結(jié)構(gòu)生物學(xué)家有望翻開可視化大分子結(jié)構(gòu)的新篇章

結(jié)構(gòu)生物學(xué)家有望翻開可視化大分子結(jié)構(gòu)的新篇章

2016年08月24日訊 結(jié)構(gòu)生物學(xué)家一直希望能可視化大分子結(jié)構(gòu)，從而探索其功能。但這需要整合多種技術(shù)，十分復(fù)雜。與其他結(jié)構(gòu)生物學(xué)家一樣，加利福尼亞大學(xué)（University of California）的Eva Nogales碰上了好時代。Nogales現(xiàn)在可以利用工具解決幾年前根本無法解答的分子機(jī)器相關(guān)問題。

Nogales和Jennifer Doudna--是的，就是大名鼎鼎的CRISPR-Cas9發(fā)明人--最近在合作的一個項(xiàng)目就是在探索這樣的問題。很多情況下，在DNA被CRISPR-Cas9剪切前，細(xì)胞內(nèi)會形成一個由核苷酸構(gòu)成的R環(huán)，Doudna和Nogales都對這個R環(huán)非常感興趣。Nogales等人對化膿性鏈球菌（Streptococcus pyogenes）中的R環(huán)進(jìn)行了成像，得到了近原子分辨率的結(jié)構(gòu)圖像，提示了在特定位點(diǎn)Cas9酶如何打開DNA。

這項(xiàng)工作最突出的兩個亮點(diǎn)是：1，科學(xué)家們快速地將功能與結(jié)構(gòu)聯(lián)系了起來；2，他們把成像方法結(jié)合了起來。一個多世紀(jì)以來，結(jié)構(gòu)生物學(xué)的首選方法一直是X射線晶體衍射法。但有些生物分子太大或太小，難以結(jié)晶，因此不能采用X射線法。一些分子在發(fā)揮功能時，會發(fā)生形態(tài)或朝向的變化，而結(jié)晶法無法捕捉這些動態(tài)變化。

現(xiàn)在，科學(xué)家們有一個龐大的成像工具庫作為晶體法的補(bǔ)充。一些方法，如低溫電子顯微鏡（cryo-EM）或化學(xué)家的核磁共振（nuclear magnetic resonance， NMR）成像，都能在不結(jié)晶的情況下，獲得接近原子分辨率的結(jié)構(gòu)圖像，揭示分子的形狀、大小和方向。但并非所有的方法對細(xì)胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)、核酸都有用。

經(jīng)驗(yàn)證明，沒有一個單一的方法足以探討在細(xì)胞中發(fā)生的動態(tài)行為和復(fù)雜的相互作用。最好的解決辦法是整合來自多個方法的圖像。

這種方法得到了諸多研究者的支持。加利福尼亞斯坦福大學(xué)（Stanford University）的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Roger Kornberg指出，每個[方法]都能提供一些重要信息，結(jié)合起來，能實(shí)現(xiàn)1+1>2的效果。Kornberg由于在揭示基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制方面的杰出貢獻(xiàn)于2006獲得了諾貝爾化學(xué)獎。對于這一突破性的研究，他使用的是X射線晶體衍射法。現(xiàn)在，和其他的晶體學(xué)家一樣，他開始使用多種方法的結(jié)合。

Kornberg繼續(xù)分析RNA聚合酶II，但現(xiàn)在他把冷凍電鏡和晶體學(xué)結(jié)合起來。冷凍電鏡可用于不易結(jié)晶的分子，并且可用于解析較大的分子，但目前分辨率還比不上晶體學(xué)。Kornberg的實(shí)驗(yàn)室還使用化學(xué)交聯(lián)和質(zhì)譜來揭示鄰近蛋白質(zhì)之間的關(guān)系，以及利用已知蛋白質(zhì)的信息進(jìn)行同源性建模。

Nogales和Doudna的團(tuán)隊(duì)也使用混合方法來研究R環(huán)。Nogales表示，高分辨率的X射線晶體法無法解析完整的R環(huán)結(jié)構(gòu)，所以他們用低分辨率的冷凍電鏡對完整的環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。只有把兩者結(jié)合起來，研究者們才能真正揭示CRISPR-Cas9系統(tǒng)中R環(huán)的作用。

這種混合或綜合性方法有助于研究人員深入研究基礎(chǔ)科學(xué)問題，對藥物開發(fā)者也非常有用。細(xì)胞膜上發(fā)現(xiàn)的大蛋白質(zhì)往往是治療靶標(biāo)，高分辨率混合方法能揭示藥物與受體相互作用的原子細(xì)節(jié)。同樣，通過展示艾滋病毒、埃博拉病毒和其它病原體的包裝蛋白與免疫細(xì)胞相互作用的機(jī)制，誘導(dǎo)保護(hù)性反應(yīng)，混合方法可能能夠幫助疫苗的發(fā)展。納什維爾范德堡大學(xué)（Vanderbilt University）的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家Jens Meiler表示，這些結(jié)構(gòu)對于人們理解免疫系統(tǒng)的工作機(jī)制非常重要。

