第十九讲    分子生物学的建立和发展

    1938年，在美国洛氏基金会工作的数学家W.韦弗在一份支持生物学研究的文件中首次使用了“分子生物学”这一名词。英国生物大分子晶体分析学家W.T.阿斯特伯里于1950年，以“分子生物学”为题在美国作公开讲演。以后随着工作的开展，分子生物学得到普遍承认。分子生物学是生物化学和生物物理学研究发展的必然结果。生物大分子结构和功能的研究正是50年代以来生物化学和生物物理学面临的中心问题。但在研究功能时必然与遗传学、免疫学等学科相结合，从而发展为分子遗传学、分子免疫学等。在实验材料上选中了微生物，从而应用了微生物学的原理和方法。从1953年以后，分子生物学取得了一系列巨大的突破，开创了一个新的广阔的研究领域。

　　一. 分子生物学的孕育时期　

20世纪40年代被认为是分子生物学的孕育时期。1941年，曾在摩尔根实验室工作过的美国遗传学家G.W.比德尔同美国生物化学家E.L.塔特姆合作，把生物化学引进了遗传学。他们用粗糙脉孢菌(Neurospora)为材料,用X射线诱发多种营养缺陷型突变体，并进一步研究这些突变特性在遗传上的传递规律，从而推导出“一个基因一种酶”的新概念（后来有所修改）,40年代中期被普遍承认,从而建立了生物化学遗传学。研究成果促进了分子生物学的发展。一项是，由德国移居美国的物理学家M.德尔布吕克和其同事们在1946年发现不同种的噬菌体在一定条件下能进行基因交换重组。M.德尔布吕克从研究基因的自我复制出发，选中了噬菌体这种极简单又具有自我复制能力的微生物作为研究对象。他是美国“噬菌体小组”的主将，在40年代后期举办了多次噬菌体暑期讲习班，宣传他的学术思想和普及噬菌体的实验技术。另一项是，1946～1947年，美国微生物学家J.莱德伯格同E.L.塔特姆合作，以大肠杆菌为材料，也发现了基因分离和重组现象。这两项突破以及他们对噬菌体和大肠杆菌的一些基本研究，对分子生物学的发展起了十分重要的作用。

　　1944年,美国细菌学家O.T.埃弗里发现DNA是不同种的肺炎双球菌之间的转化因子。第一次证明 DNA携带着遗传信息。这一十分重要的成果却引起很大争论，一方面受传统思想的影响,很多人怀疑他所分离出的DNA不纯，可能还是混杂的蛋白质在起作用；但是这一成就无疑地也刺激了人们对DNA化学组成和晶体结构的研究。

　　同年，奥地利物理学家、量子力学的奠基人之一E.薛定谔在英国出版了名为《生命是什么?》的小册子,其副标题是“活细胞的物理观”。该书用量子力学的观点论证基因的稳定性和突变发生的可能性。书中提出必定有一种由同分异构的连续体构成非周期性的晶体，其中含有巨大数量的排列组合，编排成遗传密码。该书还用统计物理学中的“有序”、“无序”和“熵”等概念来分析生命现象。E.薛定谔在这本书中还明确指出，生命物质的运动必然服从于已知的物理学定律。但他写这本书的唯一目的却是想从复杂的生命物质运动中发现未知的物理学定律。虽然他的物理学家的目的至今未能实现，但却启发了人们用物理学的思想和方法去探讨生命物质的运动。其中对生命问题提出的一些发人深思的见解，吸引了不少生物学家和对生物学感兴趣的物理学家。一些知名的分子生物学家都在自己的回忆中提到这本书对他们的影响，于是有人把这本书誉为“从思想上唤起生物学革命的小册子”。

