[科技史话] 双螺旋：寂静的登场——纪念DNA结构发现50周年
作者：ROBERT OLBY/文 柯南/译 来源：引自《中华读书报》
《Nature》发表的沃森与克里克的那篇著名论文
今年4月25日是沃森和克里克那篇关于DNA结构的论文发表50周年。那只不过是一篇大约1000字的文章，但它却永远地改变了科学的进程。
50年后的今天，生命科学已经进入基因组学或后基因组学时代，就在几天前，科学家宣布完成了人类基因组的排序工作。通过这些进展，我们期望进一步地理解生命，认识人类自己，把握我们的命运(正像我们过去曾经求助于星座那样)；DNA秘密的揭示也开启了诸多应用的大门，如转基因农业、基因治疗、身份鉴定等等，这些应用正改变着我们的生活方式；它还诱导人类对生命进行操纵的欲望(比如克隆技术)，同时引发了巨大的争论。我们正处在人类历史的一场伟大变革中，而基因就是它的原始资源。
作为出版原始论文的学术刊物，《自然》杂志早在今年1月23日出版了特辑，从各个角度回顾、评论双螺旋的发现。国内外科学界还举办了一系列展览、讲座等活动作为庆祝，全球的科学期刊、主流媒体也纷纷发表纪念文章……可以说，全世界纪念DNA结构发现50周年的活动，已经越出学术的范畴，成为了一种文化现象。
, http://www.100md.com
为什么我们要纪念DNA结构的发现呢？我们认为，这种纪念并不主要是为了已经逝去的某个时刻，而是为了面向未来——一个充满希望但也充满疑虑的生物技术的新时代。从这个角度来看，1953年4月25日可以相当于纪元零年的零点时刻。
历史档案显示，1953年科学界对这种(双螺旋)结构的提议的反响悄无声息。事实上，只有在DNA涉及蛋白质合成的机制轮廓初现的时候，生化学界才开始真正对这一结构感兴趣。(本文回顾了双螺旋刚刚登场时的情形以及它被缓慢接受的过程，这种今天想来令人惊讶的事实正好从相反的方向证明了沃森和克里克发现的艰难程度和价值——译注)
回想1953年就是访问——对于我们中间的一些人是重游——另外一个世界，当时《自然》杂志还没有使用DNA作为脱氧核糖核酸的缩写。那年6月，英国女王伊丽莎白二世加冕。3月，英国科学家准备在考尔德(Calder)河边建立一座核电站。两个月后，人们登上了珠穆朗玛峰。在伦敦大学，我的生化教师热衷于弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)首次成功地对一种蛋白质——胰岛素——的组成单位进行了测序。但是脱氧核糖核酸(DNA)甚至没有被提及。尽管1953年《自然》杂志发表了7篇关于DNA结构和功能的论文，只有一家英国全国报纸——《新闻纪事》(News Chronicle)——提到了双螺旋。
, http://www.100md.com
接纳双螺旋：多数科学家最初并未看到双螺旋的重要性
50年之后很难想像当初科学界对双螺旋的接纳是如此地冷淡。但事实如此。
当DNA结构被发现的时候，已经有了相当可观的DNA研究计划。这些研究包括DNA的物理属性、提取的方法以及同一生命体中的所有细胞的DNA含量和组成是否相同。这些研究也讨论了紫外线和电离辐射对DNA的损害作用，以及在核酸参与蛋白质合成上的不同观点。
那个时候研究DNA的研究人员主要是生物化学家和物理化学家，他们的研究地点和基金主要与医学相关。他们的兴趣和资金与当时人们关心的两个主要问题有关：诱变剂(导致DNA突变的物质)的机能——对于国际上关于电离辐射和放射性物质的辩论很重要的领域——以及蛋白质合成的本质。除了癌症研究之外，由于蛋白质的合成在生长和营养方面的重要性，生化学家对此有浓厚的兴趣。
