2012年4月12日 星期四 生命科学导论精品课程欢迎你!
DNA50年述评:开创生命科学的黄金时代



 

1953年4月25日,年轻的美国科学家詹姆斯 · 沃森和英国科学家弗朗西斯 · 克里克,在英国《自然》杂志发表不足千字的短信,正式提出DNA(脱氧核糖核酸)双螺旋结构模型。与许多具有划时代意义的科学事件类似,这一成果问世之初没什么人理会。那一年,大英帝国女王盛大的加冕礼、人类征服珠穆朗玛峰的壮举,都有更多理由吸引媒体和公众的注意力。

半个世纪过去了,女王登基大庆等已很难再构成大新闻,但DNA却受到不同寻常的礼遇。世界范围都有不同形式的活动,庆祝DNA结构真相大白50周年,美国国会还特别决定将今年4月25日定为全国 “ DNA日 ” 。
这一切并不是偶然的,DNA结构这一分子生物学最基本的谜团揭开后,释放出的能量惊人。
“ 没有什么分子像DNA那样动人。它让科学家着迷,给艺术家灵感,向社会发出挑战。从任何意义说,它都是一种现代的标志。 ” 最初发表沃森等人论文的《自然》杂志,在今年早些时候出版的DNA结构发现50周年特辑中如此概括。
发现双螺旋结构,为基因工程奠定了基础:50年来,在研究DNA过程中涌现出的基因克隆、基因组测序以及聚合酶链式反应等技术,直接促进了现代生物技术产业的兴起。一些高产、抗病虫害的优质转基因农作物产品,已经走上了餐桌。 “ 国际获得农业生物技术应用服务 ” 机构的调查显示,2002年,全球种植转基因作物的面积达到5800多万公顷,目前已有16个国家的600万农民靠种植转基因作物为生。

发现双螺旋结构,使当代医学受益良多:分子生物学使科学家能更深入地研究基因等遗传因素在疾病发作中的作用,为设计药物提供了新的手段,同时也催生了基因诊断以及基于DNA技术的治疗新方法。用基因工程技术开发出的干扰素、胰岛素和抗体等,成为近年来增速最快的新型治疗手段。

 发现双螺旋结构,在人类生活的众多层面打下印记:利用DNA充当 “ 福尔摩斯 ” 侦破悬案或进行身份认定,早已不是什么稀罕事。据报道,仅美国2002年实施的DNA亲子鉴定就有30多万例。在美国,迄今已有120多人依赖DNA法医鉴定技术为自己洗刷了不白之冤。 发现双螺旋结构,甚至在社会文化领域产生影响:简洁、优雅和深邃的双螺旋结构,成为当代科学的最佳 “ 形象代言人 ” 、艺术家们灵感的泉源。它登上超现实主义画家达利的画布,变成雕塑、卡通人物和玩具,双螺旋玻璃瓶装的 “ DNA ” 品牌香水已于几年前问世。按照英国牛津大学艺术史学家肯普的比喻,DNA分子是我们这个科学时代的 “ 蒙娜 · 丽莎 ” 。

双螺旋发现50周年纪念日前夕,多国合作的人类基因组序列图宣告提前绘成,人体DNA中30亿个碱基的排列顺序,已经成为各国科学家免费取用的数据。从沃森和克里克发现DNA以4个 “ 字母 ” 的形式记录遗传信息,到读出人类生命 “ 说明书 ” ,这就是半个世纪来生命科学的发展速度。已逾古稀之年的沃森为此感慨: “ 在1953年,我根本不可能梦想到我的科学生涯,能够跨越从DNA双螺旋到人类基因组的整个路途。 ”