Noglaes總結(jié)到：這是混合方法的黃金時代。

夢想成真

歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（European Molecular Biology Laboratory， EMBL）細(xì)胞生物和生物物理部負(fù)責(zé)人Jan Ellenberg表示，這個時代對很多生命科學(xué)家來說，是夢想成真的時代。這個夢想是從原子層面無縫銜接到細(xì)胞層面。這樣深入的理解自然能解答結(jié)構(gòu)生物學(xué)的首要問題：一個分子的結(jié)構(gòu)是怎么和其功能聯(lián)系在一起的？

結(jié)構(gòu)生物學(xué)家工具箱中的每一種技術(shù)都提供了不同的視角。生物學(xué)家相信，使用混合方法構(gòu)建的模型可以準(zhǔn)確地反映分子或復(fù)合體在細(xì)胞中的行為。Meiler認(rèn)為，你需要把這些技術(shù)結(jié)合起來，才能得到全面的答案。

X射線晶體長期以來一直是確定蛋白質(zhì)原子結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)方法。成立于1971年的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)銀行（Protein Data Bank， PDB）擁有的大約120000個模型中，約有90%來自晶體學(xué)研究。

但X射線晶體雖然分辨率高，但也具有局限性。首先，樣品要高度純化，以產(chǎn)生有序的晶體。科學(xué)家通過分析原子如何散射光來確定原子排布，從而確定分子結(jié)構(gòu)。該技術(shù)需要有足夠的原子，以產(chǎn)生可測量的衍射圖案。并且每一個晶體必須是靜態(tài)的。因此，該方法不能揭示一個分子是如何運(yùn)動的，以及如何起作用的，也不能揭示它是如何與其它系統(tǒng)互動的。

德國復(fù)雜系統(tǒng)研究所（Institute of Complex Systems）計算結(jié)構(gòu)生物學(xué)小組組長Gunnar Schr？der指出，蛋白質(zhì)不僅僅是一個單一的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，通常情況下，你想看到的是蛋白質(zhì)的整個功能。Schr？der使用混合方法來理解蛋白的行為和與其它蛋白的互動。晶體能提供蛋白在脫離正常環(huán)境時的一個構(gòu)象的快照。他還表示，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家需要其它方法來補(bǔ)充晶體結(jié)構(gòu)的信息，并提高他們對蛋白質(zhì)的形態(tài)和功能的理解。

許多蛋白質(zhì)，如細(xì)胞膜上的藥物靶點(diǎn)，是靈活而不穩(wěn)定的。為了讓這些蛋白質(zhì)形成晶體，研究人員經(jīng)常要在某種程度上改變它們。Meiler指出，改變樣本可能無法準(zhǔn)確反映分子的原生狀態(tài)以及其在細(xì)胞內(nèi)的排布方式。他把實(shí)驗(yàn)和計算的方法混合，從而更好地理解分子結(jié)構(gòu)。他繼續(xù)表示，對于很多生物系統(tǒng)來說，晶體法是很好的初始方法，但這個方法不足以提供功能方面的信息。

生物學(xué)家現(xiàn)在正在利用一系列的工具來建立更豐富、更精確的生物結(jié)構(gòu)模型?；旌戏椒ǖ玫降男畔⑦h(yuǎn)比單一方法豐富。冷凍電鏡和晶體法的結(jié)合就非常強(qiáng)大。雖然冷凍電鏡于20世紀(jì)80年代就問世了，但直到最近幾年才取得了分辨率上的突破，達(dá)到了2.2埃的分辨率，非常接近X射線結(jié)晶學(xué)的平均分辨率2埃。它可以產(chǎn)生蛋白質(zhì)和其它大分子兩個或三個維度的圖像，這是其他方法無法實(shí)現(xiàn)的。

冷凍電鏡生產(chǎn)商FEI公司的首席科學(xué)家Jeffrey Lengyel表示，冷凍電鏡讓人激動的一點(diǎn)是，你可以啟動一個生化反應(yīng)，然后把處于各個狀態(tài)的樣本冷凍起來。這樣，你可以確定多個構(gòu)象的結(jié)構(gòu)。

研究人員還可利用冷凍電鏡圖像，分析分子的運(yùn)動。在加拿大多倫多兒童醫(yī)院（Hospital for Sick Children）的John Rubinstein于2015年5月發(fā)表了一項(xiàng)成果。他把10萬張冷凍電鏡圖像做成視頻，展示了真核V-ATP酶（細(xì)胞膜上轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的酶）結(jié)構(gòu)隨時間的變化。在今年早些時候發(fā)表的論文中，Nogales等人利用冷凍電鏡與同源模型，揭示了TFIID（一個大的、馬蹄形的、啟動基因轉(zhuǎn)錄的蛋白復(fù)合體）的結(jié)構(gòu)。

一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)步

Nogales等人使用的混合策略達(dá)到了10埃的整體分辨率，相比于以往分析TFIID的30埃分辨率是非常大的進(jìn)步。分辨率的提高意味著科學(xué)家們能探索更多的問題：正如Nogales所說，“我們可以看到氨基酸與DNA相互作用?！?/p>

但冷凍電鏡要求標(biāo)本被冰凍。這是不理想的生物樣品，因?yàn)槔鋬龅臉颖具h(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了自身動態(tài)、天然的狀態(tài)。核磁共振光譜（NMR）可以幫忙解決這個問題。Schr？der表示，核磁共振有一個很大的優(yōu)勢--可以得到蛋白在正常狀態(tài)下的動態(tài)信息。他的實(shí)驗(yàn)室通過整合NMR、冷凍電鏡和晶體學(xué)數(shù)據(jù)，得到分子模型。

