MyScience三思言论集 mysci.yeah.net ——————————————————————— 詹姆斯·沃森《双螺旋——发现DNA结构的故事》 　　 脱氧核糖核酸结构的遗传学意义 　　沃森和克里克 　　1953年5月30日 　　活细胞中脱氧核糖核酸（DNA）的重要性是无可争议的。在一切分裂着的 细胞中，DNA如果不是全部，至少也是大部分存在于细胞核内。DNA是染色 体的主要组成成分。很多证据部说明它是染色体一部分（如果不是全部）遗传 性状的携带者，也可以说它本身就是基因。但是，至今尚无证据能够说明遗传 物质究竟是怎样进行精确自我复制的。 　　最近，我们提出了一个脱氧核糖核酸盐的结构模型。这个模型如果正确的 话，就直接地解释了遗传物质自我复制的机制。与我们的前文同时发表的伦敦 金氏学院学者们的X射线资料，定性地支持我们的结构模型而与以前提出的所 有结构模型都是矛盾的。虽然这一结构模型尚需更多的X 射线资料加以证实， 我们充满信心地认为，现在就讨论它的遗传学意义是正确的。为此，我们假定 脱氧核搪核酸盐的纤维并非由于制备方法而产生的矫作物。威尔金斯及其同事 们曾经指出，由分离出的DNA纤维和某些完整的生物材料，如精子头部和噬 菌体颗粒等，同样可以得到类似的X射线图谱。 　　脱氧核糖核酸的化学结构现在已经完全确立了。如图1所示，它是一个很 长的分子，以有规律地交替出现的糖和磷酸构成其骨架。每一个糖联结一个含 氮碱基，而碱基又有四种不同的类型（我们认为5-甲基胞嘧啶与胞嘧啶等同， 因为两者在DNA结构中皆能很好地参与碱基配对）。两种可能出现的碱基—— 腺嘌呤和鸟嘌呤为嘌呤；另外两种——胸腺嘧啶和胞嘧啶为嘧啶。迄今所知， 多核苷酸链中碱基顺序是无规律的。由磷酸、糖和碱基构成的单体称核苷酸。 　　我们这个具有生物学意义的结构模型的第一个特点，在于它不是由一条而 是由两条（多核苷酸）链所构成。这两条链皆绕一个共同的纤维轴旋转，如图 2所示。一般认为DNA汉有一种化学结构形式，因此螺旋结构中只应有一条链。 但是，X射线所得密度图强有力地证明螺旋结构中有两条链。 　　另一个有生物学重要意义的特点是这两条链维系在一起的方式。这种方式 表现为碱基间形成的氢键，如图3所示。碱基以配对方式联结在一起，即一条 链上一个碱基与另一条链上上个碱基通过氢键联结在一起。关键问题在于螺旋 结构中仅能形成某些专一的碱基对，为了维系两条链，碱基对中一个碱基是嘌 呤，另一个则必定是嘧啶。否则，如果一个碱基对包含两个嘌呤，两条链之间 则容纳不下。 　　我们相信，碱基几乎完全以常见的互变异构形式存在。果真如此的话，形 成氢键的条件则是非常严格的。仅能形成的碱基对为： 　　腺嘌呤与胸腺嘧啶 　　鸟嘌呤与胞嘧啶 　　碱基间形成氢键的方式如图4和图5所示。碱基对能以两种方式形成。例 如，两条链上都可能出现腺嘌呤。一条链上出现腺嘌呤，则另一条链上和它配 对的碱基必是胸腺嘧啶。反之亦然。 　　最近的分析结果指出，在测定过的各种来源的DNA样品中，腺嘌呤的数 量接近胸腺嘧啶的数量，鸟嘌呤的数量接近胞嘧啶数量。但是，腺嘌呤与鸟嘌 呤的比值则因来源不同而不同。这些分析结果强有力地支持碱基配对法则。事 实上，多核苷酸链的碱基顺序如果是无规律的话，除了求助于我们的配对法则 外，要解释这些分析结果是很困难的。 　　我们的结构模型中磷酸和糖的骨架是完全规则的。而在这种结构中任意碱 基对顺序都是合适的。这一模型说明，在一个很长的分子中可以有很多交换不 同的碱基排列顺序。因此，这似乎表明严谨的碱基顺序就是携带遗传信息的密 码。如果已知两条链中一条链的碱基顺序，根据专一碱基对法则，可以准确无 误地写出另一条链的碱基顺序。可见，一条链与另一条链是互补的。正是这一 特点表明了脱氧核糖核酸分子是如何自我复制的。 　　以前讨论目我复制通常要涉及样板或模板这个概念。曾经提出过直接自我 复制的样板论，也有过由样板产生“副本“，“副本“反过来作样板再产生初始 的“正本“的说法。但是，这两种观点都没有具体解释这一过程是如何在原子 和分子水平上进行的。 　　现在，我们的脱氧核搪核酸模型实际上是一对样板。这两条祥板是彼此互 补的。我们假定，在复制之前氢键断裂，两条链解开并彼此分离。然后，每条 链都可以作为样板，在其上形成一条新的互补链。这样，我们最后得到了两对 链，而此前我们汉有一对链。而且，在复制过程中，也是严格符合碱基对顺序 的。 　　