今天,人们没有理由不相信生命科学正迎来黄金时代。隆重庆祝DNA双螺旋结构模型提出50周年,不仅是为了品味一段传奇历史,也不仅是为了惊叹科学进步的伟力,在更大的意义上,它作为一种仪式,寄托着人们对于这个黄金时代的憧憬 —— 彻底破解生命奥秘,搞清人类的来历;澄清各种疾病的病因,实现医学研究从对症下药到根本上预防的转移;活得更健康,最好能长命百岁 …… 。
然而, “ 每个黄金时代都有紧张、危险和恐惧这类成分。 ” 美国历史学家斯塔夫理阿诺斯在《全球通史》的后记中提醒说。生命科学的黄金时代也同样如此。随着对生命奥秘的了解的深入,人类如何理智地控制改造自然的冲动、安全地运用科学技术,已经成为受到瞩目的问题。基因歧视、基因隐私、基因鸿沟、设计遗传上完美无缺的婴儿、克隆人、生物武器等话题,体现了当前人们对生命科学的担忧。

但科学探索的进程不会因一些暂时的困难而止步。DNA双螺旋结构发现50年来,生命的很多秘密已经被解开,但剩下的秘密更多。一切不过只是刚刚开始。 “ 今天比我起步的时候有更多的新的疆域, ” 沃森在接受美国《时代》周刊采访时曾表示, “ 未来几百年中,还会有足够多的问题需要人们去应对。 ”

 

生命科学新的里程碑:DNA双螺旋结构发现前前后后

丰富多彩、引人入胜的生命现象,历来是人们最为关注的课题之一。在探索生物之谜的历史长河中,一批批生物学家为之奋斗、献身,以卓越的贡献扬起生物学“长风破浪”的航帆。今天,当我们翻开群星璀璨的生物学史册时,不能不对J·沃森(JinWatson)、F·克里克(FrancisCrick)的杰出贡献,予以格外关注。50年前,正是这两位科学巨匠提出了DNA双螺旋结构模型的惊世发现,揭开了分子生物学的新篇章。如果说十九世纪达尔文进化论在揭示生物进化发展规律、推动生物学发展方面,具有里程碑意义的话,那么,DNA双螺旋结构模型的提出,则是开启生命科学新阶段的又一座里程碑。由此,人类开始进入改造、设计生命的征程。

诚然,生物科学的每一次突破都是其自身发展到一定阶段的产物,是不同学科新理论、新技术相互渗透融合的结果,但勿庸置疑,它首先是科学家个人创造性劳动的宝贵结晶。今天,了解DNA双螺旋结构模型产生的背景、条件,以及对生物学发展产生的积极影响,对我们深刻认识这一重大发现的科学价值,正确把握现代生命科学发展的规律和方向,是大有裨益的。正是基于这一认识,笔者撰写了这篇短文,权作对DNA双螺旋结构模型提出50周年的纪念。

浩繁纷杂的生物尽管千差万别,但不论哪一个种类,从最小的病毒直至大型的哺乳动物,都毫无例外地可以把自己的性状一代一代地传下去;而无论亲代与子代,还是子代各个体之间,又多少总会有些差别,即便是双胞胎也不例外。人们曾用“种瓜得瓜,种豆得豆”和“一母生九子,九子各别”,生动形象地概括了存在于一切生物中的这一自然现象,并为揭开遗传、变异之谜进行了不懈的努力。


17世纪末,有人提出了“预成论”的观点,认为生物之所以能把自己的性状特征传给后代,主要是由于在性细胞(精子或卵细胞)中,预先包含着一个微小的新的个体雏形。精原论者认为这种“微生体”存在于精子之中;卵原论者则认为这种“微生体”存在于卵子之中。但是这种观点很快为事实所推翻。因为,无论在精子还是卵子之中,人们根本见不到这种“雏形”。代之而来的是德国胚胎学家沃尔夫提出的“渐成论”。他认为,生物体的任何组织和器官都是在个体发育过程中逐渐形成的。但遗传变异的操纵者究竟是何物?仍然是一个谜。

直到1865年,奥地利遗传学家孟德尔在阐述他所发现的分离法则和自由组合法则时,才第一次提出了“遗传因子”(后来被称作为基因)的概念,并认为,它存在于细胞之内,是决定遗传性状的物质基础。