NMR于20世紀(jì)40年代被首次應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中。研究人員通過在外加磁場中激發(fā)原子得到大分子結(jié)構(gòu)。當(dāng)原子回到靜息狀態(tài)時，它們內(nèi)部磁場的變化可以被檢測到，從而反映出分子的原子結(jié)構(gòu)。然而，核磁共振光譜只適用于相對較小的大分子或復(fù)合體。

結(jié)構(gòu)生物學(xué)家也使用混合方法來解析超大復(fù)合體--這是過去無法完成的任務(wù)。Kornberg最新的成果（尚未發(fā)表）進(jìn)一步拓展了他對RNA聚合酶II的研究，并使用混合方法描述了一個由50多個蛋白質(zhì)和轉(zhuǎn)錄因子組成的巨大復(fù)合體。他表示，通過多個方法的結(jié)合，他們首次看到了整個復(fù)合體。每個方法都做出了同樣大的貢獻(xiàn)。

另一個超大型的目標(biāo)是核孔復(fù)合體。這個膜蛋白復(fù)合體負(fù)責(zé)控制細(xì)胞核信息和分子的通過。2015年，Ellenberg等人使用一種混合方法來研究這種大型復(fù)合體。在過去，研究人員用晶體法和電子顯微鏡研究它，但他們無法獲得整個復(fù)合體的分子分辨率圖像，其整體結(jié)構(gòu)在很大程度上仍然是一個謎。

Ellenberg的團(tuán)隊(duì)第一次利用超高分辨率熒光顯微鏡對核孔復(fù)合體進(jìn)行了成像。他指出，超分辨率熒光顯微鏡的分辨率可以達(dá)到30納米。為了提高分辨率，他們使用了一種名為單粒子平均的圖像處理技術(shù)，把分辨率提升到了10埃。冷凍電鏡的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了他們的結(jié)果。他們得到了核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu)圖像。Nogales評價說，這樣的模型在以前是無法想象的。

同樣，多倫多大學(xué)（University of Toronto）的Rubinstein和Lewis Kay使用了混合方法打破了一些不可能。通過冷凍電鏡和核磁共振光譜的結(jié)合，他們解析了VAT酶（一種在降解蛋白中發(fā)揮重要作用的酶）的構(gòu)象變化。他們通過借助冷凍電鏡解釋結(jié)構(gòu)，以及核磁共振揭示動態(tài)變化，二者結(jié)合，完美展示了VAT酶工作時的情景。

仍有缺點(diǎn)

雖然混合方法能帶來更多的信息，但混合也會造成錯誤的疊加。因此，混合方法一個潛在的問題是，多個錯誤來源造成的誤差增加。正如Meiler所說，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家關(guān)注的一個核心問題是，如何在整合方法的同時，減小誤差，保證得到的模型具有準(zhǔn)確性、精度和可靠性。

另一個障礙是多類數(shù)據(jù)集的共享和利用。任何一個技術(shù)都能得到豐富的信息，因此信息的共享非常麻煩。

Lengyel表示，每天都能生成百萬兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。他希望，結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域可以向高通量的遺傳生物學(xué)領(lǐng)域?qū)W習(xí)處理數(shù)據(jù)超載的方法。雖然有能靈活地結(jié)合高分辨率晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和冷凍電鏡圖的軟件，但其它方法得到的數(shù)據(jù)無法簡單地混合。例如，電子順磁共振光譜測量高分子的距離和方向，而冷凍電鏡產(chǎn)生密度圖。雖然這兩種數(shù)據(jù)結(jié)合在一起非常有用，但這兩種數(shù)據(jù)語言并不相同。Meiler提出疑問，這些數(shù)據(jù)如何整合？如何分享？

為了探討數(shù)據(jù)組織、共享和使用的最佳方式，幾十名結(jié)構(gòu)生物學(xué)家于2014年10月齊聚英國歐洲生物信息研究所（European Bioinformatics Institute）。該會議由全球蛋白數(shù)據(jù)銀行（Worldwide Protein Data Bank）組織，是首個此類會議。

Schroder表示，目前，PDB存儲單個蛋白結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。他認(rèn)為，PDB應(yīng)該增加蛋白各個構(gòu)象的數(shù)據(jù)。細(xì)節(jié)越豐富，越有助于全面解析蛋白和大分子功能。

學(xué)界已經(jīng)做出了一些努力：目前已建立二維電子顯微鏡模型的檔案庫（Electron Microscopy Pilot Image Archive）和三維（EMDataBank）。這些檔案庫由EMBL等機(jī)構(gòu)提供資金，其中包含的數(shù)據(jù)可以共享、歸檔和分發(fā)。

另一個可能阻礙該領(lǐng)域的威脅是專業(yè)知識。Meiler指出，技術(shù)需要投資，但投資在教育科學(xué)家上也非常重要。他建議，結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的學(xué)生都去學(xué)習(xí)每一種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并至少精通一種方法。他還表示，我們需要培養(yǎng)新一代的科學(xué)家，這些科學(xué)家需要理解如何整合這些不同的技術(shù)。

