第六章第二节DNA的研究
用X光衍法研究DNA
物理学与生物学的奇妙结合，使在20世纪30年代末学者们开始应用X光衍射技术，来研究生
物大分子的结构（当时主要是研究蛋白质），形成了分子生物学中的结构学派。结构决定着
功能，对结构了解得越精细，则从中推导出功能信息的可能性就越大，准确性就越高。这就
是当时生物学中观念尚未十分明确，但气氛却非常浓厚的还原论。
在蛋白质分子结构模型的基础上，学者们开始应用X光衍射法来研究DNA的分子结构。
第一幅DNA的X光衍射照片，是由先驱者阿斯特伯里在1938年得到的，但这中间停顿了几十
年。到威尔金斯小组重新研究这个问题时，已是20世纪50年代了。1950年，威尔金斯得到伯
恩实验室作为礼物送来的一份纯净的DNA。这份DNA呈胶状，是一种黏性物质。当威尔金斯用
玻棒点了一下，然后拿开玻棒时，他发现玻棒“带出一条细得几乎看不见的DNA纤维，就像
蜘蛛丝一般”。这些纤维表明其内部分子具有有序的排列。威尔金斯和他的研究生戈斯林，
立即用X光衍射设备拍摄了DNA纤维产生的图样照片，他们得到的照片比阿斯特
伯里的要精美得多。其中一个主要原因就是他们保持了DNA纤维的湿润状态，而阿斯特伯里
研究的是干了的DNA薄膜。DNA的X光衍射照片中有明显的几组点组成了十字的一横，提示DNA
的整个结构为螺旋形，但证据并不充分。要弄明白DNA究竟是什么样的螺旋，研究者们还有
很长的路要走。
正在此时，富兰克林加入了研究组。富兰克林生于1920年，她是X光衍射技术的专家。富兰
克林此时也进行DNA的X光衍射研究，并于1952年5月获得一张清晰的DNA的X光衍射照片。
威尔金斯和富兰克林为沃森（J·D·Watson）和克里克（F·H·C·Crick）提出DNA分子双
螺旋结构模型，提供了宝贵的数据资料。沃森、克里克和威尔金斯于1962年荣获诺贝尔生理
学医学奖。
DNA分子的双螺旋模型
在X光衍射照片的基础上，综合DNA化学研究方面的资料，沃森和克里克，特别是沃森，有着
更宽广的眼界，从各专家处汲取所需，而得到新的综合结果，而且这种综合结果比其各部分
更伟大，这是那些不能聚木为林的专家们无法领悟到的。
沃森和克里克构建DNA分子结构模型的工作始于1951年秋。他们仿照泡林构建蛋白质α
螺旋模型的方法，根据结晶学的数据，用金属片按原子间键角与键长的比例搭配核苷酸。核
苷酸（DNA中的核苷酸是脱氧核苷酸，为简单起见，以下简称核苷酸）是DNA的基本结构单位
。核苷酸有A、T、G、C共4种。1950年，生物化学家查伽夫报道了，他对人、
猪、牛、羊、细菌和酵母等不同生物DNA进行分析的结果。查伽夫的结果表明，虽然在不同
生物的DNA之间，4种核苷酸的数量和相对比例很不相同，但无论哪种物质的DNA中，都有A=T
和G=C，这被称为DNA化学组成的“查伽夫法则”。1952年7月，查伽夫访问卡文迪什实验室
时，向克里克详细解释了A∶T=G∶C=1∶1的法则。1952年春，克里克的朋友，理论化学家格
里菲斯（他是发现肺炎球菌遗传转化现象的F·格里菲斯的侄子）通过计算表明，DNA的4种
核苷酸中，A必须与T成键，G必须与C成键。这与查伽夫法则完全一致，以上这些工作，就成
了沃森和克里克DNA分子模型中A-T配对、G-C配对结构的基础。
1953年2月，威尔金斯将富兰克林1952年5月拍的一张非常精美的DNA的X光衍射照片，拿给
沃森和克里克看，克里克立即发现，DNA是双螺旋的，而且构成双螺旋的两条单链走向相反
。至此，DNA骨架已经浮现。随后，泡林以前的同事多诺告诉沃森，A-T和G-C配对是靠氢键
维系的。克里克提出，与糖—磷酸骨架垂直的碱基只有朝向骨架中心（而不是
离开中心向外），才能保持稳定的氢键联系。2月28日，沃森用纸板做成4种碱基的模型，将
纸板粘到骨架上朝向中心配对，克里克马上指出，只有两条单链的走向相反才能使碱基完善
配对，这正好与X光衍射资料一致。完整的DNA分子结构模型完成于1953年3月7日，星期六。
根据这个模型，DNA分子是一个双螺旋结构，每一个螺旋单位包含10对碱基，长度为34埃（1
埃=10-10米）。螺旋直径为20埃。4月15日，沃森和克里克关于该模型的第一篇论文
在《自然》杂志上发表。同时在这期杂志上发表的有关论文还有：威尔金斯、斯托克和威尔
逊合署的文章，介绍了X光衍射数据的总体证据支持DNA的双螺旋结构模型，以及富兰克林和