1909年,丹麦植物学家约翰逊用“基因”一词取代了孟德尔的“遗传因子”。从此,基因便被看作是生物性状的决定者,生物遗传变异的结构和功能的基本单位。

1926年,美国遗传学家摩尔根发表了著名的《基因论》。他和其他学者用大量实验证明,基因是组成染色体的遗传单位。它在染色体上占有一定的位置和空间,呈直线排列。这样,就使孟德尔提出的关于遗传因子的假说,落到具体的遗传物质———基因上,为后来进一步研究基因的结构和功能奠定了理论基础。

 

尽管如此,当时人们并不知道基因究竟是一种什么物质。直至本世纪40年代,当科学工作者搞清了核酸,特别是脱氧核糖核酸(简称DNA),是一切生物的遗传物质时,基因一词才有了确切的内容。1951年,科学家在实验室里得到了DNA结晶;

1952年,得到DNAX射线衍射图谱,发现病毒DNA进入细菌细胞后,可以复制出病毒颗粒……


在此期间,有两件事情是对DNA双螺旋结构发现,起了直接的“催生”作用的。一是美国加州大学森格尔教授发现了蛋白质分子的螺旋结构,给人以重要启示;一是X射线衍射技术在生物大分子结构研究中得到有效应用,提供了决定性的实验依据。

正是在这样的科学背景和研究条件下,美国科学家沃森来到英国剑桥大学与英国科学家克里克合作,致力于研究DNA的结构。他们通过大量X射线衍射材料的分析研究,提出了DNA的双螺旋结构模型,1953年4月25日在英国《发现》杂志正式发表,并由此建立了遗传密码和模板学说。

之后,科学家们围绕DNA的结构和作用,继续开展研究,取得了一系列重大进展,并于1961年成功破译了遗传密码,以无可辩驳的科学依据证实了DNA双螺旋结构的正确性,从而使沃林、克里克同威尔金斯一道于1962年获得诺贝尔医学生理学奖。

现代生物学研究业已搞清,核酸是由众多核苷酸组成的生物大分子。核苷酸主要有四种类型,它们按不同的顺序排列,构成了含有各种遗传信息的核酸分子。基因就是核酸分子(主要是DNA)中含有特定信息的核苷酸片断。 在对生物的遗传物质进行深入研究,并不断取得进展的同时,自然界中的大量生命现象和实验中的许多实验结果,也给生物学工作者以有益的启示。


比如,大肠杆菌是一个品系繁多的大家族,有上万种不同的类型。有的品系因缺少指导合成某些特殊营养物质的基因,因而必须从培养基中直接摄取这些营养物质方能生活。这些大肠杆菌被称作营养缺陷型。如大肠杆菌K不能合成苏氨酸(T)和亮氨酸(L);而它的另一个品系则不具备合成生物素(B)和甲硫氨(M)的能力。把这两种大肠杆菌的任何一种单独放在缺少TLBM的培养基上都不能生长。但是,当把这两种大肠杆菌混合在一起,放到缺少上述四种物质的培养基上,却奇迹般地长出了新菌落。这是什么原因呢?前面已经说过,大肠杆菌K中缺少T、L两种基因,却含有B、M两种基因;而另一个品系的DNA上,尽管不具备B和M基因,却含有K中缺少的T、L两种基因。当把它们放在一起大量培养时,前一品系细胞中的DNA有可能通过细胞膜进入后一品系的细胞中,使两种类型的DNA之间进行重新组合,形成同时含有BMTL四种基因的大肠杆菌新类型。其实,上面这种细菌间的杂交现象并不是仅仅在生物学家专门设计的营养缺陷型实验中才能进行,在自然状态下的许多细菌中同样存在,只不过数量太少,一般不易被人们发现罢了。

