金斯和罗莎琳德·富兰克林的DNA晶体X射线衍射图谱中得到灵感，成功搭建出了神秘又简洁的双螺旋模型。

两条链相互缠绕，字母以最简单的方式配对--A&T，C&G

像纽扣。像钥匙找锁。像一对永远不会找错对方的舞伴。

正是这种配对规则，让 DNA 在结构上具备了承载与复制信息的可能。

在观察模型的过程中，沃森进一步提出了一个大胆的设想--DNA 以半保留的方式进行复制。

原有的两条链解开，平均分到两个后代中，继而产生两条新的、与亲代完全相同的DNA链。

但该怎样证明这一点呢？为什么DNA必须要采用这种半新半旧的复制方式？

图1. DNA半保留复制模型

密度梯度下的真相：半保留复制

1958年，马修·梅塞尔森和富兰克林·斯塔尔给出了答案。

他们设计并完成了后来被誉为"生物学中最完美实验"之一。

他们借鉴了赫尔希-蔡斯实验的巧妙设计，利用同位素原子之间的重量差异，对细菌进行培养。

在含有N-15同位素的培养基上持续培养多代后，他们将细菌转移到含有N-14同位素的培养基上，从此刻开始，DNA的复制将只能使用N-14同位素。

在对比分析不同代次的细菌DNA分子密度后，梅塞尔森和斯塔尔对结果做出了唯一的解释-每一次的分裂繁衍中，子代细菌中的DNA都是由一条上一代DNA和一条新生DNA缠绕而成的双螺旋链。

半保留复制，由此得到无可辩驳的实验证据。

图2.梅塞尔森-斯塔尔实验

至此，一个世纪以来的线索终于被串联起来：

从孟德尔的豌豆，到格里菲斯的小鼠实验；从噬菌体的感染，到 X 光留下的神秘十字；这些零碎的线索像一张巨大的网，在一次次实验中被收拢、拉紧，最终捕获到了那个"身影"--藏在生命深处的分子：DNA。

下一个挑战：从碱基序列到生命性状

然而，新的问题随之而来："DNA 的碱基顺序，究竟如何决定性状？"

遗传信息被写进DNA后，又是如何被细胞"读取"的？

答案藏在另一类被遗传学家抛弃的分子里--蛋白质。

与仅由4种简单的脱氧核糖核苷酸组成的DNA，蛋白质要复杂得多。

蛋白质具有变化莫测的三维结构，能够折叠、能弯曲、能催化化学反应，人们对蛋白质的认识历史也远远早于DNA。

当沃森和克里克尝试搭建DNA双螺旋模型时，他们的同事马克斯·佩鲁茨和约翰·肯德鲁正试图分析蛋白质分子的三维结构。

这两位科学家的成功来得晚了些，1959年，他们才成功获得血红蛋白的三维结构，首次揭示了蛋白质的高度复杂性。

这一发现恰逢其时。

因为只有当 DNA 被确认是遗传信息的载体，人们才有理由提出这样的问题：

相对简单的 DNA，是如何指导细胞合成种类繁多、功能各异的蛋白质的？

密码的破译

出乎意料的是，这个问题的第一步推理进展不是在培养皿里完成的，而是在演算纸上。

大爆炸理论的发明者、物理学家乔治·伽莫夫推测，4种碱基必须以某种规律组成，去对应蛋白质中的 20 种氨基酸。

如果两个碱基对应一个氨基酸（4²），组合数不够；四个碱基对应一个氨基酸（4⁴），又显得冗余；只有 三个碱基（4³=64），恰好提供足够的编码空间。

1961年，马歇尔·尼伦伯格和约翰·马特哈伊破译了第一个密码子：UUU→苯丙氨酸。

但严格来说，他们的实验只能证明DNA序列对应氨基酸序列，还不能证明到底是几个碱基对应一个氨基酸。

哈尔·霍拉纳给出了新的方案-他利用更复杂的长链核酸序列，证明了只能是3碱基序列对应一个氨基酸。

在往后的五年间，各大研究机构的科学家们合力破解了3碱基密码子对应的全部组合：64 个密码子对应 20 种氨基酸，一种优雅到不可思议的设计。

图3. 中心法则

此时再回想那粒黄色的豌豆，我们终于可以倒推整个过程：

豌豆体内有一种蛋白质，决定其表皮色素的形成，

而这种蛋白质的氨基酸排列顺序，都以三个碱基对应一个氨基酸的形式写在了豌豆的DNA中。

DNA 并不直接参与蛋白质的合成。在细胞中，遗传信息需要先被"转录"为一种中间分子--RNA，再由 RNA 将碱基序列翻译成氨基酸序列，合成蛋白质。

DNA 存储信息，RNA 翻译信息，蛋白质执行信息。

这便是 中心法则。

中心法则就像生命运转的主旋律，每个细胞都在按照这个节奏歌唱。

也正因为理解了这条路径，人类才能解释遗传性状的来源，识别遗传病的根源，并开始设想--是否可以在这一信息流中，进行精准而有限的干预。

生命或许浩瀚而复杂，但它的底层逻辑，终于被人类理解、书写，并逐步掌握。而关于基因的探索，也仍在继续。