考虑到科学界对于双螺旋结构寂静的接纳，让我们换一个不同的角度，问一问20世纪50年代把DNA的双螺旋结构不仅仅作为短暂的注意的理由是什么。那时候，由于DNA与蛋白质有关，大多数读到《自然》杂志的科学家认为DNA是一种“缔合蛋白”；它与蛋白质同样重要，但是它的重要性被误解了。尽管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年的实验验证。他们证明噬菌体进入细菌的大部分物质是核酸而不是蛋白质。这个实验让DNA看上去更像遗传物质。
, http://www.100md.com
连接结构和功能：DNA作为遗传物质的工作机制缓慢呈现
科学界需要更多的证据才能信服。证明DNA在遗传中扮演角色的化学证据是什么？一个答案来自沃森和克里克提出的结构。沃森和克里克描述了碱基的配对——腺嘌呤和胸腺嘧啶形成氢键，鸟嘌呤和胞嘧啶形成氢键。他们写道：这种配对“直接表明了一种可能的遗传物质复制机制”。对这个问题的扩展讨论的论文出现在了一个月之后的《自然》杂志上，他们写到：“然而直到现在，没有证据表明DNA如何进行作为遗传物质所必需的活动，即精确的自我复制。”
根据这些话，沃森和克里克认为他们最早提出了DNA的复制机制，但是他们承认他们的理论有一些问题：DNA的双链如何能够解旋和分开，“而不会绕成一团乱麻”？基因复制的精确机制是什么？遗传物质如何能够“在细胞内产生高度特定的影响”？代表特异性的碱基序列何时出现在了这种螺旋分子的内侧？
DNA结构发现之后的早期争论主要集中在“解旋问题”上。1953年，沃森和克里克承认这个问题是相当“困难”的，但是1958年出现了支持他们提出的结构的理论，当时Matthew Meselson和Franklin Stah证明了DNA复制的半保留特性：每一个在DNA复制阶段形成的子DNA由来自原始的父DNA的一条链，和一条根据父DNA链合成的新链组成。父DNA链作为合成的模版。这就证实了沃森和克里克根据DNA结构做出的理论预测，即DNA的复制采用一种半保留方式。这一年的晚些时候，Arthur Kornberg宣布他部分提纯了一种催化DNA合成的酶，后来称之为DNA聚合酶。这一发现第一次把酶化学和双螺旋联系在了一起，在那以后的不长时间，Kornberg就提供了生物化学的证据证明DNA聚合酶从DNA分子双链的相反方向合成新链。
, 百拇医药
1957年，克里克把生物学意义的“信息”定义为核酸中碱基的排列顺序以及蛋白质中氨基酸的排列顺序，并且根据核酸和蛋白质之间单向的信息流动——从前者到后者——提出今天著名的“中心法则”。此后不久，克里克，Sydney Brenner和Leslie Barnett已经开始使用遗传分析研究突变现象。遗传分析让他们得到了关于一种突变形式的重要概念，在这种突变中，DNA的碱基序列产生了“移码”(frame shift，今天人们已经知道，三个碱基决定一个氨基酸，如果插入1个或多个碱基，就会导致后面的序列对应的氨基酸产生混乱——译注)。他们进而根据这种突变推断，遗传信息是由一组或者多组三联碱基组成的，并且总是从一个固定点开始读信息，处理信息的方向是相同的。这为后来解开整个遗传密码提供了基础。
从1953年对双螺旋寂静的接纳，到50年代末双螺旋研究势头的加速发展，人们倾向于认为，直到DNA的双螺旋结构在蛋白质合成中发挥作用的机制开始成形的时候，它才被人们认真地对待。
, http://www.100md.com 生化学家辩论蛋白质的合成机制：两种理论的竞争
生化学家对双螺旋的保留态度部分来源于支持1953年论文的证据不那么坚实。沃森和克里克承认双螺旋结构当时“可能没有被人们认为已经证明了”，尽管它“非常有可能是正确的”。生化学家的冷静部分要归结于他们对蛋白质合成机制的争论。Peter Campbell和Thomas Work在1953年6月6日《自然》杂志上发表的论文生动地描绘了这一争论。他们确定了两个对比鲜明的关于蛋白质如何合成的理论：第一，缩氨酸理论(也称作多酶理论)，即蛋白质“通过许多小的缩氨酸单元逐步结合而成”。第二，模版理论，认为蛋白质“按照模版合成，每一个模版对应一种蛋白质结构，并且模版或许可以看作一个基因”。
长期以来包括Jpseph Fruton在内的很多著名的生化学家支持缩氨酸模型。在这种理论背后的是相信酶具有合成和分解它们的底物的能力的信念。蛋白质的合成被认为涉及到一系列缩氨酸的联合，最终形成了蛋白质分子，酶仅仅合成这些能水解的缩氨酸键。但是这个理论存在的问题是，除了一些非常特殊的例子，所谓的缩氨酸合成蛋白质的中间产物既没有在细胞中找到，也不能组合到蛋白质中。
, http://www.100md.com
蛋白质合成的第二个模型认为合成是依照一个模版进行的，它由Dounce于1952年提出。Doun ce认为多肽链躺在RNA分子上，RNA序列确定氨基酸的顺序(按照一对一的原则)。这样，细胞核中的DNA就能够控制RNA的碱基顺序。
权衡了Dounce理论的优点和困难之后，Cambell和Work1953年表达了他们对于遗传控制蛋白质合成的不赞成：“基因本质上是一种抽象的观念，并且试图给这个观念穿上一件核酸或者蛋白质的外衣或许是一种错误……如果我们必须引入基因，它在蛋白质合成中应该发挥消极的而不是积极的作用。”然而仅仅3年之后，Robert Sinsheimer在加州理工学院的一次演讲中说道：“基因曾经是一个形式上的概念，现在开始具体化，开始出现对它的形式、结构以及活动的猜测。”
这3年是变化的时期。1957年1月，Fruton修订了被广泛采用的《普通生物化学》教科书，他对缩氨酸理论的评论是谨慎的，并且伴随着对RNA角色的讨论。他写道，“有一种激动人心的推测，即核酸在蛋白质合成过程中起着‘模版’的作用。”早些时候他在这本书里用了一段文字描写双螺旋，把它描绘成一个“有独创性的推测”。唯一的插图是腺嘌呤—鸟嘌呤的碱基对，而不是双螺旋结构模型。
, http://www.100md.com
结论：双螺旋获得辉煌的胜利
两个一度如同谜一般的过程——DNA复制和蛋白质合成——把20世纪50年代早期进行的研究计划分割成了物理的、有机化学的和生物化学的部分。在双螺旋发现之后，这些试图解决复制问题的人们才根据DNA的结构找到了DNA复制的分子依据，尽管人们花了20多年时间才弄清了它在细胞中运作的复杂机制。那些关于蛋白质合成的研究发现蛋白质的特异性来源于DNA碱基序列。
但是为什么庆祝DNA结构的发现呢？为什么不庆祝Max Perutz 1953年解决了蛋白质“相位问题”50周年呢？如果没有这个发现，后来就不可能发现肌红蛋白和血红蛋白结构。2005年庆祝一下Sanger发现蛋白质的氨基酸顺序50周年如何？毫无疑问，双螺旋有着非凡的象征价值，没有任何蛋白质结构能够超过它。DNA结构的发现方式和相关的人物在某种程度上的坏名声为这个故事增添了情趣。这个故事在詹姆斯·沃森1968年出版的《双螺旋》里被广为宣扬，Brenda Maddox近来撰写的罗沙琳德·富兰克林的传记也具有启发性。但是DNA的中心地位类似于遗传在普通生物学的中心地位。
英国女王登基的25周年纪念已经过去了，50周年纪念即将到来，英国不再建造核电站，一批又一批登山家登上了珠穆朗玛峰，然而没有多少记者关注。但是DNA仍然是新闻热点——无论作为研究进化的工具，还是鉴定强奸案的法律证据，遗传信息的来源或者设计新药的途径。50年前，那份原始论文中的双螺旋简朴而优雅的肖像诞生于弗朗西斯的妻子Odile Crick的笔下，作为分子生物学的象征或者吉祥物，难道还有什么东西能胜过它吗？
