生 命 奇 葩-第19章
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
1962年，沃森、克里克及威尔金斯由于成功地建立了DNA双螺旋结构模
型而同获诺贝尔奖金。而英国著名女科学家富兰克林却没有得到这样的荣
誉。然而人们在1953年4月25日的《自然》杂志上却看到了富兰克林的一
篇对DNA双螺旋模型热情洋溢的支持性文章。她高尚的科学道德受到后人的
赞扬。
如果我们给这个DNA双螺旋结构的“楼梯”的“梯级”都标上不同的颜
色，能够有助于我们理解，这四种不同颜色的“梯级”的不同次序的排列或
许就是一切生物之所以有如此惊人差异的原因。
在一个DNA很长的分子里，大概有1万个“梯级”。在一个人体细胞里
的46个染色体内或许有46万个排列不同的“梯级”，而一个人体的细胞总
数大约为一千亿个以上。这些“梯级”排列顺序的不同，决定了生物之间惊
人的差异，就好像千歌万曲也仅仅是只用了8个或12个音符谱成，而英语里
千千万万个单词也只不过由26个字母组成是一样的道理。
所以我们完全有根据说，在DNA螺旋体内，四种“梯级”不同的排列方
式使一株花、一只蝴蝶或一个婴儿产生了他们各自所有的一切复杂部分。也
正由于这四种“梯级”不同的排列方式，决定了全世界50多亿人口中找不到
两个完全一模一样的人。
然而DNA并不只是传递信息而已，这种模型的令人惊异之处还在于它能
够精确地自我模拟，科学家们都管它叫“自我复制”。沃森和克里克接着证
明了自我复制首先是DNA螺旋体自我松开，然后是两个链散开来。现在对于
科学家来说，一个很大的考验就是能否制造 DNA，如果做到了这一点，一切
问题便迎刃而解了。说不定有一天，我们能够利用人体细胞里的DNA来“培
育”出一只新的手、一条新的腿或一个新的胃，用于医学上的移植呢！
沃森和克里克发现了DNA分子模型，加深了人们对生命本质的认识，同
时也标志着在遗传物质的认识史上出现了一个新阶段。生物史学家艾伦是这
样评论他们的成就的：“沃森、克里克的功绩在于将信息、结构与生物化学
揉在一起研究遗传的问题。这个认识对于获得遗传的精细结构，直到每个键
角和不同原子及原子群之间的距离都是本质的。”
在生物学史上，一般把1953年沃森、克里克建成的DNA分子双螺旋结构
模型看作为分子生物学的开端。科学发展的实践也证明，他们这一创造性的
发现大大地促进了生物科学在分子水平上的研究，使生物学的面貌焕然一
新。这个模型也成为20世纪生物科学的最重要发现。
… Page 88…
基因结构的惊人复杂性
——罗伯茨、夏普发现隔裂基因
美国纽约长岛北岸的冷泉港是一处避暑胜地。每年夏季，来自全美各地
以及相当一部分来自世界各地的生物学家会聚集于此，把夏日休假的愉快闲
适和促进科学的交流讨论结合起来。从 1933年起，一年一度的冷泉港定量生
物学讨论会更吸引了全世界生物学家乃至全世界科学家的注意。比德尔的“一
基因一酶”假说、沃森和克里克的DNA双螺旋结构模型、麦克林托克的“可
移动遗传因子”等等，其正式研究论文都是首先在冷泉港定量生物学讨论会
上报告的，从而极大地推动了生命科学的发展，并获得诺贝尔奖。
1977年的冷泉港定量生物学讨论会又开始了。当时与会者虽然都想到会
议可能会传出惊人的消息，但当他们听到两项关于腺病毒2基因组的研究报
告后，仍然个个目瞪口呆。这两项报告分别是由罗伯茨领导的研究小组和夏
普领导的研究小组提出的。
这两个研究小组发现了什么？为什么它会出乎所有人的意料之外？
原来，分子生物学发展到70年代末，关于DNA通过转录把遗传信息传递
至mRNA，然后按照遗传密码翻译成蛋白质，从而决定代谢、性状等这样的基
因表达途径早已弄清。基因的转录产物，即mRNA分子，从5′端到3′端是
个连续不断的分子，当然是从DNA上相应的一段连续不断的序列转录下来
的。这似乎成了天经地义的事，从来没有任何人对此有任何怀疑。1976年测
定了大肠杆菌MS2噬菌体（一种RNA噬菌体）的全核苷酸序列，1977年测定
了大肠杆菌ΦΧ174噬菌体（一种DNA噬菌体）的全核苷酸序列，同时也确
定了这2种噬菌体各个基因在核酸分子上的起讫点，发现在基因和基因之间
是可能有不编码的间隔区的，但是，基因内部是不是也有间隔区，是任何人
想都不会去想的问题。
罗伯茨小组和夏普小组选择的研究对象都是腺病毒2。这是一种感染人
呼吸系统细胞的病毒。当时人们对病毒感染真核细胞的过程已经基本弄清。