最后，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家必須學(xué)會提問題，提新的、復(fù)雜的、以前被認(rèn)為不可能的生物問題。Ellenberg還表示，有了混合方法，很多5年前他甚至以為直到他退休都沒法探索的問題都可以解決了。

求當(dāng)代生命科學(xué)發(fā)展的相關(guān)報道 比較詳細(xì)的 急！謝謝！

抽象的價值
　　
　　——數(shù)學(xué)與當(dāng)代生命科學(xué)
　　
　　吳家睿
　　
　　
　　
　　20世紀(jì)中期，隨著蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的解析和DNA雙螺旋的發(fā)現(xiàn)，形成了以遺傳信息載體核酸和生命功能執(zhí)行者蛋白質(zhì)為主要研究對象的分子生物學(xué)時代。分子生物學(xué)的誕生使傳統(tǒng)的生物學(xué)研究轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代實(shí)驗(yàn)科學(xué)。但是，在生命科學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)科學(xué)與其它實(shí)驗(yàn)科學(xué)如實(shí)驗(yàn)物理學(xué)相比，更多地是注重經(jīng)驗(yàn)，而非抽象的理論或概念。此外，這些生物學(xué)家們大多關(guān)注定性的研究，以發(fā)現(xiàn)新基因或新蛋白質(zhì)為主要目標(biāo)，對于定量的研究，如分子動力學(xué)過程等沒有給予足夠的重視。盡管如此，現(xiàn)代生命科學(xué)在20世紀(jì)的下半葉還是取得了豐盛的成果。正如美國科學(xué)院院長分子生物學(xué)家阿爾伯特(B. Albert)所說，“在一個基因克隆占主要地位的時代，當(dāng)今許多優(yōu)秀的科學(xué)家在不具備任何定量研究的能力下仍然取得了巨大的成績”。但是，隨著后基因組時代的到來，生物學(xué)研究者的定量研究能力和知識已不再是可有可無的了。
　　
　　
　　
　　大勢所趨
　　
　　英國生物學(xué)家保羅?納斯(Paul Nurse) 因細(xì)胞周期方面的卓越研究成為了2001年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的得主。他曾在一篇回顧20世紀(jì)細(xì)胞周期研究的綜述文章中以這樣的文字結(jié)束：“我們需要進(jìn)入一個更為抽象的陌生世界，一個不同于我們?nèi)粘Ｋ胂蟮募?xì)胞活動的、能根據(jù)數(shù)學(xué)有效地進(jìn)行分析的世界。”
　　
　　也許基于同樣的考慮，2000年10月美國國家科學(xué)基金會（NSF）的主任科勒威爾(R. Colwell)在向國會提交的報告中，稱數(shù)學(xué)是當(dāng)前所有新興學(xué)科和研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)，要求下一年度對數(shù)學(xué)的資助要增加3倍以上，達(dá)到1.21億元美金。在這些增加的預(yù)算中，有很大的一部分被用來支持?jǐn)?shù)學(xué)與其它學(xué)科的交叉研究，尤其是數(shù)學(xué)與生物學(xué)的交叉研究項(xiàng)目。
　　
　　盡管數(shù)學(xué)一直在現(xiàn)代生命科學(xué)中扮演著一定的角色，如數(shù)量遺傳學(xué)、生物數(shù)學(xué)等。但真正體會到數(shù)學(xué)重要性的還是20世紀(jì)90年代生物學(xué)家?；蚪M學(xué)是這種趨勢的主要催化劑。隨著DNA序列測定技術(shù)的快速發(fā)展，20世紀(jì)90年代后期每年測定的DNA堿基序列以驚人的速度迅速增長。以美國的基因數(shù)據(jù)庫（GenBank）為例，1997年擁有的堿基序列為1x109，次年就翻了一番，為2x109；到2000年GenBank已擁有近8x109個堿基序列。同樣，在蛋白質(zhì)組研究和轉(zhuǎn)錄組研究等快速推進(jìn)的過程中，各種數(shù)據(jù)也在迅猛的增加。據(jù)估計，現(xiàn)在生物數(shù)據(jù)量可以達(dá)到每年1015字節(jié)。如何管理這些“海量”數(shù)據(jù)，以及如何從它們中提取有用的知識成為了對當(dāng)前生物學(xué)家、數(shù)學(xué)家、計算機(jī)專家等的巨大挑戰(zhàn)。由此引出了一門新興學(xué)科：生物信息學(xué)(Bioinformatics)。此外，對細(xì)胞和神經(jīng)等復(fù)雜系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的研究導(dǎo)致了數(shù)學(xué)生物學(xué)(Mathematical Biology)的誕生。美國國家科學(xué)基金委員會為此專門啟動了一項(xiàng)“定量的環(huán)境與整合生物學(xué)”的項(xiàng)目，以鼓勵生物學(xué)家把數(shù)學(xué)應(yīng)用到生物學(xué)研究中去。幾乎在同一個時間，美國國立衛(wèi)生研究院也設(shè)立了一項(xiàng)“計算生物學(xué)”的重大項(xiàng)目。
