双螺旋-第17章

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蛋白质的新观点，更没有指出蛋白质如何工作和怎样合成出来的。他的胜利似乎没有导致很多新实验，或者说没有开辟思维的新前景，而是仅仅指出了使用他的结构分析方法可以达到多大的深度。与此同时，在剑桥布喇格实验室的佩鲁兹和肯德鲁一直从事于两种载氧蛋白质——血红蛋白和肌红蛋白的结构研究。由于当时使用工具的限制，他们要完成的任务是非常困难和复杂的，因而他们的进展是很缓慢的。鲍林的光辉胜利给剑桥小组很大的震动。但是，他们仍然坚定地干了下去。他们应用新的技术和更加有效的计算机对X射线照片做了复杂的数学分析。这样经过几乎十年的艰苦劳动，佩鲁兹和肯德鲁终于搞清楚了他们各自的蛋白质的全部三维结构。

　　1951年，鲍林成功地建立多肽链的基本结构以及同威尔金斯的一次偶然相遇，鼓舞着沃森试图搞清楚DNA分子的结构。威尔金斯在伦敦对DNA已经进行了很久的X射线晶体学分析，而沃森当时刚刚拿到博士学位正在哥本哈根继续进行他的噬菌体工作。为了学到X射线方面必要的技术，沃森到剑桥与肯德鲁一起工作。在剑桥，沃森遇到了克里克。克里克当时已经想到，DNA的三维结构对于了解基因的性质是很重要的。于是，沃森和克里克合作，在1953年春天发现了DNA分子是一个包括两条相互缠绕的多核苷酸链的双螺旋。DNA双螺旋是自身互补的，其中一条链的腺嘌呤核苷酸对应另一条链的胸腺嘧啶核苷酸，同样，鸟嘌呤核苷酸对应胞嘧啶核苷酸。这两组相互对应的核苷酸都是由氢键维系着。双螺旋中全部核苷酸皆是如此。

　　乍一看，自身互补的DNA双螺旋结构与两年前鲍林发现的α螺旋非常相似，特别是专一的氢键在α螺旋中也起着重要的作用。再一看，宣布DNA双螺旋结构其实是一个具有不同性质的重要事件。首先，在鉴定双螺旋结构的过程中，沃森和克里克首次引人了遗传学推论方法，因为这种鉴定要求DNA高度有规律的结构，必须在两条链上同时包含任意碱基顺序的信息因子。其次，与蛋白质α螺旋不同，DNA双螺旋的发现丰富了人们的想象力并为今后理解遗传物质如何表现功能开辟了道路。

　　DNA双螺旋结构是结构分析和遗传学概念相结合的光辉典范，它开辟了分子生物学的新纪元。沃森和克里克不仅仅是这个新纪元的开拓者，而且在以后的十年中，在分子生物学研究方面，他们仍处于主导地位。特别重要的是，他们是分子生物学的“中心法则”的主要创始人，而这一法则后来又对大量关于基因性质的研究起了指导作用。

　　中心法则表示一系列的信念。这些信念对DNA赖以获得自我催化和异体催化这两种基本功能的机制提供了清晰的说明。中心法则用最简单明了的形式指出，自我催化功能是一个单一步骤的过程。在这个过程中，DNA分子直接作为模板合成自身的DNA复制多核链。但是，异体催化功能则是两步过程。在此过程中，第二类核酸（RNA）参与作用。第一步，DNA作模板合成一个RNA多核链，DNA链中的碱基顺序又转录于这个多核链上。第二步，用细胞内蛋白质合成机器将RNA变换成一定结构的多肽链。必须注意，中心法则的一个基本特征是从DNA到蛋白质的单向信息流；这种单向信息流是永远不可逆的。

　　关于DNA的这种异体催化功能的观点是以另一个附属法则为基础的，不过这种看法在当时并没有得到证实。这一附属法则（亦称“顺序假说”）认为，一种蛋白质分子精确的空间构象，以及与此相关的生物功能的特异性，完全取决于构成多肽链的那二十种氨基酸的特定排列顺序。因此，构成与某一基因相对应的一段DNA的四种核苷酸的特定顺序的“意义”，不外乎决定某种多肽链的氨基酸排列顺序。

　　至于自我催化功能，沃森和克里克认为，亲代DNA分子的两条互补的相互缠绕的多核苷酸链首先分离，然后才能得到它自己的复制本。两条亲代链皆可作为模板合成它自己的互补子代链。从中心法则的观点看，基因突变可以看作是在模板复制过程中出现的细微误差，这种误差导致了DNA的核苷酸顺序发生变化。显然，这些变化引起了相应的基因编码的遗传信息的变化。大约化了五年时间，人们才证明了自我催化功能观点基本上是正确的。

