沃森和克里克及其 DNA 结构模型的建立

进入到五十年代后，人们对 DNA 已有足够的认识。有科学家提出 DNA 是“模板”的设想。但要了解 DNA 的遗传功能，当务之急是解开 DNA 结构之谜。为此，有三个实验室都在加紧地工作，期望能得到园满的答案。这三个实验室是：一个是由英国伦敦皇家学院的威尔金斯和弗兰克林领导的实验室；一个是美国加州理工学院的鲍林实验室；再一个是剑桥大学的沃森—克里克研究小组。

威尔金斯（M·Wilkins，1916）和弗兰克林（R·Franklin，1920—1958）两位科学家在建立 DNA 分子结构模型上的工作对推动沃森和克里克成功地建立 DNA 分子结构模型有着直接的影响。威尔金斯是新西兰物理学家。 1938 年毕业于剑桥大学物理系，后获博士学位。 1946 年在伦敦皇家学院生物物理系工作。1950 年开始研究 DNA 的晶体结构。他的贡献在于选择 DNA 作为研

究生物分子的理想研究材料，并在方法上采用了“X 射线衍射法”。他认为DNA 的 X 射线研究对于建立严格的分子模型是有帮助的。

最初，X 射线结晶衍射技术是物理学家、结晶学家为测定蛋白质结构而应用的一项技术。这项技术经过不断完善，以后成为解决遗传物质 DNA 分子结构的一项重要武器。

1912 年，英国结晶学家 W.H.布拉格和 W.L.布拉格父子俩最先提出并发展了 X 射线结晶学技术。

X 射线结晶学技术的原理比较简单。他们根据一些特殊物质的结晶中，所有分子以确定的和规则的空间距离排列着，形成固定大小的晶格。当 X 射线照射到结晶体时，晶格中的原子或分子使射线束偏斜。经测定，每一种特定的蛋白质的衍射图象是不同的，根据图象可以推断分子的结构形状，并由此解释功能问题。

物理学家利用此项技术对蛋白质分子晶体结构进行研究，富有成效的工作是在六十年代早期，布拉格实验室（剑桥大学卡文迪许实验室）的约翰·肯德鲁和马克斯·贝鲁兹成功地获得了有关两种相关的蛋白质——血红蛋白和肌红蛋白分子的结构情况。他们的研究结果表明蛋白质分子是相当复杂的，更重要的是根据蛋白质分子的立体结构可以进一步推断它们的功能问题。因此，他们得出一个重要的结论：研究生物大分子的立体结构可以作为了解这种分子功能的一把钥匙。这些研究成果对尔后的核酸研究的发展有着重要的作用。

当时，贝鲁兹和肯德鲁研究小组与伦敦金斯学院的莫里斯·威尔金斯和罗莎琳·弗兰克林组成的小组联系密切。威尔金斯和弗兰克林主要应用 X 射线结晶学去研究核酸的分子结构。这两位科学家在建立 DNA 分子结构模型上作出了卓越的功绩。

威尔金斯和他的同事获得了第一张 DNA 纤维衍射图（A 型图），证明 DNA 分子是单链结构的螺旋体。1962 年，他因研究 DNA 分子结构上发展了某些基本操作和概念，在方法上有重要的突破，与沃森、克里克同享诺贝尔奖金和荣誉。

弗兰克林是一位有卓越才能的英国女科学家。 1942 年毕业于剑桥大学

物理系。 1947 年在法国巴黎全国药物局中心实验室工作。在短短三年中，她发表了不少有独创性的论文，引起科学界的重视。年仅三十岁的弗兰克林，已被公认为出色的物理学家、物理化学家、结晶学家和 X 射线衍射技术专家。1951 年，弗兰克林回到英国，在皇家学院进行 DNA 分子衍射技术研究。她在DNA 分子晶体结构研究上成功地制备了 DNA 样品，更重要的是通过 X 射线衍射拍摄到 DNA 分子 B 型图，由此推算 DNA 分子呈螺旋状，并定量测定 DNA 螺旋体的直径和螺距。同时，她已认识到 DNA 分子不是单链，而是双链同轴排列的。按照她的设想，提出了糖—磷酸的位置以及碱基的可变性。这实际上与后来的沃森—克里克模型设想基本一致。遗憾的是，她对碱基配对及双股链的走向没有更明确的假设。作为一位物理学家，她不能理解 DNA 分子结构研究的重大生物学意义，而正是在这些方面，沃森和克里克比她领先了一步。

1951 年，著名化学家鲍林（L· paoling）根据结构化学的规律，成功地建立了蛋白质的 a 螺旋模型。对了解将分子键合起来的作用力作出了重大贡献。他的实验为沃森和克里克的 DNA 分子结构研究给予重要的启示。