像腺病毒2这类DNA病毒感染真核细胞后，在病毒DNA复制之前，已经有mRNA
的转录，这部分转录产物称为早期mRNA；在病毒DNA复制之后的转录产物则
称为晚期mRNA。罗伯茨小组的工作是先用特定的限制性核酸内切酶把腺病毒
2基因组DNA切割成一定长度和一定序列的“限制性片段”，然后以早期mRNA
和晚期mRNA分别同这些限制性片段作DNA…RNA分子杂交，以此来测定各个
mRNA分子也就是各个基因在病毒DNA上的起讫点。出乎他们意料的是腺病毒
2的晚期mRNA其5′端竟与两个不相邻的限制性片段都能杂交。这就是说，
腺病毒2晚期基因的转录产物即晚期mRNA，从5′端到3′端是个连续不断
的分子，却是从DNA上不相连续的片段转录下来的。
换句话说，基因内部也有间隔区，基因的编码序列是被不编码的间插序
列隔成一段一段的。夏普小组的研究报告与此类似。后来把具有这种结构特
色的基因称为隔裂基因。一段DNA片段所构成的一个基因竟是被隔成一段一
段的，这太出乎所有人的意料之外了，但却是事实。罗伯茨小组和夏普小组
正是出于尊重事实，把他们的研究结果一五一十地在冷泉港讨论会上作了报
告，一下子震惊了整个冷泉港，震惊了全世界。
参加冷泉港定量生物学讨论会的生物学家们立即联想到，病毒感染真核
… Page 89…
细胞后，其基本的生命过程即病毒基因组的复制、转录、翻译所用的酶系都
是利用宿主细胞即真核细胞的酶系，那么，既然病毒的基因是隔裂基因，真
核基因会不会也是隔裂基因呢？
冷泉港的冲击波促使法国斯特拉斯堡的全国科学研究中心真核生物分子
遗传学研究室主任、著名的香邦教授和正在该研究室从事博士后研究工作的
布雷思纳克重新考虑他们早先的一项实验。那是一项关于鸡的卵清蛋白基因
的实验。他们的本意是想探查为什么鸡的输卵管细胞在鸡产卵时卵清蛋白基
因能大量表达而鸡的红血球细胞在任何时候都不表达该基因。他们采用的方
法也是先分离到鸡卵清蛋白的mRNA，然后通过逆转录酶制备成cDNA，已知该
cDNA中没有限制性核酸内切酶EcoRⅠ和HindⅢ的切割位点，也就是说，按
常理推断，与该cDNA对应的鸡卵清蛋白基因整个儿在1个EcoRⅠ或1个Hind
Ⅲ的限制性片段之内。用该cDNA与经过EcoRⅠ或HindⅢ切割过的鸡输卵管
细胞或鸡红血球细胞DNA作分子杂交时，都只能出现1个杂交片段。但他们
却意外地观察到并不止一个杂交片段。他们无法解释这一结果，便如实地在
1977年春欧洲分子生物学组织的学术会议上作了报告。与会者也都无法解释
这一结果，大多数人认为这是他们在实验操作中造成的人为假象。当年夏季
的冷泉港冲击波传到欧洲后，使他们坚信他们关于卵清蛋白基因的研究结果
决不是实验操作中有什么差错，激励他们把原有的实验更精致地进行下去。
很快他们就查清鸡的卵清蛋白基因被隔裂成8段。真核基因果然也是隔裂基
因。
1977年下半年到1978年初，其他一些实验室也接连报告了一批真核基
因是隔裂基因，包括兔β珠蛋白基因、小鼠免疫球蛋白基因、酵母tRNA基因、
果蝇rRNA基因等等。此后，隔裂基因的报告越来越多，终于使人们认识到，
隔裂基因乃是真核基因普遍的特征性结构。以人类为例，迄今已查清的人基
因中，除干扰素基因等极个别的例外，全都是隔裂基因。
隔裂基因中的编码序列，即出现于mRNA中的相应DNA序列，称为“外显
子”；隔裂基因中的间插序列，即不出现于mRNA中的相应DNA序列，称为“内
含子”。不同的基因其内含子数目有多有少。人类的各种珠蛋白基因都只有
2个内含子；人类有一种在肌肉细胞内表达的DMD基因 （这个基因突变后会
导致著名的遗传病“假性肥大型肌营养不良”），至少有78个内含子，把基
因隔裂成至少79个外显子。一般来说，内含子的长度反而远远超过外显子的
长度。例如，DMD基因总长为230万至240万碱基对，其mRNA（代表相应的
外显子）长度仅为1。4万碱基对。早年估计一个基因约长1000碱基对，真是
需要大大地修正了。
基因转录时，起初是形成一个“前转录物”，那是包含相应于外显子、
内含子的序列都在内的mRNA前体分子，然后，通过“剪接”，即“剪”去相
应于内含子的序列，把相应于外显子的序列“接”起来，形成成熟的mRNA
分子。假如剪接过程有一丝一毫的差错，那怕只差错1个核苷酸，mRNA上的
遗传信息就全乱套了。是什么保证了剪接的精确性呢？香邦和布雷思纳克分