　　
　　
　　
　　理解生命的新工具：模型
　　
　　上面的論述也許會造成這樣一種印象，數(shù)學(xué)在現(xiàn)代生命科學(xué)中的應(yīng)用主要是在“海量”數(shù)據(jù)的處理方面。可以這樣說，今天的確是有許多生物學(xué)家是從“計算”的角度來看待數(shù)學(xué)對生命科學(xué)的作用。然而，對于理解生命現(xiàn)象來說，計算是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。當(dāng)我們把通過基因芯片獲得的成千上萬的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)喂進(jìn)一臺計算機(jī)，讓計算機(jī)根據(jù)一定的運(yùn)行程序吐出一堆堆的結(jié)論時，我們是否可以認(rèn)為，我們已經(jīng)理解了所要研究的生物學(xué)問題？不僅如此，我們也許還需要警惕，不要讓計算機(jī)代替我們的思考。
　　
　　對于今天的生命科學(xué)工作者，數(shù)學(xué)的價值應(yīng)該體現(xiàn)在“模型化”(Modelling)方面。通過模型的構(gòu)建，那些看上去雜亂無章的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將被整理成有序可循的數(shù)學(xué)問題；通過模型的構(gòu)建，所要研究的問題的本質(zhì)將被清晰地抽象出來；通過模型的構(gòu)建，研究者們的實(shí)驗(yàn)不再是一種隨意的探索，而是通過“假設(shè)驅(qū)動”（Hypothesis-driven approach）的理性實(shí)驗(yàn)，就如同物理學(xué)家們的工作一樣。
　　
　　上個世紀(jì)的實(shí)驗(yàn)生物學(xué)家把生命視為一個線性的系統(tǒng)，力圖以一種簡單的因果關(guān)系來解釋生命活動。通常在那些尋找新基因的研究者的內(nèi)心深處，大多擁有一個“基因決定論”的愿望：一旦找到了某一種基因，就能解答一個生物學(xué)問題。癌癥有“癌基因”，長壽有“長壽基因”，聰明有“聰明基因”，甚至犯罪都是由一種“犯罪基因”所造成。但是，幾十年的研究軌跡，劃出的卻是一幅幅越來越復(fù)雜的圖案。以人類發(fā)現(xiàn)的第一個腫瘤抑制基因p53來說，自1979年發(fā)現(xiàn)至今，已有近2萬5千篇文章涉及到它；直接與p53相互作用的蛋白質(zhì)多達(dá)數(shù)十種，新的還在發(fā)現(xiàn)之中?，F(xiàn)在人們看到的p53已經(jīng)是一個相當(dāng)復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。顯然，沒有數(shù)學(xué)模型的幫助，要理解和分析p53的功能將不是一件容易的事。不久前，發(fā)現(xiàn)p53的生物學(xué)家之一萊文爾(A. J. Levine)和數(shù)學(xué)家一起，建立了一個解釋p53調(diào)控線路的數(shù)學(xué)模型[1]。
　　
　　數(shù)學(xué)不僅能幫助我們從已有的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)中抽象出模型和進(jìn)行解釋，它還可以用于設(shè)計和建造生物學(xué)模型，也許這些生物學(xué)模型在自然的狀態(tài)下是不存在的。在這種意義上說，基于數(shù)學(xué)模型和假設(shè)進(jìn)行的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)將更接近我們所熟知的物理學(xué)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)，更多的依賴于抽象和理性，不再是一門經(jīng)驗(yàn)科學(xué)。
　　
　　新世紀(jì)伊始，數(shù)學(xué)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)已成為了現(xiàn)實(shí)。不久前，美國的科學(xué)家在《自然》（Nature）雜志上報道了他們?nèi)斯ぴO(shè)計的生物模型。普林斯頓大學(xué)科學(xué)家設(shè)計了一個自然界不存在的控制基因表達(dá)的網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)可以周期性的調(diào)控大腸桿菌內(nèi)一個外源基因的表達(dá)[2]。在同一期雜志上，波士頓大學(xué)的生物學(xué)家也報告了他們相類似的工作[3]。這兩個工作的共同特點(diǎn)是，首先應(yīng)用某種微分方程（兩個實(shí)驗(yàn)室采用了不同的微分方程）進(jìn)行推導(dǎo)和設(shè)計，然后再根據(jù)其設(shè)計去進(jìn)行生物科學(xué)實(shí)驗(yàn)，如構(gòu)造基因表達(dá)質(zhì)粒，進(jìn)行檢測基因表達(dá)情況等。這些科學(xué)家認(rèn)為：“這種‘網(wǎng)絡(luò)的理性設(shè)計’可以導(dǎo)致新型的細(xì)胞工程和促進(jìn)人們對自然界存在的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的理解?！盵2]