戈斯林合署的文章，文中展示一幅重要的、精美的DNA的X光衍射照片，并确认了沃森—克里
克模型的合理性。
DNA分子双螺旋结构模型的发现，是生物学史上的一座里程碑，它为DNA复制提供了构型
上的解释，使人们对DNA作为基因的物质基础不再怀疑，并且奠定了分子遗传学的基础。DNA
双螺旋模型在科学上的影响是深远的。2003年是DNA双螺旋模型发现50周年，科学界举行了
隆重的纪念活动。
半保留复制方式
在构建DNA分子的结构模型时，沃森和克里克事实上已经提供了DNA分子的复制模式。他们充
分了解DNA双螺旋的两条链互补（碱基配对）的重要性，这是DNA复制模式的基础。复制时，
DNA双螺旋就像拉开拉链那样，两条链的配对碱基之间的氢链断开，碱基暴露出来，这就形
成了两条“模板链”（母链）。然后作为合成原料的游离核苷酸，按碱基配对的原则结合
到模板链上去。最后，结合到模板链上各有一条新链（子链）形成，原来的一个双螺旋DNA
分子就变成（复制）了两个双螺旋分子。这两个双螺旋分子中各含有一条母链（旧链）和一
条子链（新链）。DNA的这种复制方式称为“半保留复制”。
我们不妨从沃森和克里克1953年的原始论文中，引出关于DNA半保留复制模式推测的一段
话：“我们的DNA模型实际上是一对模板，每一模板与另一个互补。我们设想：在复制前氢
键断开，两条链松开、分离，然后每条链作为形成自己新链的模板，最后我们从原先仅有的
一对链得到了两对链，而且准确地复制了碱基序列。”真是天才的推测！这一推测的DNA复
制模式，后来得到了实验事实的充分证明。1957年，泰勒等人应用放射性标记的胸腺嘧啶与
放射自显影技术，证明蚕豆根尖染色体的半保留复制。1958年，梅塞尔森和斯塔尔应用重氮
标记与密度离心技术，证明大肠杆菌DNA的半保留复制。
后来关于DNA分子复制的细节又有了更多的了解。1968年，日本生化学家冈崎等人发现DNA是
“不连续”复制的。复制时，先在DNA模板链上合成一些短的片段，然后再连接成与母链等
长而且互补的新链。DNA合成过程中的这些短片段，后来被称为“冈崎片段”。每一冈崎片
段的合成都需要DNA多聚酶的作用。但DNA多聚酶只能把单个的核苷酸连接到已形成的核苷酸
链上。因此，每一新的片段合成时，需要有一个已存在的片段作为“引物”。
PCR在试管中复制DNA
目前，已经可以在试管中人工复制DNA。这个体外的生化反应称为多聚酶链式反应（pol
ymerase chain reaction，简称PCR）。这个反应大致是这样进行的：将DNA模板、多聚酶、
作为合成原料的4种脱氧核苷酸和引物，一起加入到一种特制的薄壁塑料管中。之所以要用
壁管，是为了便于传热。先将试管置于90℃的高温中约20秒，使DNA模板拆开成两条链（这
叫“变性”）。然后将试管转置于55℃的环境中约20秒，使一对引物分别结合到两条分开的
模板上去。再在72℃的温度下放置约30秒，使单核苷酸从引物的一端一个接一个地连接上去
，从而复制两条新链。于是，一个DNA双螺旋分子便复制成了两个。再重复一个上述的温度
循环，两个便复制成四个……如此循环下去，便可以得到大量的DNA分子。例如，20次循环
就可使DNA扩增至100万倍。这一切，都可以在带电脑控制的PCR仪内进行，非常方便。
说来有趣，PCR技术是缪里斯在1983年4月一个周末之夜，与其女友（一位化学家）驾车行驶
在通往北加州红杉林县的山间公路上时想出来的。星期一，缪里斯一回到他所供职的西特斯
公司，就以DNA多聚酶为关键词在电脑上进行一次文献检索，未发现有关于DNA体外扩增的文
章。以后的几个月里，缪里斯反复进行实验，结果表明PCR技术是可行的。1984年春，缪里
斯贴出一张海报，叙述了PCR技术，但未能引进起广泛注意。惟一感兴趣的人是细菌遗传学
家、诺贝尔奖获得者、当时洛克菲勒大学的校长里德伯格。
最初的PCR技术有一个缺点，就是DNA多聚酶不耐热，在90℃以上的高温即失活。因此，反应
过程中要不断添加新的DNA多聚酶。这不利于实现反应的自动化。1969年，有人从美国黄石
国家公园温泉中的水生栖热菌体内，分离纯化出了耐热的DNA多聚酶，后来的商品名叫Taq酶
。1988年，西特斯公司的研究者们开始在PCR中使用Taq酶。这是PCR技术的重大改进，在此
基础上实现了反应的自动化，PCR技术从而得到了极为广泛的应用。缪里斯因发明PCR技术面
荣获1993年的诺贝尔化学奖。