析了当时已发现的90个内含子，发现每个内含子转录物都是从GU（DNA上为
GT）开始，以AG结束，无一例外，从而提出了香邦…布雷思纳克法则即“GT…AG”
法则。“GT…AG”法则保证了剪接的精确性，其突变会导致剪接错误。已经发
现人类的一种β地中海贫血就是由于剪接点的突变造成的。
不同的剪接方式包括不同的转录起始点可使一段 DNA转录成不同的
… Page 90…
mRNA。上面提到的人DMD基因总长230万至240万碱基对，就是因为它在肌
肉中表达时，作为转录单位的基因长230万碱基对，而在脑中表达时，由于
转录起始点比起在肌肉中表达时要更上游10万碱基对，因而总长240万碱基
对。这样，“一基因一酶”或“一基因一多肽”的概念也要加以修正了。
总之，在研究真核基因时，一切都要从隔裂基因这一特征来考虑。
1993年，罗伯茨和夏普因发现隔裂基因而共同获得诺贝尔医学生理学
奖。应该说，香邦与布雷思纳克在隔裂基因的发现和深入研究所作出的贡献
是很大的。无论是罗伯茨还是夏普还是香邦与布雷思纳克，都具有“尊重事
实”这一崇高的科学家品质。香邦与布雷思纳克仅仅是因为所发现的事实较
为复杂，一时难以解释，所以虽然发现的时间比罗伯茨和夏普早几个月却未
能获奖。不管怎样，这三个研究小组“尊重事实”的优秀品质，都是所有从
事科学研究的人应该效法的。
… Page 91…
放大了几十万倍的DNA样品
——马利斯发明基因扩增技术
1983年4月的一个星期五晚上，38岁的马利斯正手把方向盘，在月光下
驾车行驶在通往北加利福尼亚红杉林县蜿蜒曲折的山间公路上。谁都未曾料
到，在这3小时的旅程中，他会灵机一动想出一项对人类发展影响十分深远
的技术，这就是聚合酶链反应（PCR）体外基因扩增技术。只过了10年，马
利斯就因此而获得1993年诺贝尔化学奖。
马利斯1945年出生于美国南卡罗来纳州哥伦比亚市。1962～1964年在
佐治亚州亚特兰大市的佐治亚技术学院学习化学，获学士学位。1966～1972
年在加利福尼亚州伯克利城的伯克利加利福尼亚大学攻读生物化学博士学
位。获学位后，到堪萨斯州劳伦斯市的堪萨斯大学医学院和旧金山加利福尼
亚大学做博士后。1979年受雇于加利福尼亚州埃默利维尔市的塞特斯公司。
马利斯从小就对科学表现出浓厚的兴趣。成年后，他的兴趣更为广泛，
还曾涉足于诗歌、散文、小说、摄影、音乐等领域，思维十分活跃。用他母
亲的话说，“他的头脑是超人的。”然而，塞特斯公司雇用他，是要他专门
为用户合成一种叫做“寡核苷酸探针”的分子。寡核苷酸是核苷酸以特定序
列排列的短链，能特异性地结合单股DNA中互补的核苷酸序列，因此在以放
射性同位素标记后就可以作为探针去检测DNA样品中是否含有特异性的核苷
酸序列，是分子生物学研究的一项极其重要的工具。不过，合成寡核苷酸探
针的工作本身却因为有了自动化的合成仪器而成为一项简单的重复劳动。到
了1983年，马利斯对这项索然无味的工作已经完全没有兴趣了，实验室冰箱
里堆满了自动化仪器制造出来的寡核苷酸分子，马利斯的脑子也有条件可以
去思考许多别的问题了。
那天晚上马利斯在驾车时思考的问题是如何改进英国科学家、两次诺贝
尔奖获得者桑格所建立的DNA序列测定技术。他认为他的改进方案十分简
单：加热使DNA双链解开成为单股 （分子生物学上称为“变性”），合成1
对分别与每一单股上某段序列互补的寡核苷酸作为“引物”，并使之与每一
单股按互补序列结合（分子生物学上称为“退火”），在4种三磷酸双脱氧
核苷存在的情况下加入DNA聚合酶，使引物按所结合的DNA模板的序列延伸
其互补核苷酸，根据所延伸的互补核苷酸就可以知道模板上的核苷酸，从而
测定模板DNA上核苷酸的排列序列。马利斯接着思考各种可能使他的改进方
案出现差错的种种问题，其中最大的问题是假如样品不纯，含有游离的三磷
酸脱氧核苷，就会取代在实验时加入的三磷酸双脱氧核苷而干扰实验结果。
马利斯几乎每行驶1英里，就会萌发出一种可能的解决方法，但都是一
想出来就被否定了。后来，当他往下驶向安德森谷时，突然产生了一种从美
学和经济学角度都引起他极大兴趣的想法：分两次使用DNA聚合酶，即在正
式反应之前，先用DNA聚合酶预先进行一次假反应，把混入样品的三磷酸脱
氧核苷去掉。
想到这里，马利斯的思路一下子跳跃到了一个全新的高度：分两次使用
DNA聚合酶，进行2次反应，实际上使DNA样品又加倍了！
马利斯兴奋极了！他开始心算2的各次方：他大致记得2的10次�
