神奇的生命螺旋-纪念DNA双螺旋结构发现60周年

神秘的双螺旋

生物学中再没有比双螺旋结构更具代表性的图标了，正是这一结构最终形成了密实的染色体。1953年，剑桥科学家Watson和Crick发表了著名的 DNA双螺旋结构，这一结构从此成为了所有生命的化学密码。DNA双螺旋结构被阐明，揭开了生命科学的新篇章，开创了科学技术的新时代。随后，遗传的分子机理――DNA复制、遗传密码、遗传信息传递的中心法则、作为遗传的基本单位和细胞工程蓝图的基因以及基因表达的调控相继被认识。

六十年后的今天，当我们再次审视这段文字的时候，生命科学领域已经随着DNA的深入研究正在越来越真实的改变着医学、农业等领域。

那些年，DNA的故事

最早分离出DNA的弗雷德里希•米歇尔是一名瑞士医生，他在1869年，从废弃绷带里所残留的脓液中，发现一些只有显微镜可观察的物质。由于这些物质位于细胞核中，因此米歇尔称之为“核素”（nuclein）。到了1919年，菲巴斯•利文进一步辨识出组成DNA的碱基、糖类以及磷酸核苷酸单元，他认为DNA可能是许多核苷酸经由磷酸基团的联结，而串联在一起。不过他所提出概念中，DNA长链较短，且其中的碱基是以固定顺序重复排列。1937年，威廉•阿斯特伯里完成了第一张X光绕射图，阐明了DNA结构的规律性。

到了1953年，当时在卡文迪许实验室的詹姆斯•沃森与佛朗西斯•克里克，依据伦敦国王学院的罗莎琳•富兰克林所拍摄的X光绕射图及相关资料，提出了最早的DNA结构精确模型，并发表于《自然》期刊。五篇关于此模型的实验证据论文，也同时以同一主题发表于《自然》。其中包括富兰克林与雷蒙•葛斯林的论文，此文所附带的X光绕射图，是沃森与克里克阐明DNA结构的关键证据。此外莫里斯•威尔金斯团队也是同期论文的发表者之一。富兰克林与葛斯林随后又提出了A型与B型DNA双螺旋结构之间的差异。1962年，沃森、克里克以及威尔金斯共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。
 

DNA双螺旋的提出 主要成就是把物理学运用到生命科学中，并开启了分子生物学的新天地，可以说是分子生物学的奠基。运用物理学中的晶体衍射技术，对DNA进行衍射，通过对比，判断DNA为双螺旋。沃森的双螺旋结构关键证据之一的X光衍射照片，某传言中称沃森是在实验室偷看到的，富兰克林本来并不打算给他看。当时照出来的是A型DNA，不是我们通常认识的B型DNA，后来沃森和克里克通过不断的组合，建立了DNA的双螺旋结构，并否定了有自己推出的磷酸为骨架，在内部起支撑作用，碱基在外排布的说法，在一次偶然的机会中提出了正确的模型，即核糖为骨架，碱基进行配对的模型。 

英年早逝的科学先驱

1953年3月，富兰克林离开了国王学院，前往同样属于伦敦大学的伯贝克学院，且并未带走她的研究成果。在布拉格与蓝道尔的介入下，《自然》（Nature）期刊于1953年4月25同时发表三篇论文，顺序是以沃森与克里克为先，再来是威尔金斯等人，最后是富兰克林。其中富兰克林的论文是与葛斯林共同发表，论文名称是《胸腺核酸的分子结构》。沃森与克里克在论文中提及他们是受到威尔金斯与富兰克林等人的启发，但并未详细说明，也没有致谢。而威尔金斯与富兰克林，则是在论文中表示自己的数据与沃森和克里克的模型相符。离开国王学院之后，富兰克林的健康情况一直不好，直到1958年4月16日因患卵巢癌与世长辞。有人分析她患有癌症的原因可能是长时期接触X射线的结果。