　　二. 分子生物学的诞生和发展

1953年4月25日在英国的《自然》杂志上刊登了美国的J.D.沃森和英国的F.H.C.克里克在英国剑桥大学合作的结果──DNA 双螺旋结构的分子模型。这一成就后来被誉为20世纪以来生物学方面最伟大的发现，也被认为是分子生物学诞生的标志。40年代后期，由于 DNA的遗传功能逐渐明确，关于核酸的化学结构和晶体结构的研究也随之取得进展，1948～1952年美国哥伦比亚大学的出生于奥地利的生物化学家E.查加夫对核酸的 4种碱基含量进行了重新测定。他利用精确的微量分析方法，取得了与P.A.T.列文不同的结果：在 DNA分子中嘌呤和嘧啶的总分子数量相等。这一重要发现为 DNA双螺旋结构的碱基配对原则奠定了基础。关于DNA的晶体结构分析的工作,一部分由英国伦敦国王学院的M.H.F.威尔金斯和R.E.富兰克林分别从1950年开始系统地进行；另一部分由美国加州理工学院的化学家L.C.波林从40年代末开始进行，并不断取得阶段性成果。毕业于芝加哥大学动物系的J.D.沃森，由于对遗传学发生兴趣，转入美国“噬菌体小组”主要成员S.卢里亚的实验室工作，并获得博士学位。1951年他经S.卢里亚的介绍到英国剑桥大学，在蛋白质晶体结构分析家J.C.肯德鲁领导下工作。英国的F.H.C.克里克原毕业于物理系，在第二次世界大战中，除参加有关使鱼雷克服德军舰艇的强磁力的研究外，也研究过如何用极小的微点传送大量情报信息的工作。战后他对生物学发生了兴趣而转到剑桥大学蛋白质晶体结构分析学家M.F.佩鲁兹门下从事研究工作。1951年秋，J.D.沃森和F.H.C.克里克在剑桥相遇,共同认识到探索DNA分子结构是认识遗传之谜的关键，并开始合作。他们前后用了18个月的时间（中间有间断），到1953年4月终于建立起DNA双螺旋结构的分子模型。这一伟大成果的取得，主要依据于以下几个重要的研究结果:M.H.F.威尔金斯和R.E.富兰克林关于DNA的X射线晶体衍射的结果；E.查加夫对DNA内碱基含量重新进行测定的结果；一位年轻数学家的计算结果──在由氢键相连的碱基中，嘌呤有吸引嘧啶的趋势；L.C.波林关于 DNA晶体结构分析的进展；以及美国噬菌体小组一位重要成员A.D.赫尔希及其合作者以噬菌体为材料，用同位素测定方法更肯定地证明 DNA是遗传信息的载体等。根据这些材料和信息，J.D.沃森与F.H.C.克里克进行了分析与综合，决定从建立分子模型着手。他们的创造性的思维加上日以继夜的紧张工作，终于获得了成功。这一成就被英美的一些科学家认为是英国的结构学派与美国的信息学派相结合的产物。

　　不久,J.D.沃森、F.H.C.克里克又提出了关于DNA双螺旋结构在遗传学上的含义。他们认为:DNA的两股链包含着遗传密码。在细胞分裂时两条 DNA链因氢键破裂而分离,各以自己为模板，按照碱基配对的原则,借助于氢键的产生,在活细胞中形成新的互补链。结果原来的DNA分子就变成两个完全相同的DNA分子,这就是基因的自我复制。这一设想在 1956年被同位素试验所证实。DNA双螺旋的建立立刻轰动了科学界，开拓了分子遗传学这一新的研究领域，并带来了一个接一个的重大成就。

　　50年代在蛋白质的结构分析方面也取得了重要成果。英国生物化学家F.桑格第一次分析出含有51个氨基酸的胰岛素的氨基酸顺序。这一成果对准确地研究蛋白质本身结构和功能之间的关系，以及蛋白质的人工合成和蛋白质的生物合成都是必要的基础。L.C.波林在1949年发现非洲人患的镰形红细胞贫血症是由于其血红蛋白异常的结果。从而推测这是由于氨基酸的组成异常而引起的。1957年V.M.英格拉姆用F.桑格方法分析两种血红蛋白的氨基酸顺序，发现在含有约 600个氨基酸的血红蛋白中，只是由β链末端第 6位上的谷氨酸被缬氨酸所取代（即由于一个遗传密码的错误）所产生的异常。到1973年已有 300多种蛋白质的氨基酸被分析清楚。1977年F.桑格又建立了DNA碱基顺序的分析方法并完成了分析φχ174噬菌体DNA的全部约5400个碱基的顺序,促进了基因调节控制的研究。同时，美国分子生物学家W.吉尔伯特也独立地建立起大片段DNA快速序列的分析方法。