仔细琢磨一下我们的模型表明，如果一条链（或它的有关部分）呈螺旋结 构，复制就很容易进行。我们设想，细胞在其生活阶段中合有大量游离核苷酸 （严格他讲应是多核苷酸的前体）可以被细胞利用。游离核苷酸的碱基常常通 过氢键与链上一个碱基配对。我们现在假定，如果新合成的链可以形成我们设 想的这种结构，则生成新链的单体聚合化反应才有可能进行。这种观点表面上 似乎是讲得通的。除非这些核苷酸是形成我们的结构所必需的，否则，由于位 阻效应，它们就不能在初始的链上“结晶”并彼此接近最终联成一条新链。这 种聚合化反应是否需，要一个专一的酶，或者已有的单股螺旋是否可以有效地 起到酶的作用。这些都是尚侍进一步研究的问题。 　　因为我们的模型中两条链是相互缠绕在一起的，要分开它们必须解除这种 缠绕。两条链每34埃缠绕一周，因此，一个分子量为一百万的DNA约有150 周螺旋。不管染色体具有怎样精细的结构，仍然需要有相当数量的非螺旋部分 存在。显微镜观察的结果明确指出，在染色体有丝分裂中出现很多缠绕部分和 非缠绕部分。尽管这是宏观现象，大概也反映了分子水平上的类似情况。要并 井有条地弄明白这些过程是怎样发生的，虽然现在还有困难，我们觉得上述的 看法还是值得考虑的。 　　在前文中，我们提出的结构模型仍然有值得商榷之处。两条多核苷酸链之 间可以摆一条多肽链围绕同一螺旋轴旋转。邻位磷原子之间的距离为7.1埃， 与完全伸展的多肽链一个周期的距离非常接近，这或许有某种意义。我们认为， 在精子头部或核蛋白体矫作物之中，多肽链大概占据着这个位置。关于DNA 已发表的X射线图中，出现比较微弱的次级谱线（second layer-1ine）与这种观 点粗略地相符合。蛋白质在这里的功能可能是控制DNA链是否缠绕，有助于 将一条多肽链维持在螺旋构型之中，或者表现其他非专一性的作用。 　　我们的模型也为其他一些现象提供了可能的解释。例如，自发变异可能是 由于一种碱基偶尔以它不常有的互变异构体形式出现而产生的。另外，在减数 分裂中，同源染色体的配对可能也依赖于专一的碱基配对。我们将另外详细讨 论这些问题。 　　现在，我们提出的脱氧核糖核酸复制的一般概念，应该看作是一种推测。 即使这种观点是正确的，要详细描述遗传复制机制尚需很多新的发现。多核苷 酸的前体是什么？什么力量促使两条链解开？蛋白质的确切作用是什么？染色 体究竟是一对长的脱氧核糖核酸链，或者它包含一束由蛋白质联结在一起的核 酸链？ 　　尽管这些都是不能肯定的问题，我们觉得我们提出的脱氧核搪核酸结构可 能有助于解决一个基本的生物学问题——遗传复制中样板的分子基础。我们提 出的假说是，祥板是由一条脱氧核糖核酸链的碱基组成的图案，而基因包含着 这种样板的互补碱基对。 　　作者之一（沃森）由美国小儿麻痹症国家基金会奖学金资助。 　　剑桥卡文迪什实验室，医学研究委员会生物分子结构研究单位 　　参考文献 　　[1] Watson，J．D，，and Crick，F.H，C.,Nature，171，737（1953). 　　[2]Wilkins，M，H．F.,Stokes，A，R.,and Wilson，H.R.，Nature，171，738 （1953), Franklin，R.E.,and Gosling，R，G.，Nature,171，740（1953). 　　[3](a) Astbury，W.T，Symp．Soc.EXp.BiCl.,No.1，66（1947）. 　　(b) Furberg，S．，Acta.Chem.Scand．，6,634（1952）. 　　（c)Pauling，L.，and Corey，R.B.,Nature，171，346（1953）. Proc.Nat．Acad. Sci.U，S.，39，84 （1953）. 　　（d)Fraser，R.D.B，，（in prcparation）. 　　[4]Wilkins，M.H，F.，and Randal1，J．T.，Biochim. Biophys．Acta，10， 192（1953）. 　　[5]Chargaff，E.，for references see Zamenhof，S．，Brawerman，G., and Chargaff，E., Biochim， Biophys．Acta,9，402（1952).Wyatt，G.R.,J．Gen.Physio1，， 36，201（1952）.