生命语言：DNA

互联网2013-11-14

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DNA 和 RNA 的发现似乎并没有掀起多少波澜，因为它们的发现者们并没有能够很好地说明 DNA 和 RNA 与生物遗传基因究竟有什么关系。直到 19M 年以前，人们还认为，蛋白质才是生命体内主要的遗传物质。

1944 年，美国科学家埃弗雷设计了一个很巧妙的实验，间接证实了 DNA 就是那个被遗传学家们找了很久的基因物质，在 DNA 身上带有生命的遗传秘密指令。埃弗雷用的实验材料是肺炎球菌。肺炎球菌有两种，一种能致病，表面光滑，称为 S 型；另一种不能致病，表面粗糙，称为 R 型。早在 1928 年，人们就已经发现将杀死了的 S 型肺炎球菌和活着的 R 型肺炎球菌一起注入小鼠体内仍会致病，从而说明 S 型肺炎球菌中存在着某种物质能使 R 型菌转化成具有致病能力的肺炎球菌。这一结论给了埃弗雷不小的启发，他将 S 型菌粉碎后，提纯其体内的各种物质，获得了纯度很高的糖类、脂类、蛋白质和核酸等，将这些物质分别与 R 型菌进行混合培养，发现只有和核酸混合培养的 R 型菌才能转变为具有致病能力的细菌。由此可见，核酸才是主要的遗传物质。后来，又有科学家发现， RNA 也是一个携带遗传秘密的基因物质。

1951 － 1952 年，美国科学家赫尔希和德尔布吕克通过对噬菌体的研究，进一步证实了埃弗雷的观点。噬菌体是能吃细菌的物体，这种物体离开了细胞是一种无生命的物体，而一旦进入细胞，就具有生物体新陈代谢、繁衍后代等一切特性。赫尔希和德尔布吕克选择了一种专食大肠杆菌的噬菌体，外形像绒科，有短而粗的头和一条尾巴。当这种噬菌体遇到大肠杆菌时，先把尾巴搭住细菌并在细菌身上打开一个孔，然后把自己体内的物质通过小孔注入细菌体内，随后，数以千计的噬菌体形成了，细菌也破裂了。噬菌体的外壳是蛋白质，而内容物只有 DNA 。噬菌体把自己的 DNA 注入到细菌体内生出了小噬菌体就证明了 DNA 具有指导遗传的功能，也说明 DNA 决定着蛋白质的合成以及蛋白质的性质和构成。蛋白质是组成生命的基础物质，是生命功能的最主要执行者，因此， DNA 就是生命遗传的基因物质。

在以上几位科学家所取得的巨大成就的鼓舞下，生物化学家们开始重新考察核酸的结构。

那么， DNA 中的 4 种核苷酸是怎样连接起来的呢？在很长的一段时间内，许多科学家一直把蛋白质作为生物性状表现的工具，认为核酸是通过蛋白质起作用的，因此，核酸在遗传中的重要作用没有受到足够的重视。直到 20 世纪 40 年代末 50 年代初，人们才发现核酸不但能够水解分裂成碱基片段，而且还可以进行定量分析。 1950 年，美国生物化学家查尔加夫分析了 DNA 的组成成分，发现了不同来源的 DNA 分子中，膘哈类核苷酸和呼院类核苷酸的总数总是相等，腺膘吟核苷酸（ A ）的数目总是等于胸腺唤院核苷酸阿），鸟源吟核苷酸（ G ）的数目等于胞陵陡核苷酸（ C ），即 A ＝ T ， G ＝ C ； A ＋ G ＝ T ＋ C 。这就是著名的“查尔加夫规则”。

通过研究，查尔加夫还发现， DNA 碱基成分随着来源的不同有很大的差异， 4 种碱基可以按不同的序列排列，表现出极大的多样性和特异性，能得到 4” 种不同的排列方式，是一座十分庞大的遗传密码库。而且 4 种碱基的组合还遵循一个共同的规律：不论 DNA 的来源如何，在 4 种碱基中，腺瞟吟（ A ）总是跟胸腺阐陡河）配对，腺喀院（ C ）总是跟鸟膘哈（则配对。这种严格的碱基配对叫作“碱基互补原则”。

查尔加夫的发现大大地推进了人们对 DNA 的理解程度，下一步就是要搞清楚 DNA 的化学结构以及它在蛋白质中产生何种作用，从而支配着蛋白质的合成。就在查尔加夫埋头对 DNA 展开细致研究的同时，运用 X 射线等先进的物理学方法研究生物大分子的晶体结构也取得了突破性进展。这一工作主要是在英国进行的。 50 年代初，英国科学家威尔金斯等人用 X 射线衍射技术对 DNA 结构潜心研究了 3 年后发现， DNA 是一种螺旋结构。 1951 年，英国女物理学家富兰克林拍到了一张十分清晰的 DNAX 射线衍射照片。这些卓有成效的工作为 DNA 双螺旋结构的发现打下了坚实的基础。

最终完成这一宏伟工程的是美国生物学家沃森和英国生物学家克里克。沃森是埃弗雷噬菌体研究小组的成员，克里克则是英国结构学派的成员。 1951 年 11 月，两人在剑桥大学的卡文迪许实验室相遇，并进行了愉快的交谈，很快发现彼此都对 DNA 分子结构极感兴趣，于是便相约合作研究，试图揭示和阐明遗传信息的结构基础。