　　对于异体催化功能的理解，一开始似乎就比自我催化功能复杂得多，因此经过了更大的努力，化费了更长的时间之后才搞清楚。中心法则及其附属“顺序假说”使人们相信有遗传密码的存在。这种遗传密码把DNA的核苷酸顺序与相应多肽链的氨基酸顺序联系了起来。稍微思考一下很快就可以看出，遗传密码非常简单，其实就是在DNA中至少有三个连续的核苷酸对应多肽链中一个氨基酸。这就是说，四种核苷酸每次取三个；则总共有4X4X4=64个不同的密码子。因此，蛋白质中的二十种氨基酸，其中每一种至少可有一个这样的密码子来表示。由于密码子的种类比氨基酸的种类多，所以，一种氨基酸可能有不止一种密码子。在沃森和克里克发现DNA双螺旋后不久，就已推论出了密码子的这种情况，而且，字宙物理学家加莫（George　Gamow）在1954年就已以文字形式发表了这种观点。但是，直到1961年，才最后证明遗传密码确实含有一种语言，在这种语言中，DNA的多核苷酸链在多肽翻译过程中念为3X3。克里克是用带有突变基因的噬菌体进行纯形状性质的遗传实验证实这一观点的。

　　异体催化功能的形状和信息原理，业已得到证明，这当然是件很有意义的事。但是，为了搞清楚它的分子机制，就需要运用生化方法去打开分子结构的奥秘，因为正是这种分子结构实际上影响着中心法则的转录和翻译。运用生化方法的第一个结果，是认识到核糖核蛋白体是细胞内蛋白质合成的部位。核糖核蛋白体是一种小的颗粒，由三分之一的蛋白质和三分之二的RNA所组成。活细胞内有大量核糖核蛋白体。但是，基因编码的遗传信息是如何通过核糖核蛋白体转变成多肽链的氨基酸顺序的呢？为了回答这个问题，1961年雅柯布（Francois　Jacob）和莫诺德提出，按照中心法则，首先由基因的核苷酸顺序转录出称为信使RNA的核酸。这种信使RNA分子与核糖核蛋白体表面相结合后，再由信使RNA的核苷酸顺序以密码子为单元翻译为多肽链的氨基酸顺序，在翻译过程中，信使RNA正象录音带穿过录音机一样穿过核糖核蛋白体。沃森和他的学生们在阐明核糖核蛋白体的结构、信使RNA形成的机制以及信使RNA翻译成蛋白质等方面都做出了重要的贡献。当信使RNA穿过核糖核蛋白体时，信使RNA是如何指导氨基酸排列成早就确定了的正确顺序的呢？1958年，在信使RNA的概念尚未明确提出以前，克里克就对这个问题提出了他的看法。他认为，二十种不同的氨基酸不可能以一种特别方式与RNA模板的核苷酸三联体直接发生作用。因此，他提出一个“适应子”核苷酸的概念。任何种类的氨基酸在进入多肽链以前首先要装配在适应子上。这种适应子被认为含有一个三联体核苷酸，即“反密码子”。反密码子按沃森…克里克碱基对原理与表示带有该适应子的那个氨基酸三联体核苷酸密码子互补配对。适应子上的反密码子核苷酸与信使RNA上的相应密码子核苷酸形成特定的氢键，从而将带有该适应子的氨基酸带到核糖核蛋白体上的预先确定的适当位置。适应子假说提出后不久，研究蛋白质合成的生物化学家就发现了一整套专一的酶和专一的化学反应；并且逐渐认识到它们与适应子假说的内容非常相似。首先，发现了一类小分子RNA，即tRNA。它有八十个左右的核苷酸。每个细胞都含有几十种不同的tRNA。每一种tRNA都能与一种氨基酸，而且只能与一种氨基酸相结合。这种tRNA后来证明就是克里克预见到的适应子，因为它有一个与密码子互补的反密码子。其次，发现了一批酶。这种酶能催化一种氨基酸与相应的tRNA分子结合。这些能使每一种氨基酸和宫的相对应的转移RNA接头的酶就成为遗传的词典，亦即能识别遗传密码的细胞工具。