克里克在一篇纪念DNA结构发现40周年的文章中坦承：“富兰克林的贡献没有受到足够的肯定，她清楚的阐明两种型态的DNA，并且定出A型DNA的密度、大小与对称性。”2003年，国王学院将新大楼命名为富兰克林—威尔金斯大楼时，沃森在命名演说中说道：“罗莎琳的贡献是我们能够有这项重大发现的关键。”

左图为：英年早逝的罗莎琳德•富兰克林（Rosalind Franklin）及那张关键性的X光衍射照片

视频讲解DNA

DNA的构型种类

B型DNA仅仅是众多DNA双螺旋构象中的一种。在外界条件的改变下，双螺旋的构象也会改变。

在Watson和Crick发现DNA B型双螺旋的同一时期，麻省理工学院的A.Rich等科学家提出了一种被称之为Z-DNA左手螺旋，糖磷酸骨架呈锯齿状排列，外面只有一条沟。每个Z-DNA螺旋含有12个碱基对，螺距为4.5nm。在高离子强度环境下，一条长的DNA片段中如有嘌呤嘧啶交替排列，呈Z构象。

Z型DNA是左手双螺旋。在转录和复制等活动中，DNA在拓扑异构酶的作用下，形成负超螺旋，有利于缠绕双链的松开，此时即为左手螺旋构象。

几种主要的DNA二级结构对照表

另外还有D型和E型等，研究少一些。除Z型为左手双螺旋外，其余均为右手双螺旋。

三螺旋DNA结构

T-DNA也叫三螺旋DNA，是指一种由三股ssDNA旋转螺旋行成的一种特殊结构，T－DNA 上有三套基因，其中两套基因分别控制合成植物生长素与分裂素，促使植物创伤组织无限制地生长与分裂，形成冠瘿瘤。第三套基因合成冠瘿碱。T-DNA技术是 构建突变体库，反求遗传学的突破性技术之一。

三螺旋DNA不是DNA在自然态下的主要结构，而是在特定的条件下形成的。它是由一条ODN通过与双链DNA形成Hoogsteen键或反Hoogsteen键，在其大沟处紧密缠绕而成。具体就是富含嘧啶的ODN与双链DNA的富含嘌呤的链以平行的方式键合，形成Hoogsteen键；富含嘌呤的ODN与双链DNA的富含嘌呤的链以反平行的方式键合，形成反Hoogsteen键。与双螺旋相类似，三螺旋DNA的组成结构基元是三碱基体。

四螺旋DNA结构

物理学家在过去数十年中已经证明四螺旋DNA能够在试管内形成，但这种结构更多被认为无法在自然界中发现。

英国剑桥大学科学家在2012年1月21日在《自然—化学》杂志上发表的论文显示，四螺旋DNA结构，即G-四联体同样存在于人类基因组中。它们形成的区域具有丰富的鸟嘌呤基础构件，因此通常缩写为“G”。

这是科学家首次发现四螺旋DNA在人类活体细胞中也能形成。研究还证实，四螺旋结构和DNA复制过程之间存在清晰联系，进一步凸显了利用这些特殊的DNA结构击败癌症的潜力。致癌基因能够发生突变增加DNA的复制，引发细胞增殖的急速上升和失控，并导致肿瘤的增长。而飙升的DNA复制率也将造成四螺旋结构的密集程度增大。

论文作者巴拉萨布拉曼尼恩强调称，四螺旋DNA结构或许是开发选择性抑制癌细胞增殖新方法的关键，而在人体细胞中确认它们的存在更是真正的里程碑事件。

各种螺旋们

作为分子生物学的奠基性发现，生命科学领域再没有比双螺旋结构更具代表性的图标了。几乎所有以生物学技术为核心的公司均会选择将双螺旋这一著名的、独一无二的形象融入其logo当中，甚至连一些医院也用了双螺旋符号来表现其前沿的医疗技术。

当然在此之中，左手螺旋和右手螺旋形象都是同时存在于各种商标之中。有必要了解的是，或许有些商标持有人对此可能还不够谨慎，他想要的可能并不是一个左手螺旋的奇特DNA形象。