(本文译自2003年1月份《自然》杂志纪念DNA结构发现50周年特辑), 百拇医药
《Nature》发表的沃森与克里克的那篇著名论文
今年4月25日是沃森和克里克那篇关于DNA结构的论文发表50周年。那只不过是一篇大约1000字的文章，但它却永远地改变了科学的进程。
50年后的今天，生命科学已经进入基因组学或后基因组学时代，就在几天前，科学家宣布完成了人类基因组的排序工作。通过这些进展，我们期望进一步地理解生命，认识人类自己，把握我们的命运(正像我们过去曾经求助于星座那样)；DNA秘密的揭示也开启了诸多应用的大门，如转基因农业、基因治疗、身份鉴定等等，这些应用正改变着我们的生活方式；它还诱导人类对生命进行操纵的欲望(比如克隆技术)，同时引发了巨大的争论。我们正处在人类历史的一场伟大变革中，而基因就是它的原始资源。
作为出版原始论文的学术刊物，《自然》杂志早在今年1月23日出版了特辑，从各个角度回顾、评论双螺旋的发现。国内外科学界还举办了一系列展览、讲座等活动作为庆祝，全球的科学期刊、主流媒体也纷纷发表纪念文章……可以说，全世界纪念DNA结构发现50周年的活动，已经越出学术的范畴，成为了一种文化现象。
, http://www.100md.com
为什么我们要纪念DNA结构的发现呢？我们认为，这种纪念并不主要是为了已经逝去的某个时刻，而是为了面向未来——一个充满希望但也充满疑虑的生物技术的新时代。从这个角度来看，1953年4月25日可以相当于纪元零年的零点时刻。
历史档案显示，1953年科学界对这种(双螺旋)结构的提议的反响悄无声息。事实上，只有在DNA涉及蛋白质合成的机制轮廓初现的时候，生化学界才开始真正对这一结构感兴趣。(本文回顾了双螺旋刚刚登场时的情形以及它被缓慢接受的过程，这种今天想来令人惊讶的事实正好从相反的方向证明了沃森和克里克发现的艰难程度和价值——译注)
回想1953年就是访问——对于我们中间的一些人是重游——另外一个世界，当时《自然》杂志还没有使用DNA作为脱氧核糖核酸的缩写。那年6月，英国女王伊丽莎白二世加冕。3月，英国科学家准备在考尔德(Calder)河边建立一座核电站。两个月后，人们登上了珠穆朗玛峰。在伦敦大学，我的生化教师热衷于弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger)首次成功地对一种蛋白质——胰岛素——的组成单位进行了测序。但是脱氧核糖核酸(DNA)甚至没有被提及。尽管1953年《自然》杂志发表了7篇关于DNA结构和功能的论文，只有一家英国全国报纸——《新闻纪事》(News Chronicle)——提到了双螺旋。
, http://www.100md.com
接纳双螺旋：多数科学家最初并未看到双螺旋的重要性
50年之后很难想像当初科学界对双螺旋的接纳是如此地冷淡。但事实如此。
当DNA结构被发现的时候，已经有了相当可观的DNA研究计划。这些研究包括DNA的物理属性、提取的方法以及同一生命体中的所有细胞的DNA含量和组成是否相同。这些研究也讨论了紫外线和电离辐射对DNA的损害作用，以及在核酸参与蛋白质合成上的不同观点。
那个时候研究DNA的研究人员主要是生物化学家和物理化学家，他们的研究地点和基金主要与医学相关。他们的兴趣和资金与当时人们关心的两个主要问题有关：诱变剂(导致DNA突变的物质)的机能——对于国际上关于电离辐射和放射性物质的辩论很重要的领域——以及蛋白质合成的本质。除了癌症研究之外，由于蛋白质的合成在生长和营养方面的重要性，生化学家对此有浓厚的兴趣。