　　遗传密码的破识是由一个不知名的年轻生化学家尼伦伯格（MarshllII　　Nlrenber功开始的。1961年春天，尼伦伯格研究出了一个无细胞体系，这种体系能将氨基酸结合殓多肚之中。实际上，他并不是研究蛋白质休外合成的第一人。但是，他的体系与前人相比，有一个重大的优点。在他的体系里，多肤的合成有赖干将信使RNA加入到反应混合体中去。这就为通过加入任意的信使RNA从而在体外合成专一的多肽链提供了一个切实可行的途径。尼伦伯格把人工合成的只台有尿嘧啶核苷酸的均聚的多核苷酸（与含有四种核苷酸的天然信使RNA不同）加到无细胞体系中，他得到了一个意想不到的结果。在体外体系中加入人工均聚的信使RNA可以合成均聚的多肽，即只含有一种氨基酸的多肚一聚苯丙氨酸。这个实验结果只能有一个意义：即在遗传密码中，U　U　U（U表示尿嘧啶核苷酸）三联体为苯丙氨酸的密码子。1961年8月，在莫斯科国际生物化学代表大会上，尼伦伯格宣布了他鉴定的这第一个密码子。这件事引起了全场轰动（克里克后来写道，他就感到象“触了电”一样）。这样一来，也就一下子能够直接运用化学实验来破译遗传密码了。因为，将各种已知成分构成的合成信使RNA引入无细胞蛋白质合成体系，其效果变得可以检验了。莫斯科国际生化会议开始了一场破识遗传密码的竞赛。结果六十四种密码子全部破识。到了本世纪六十年代中期，DNA自我催化和异体催化功能的一般性质已经基本上搞清楚了。通过互补氢键的形成，DNA获得了双重功能。一是作为模板合成自身的复本，完成DNA的自我催化功能。二是转录成mRNA，然后在蛋白质合成中，mRNA通过与（RNA的反密码子形成互补氢键完成它独特的异体催化功能。中心法则结果证明基本上是正确的。在没有借助物理学和化学未知原理的情况下，基因的奥秘揭开了。沃森和克里克早已发现，同类物质循环繁衍，其过程看来就是互补氢键的形成过程。






作者简介


詹姆斯·沃森（James　Dewey　Watson）于1928年　4月6日出生于芝加哥，16岁入芝加哥大学学习，1947年得动物学学士学位。此后，他在印第安纳大学做研究生，在卢里亚的指导下，完成了一篇关于X射线对细菌病毒的致死作用的论文，1950年得哲学博士学位。接着，沃森得到美国国家科学研究委员会默克博士奖学金的资助，先在哥本哈根大学和丹麦国家血清研究所的卡尔喀和马勒实验室工作，后又到剑桥大学卡文迪什实验室工作。不过，他在剑桥与克里克合作共同发现DNA双螺旋期间，则完全是靠美国国家小儿麻痹症基金会的奖学金资助的。1953年秋，沃森离开卡文迪什实验室到加州理工学院任高级研究员，名义上是在负责德尔布吕克实验室的、其实已经名存实亡的遗传学研究工作。因为，当时德尔布吕克本人对基因问题已不再感兴趣了（他认为这个问题现在已有一些杰出人才在进行）。德氏此时已经开始研究活细胞把太阳能转换成化学能或电能的机制。

　　　　1956年，沃森在哈佛大学生物系任教，在那里创建了一个实验室。一代有建树的分子生物学家就是在这里培养出来的。由于发现DNA结构，沃森和克里克及威尔金斯共同获得1962年度诺贝尔医学和生理学奖金。同年，佩鲁兹和肯德鲁获得诺贝尔化学奖金。1968年，沃森离开哈佛转到冷泉港实验室担任指导工作。这是一所规模较小的生物科学研究站，位于长岛北岸。德尔布吕克曾在噬菌体小组筹组期间，将此处选为研究中心。

　　六十年代中期，分子生物学已逐渐成为一间受到确认的独立学科。这时，沃森决定写一本叫做《发现DNA结构的个人记事》的书。哈佛大学出版社同他签订合同，准备出版他的回忆录。在1966…1967年间，他将初稿送给书中涉及的人员传阅。那时，这本书定名为《诚实的吉姆》。这份初稿遭到了猛烈的批评，但并不是由于作者对某些历史事实记述得不够确切或者作者在自我吹嘘，而是认为作者对很多人的描写没有必要如此尖刻，或者说，有些言论显得简慢无礼。由于这些批评，沃森删去或至少是冲淡了一部分过于触犯人的章节，又补写了一个“尾声”，公开恳请人们纠正那些作者的记忆与他们有出入的地方。作者触犯得最厉害的可能要数罗莎琳德·富兰克林了。但是那时既然她已离开人世，不能再应作者的请求提出什么意见，作者因此同意承认它“对她在学术和个人品德方面的最初印象（书中最初几页曾有记录）常常是错误的”。作者在“尾声”的最后部分，对富兰克林大加赞扬。可以看出，作者在努力纠正书中对她形象所作的含有贬意的描写。但是，正象本书引证1968年2月25日《纽约时报》所说的那样，由于沃森显然没有按批评者的意见把那些过分触犯人的章节作出较为满意的修改，哈佛大学出版社奉命取消了出版该书的合同。这时，书名已改为《双螺旋》了。后来，一家商业出版社——阿森纽（Atheneum）于1968年2月26日出版了这本书。就在出版前不久，《双螺旋》一书曾稍作修改首先在《大西洋月刊》（Atlantic　Monthly）一月号和二月号上分期连载，1969年门特书局（Mentor　Books）出版了平装本。