　　
　　
　　
　　“萬物皆數(shù)也”
　　
　　數(shù)學(xué)常常被人視為工具。它的確也是非常有用的工具。但是，只要是作為工具，就具有可替換性?！皸l條道路通羅馬”。工具就是道路，可以選擇途徑A，也可以選擇途徑B，只要能達(dá)到目的地就行。當(dāng)然，有的可能是捷徑，有的可能是彎路。但它們畢竟都不是唯一的。就如同過去的生命科學(xué)研究，沒有數(shù)學(xué)也取得了不錯的成績。數(shù)學(xué)的應(yīng)用顯然會對現(xiàn)在和今后的生物學(xué)研究有幫助，但生物學(xué)家不用數(shù)學(xué)行不行呢？
　　
　　人類對自然和生命的關(guān)注，通常體現(xiàn)在兩個方面的問題：構(gòu)成世間萬物的本質(zhì)是什么以及如何去認(rèn)識和探尋這種本質(zhì)。前一類問題是屬于本體論，后一類問題則屬于認(rèn)識論。如果采用這樣假設(shè)：生命的本質(zhì)最終是體現(xiàn)在數(shù)學(xué)規(guī)律的構(gòu)成上。那么，沒有數(shù)學(xué)顯然我們就不能真正和徹底地揭示出生命的本質(zhì)。
　　
　　DNA和蛋白質(zhì)是兩類最重要的生物大分子。它們通常都是由眾多的基本元件（堿基、氨基酸）相互聯(lián)結(jié)而成的長鏈分子。但是，它們的空間形狀并非是一條平直的線條，而是一個規(guī)則的“螺旋管”。盡管在20世紀(jì)中葉人們就發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋和蛋白質(zhì)α螺旋結(jié)構(gòu)，但至今為止，人們還是難以解釋，為什么大自然要選擇“螺旋形”作為這些生物大分子的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
　　
　　不久前，美國和意大利的一組科學(xué)家，利用離散幾何的方法研究了致密線條的“最大包裝”(Optimal Packing)問題，得到的答案是，在一個體積一定的容器里，能夠容納的最長的線條的形狀是螺旋形 [4]。研究者們意識到，“天然形成的蛋白質(zhì)正是這樣的幾何形狀”[4]。顯然由此我們能夠窺見生命選擇了螺旋作為其空間結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)原因：在最小空間內(nèi)容納最長的分子。凡是熟悉分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的人都知道，生物大分子的包裝是生命的一個必要過程。作為遺傳物質(zhì)載體的DNA，其線性長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于容納它的細(xì)胞核的直徑。例如構(gòu)成一條人染色體的DNA的長度是其細(xì)胞核的數(shù)千倍。因此通常都要對DNA鏈進(jìn)行多次的折疊和包扎，使長約5厘米的DNA雙螺旋鏈變成大約5微米的致密的染色體。由此我們可以認(rèn)為，生命遵循“最大包裝”的數(shù)學(xué)原理來構(gòu)造自己的生物大分子。
　　
　　細(xì)胞是生命的基本組成單元和功能單元。而細(xì)胞分裂（又稱為細(xì)胞增殖）是細(xì)胞最基本和最重要的活動。完成一次細(xì)胞分裂的活動稱為細(xì)胞周期。不同物種的細(xì)胞周期的時間長短是不一樣的，有著嚴(yán)格的調(diào)控。那么，是什么構(gòu)成了細(xì)胞周期的“時鐘”？最近的研究表明，對于酵母細(xì)胞而言，一種細(xì)胞周期調(diào)控蛋白的磷酸化程度有可能被用作細(xì)胞周期運(yùn)行的“時鐘”。這種被稱為Sicl的蛋白質(zhì)上有9個位置可以被蛋白激酶CDK進(jìn)行磷酸化。當(dāng)它被加上第1個磷酸基因至第5個磷酸基團(tuán)的時候，其分子的行為沒有出現(xiàn)變化。但是，一旦被加上第6個磷酸基團(tuán)時，它就可以和一種稱為Cdc4的蛋白發(fā)生相互作用，然后被蛋白酶降解，從而導(dǎo)致細(xì)胞進(jìn)入DNA合成期（S期），最后完成細(xì)胞分裂。研究者詳盡而深入的工作揭示出，Sicl蛋白的每一次磷酸化都有助于與Cdc4的相互作用，但只有到第6次或6次以上，其結(jié)合力才達(dá)到與Cdc4穩(wěn)固的結(jié)合。此外，如果給Sicl蛋白人為裝上一段外源氨基酸肽段，一次磷酸化就能使Sicl與Cdc4結(jié)合并導(dǎo)致其降解，這時Sicl控制細(xì)胞周期時間的功能就會喪失[5]。這個研究成果很典型地揭示了細(xì)胞是如何通過數(shù)量的控制來實(shí)現(xiàn)其生命活動。
　　
　　古希臘著名的數(shù)學(xué)家畢達(dá)哥拉斯(Pythagoras)曾給后人留下過這樣一個觀點(diǎn)：“萬物皆數(shù)也”。如果他的觀點(diǎn)是正確的，作為大自然的杰作——生命，一定也是按照數(shù)學(xué)方式設(shè)計而成的。因此，數(shù)學(xué)不僅僅能夠提升生命科學(xué)研究，使生命科學(xué)成為抽象的和定量的科學(xué)，而且是揭示生命奧秘的必由之路。