考虑到科学界对于双螺旋结构寂静的接纳，让我们换一个不同的角度，问一问20世纪50年代把DNA的双螺旋结构不仅仅作为短暂的注意的理由是什么。那时候，由于DNA与蛋白质有关，大多数读到《自然》杂志的科学家认为DNA是一种“缔合蛋白”；它与蛋白质同样重要，但是它的重要性被误解了。尽管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年的实验验证。他们证明噬菌体进入细菌的大部分物质是核酸而不是蛋白质。这个实验让DNA看上去更像遗传物质。
, http://www.100md.com
连接结构和功能：DNA作为遗传物质的工作机制缓慢呈现
科学界需要更多的证据才能信服。证明DNA在遗传中扮演角色的化学证据是什么？一个答案来自沃森和克里克提出的结构。沃森和克里克描述了碱基的配对——腺嘌呤和胸腺嘧啶形成氢键，鸟嘌呤和胞嘧啶形成氢键。他们写道：这种配对“直接表明了一种可能的遗传物质复制机制”。对这个问题的扩展讨论的论文出现在了一个月之后的《自然》杂志上，他们写到：“然而直到现在，没有证据表明DNA如何进行作为遗传物质所必需的活动，即精确的自我复制。”
根据这些话，沃森和克里克认为他们最早提出了DNA的复制机制，但是他们承认他们的理论有一些问题：DNA的双链如何能够解旋和分开，“而不会绕成一团乱麻”？基因复制的精确机制是什么？遗传物质如何能够“在细胞内产生高度特定的影响”？代表特异性的碱基序列何时出现在了这种螺旋分子的内侧？
DNA结构发现之后的早期争论主要集中在“解旋问题”上。1953年，沃森和克里克承认这个问题是相当“困难”的，但是1958年出现了支持他们提出的结构的理论，当时Matthew Meselson和Franklin Stah证明了DNA复制的半保留特性：每一个在DNA复制阶段形成的子DNA由来自原始的父DNA的一条链，和一条根据父DNA链合成的新链组成。父DNA链作为合成的模版。这就证实了沃森和克里克根据DNA结构做出的理论预测，即DNA的复制采用一种半保留方式。这一年的晚些时候，Arthur Kornberg宣布他部分提纯了一种催化DNA合成的酶，后来称之为DNA聚合酶。这一发现第一次把酶化学和双螺旋联系在了一起，在那以后的不长时间，Kornberg就提供了生物化学的证据证明DNA聚合酶从DNA分子双链的相反方向合成新链。
, 百拇医药
1957年，克里克把生物学意义的“信息”定义为核酸中碱基的排列顺序以及蛋白质中氨基酸的排列顺序，并且根据核酸和蛋白质之间单向的信息流动——从前者到后者——提出今天著名的“中心法则”。此后不久，克里克，Sydney Brenner和Leslie Barnett已经开始使用遗传分析研究突变现象。遗传分析让他们得到了关于一种突变形式的重要概念，在这种突变中，DNA的碱基序列产生了“移码”(frame shift，今天人们已经知道，三个碱基决定一个氨基酸，如果插入1个或多个碱基，就会导致后面的序列对应的氨基酸产生混乱——译注)。他们进而根据这种突变推断，遗传信息是由一组或者多组三联碱基组成的，并且总是从一个固定点开始读信息，处理信息的方向是相同的。这为后来解开整个遗传密码提供了基础。
从1953年对双螺旋寂静的接纳，到50年代末双螺旋研究势头的加速发展，人们倾向于认为，直到DNA的双螺旋结构在蛋白质合成中发挥作用的机制开始成形的时候，它才被人们认真地对待。
, http://www.100md.com 生化学家辩论蛋白质的合成机制：两种理论的竞争
生化学家对双螺旋的保留态度部分来源于支持1953年论文的证据不那么坚实。沃森和克里克承认双螺旋结构当时“可能没有被人们认为已经证明了”，尽管它“非常有可能是正确的”。生化学家的冷静部分要归结于他们对蛋白质合成机制的争论。Peter Campbell和Thomas Work在1953年6月6日《自然》杂志上发表的论文生动地描绘了这一争论。他们确定了两个对比鲜明的关于蛋白质如何合成的理论：第一，缩氨酸理论(也称作多酶理论)，即蛋白质“通过许多小的缩氨酸单元逐步结合而成”。第二，模版理论，认为蛋白质“按照模版合成，每一个模版对应一种蛋白质结构，并且模版或许可以看作一个基因”。