　　至于蛋白质晶体结构分析，则建立在英国的布口刺  格父子及他们的学生创立并发展的 X射线晶体衍射技术的基础上。该实验室的M.F.佩鲁茨自30年代末开始，就系统地研究了血红蛋白的结构。至40年代中期J.C.肯德鲁参加这个实验室，又系统地研究了肌红蛋白的结构（其分子结构相当于血红蛋白的 4个亚基的一个）。他们改进了分析技术，分别于1958年完成了肌红蛋白的结构分析，1960年完成了血红蛋白的结构分析。为此，他们与他们的学生J.D.沃森和F.H.C.克里克于1962年分别获得诺贝尔化学奖和生理学或医学奖。与他们在同一单位的F.桑格则于1958和1980年两次获得诺贝尔化学奖。这些基础研究，为进一步探索生物大分子结构与功能的关系打下了坚实的基础。此外，美国化学家L.鲍林于1950年提出的蛋白质分子构型的□螺旋，也有重要影响。

　　遗传密码的破译和基因调节控制 DNA双螺旋结构建立后，研究兴趣首先集中在遗传密码上。1953年夏，在美国冷泉港学术讨论会上围绕着DNA的4种碱基如何排列才能同组成蛋白质的20种氨基酸之间建立对应关系展开了热烈的讨论。美籍俄国血统的宇宙物理学家G.伽莫夫1955年通过排列组合计算，提出三联密码和共有64种不同密码的设想。1961年，F.H.C.克里克和英国分子生物学家S.布伦纳以噬菌体为材料研究密码的比例和翻译机制，表明密码以三联体核苷酸的形式表达着20种不同的氨基酸；而且由一个固定点开始，朝着一个方向“读”下去。实验证明了G.伽莫夫的大部分设想。第一个用实验给遗传密码以确切解答的是德国出生的美国生物化学家M.W.尼伦伯格和德国人H.马太，他们证明苯丙氨酸的密码是RNA上的UUU(尿嘧啶)。此后，经过美国西班牙血统的生物化学家S.奥乔亚和美籍印度血统生化学家H.G.科拉纳等从各方面通力合作，测定出20种氨基酸的密码，1969年完成了全部64种密码的破译。至此，基因控制蛋白质合成之谜得到了初步解答。遗传密码的破译，被认为是分子遗传学发展史上最辉煌的成果之一。

　　如何调节控制基因的表达，是另一个需要探索的重大问题。1958年，F.H.C.克里克提出假说,认为DNA把密码转录给RNA，RNA通过中间的“应接器”，使氨基酸合成为蛋白质，整个过程是不可逆的。这就是著名的中心法则。不久，F.H.C.克里克所提出的“应接器”被发现，它是一种较小的易溶解的转移核糖核酸(tRNA)。每一个氨基酸都由一个专一的tRNA所携带，肽链上连接。这个tRNA含有同该氨基酸密码互补的反密码子。1961年法国生物学家J.莫诺(1910～1976)提出转录 DNA上密码的是信使核糖核酸(mRNA)。60年代中期科学家还发现细胞内大量存在的核糖体是蛋白质生物合成的场所。1961年法国细胞遗传学家F.雅各布和J.莫诺共同合作，提出了乳糖操纵子理论，以后被证实为在原核细胞中基因控制的普遍方式。美国分子生物学家H.M.特明和D.巴尔的摩长期从事肿瘤病毒研究的基础上，于1970年分别独立地发现鸡肉瘤病毒（Rousfowl sarcoma）和白血病病毒（Rauschernouse leukemia）都是 RNA病毒。在此基础上他们发现了依赖于RNA的DNA聚合酶(RNA-dependent DNA pulyme-rose)，即反转录酶。反转录酶能使RNA链上的遗传密码反转录给DNA。这样，肿瘤病毒就喧宾夺主,改变了宿主细胞DNA的密码,使肿瘤细胞得以增殖。这一发现不仅对某些肿瘤的病因作了分子生物学的阐明，而且动摇了中心法则的不可逆性，成为中心法则的重要补充。

　　真核细胞内的调控机制要复杂得多，也是当前生物学家重点探索的问题之一。