如何認(rèn)識生物學(xué)的研究成果與發(fā)展方向

1925年摩爾根“基因論”的發(fā)表，確立了基因是遺傳的基本單位，它存在于細(xì)胞的染色體上，決定著生物體的性狀。但關(guān)于基因的化學(xué)本質(zhì)是什么，它通過什么方式影響生物體的遺傳性狀，仍然不清楚。揭示基因的本質(zhì)及其作用方式就成了當(dāng)時生物學(xué)研究的核心問題。對這個問題的研究，開創(chuàng)了分子生物學(xué)這門新學(xué)科。分子生物學(xué)的建立和發(fā)展是生物學(xué)中信息學(xué)派、結(jié)構(gòu)學(xué)派和生化遺傳學(xué)派研究成果結(jié)合的產(chǎn)物，是科學(xué)史上一次成功的由學(xué)科交叉融合而引起的科學(xué)革命。發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋的故事已為人們廣為傳頌，并作為生物學(xué)史上最具傳奇色彩的偉大發(fā)現(xiàn)而載入生命科學(xué)史冊

1．信息學(xué)派：信息學(xué)派主要是由一群對遺傳信息世代傳遞感興趣的物理學(xué)家組成，其代表人物是德爾布呂克（Max Delbrück）。德爾布呂克德國物理學(xué)家，1930年在美國洛克菲勒基金資助下，到丹麥哥本哈根理論物理研究所，跟隨著名物理學(xué)家玻爾（Niels Bohr）作博士后研究。1932年，玻爾在哥本哈根舉行的國際光治療大會上作了“光與生命”的演講。演講中玻爾提出了認(rèn)識生命的新思路，認(rèn)為對生命現(xiàn)象的研究有可能發(fā)現(xiàn)一些新的物理學(xué)定律。德爾布呂克深受玻爾思想的影響，決定轉(zhuǎn)入生物學(xué)研究。他認(rèn)為，研究遺傳信息的世代傳遞的機(jī)制，基因是最好的切入口。德爾布呂克離開哥本哈根回到柏林后，與遺傳學(xué)家列索夫斯基（Nikola?. Vladimirovich. Timofeeff-Ressovsky）、生物物理學(xué)家齊默爾（Karl. G. Zimmer）合作，從量子理論的角度研究輻射與基因突變的關(guān)系，并于1935年出版了《關(guān)于基因突變和基因結(jié)構(gòu)的本質(zhì)》的小冊子。書中，他們用量子理論分析討論了輻射誘導(dǎo)的基因突變的規(guī)律，并給出了“基因的量子力學(xué)模型”。此模型認(rèn)為，基因如同分子一樣，具有幾個不同的，穩(wěn)定的能級狀態(tài)。突變被解釋為基因分子從一個能級穩(wěn)態(tài)向另一個能級穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)變。文章還根據(jù)計算，推斷了基因的大小。這就是著名的“三人論文”。“三人論文”是一篇完全用物理學(xué)的理論和方法對基因進(jìn)行研究的文章。這篇文章的意義不在于其結(jié)論的正確與否，而在于它使許多年輕物理學(xué)家們相信，基因是可以通過物理學(xué)方法來進(jìn)行研究的，從而推動了一大批杰出物理學(xué)家投入生物學(xué)研究。“三人論文”后來成為薛定鍔（Erwin. Schr?dinger）“生命是什么”一書討論的基礎(chǔ)。

1937年，在洛氏基金的資助下，德爾布呂克來到加州理工大學(xué)摩爾根實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行遺傳學(xué)研究。在那兒他發(fā)現(xiàn)噬菌體是一種比果蠅更適合進(jìn)行基因研究的材料，并與埃利斯（Emory. Ellis）合作，研究噬菌體的增殖、復(fù)制規(guī)律，建立了噬菌體的定量測定方法。1940年底，在費(fèi)城召開的一個物理學(xué)年會上，德爾布呂克與剛來美國不久的意大利生物學(xué)家盧里亞（Salvador. Edward. Luria）認(rèn)識了。盧里亞讀過“三人論文”，對德爾布呂克極為景仰。當(dāng)時他剛獲得洛氏基金資助，在哥倫比亞大學(xué)準(zhǔn)備開展X-射線誘導(dǎo)噬菌體突變的研究。共同的興趣使他們很快建立了合作關(guān)系。當(dāng)時在美國還有一個進(jìn)行噬菌體研究的科學(xué)家是華盛頓大學(xué)的赫爾希（Alfred. Hershey）。1943年，德爾布呂克約他在自己實(shí)驗(yàn)室見面，并討論了合作研究計劃。這樣，一個以德爾布呂克—盧里亞—赫爾希為核心的“噬菌體小組”就形成了。

噬菌體小組的研究成果主要有：德爾布呂克與盧里亞合作進(jìn)行的細(xì)菌突變規(guī)律的研究開辟了細(xì)菌遺傳學(xué)的新領(lǐng)域；1945年盧里亞和赫爾希分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)噬菌體的突變特性；1946年德爾布呂克與赫爾希又分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，同時感染一個細(xì)菌的二種噬菌體可以發(fā)生基因重組，證明了，從最簡單的生命到人類的遺傳物質(zhì)都遵循著相同的機(jī)制。噬菌體小組最值得夸耀的成果是50年代初證明了基因的化學(xué)本質(zhì)是DNA。1944年艾弗里（Oswald. T. Avery）已經(jīng)通過肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DNA是遺傳物質(zhì)，但一直未獲承認(rèn)。赫爾希和蔡斯（Martha. Chase）分別用35S（與蛋白結(jié)合）和32P（結(jié)合在DNA上）標(biāo)記噬菌體，然后用它感染細(xì)菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)噬菌體只有其核酸部分進(jìn)入細(xì)菌，而其蛋白外殼是不進(jìn)入細(xì)菌的。表現(xiàn)為在感染噬菌體的細(xì)菌體內(nèi)復(fù)制產(chǎn)生的后代噬菌體主要含有32P標(biāo)記，而35S的含量低于1%。這清楚地證明，在噬菌體感染的細(xì)菌體內(nèi)，與復(fù)制有關(guān)的是噬菌體的DNA，而不是蛋白質(zhì)。1952年，這個結(jié)果發(fā)表后立刻被廣泛接受，對促進(jìn)沃森（James Watson）和克里克（Francis Crick）確定DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的突破，具有重要的意義。