长期以来包括Jpseph Fruton在内的很多著名的生化学家支持缩氨酸模型。在这种理论背后的是相信酶具有合成和分解它们的底物的能力的信念。蛋白质的合成被认为涉及到一系列缩氨酸的联合，最终形成了蛋白质分子，酶仅仅合成这些能水解的缩氨酸键。但是这个理论存在的问题是，除了一些非常特殊的例子，所谓的缩氨酸合成蛋白质的中间产物既没有在细胞中找到，也不能组合到蛋白质中。
, http://www.100md.com
蛋白质合成的第二个模型认为合成是依照一个模版进行的，它由Dounce于1952年提出。Doun ce认为多肽链躺在RNA分子上，RNA序列确定氨基酸的顺序(按照一对一的原则)。这样，细胞核中的DNA就能够控制RNA的碱基顺序。
权衡了Dounce理论的优点和困难之后，Cambell和Work1953年表达了他们对于遗传控制蛋白质合成的不赞成：“基因本质上是一种抽象的观念，并且试图给这个观念穿上一件核酸或者蛋白质的外衣或许是一种错误……如果我们必须引入基因，它在蛋白质合成中应该发挥消极的而不是积极的作用。”然而仅仅3年之后，Robert Sinsheimer在加州理工学院的一次演讲中说道：“基因曾经是一个形式上的概念，现在开始具体化，开始出现对它的形式、结构以及活动的猜测。”
这3年是变化的时期。1957年1月，Fruton修订了被广泛采用的《普通生物化学》教科书，他对缩氨酸理论的评论是谨慎的，并且伴随着对RNA角色的讨论。他写道，“有一种激动人心的推测，即核酸在蛋白质合成过程中起着‘模版’的作用。”早些时候他在这本书里用了一段文字描写双螺旋，把它描绘成一个“有独创性的推测”。唯一的插图是腺嘌呤—鸟嘌呤的碱基对，而不是双螺旋结构模型。
, http://www.100md.com
结论：双螺旋获得辉煌的胜利
两个一度如同谜一般的过程——DNA复制和蛋白质合成——把20世纪50年代早期进行的研究计划分割成了物理的、有机化学的和生物化学的部分。在双螺旋发现之后，这些试图解决复制问题的人们才根据DNA的结构找到了DNA复制的分子依据，尽管人们花了20多年时间才弄清了它在细胞中运作的复杂机制。那些关于蛋白质合成的研究发现蛋白质的特异性来源于DNA碱基序列。
但是为什么庆祝DNA结构的发现呢？为什么不庆祝Max Perutz 1953年解决了蛋白质“相位问题”50周年呢？如果没有这个发现，后来就不可能发现肌红蛋白和血红蛋白结构。2005年庆祝一下Sanger发现蛋白质的氨基酸顺序50周年如何？毫无疑问，双螺旋有着非凡的象征价值，没有任何蛋白质结构能够超过它。DNA结构的发现方式和相关的人物在某种程度上的坏名声为这个故事增添了情趣。这个故事在詹姆斯·沃森1968年出版的《双螺旋》里被广为宣扬，Brenda Maddox近来撰写的罗沙琳德·富兰克林的传记也具有启发性。但是DNA的中心地位类似于遗传在普通生物学的中心地位。
英国女王登基的25周年纪念已经过去了，50周年纪念即将到来，英国不再建造核电站，一批又一批登山家登上了珠穆朗玛峰，然而没有多少记者关注。但是DNA仍然是新闻热点——无论作为研究进化的工具，还是鉴定强奸案的法律证据，遗传信息的来源或者设计新药的途径。50年前，那份原始论文中的双螺旋简朴而优雅的肖像诞生于弗朗西斯的妻子Odile Crick的笔下，作为分子生物学的象征或者吉祥物，难道还有什么东西能胜过它吗？
(本文译自2003年1月份《自然》杂志纪念DNA结构发现50周年特辑), 百拇医药