上述DNA的转移,主要是靠细胞之间的接触实现的,无需借助外力的帮助。但是,也存在另一种情况,DNA的转移和重组,是在第三者的介入下完成的。如噬菌体的转导就是一个典型的例证。


噬菌体是专门侵染细菌和放线菌的一类病毒。它体积小,结构简单,除六角形头部含有DNA外,周身披有一个起保护作用的外壳和一个蝌蚪状的尾巴。侵染细菌时,先从自身尾部分泌出一种溶菌酶,将菌体某处的细胞壁溶解,然后再把头部的DNA经由这个缺口送入细菌体内。噬菌体侵染细菌的过程有两种类型。一种叫烈性感染,即侵入菌体内的噬菌体DNA立即进行自我复制,产生新的DNA和蛋白质外壳,然后分泌溶菌酶使菌体细胞壁裂解,释放出新的噬菌体;另一种类型叫温和感染,即噬菌体DNA进入菌体细胞后,并不立即进行自我复制,而是插入到被感染菌体细胞的染色体内,潜伏下来。当细菌染色体进行自我复制时,它也跟着复制,并随染色体一同悄悄地进入子细胞内。可是一遇到紫外光照射等外来刺激,温和噬菌体的DNA就会立即脱离细菌染色体,迅速复制,进而使菌体裂解,释放出新的噬菌体。生物学工作者用温和噬菌体去感染有鞭毛的沙门氏杆菌,并通过紫外光照射促使侵入菌体内的噬菌体DNA迅速复制,释放出成熟的噬菌体,然后再用它们去感染无鞭毛的沙门氏菌,结果使无鞭毛细菌长出了鞭毛。其原因在于,当温和噬菌体侵染有鞭毛的沙门氏菌,进行自我复制时,阴差阳错地误把菌体细胞中决定鞭毛性状的DNA片断,也裹进了自己的蛋白质外壳内,而当它们再去感染无鞭毛的沙门氏菌时,就把这种决定鞭毛性状的DNA片断带进了无鞭毛的沙门氏菌中,以至出现了使无鞭毛的菌长出鞭毛的怪事。这种现象叫“转导现象”。这一实验不仅再次证明,生物细胞中的DNA可以从一个细胞转移到另一个细胞,而且表明,在实现这种转移的过程中,噬菌体是一种理想的运载工具。


既然DNA是决定生物性状的主要遗传物质,在自然界中又存在着DNA的转移和重组,并且还有噬菌体等充当基因的运载工具,那么,能不能设法把不同生物细胞中的DNA分子分离出来,进行体外切割,以获得我们需要的某些特定基因;或者人工合成某些基因片断,然后再按照预先设计好的方案,让基因重新组合,通过一定的运载手段,把重组体重新送回到生物体细胞内,并使它的功能表达出来,从而突破远缘杂交的障碍,按照人们的意志改造生物、创造出新的品种呢?


如前所述,大肠杆菌是人类最熟悉的微生物之一。大肠杆菌细胞质中的质粒是一种环状DNA,出入细胞较为容易。加之它结构简单,繁殖快,易于培养,所以大肠杆菌自然就成了基因工程研究的对象和理想的操作工具。1969年,美国生物学家夏皮洛等人首先用生物学方法,从大肠杆菌的质粒环状DNA片断上人工分离出了基因。三年之后,美国科学家科恩,首次把两个大肠杆菌的质粒从细胞中分离出来,在体外让质粒中的DNA分子重新进行组合,然后再送回大肠杆菌中,使其成功地获得表达,从而第一次实现了基因操作。


自此以后,基因工程获得了如火如荼的发展,取得了一个个振奋人心的突破,宛如升起在科学上空的瑰丽明星,令人神往。今天,我们已经可以用基因操作突破种间壁垒,实现各种生物遗传性状的重组,基因工程已成为生物技术的核心技术,广泛应用于医药健康和各个产业部门。放眼未来,它在造福人类中的作用是无可限量的。前景诱人,任重道远,让我们为之奋斗努力吧!

 

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