双链DNA的谜之螺旋

所有左手的DNA螺旋都是错的？...

文丨陈卫华

日内瓦大学医学院

瑞士生物信息学研究所

奇云诺德CIO

DNA双螺旋结构的发现，是现代分子生物学最重要的事件。它解决了当时横在人们心里几十年的疑问，引发了分子生物学的大爆发。DNA双螺旋结构于1953年被沃森（James D. Watson；美国分子生物学家）和克里克（Francis Harry Compton Crick；英国分子生物学家）发现，仅仅9年之后，他们就获得了诺贝尔奖。这种速度足见这项发现的划时代意义。

说起双螺旋，相信所有有生物背景的人都知道。但是，双螺旋旋转的方向如何，童鞋们真的能分清楚吗？我Google一下，随手挑选两个双螺旋图片，其中第一个是左手螺旋，第二个是右手。哪一个才是对的呢？

图1：DNA的迷之左手螺旋

图2：DNA的迷之右手螺旋

实际上，两种螺旋方向在自然界都是存在的；最常见的三种构象，A-DNA，B-DNA和Z-DNA 当中， A-和B-为右手螺旋，而Z-为左手。同为右手螺旋，A-和B-的构象也有很大不同。这其中B-DNA是最为常见的，也是沃森、克里克所发现的构象。而网络上几乎所有DNA双螺旋图像，不论左旋还是右旋，都是以B-DNA为原型的；也就是说，所有左手的DNA螺旋都是错的。

双螺旋发现的过程也是很有趣的。在沃森和克里克发表双螺旋之前，最有名的DNA结构模型是美国化学家鲍林（LinusPauling)推崇的DNA三链结构模型。后者在双螺旋发表前夕实际上已经走到了死胡同，没有办法解决DNA如何在分子水平上复制等一系列问题。

1951年的时候，罗沙琳德·弗兰克林（RosalindFranklin）已经获得了DNA的清晰X射线衍射照片；X射线衍射是解释大分子3级结构的主要方法之一。1953年2月14日（注：西方人的七夕），在没有经过罗沙琳德同意的情况下，莫里斯·威尔金斯（MauriceWilkins）把罗沙琳德未经发表的照片给沃森和克里克看；这两人看了，当时就眼前一亮。

2多个月之后的4月25日，《自然》杂志就发表了沃森和克里克写的题为“DNA的结构（英文：Molecular structure of nucleicacids; a structure for deoxyribose nucleic acid）”文章；而投稿的日期则是4月2日。也就是说，在两个人看到X射线衍射照片之后的短短1个半月的时间内，就完了对数据的解析、对DNA结构模型的破解以及文章的撰写；而这篇文章从接受到接收到发表，也只用了短短的24天！想想这篇文章在分子生物学历史上的重要科学价值，就让人觉得不可思议。

这篇文章也就一页多一点点，只有一张DNA模型的线条图和6篇参考文献。沃森和克里克在文中首先驳斥了鲍林的DNA三链结构模型，然后描述了自己的DNA模型：两条多核苷酸链形成一个右手的、反向平行的双螺旋结构；碱基在内、磷酸与糖基在外。他们还给出了碱基之间距离、同链上核苷酸之间夹角的计算以及两条链上碱基的互补配对关系。

在同一期杂志上，还刊发了其它另外两篇关于DNA模型的文章，作者分别是莫里斯·威尔金斯和罗沙琳德·弗兰克林。9年后的1962年，沃森、克里克和威尔金斯就因此获得了诺贝尔奖。

DNA模型的成功构建，罗沙琳德·弗兰克林女士的工作功不可没，没有她的X射线衍射结果，沃森和克里克再天才也解析不出来正确的模型。可惜的是，她1958年因癌症过世，年仅三十七岁。诺贝尔奖规定，不提名已过世的人；诺奖一个不成文规定是不把奖授予三个以上的个人。她的去世，等于将机会给了沃森、克里克和威尔金斯三人。否则，诺贝尔应该属于她，或者四人恐怕还要为止争上一阵子。但无论如何，诺奖与否，罗沙琳德·弗兰克林对科学的贡献也得到了科学界的广泛认可。

我国中医科学院终身研究员兼首席研究员屠呦呦女士因其在抗疟药青蒿素和双氢青蒿素上杰出工作获得了2015年的诺贝尔生理学或医学奖（与其它两人共享；屠呦呦获一半奖金）。这是诺奖历史上第一位以中国公民身份获得自然科学类奖项，而且主要工作是在中国完成的，是中国科学史上零的突破。我们恭喜屠呦呦女士，也祝我们在诺奖这条路上越走越远。

屠呦呦女士缔造了中华人民共和国科学家的若干纪录，包括中国首位拉斯克临床医学研究奖得主、华人暨亚洲女性首位诺贝尔医学奖得主，同时也是首位接受本土高等教育培养，且在中国大陆进行研究工作的自然科学诺贝尔奖得主。

纵观诺奖历史，获奖者大都来自是经济大国强国；因此，国家的经济科研实力与诺奖是密不可分的。我们相信，随着中国实力的不断增强，科研实力的不断进步，未来会有更多诺奖等着我们！