此后，沃森与克里克抓紧时间研究已经获得的各项数据，并于 1951 年底提出了一个由三股链组成的螺旋结构模型。但是很快，他们便失望了，因为由于算少了 DNA 的含水量，搭构出来的三股链的样子连他们自己看着都觉得别扭。第一个模型失败了。 1952 年 7 月，克里充意外地从查尔加夫那里得知 DNA 所含的 4 种碱基含量并不相等，他意识到，果真如此，那么只有一种可能，那就是它们只能是两条链上碱基互相以配对的形式而存在。 1953 年 2 月，克里克与沃森又得到了关于 DNA 结构的 X 射线衍射照片和新数据。根据各方面对 DNA 研究的信息和深入细致的研究分析，沃森和克里克形成了一个共识： DNA 是一种双链螺旋结构。于是，他们搭建了一个 DNA 双螺旋模型，并于 1953 年 4 月将新的 DNA 结构模型在权威刊物帕然》杂志上公布于世。

这是一个极为成功、无懈可击的 DNA 分子结构模型，它由两条右旋但反向的链在同一个轴上盘绕而成，像一个螺旋形的梯子，生命的遗传密码就列在梯子的横档上。 DNA 双螺旋结构模型完美地说明了遗传物质的遗传、生化和结构的主要特征，它的提出是生物学史上划时代的事件。从此，遗传学的历史和生物学的历史正式从细胞阶段进入了分子阶段。由于这一划时代的贡献，沃森、克里克和英国科学家威尔金斯共获 1962 年度诺贝尔医学和生理学奖，这一殊荣今完全出乎意料的克里克、沃森感慨万千，激动不已。克里克在他的回忆录《狂热的追求——科学发现之我见》中表述了这种心情：“双螺旋确实是一种了不起的分子，也是一个了不起的发现。现代人的历史约有 5 万年，文明的历史几乎不到 1 万年，美国的历史仅仅 200 多年，可是 RNA 、 DNA 都至少存在了几十亿年。从古至今，双螺旋就一直存在并活跃着，可是我们还是近些年才知道。当然，值得庆幸的是，我们是地球上最先意识到它的存在的生物。有关我们发现双螺旋的文章如此之多，我很难再补充什么。我想说， DNA 是由 4 个字母的语言写成的长长的生命信息，这是生命的语言……”

沃森与克里克发现的 DNA 分子双螺旋结构模型有 4 个重要特点：一， DNA 分子是由两条成对的链以双螺旋的方式接一定空间距离相互平行盘绕，像一根扭曲的大麻花。 DNA 分子的长链从头至尾都严格遵守碱基配对原则。二，两条长链的方向是相反的。三，腺瞟吟（ A ） 跟胸腺嚼咛灯）以两氢键联结配对，而胞喷促（ C ）与鸟瞟吟（ G ）却以三氢键联结配对。比如，一条链上的碱基排列顺序是 TCGACTGA…… ， AF 么，另一条链上的碱基排列顺序一定是 AGCTGACT…… 。这就意味着， DNA 中一条链的碱基顺序一旦确定，那么另一条链的碱基顺序也就确定了。四， DNA 双螺旋结构模型表明它的结构对于碱基的顺序不存在任何限制。

据科学家统计，一个体细胞的全部 DNA“ 螺旋楼梯”长约 2 米。若将一个人的全部 DNA 连接起来，可以在地球和太阳之间扯上 80 个来回。

在那个伟大的发现之后，沃森与克里克从未停止过对生命更深层次的探索。不久，他们又给《自然》杂志撰写第二篇文章，提出了 DNA 分子的复制假说：在体细胞的有丝分裂中，每个 DNA 分子双螺旋先分解成两个单螺旋，每个单螺旋再利用细胞中现成的游离膜吟、啧啧以及酶重建失去的那一半。实际上，可以形象地认为，每个单链好像“模子”，按照某种特定方式浇注出一个个与“模子”相匹配的产品。因此，生命体内 DNA 分子由一个变为两个的复制被称为“半保留复制”。沃森和克里克阐述的关于 DNA 分子的复制假说得到了当时科学界广泛认同，人们开始认识到，生命就是一个不断复制和进化的过程，而这个过程起始于 DNA 的复制，从而保证了父辈的生命密码像拷贝一样准确无误地传给了子孙。至此，千百年来一直困扰人类的生命遗传之谜终于被解开了。到了 20 世纪 90 年代中期，分子生物学家的研究发现，所有的 DNA 都有一种语言的特性：分子中的每 4 种碱基对必定组成 4 个字母，由此构成长的文字系列。事实上，编译出基因中信息的 DNA 系列已经被生物学家形象地称为“生命的语言”，他们为了把“生命的语言” “逐字表述出来，让 DNA 通过一系列语言的测试，测试的结果令人惊讶：一部分 DNA 显示的文字，其构造竟然同天然的语言十分相似，而另一部分 DNA 显示的文字则形同“天书”，完全不像天然的语言，而这一部分 DNA 恰恰含有能编译密码、制造蛋白质的基因。