核酸分子結構

《核酸的分子結構：去氧核糖核酸之構造》（Molecular structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid），這是第一篇描述利用X射線衍射和螺旋變換數學方法發現DNA雙螺旋結構的文章，由弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森發表在《自然》期刊第171期〔卷〕（1953年4月25日）的第737—738頁上。

這篇文章常被譽為科學界的「明珠」，因為它篇幅精簡（只有2頁），卻解答了關於生命有機體的一個根本謎題。這個謎題就是：遺傳指令是如何儲存在生物體內，又是如何代代相傳的？文章提出了一個簡潔而精妙的解釋，這令當時許多生物學家感到驚訝，因為他們認為DNA的傳遞機制遠比我們想像的要複雜得多。這一發現對生物學，尤其是遺傳學領域，產生了深遠的影響，使後來的研究人員得以理解遺傳密碼。

## 分子生物學的演進

將物理學和化學應用於生物學問題，催生了分子生物學的發展。分子生物學尤其關注生物資訊從DNA到蛋白質的傳遞及其後果。DNA雙螺旋結構的發現明確表明，基因是DNA分子中具有特定功能的組成部分，細胞必須找到一種方法，將DNA中的資訊轉化為特定的胺基酸，進而合成蛋白質。

萊納斯·鮑林是一位對理解生物分子結構影響深遠的化學家。1951年，鮑林發表了α螺旋的結構，α螺旋是蛋白質中一種至關重要的結構組成部分。1953年初，鮑林發表了DNA的三螺旋模型，但後來證明該模型是錯誤的。克里克，尤其是沃森，都認為他們在與鮑林爭奪DNA結構發現權。

馬克斯·德爾布呂克是一位物理學家，他認識到量子物理學的一些生物學意義。德爾布呂克關於生命物理基礎的思考啟發了埃爾溫·薛丁格撰寫《生命是什麼？》。薛丁格的這本書對克里克和沃森產生了重要影響。德爾布呂克致力於推動「噬菌體小組」（通過感染細菌的病毒探索遺傳學）的發展，這對於分子生物學的早期發展以及沃森科學興趣的形成都至關重要。

克里克、沃森和莫里斯·威爾金斯因發現DNA雙螺旋結構而榮獲1962年諾貝爾醫學獎。

## DNA結構和功能

分子的結構與其功能並非總是容易聯繫起來。文章結尾謙遜地描述了DNA結構與其功能之間顯而易見的關聯：「我們注意到，我們所假設的特定配對立即暗示了一種可能的遺傳物質複製機制。」

「特異性配對」是沃森和克里克DNA模型的一個關鍵特徵，即核苷酸亞基的配對。在DNA中，鳥嘌呤（G）和胞嘧啶（C）的含量相等，腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）的含量相等。A:T和C:G鹼基對在結構上非常相似。特別是，每個鹼基對的長度相同，並且它們在兩條糖-磷酸骨架之間占據的空間也相等。鹼基對之間通過氫鍵連接，氫鍵是一種易於斷裂和重組的化學鍵。在認識到A:T和C:G鹼基對的結構相似性之後，沃森和克里克很快提出了DNA雙螺旋模型，其中位於螺旋核心的氫鍵為兩條互補鏈的解旋提供了途徑，從而便於複製：這是遺傳分子模型的最後一個關鍵要素。

事實上，鹼基配對確實提供了一種複製DNA分子的方法。只需將兩條糖-磷酸骨架分開，每條骨架都包含通過氫鍵連接的A、T、G和C鹼基。然後，每條鏈都可以用作模板，組裝一條新的互補鹼基對鏈。

### 未來考量

當沃森和克里克提出DNA雙螺旋模型時，人們已經知道地球上眾多不同生命形式的大多數特殊特徵都由蛋白質構成。從結構上看，蛋白質是由胺基酸亞基組成的長鏈。遺傳分子DNA必然包含著如何製造細胞中數千種蛋白質的指令。從DNA雙螺旋模型可以清楚地看出，DNA分子中核苷酸的線性序列與蛋白質中胺基酸的線性序列之間必然存在某種對應關係。從1953年到1965年，分子生物學家們逐步闡明了DNA序列如何指導細胞製造特定蛋白質的細節。弗朗西斯·克里克在理論研究和實驗分析中都發揮了至關重要的作用，這些研究和分析最終加深了人們對遺傳密碼的理解。

### 結果

分子生物學的其他發展源於DNA雙螺旋結構的發現，最終促成了基因測序的方法。詹姆斯·沃森領導了美國國立衛生研究院的人類基因組計劃。對DNA進行測序和操控的能力如今已成為生物技術產業和現代醫學的核心。DNA雙螺旋結構的簡潔之美及其在實際應用中的重要性，使得《核酸的分子結構；脫氧核糖核酸之構造》一文成為二十世紀最傑出的生物學論文之一。

