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DNA双螺旋结构的复杂历史

来源:本站原创 2018-05-12 07:02

2018年5月12日/生物谷BIOON/---自从James Watson和Francis Crick在Nature期刊上发表标题为“Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid”的论文以来,时间已过去了65年。或者,更简单地说,这篇论文首次描述了我们今天所知道的DNA结构。

在1953年之前,发现DNA的实际形状是一群意志坚定的不存在密切关联的科学家的最高目标,他们的努力最终以Watson和Crick在Nature期刊上发表这篇论文而告终。他们的成功之路简直就是一段颠簸的旅程,涉及难堪、误解和一定的艺术才能。
图片来自Zephyris/wikipedia。

到1944年时,人们已知遗传信息储存在DNA中,我们当时也知道RNA的存在,尽管我们并不真正了解它们的功能。实际上,1954年,在Watson和Crick描述了DNA的结构之后,Watson与物理学家George Gamow组建了一个旨在破译它的小组。 这个小组是“Gamow的各种各样的朋友组成的”,它的成员人数达到了20人---就像氨基酸一样,是的,每个人都是一个特定的氨基酸:Watson是脯氨酸,Crick是酪氨酸和物理学家Richard Feynman是甘氨酸。

第一张DNA X射线衍射图由Florence Bell和William Astbury在1938年获得,他们将相应的形状描述为“一连串扁平的与DNA分子的长轴垂直地向外伸出的核苷酸紧密地排列在一起而形成的一种相对刚性的结构”。大致来说,就是梳子的形状。

1951年事情发生了巨大变化,当时一直在研究越来越精确的X射线衍射图的Rosalind Franklin在英国伦敦国王学院展示了DNA的衍射图片。当时与剑桥卡文迪什实验室的Francis Crick一起工作的Jim Watson出席了那次演讲,并向Crick汇报了这一点。他们很快构建出一种DNA结构模型。它的形状类似于螺旋形,但是三条链紧密地缠绕在一起,碱基向外伸出。

Crick和Watson对他们自己的结构模型感到非常兴奋而没有认识到它是错误的:Watson记错了那次演讲的内容,而且他们对含水量的猜测是错误的,这导致他们构建出的DNA形状是错误的。当他们邀请包括Rosalind Franklin在内的一小群人来观看他们提出的崭新的结构模型时,他们最终感到难堪并被他们的实验室负责人William Bragg禁止从事DNA研究。

1952年,Linus Pauling和Robert Corey构建出一种竞争性的结构模型,它的形状与Crick和Watson提出的结构模型相相似,但同样也是错误的。Bragg因对他的竞争对手取得的成功感到沮丧,便允许Crick和Watson重新开始研究DNA。

1953年,Crick和Watson通过分子生物学家Max Perutz获得了Rosalind Franklin收集的新数据。尽管这些数据清楚地提示着碱基旋转角应该是36°,但是Watson再一次错误理解了这些数据,并试图构建一条具有18°碱基旋转角的可形成半双螺旋结构的DNA链。多亏当时的博士生Jerry Donohue的评论,Francis开始构建一种具有36°碱基旋转角的DNA结构模型,将碱基分配在DNA双螺旋的两条链之间。沃森在他的早先尝试中已发现成对的碱基AT和GC具有相同的形状。Crick从中推断出这些DNA链必须是反平行的。DNA的现代形状就此诞生了。

于是他们准备好第二次也是更为成功的观看邀请:除了Franklin之外,Wilkins、Dorothy Hodgkin和Linus Pauling也在场观看了。这些结果此后不久就发表在Nature期刊上。

这篇Nature论文包含了Francis Crick的妻子Odile(她是一位艺术家)绘制的第一幅DNA双螺旋结构图。最后,一幅金色的双螺旋结构图装饰在Cricks家的入口处来欢迎他们的经常到访的客人。

如今,DNA双螺旋结构不仅仅是一种微观有机结构模型:它象征着我们当前对我们自己的理解的支柱。它是进化的主要支柱:它代表我们的历史,影响我们的行为并为我们的未来提供线索。在当前的使用中,它也意味着我们可以优雅地称之为“本质(essence)”的东西:我们说性状存在于某个人的DNA中就像是说它是这个人的一个不可逃避的部分。这种基本性质也在它的比喻用法中展现出来:DNA就好比是于物体、公司、政治运动和艺术运动。DNA的这种符号,即优雅地缠绕在一起的梯子,使得世界各地的科学出版物变得优雅,已成为知识的强大象征。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

The convoluted history of the double-helix

J. D. WATSON & F. H. C. CRICK. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature, 25 April 1953, 171:737–738, doi:10.1038/171737a0

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