沃森（James Watson， 1928 一）是美国芝加哥人，生于 1928 年 4

月 6 日。1947 年在芝加哥大学动物系毕业并获理学硕士学位。后来，他到印第安纳大学，进了以微生物学研究而闻名世界的“噬菌体小组”，在导师劳瑞亚（L.uria）的指导下，研究“X 射线对噬菌体增殖的影响”。不久，他到哥本哈根海尔曼实验室学习生物化学。在此阶段，他对遗传学发生了浓厚的兴趣。 1951 年，沃森参加了在意大利举行的生物大分子结构学术会议。会上，沃森听到了英国著名生物物理学家威尔金斯（M· Wilkins）关于 DNA 衍射图片分析的报告，并看到他所放映的，一张关于 DNA 纤维的 X 射线衍射的幻灯片。沃森开始意识到，要解开生物的遗传和变异之谜，应该对基因的结构有充分的了解，这样才有可能知道基因是怎样工作的，从而找到生物遗传机制的答案。他说：“进一步实验将表明一切基因都是由 DNA 组成”而“阐明 DNA 分子结构在了解基因如何复制上将是重要的一步”。他的这个观点得到劳瑞亚的支持。后经劳瑞亚介绍，沃森得到“全国小儿麻痹基金会”的支持，在 1952 年进入英国剑桥大学卡文迪许实验室工作，并在肯德鲁

（Kendrew）指导下，进行蛋白质和多肽结构分析研究。这时他遇到一位志同道合的同事一—克里克，两人都热衷于研究遗传信息的载体 DNA 的分子结构。从此，他们在 DNA 分子结构研究上进行了卓有成效的合作。1953—1955 年，沃森在加州理工学院任教，又在剑桥大学担任生物系主任。 1955 年，他接受美国哈佛大学的聘请， 1958 年任该校生物系副教授。 1960 年，他与克里克及威尔金斯一道获“美国公共卫生联合会的艾伯特·拉斯克奖金”。1961 年，沃森担任哈佛大学分子生物学教授。 1962 年，同是他们三人，因发现核酸分子结构的内在联系、提出 DNA 双螺旋结构模型，共同获诺贝尔医学和生理学奖金。同年，沃森获国家科学院及丹麦皇家科学院艺术科学院院士称号。肯尼迪执政时，他是总统科学顾问委员会委员。 1968 年，沃森任冷泉港研究所所长，从事癌的研究。1969 年，获利奥波尔迪德国自然科学院院士称号。自 1972 年以来，任全国癌症咨询委员会委员。沃森最重要的著作，

有 1965 年出版并一再再版的《基因的分子生物学》及一本自传式的关于他本人发现 DNA 分子结构情况题为《双螺旋体》的书。

克里克（FrancisCrick，1916 一）生于 1916 年 6 月 8 日。他是英国比

安普敦人。 1938 年毕业于伦敦大学，学习物理和数学。在做博士论文的第

二年，爆发了第二次世界大战。于是在 1940 年，他以科学院的身份进入英国海军所属的研究所，从事武器操作系统研究及水的物理特性测定。战后，克里克为确定自己今后研究的主攻方向，寻找研究课题曾一度感到苦恼。当时，量子物理学家薛定谔在 1944 年发表了《生命是什么？》一书，明确指出，物理学和化学规律同样可以应用于细胞及基因的研究上。这个观点促使一些物理学家开始涉足于生命科学领域，从事把某些物理学规律应用到生物学的研究。克里克深受此书的影响，决心从事基因分子结构研究。 1949 年，克里克进入卡文迪许实验室，在佩鲁茨（Perutz）的指导下研究蛋白质和多肽方面的问题。1952 年，当他正在考虑基因结构与蛋白质结构之间的关系以及蛋白质的特性与氨基酸的排列关系的时候，遇到了沃森，共同的事业把他们两人自然地结合在一起。1954 年，克里克发表《多肽和蛋白质的 X 射线衍射研究》论文，获博士学位。1959 年，他在美国哈佛大学和纽约洛克菲勒学院担任客席教授。次年又回到剑桥，任剑桥大学教授。 1962 年，他与沃森及威尔金斯一道获诺贝尔奖金。1969 年，获利奥波尔迪德国自然科学院院士称号。目前，他仍在剑桥大学分子生物学研究所任职，但主要精力却投入在索

克研究所从事大脑方面的研究。对于这一位年青的科学家的才干，他的导师佩鲁茨是这样评价他的，他说克里克“有一个异常清晰的分析头脑和迅速掌握任何问题的本质的才能。克里克作为一位物理学家，与生物学家紧密合作，他在序列假设、中心法则及遗传密码等分子生物学基础理论的建立和发展作出了重要的贡献。”