## 合作者與爭議

儘管沃森和克里克率先將構建DNA分子模型所需的所有零散資訊整合起來，但他們的發現卻是基於其他幾個實驗室研究人員收集的數據。例如，他們借鑑了約翰·馬森·格蘭德、丹尼斯·喬丹及其諾丁漢大學學院的同事於1947年發表的關於DNA中氫鍵發現的研究成果。然而，DNA雙螺旋結構的發現也大量使用了羅莎琳德·富蘭克林、A·R·斯托克斯、莫里斯·威爾金斯和H·R·威爾遜在倫敦國王學院未發表的研究成果。威爾金斯、斯托克斯和威爾遜的關鍵數據，以及富蘭克林和戈斯林各自的關鍵數據，與沃森和克里克的文章一起，發表在同一期《自然》雜誌上的兩篇獨立文章中。沃森和克里克的文章承認，他們受到了國王學院研究人員的實驗結果的「啟發」，威爾金斯、斯托克斯和威爾遜在隨後的三頁文章中也發表了類似的致謝。

1968 年，沃森出版了一部極具爭議的自傳體著作《雙螺旋》，講述了他發現DNA雙螺旋分子結構的過程，但克里克和威爾金斯都沒有公開接受這一發現。此外，埃爾溫·查加夫還在1968年3月29日出版的《科學》雜誌上發表了一篇對沃森著作頗為「不友好」的評論。沃森在書中指出，他和克里克從一個富蘭克林並不知曉的渠道獲得了她的一些數據，並且未經富蘭克林許可，他還看過富蘭克林和戈斯林於1952年5月在倫敦國王學院獲得的B-DNA X射線衍射圖譜。具體來說，1952年末，富蘭克林向醫學研究委員會提交了一份進展報告，該報告由當時在劍橋大學卡文迪什實驗室工作的馬克斯·佩魯茨審閱。沃森和克里克也在由醫學研究委員會資助的劍橋大學卡文迪什實驗室工作，而威爾金斯和富蘭克林則在由醫學研究委員會資助的倫敦國王學院實驗室工作。這類醫學研究委員會的報告通常不會廣泛流傳，但克里克在1953年初閱讀了富蘭克林的研究總結。

佩魯茨將富蘭克林關於B型DNA和A型DNA結構晶體單元的報告轉交給克里克和沃森的理由是，該報告包含沃森之前在1951年11月聽到的資訊，當時富蘭克林在國王學院與雷蒙德·戈斯林會面，談論了她未發表的研究成果。這次會面是由M.H.F. 威爾金斯應克里克和沃森的要求安排的。佩魯茨表示，他的行為沒有違反道德，因為該報告是促進不同醫學研究委員會研究小組之間更廣泛聯繫的努力的一部分，而且並非機密文件。這種解釋會將克里克排除在外，因為他並未出席1951年11月的會議，但佩魯茨也允許他查閱富蘭克林提交給醫學研究委員會的報告數據。隨後，克里克和沃森向卡文迪什實驗室主任威廉·勞倫斯·布拉格申請發表他們基於富蘭克林和威爾金斯的數據構建的DNA雙螺旋分子模型。

據沃森自己承認，到1951年11月，他在X射線晶體學方面幾乎沒有接受過任何訓練，因此並沒有完全理解富蘭克林所說的DNA分子的結構對稱性。然而，克里克熟知貝塞爾函數的傅立葉變換，而貝塞爾函數代表了原子螺旋結構的X射線衍射圖譜，因此他正確地進一步解讀了富蘭克林的一項實驗發現，認為DNA很可能是一種雙螺旋結構，兩條多核苷酸鏈方向相反。克里克之所以能夠做出這樣的解讀，是因為他之前研究過其他具有與DNA相似螺旋對稱性的大分子的X射線衍射數據。另一方面，富蘭克林拒絕了克里克和沃森提出的第一個分子模型構建方法：沃森於1952年在倫敦向她和威爾金斯展示的第一個DNA模型，其結構顯然是錯誤的，水合帶電基團位於模型內部，而不是外部。沃森在他的著作《雙螺旋》中明確承認了這一點。

## 參閱

- 核酸模擬軟體比較：核酸建模
- 晶體學
- 明日世界的邁爾斯，一部電視劇（2015—2018），講述一對名叫沃森和克里克的雙胞胎海軍上將的故事。
- 准結晶性（次晶度）
- X射線散射
- 酮-烯醇互變異構，鮑林的一位合作者最終提出了一個關鍵見解，即當時的教科書是錯誤的，正是這一見解促成了結構的解析。
- 埃弗里-麥克勞德-麥卡蒂實驗，這是首次證明DNA很可能是遺傳物質的證據。
- 查戈夫法則，結果顯示A:T和G:C的比例相等。

## 參考書目

- (弗朗西斯·克里克作序；1994年修訂，附9頁後記。)
- (首次出版於1968年)
- 生命故事 (電影)（雙螺旋結構的爭奪戰） BBC出品的電視劇，講述了科學界競相發現DNA雙螺旋結構的故事。

## 外部連結

- 文章注釋版，來自舊金山的探索館
- 《卓越經典文集》中關於DNA結構的文章
- 萊納斯·鮑林與DNA競賽：一部文獻史

### 線上版本

- 在線版本（原文）見nature.com
- 美國國家醫學圖書館 弗朗西斯·克里克文獻集的 PDF版本
- 紀念版 HTML版本Am J Psychiatry 160:623-624，2003年4月。