1951 年、沃森和克里克在前人研究的基础上，应用 X 射线衍射方法着手建立 DNA 分子模型。

克里克试图用数学计算方法来解决 DNA 的结构问题。他连续的计算，终于从答案中得到启发，开始考虑 DNA 分子是呈一圈一圈盘旋的螺旋体。沃森的工作是拍摄 DNA 分子的结构照片。他在一张 25°角拍摄的片子上，清楚地看到了螺旋形的线条。他们两人一致认为 DNA 分子是呈螺旋状的。不久，沃森看到了弗兰克林拍摄的一张 DNA 分子的 B 型图照片。沃森在《双螺旋体》一书中曾描述过当时自己的心情。他说：“一见那张照片我真激动极了，话也说不出来了，心怦怦地直跳。因为从这张照片上完全可以断定 DNA 的结构是一个螺旋体。

但是紧接着需要解决的问题是，这个螺旋体究竟是由单链或是双链、四链，还是三链构成的呢？为解决这个问题，他们经历了一段艰苦的历程。”根据当时的材料，他们有充足的理由否定了 DNA 分子的单链和四链的螺

旋结构。他们需要根据强有力的事实根据在双链或三链结构上作出判断。自 1951 年开始，沃森和克里克前后共建立过三个 DNA 分子模型。第一次

建立的模型是三链结构的。他们自信这个模型的螺旋结构参数都是符合 DNA 的 X 射线材料所反映的事实。他们立即向皇家学院 X 射线衍射小组报告了DNA 模型的建立。第二天，由威尔金斯为首的一批科学家加以验证和核实，发现他们对实验数据理解错了，由此否定了他们建立的第一个三链模型。

此后，他们暂时停止直接建立 DNA 模型的研究工作。沃森从事烟草花叶病毒的研究，目的是搞清楚烟草花叶病毒的感染力的有效成分 RNA，也许会对 DNA 结构提供有效的线索。克里克仍从事蛋白质的研究工作。不久，他们得知鲍林也建立了一个与他们第一个模型一样的三链的 DNA 结构模型。他们由此得到鼓舞。虽然第一个模型是失败了，但他们的工作还是处于领先的地位。他们又以满腔的热情、坚强的毅力重新从事模型的建立工作。

沃森进一步研究弗兰克林拍摄的 DNA 纤维 B 型照片，又根据生物机体的一种普遍现象，即机体内部的各种器官，甚至细胞内的染色体都是成双成对的特点，由此他进行类比，估计 DNA 分子是一种双链结构。他回忆这段经过时写道：“就我来说，皇家（学家）小组不喜欢两链的理由不是十分可靠的。它依赖于 DNA 样品的含水量，他们容许的数据在很大程度上可能是错误的。因此，从我绕回学院并越过后门的时候起，我已决定建立两链模型。克里克一定会同意，虽然他是一位物理学家，但他知道生物对象成对性的重要性”。

他们第二次建立的模型是一个双链螺旋模型，但是碱基以同配方式（如A 与 A、T 与 T）配对。沃森很高兴地指出这个同配双螺旋模型的意义，他写道：“如果 DNA 是这样，我们将通过宣告它的发现而造成一种出人意外的事件。两条有相同碱基序列的相互盘绕的链条的存在，可能不是偶然的事件。宁可说它强烈地暗示：每个分子中的一链在某个早期阶段已作为合成另一链的模板。在这种情况下，基因复制随两条同样的链的分离而开始。然后，两条新的子链在两个亲代模板上制成，从而形成两个与最初的 DNA 分子相同的

分子。”

这个模型由于碱基配对原则的错误，又宣告失败。但是，他们总结了不少有益的经验教训，为成功地建立第三个模型奠定了基础。

1953 年初，沃森和克里克参考了查尔加夫（（Chargaff）对 DNA 的化学分析和所得出的碱基配对原则及剑桥的青年数学家格里费思（J.Griffith）通过计算得到的碱基之间的结合力是腺嘌呤吸引胸腺嘧啶、鸟嘌呤吸引胞嘧啶的研究成果，他们合理地解决了 DNA 分子中的糖一磷酸骨架问题、连接两条链的 H 键结合力以及碱基配对原则等问题。在 3 月 18 日，终于成功地建立了 DNA 分子双螺旋结构模型。

1953 年 4 月 25 日，第 4356 期英国《自然》杂志上登载了一篇题为《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》的文章，作者是两位年青的科学家：美国的沃森和英国的克里克。这篇仅一千多字的论文及附加的一幅 DNA 双螺旋结构示意图，却引起科学界的极大的反响。人们给予它很高的评价，认为他们的发现使生物科学研究从细胞水平推向更深一层的分子水平。在生物科学史上，一般把 1953 年模型的建立作为分子生物学诞生的标志，同时把这个转变称之为“生物学革命”。