噬菌體小組除了在研究遺傳信息的傳遞機(jī)制外，還從1941年起，每年都在紐約長島的冷泉港舉行研討會，并從1945年起每年暑期都舉辦“噬菌體研究學(xué)習(xí)班”。學(xué)習(xí)班課程主要為那些有志于投身生物學(xué)研究的物理學(xué)家們開設(shè)的。通過冷泉港學(xué)習(xí)班，擴(kuò)大了噬菌體研究網(wǎng)絡(luò)，形成并鞏固了以德爾布呂克—盧里亞—赫爾希為核心的噬菌體小組在遺傳學(xué)研究領(lǐng)域的地位，到50年代初，噬菌體小組已成了一個影響很大的遺傳學(xué)派。

噬菌體小組早期的研究工作引起著名物理學(xué)家薛定鍔的注意，并引起了他對生命的思考。1943年，他在愛爾蘭的都柏林三一學(xué)院作了一系列演講，闡述了他對生命的思考。1944年，他將這些演講整理匯編成書出版，這就是被認(rèn)為是分子生物學(xué)的“湯姆叔叔的小屋”的劃時代著作《生命是什么》。在此書中，薛定鍔討論了以噬菌體小組為主的信息學(xué)派的研究成果，尤其對德爾布呂克的“基因的量子力學(xué)模型”最為推崇。在討論這些研究成果的同時，薛定鍔認(rèn)為“在有機(jī)體的生命周期里展開的事件，顯示了一種美妙的規(guī)律和秩序。我們以前碰到過的任何一種無生命物質(zhì)都無法與之相比。”“我們必須準(zhǔn)備去發(fā)現(xiàn)在生命活體中占支配地位的，新的物理學(xué)定律”。

《生命是什么》一書對生物學(xué)研究產(chǎn)生的影響是震撼性的。著名分子生物學(xué)家斯坦特（Gunther. Stent）指出：“在這本書里，薛定鍔向他的同行物理學(xué)家們預(yù)告了一個生物學(xué)研究的新紀(jì)元即將開始”，“不少物理學(xué)家受到這樣一個可以通過遺傳學(xué)研究來發(fā)現(xiàn)‘其它物理學(xué)定律’的浪漫思想的啟發(fā)，就離開了他們原來訓(xùn)練有素的職業(yè)崗位，轉(zhuǎn)而去致力于基因本質(zhì)的研究”。分子生物學(xué)的歷史表明，1950年代那些發(fā)動分子生物學(xué)革命的科學(xué)家，包括DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者沃森和克里克都是受薛定鍔此書的影響，而轉(zhuǎn)而進(jìn)行基因的結(jié)構(gòu)與功能研究的。

2．結(jié)構(gòu)學(xué)派：20世紀(jì)30年代起，在生物學(xué)領(lǐng)域還有一群物理學(xué)家開始從事生物大分子的結(jié)構(gòu)研究，這就是被稱為“結(jié)構(gòu)學(xué)派”的物理學(xué)家。結(jié)構(gòu)學(xué)派是由英國卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的布拉格父子，亨利·布拉格（William. Henry. Bragg）和勞倫斯·布拉格（William. Lawrence. Bragg）創(chuàng)立的。20世紀(jì)初，他們發(fā)現(xiàn)用X-射線照射結(jié)晶體可以在背景上獲得不同的衍射圖像。通過對衍射圖像的分析，就可以推出晶體的結(jié)構(gòu)。他們用這個方法成功地確定了一些鹽類（如氯化鉀）等的分子結(jié)構(gòu)。1915年，布拉格父子同時獲得諾貝爾物理學(xué)獎。1938年，勞倫斯·布拉格出任卡文迪許教授，開始將X-射線衍射技術(shù)推廣應(yīng)用到對生物大分子（蛋白質(zhì)、核酸）的三維結(jié)構(gòu)研究。50年代初，當(dāng)時在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的佩魯茲（Max Peruts）領(lǐng)導(dǎo)下，正在進(jìn)行二種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析。一是他自己領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，進(jìn)行血紅蛋白的結(jié)構(gòu)研究；另一個是肯德魯（John Kendrew）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，進(jìn)行肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)分析。此外，在倫敦的國王學(xué)院（King’s College）的威爾金斯（Maurice Wilkins）和富蘭克林（Rosalind Franklin）的研究小組正在進(jìn)行用X-射線衍射的方法研究核酸的結(jié)構(gòu)，并取得了很多有意義的成果。結(jié)構(gòu)學(xué)派的生物學(xué)家們主要對生物大分子的結(jié)構(gòu)感興趣，對功能研究則較少涉及。

3．生化遺傳學(xué)派：自從1900年孟德爾定律被重新發(fā)現(xiàn)之后，“基因是怎樣控制特定的性狀”的問題就成了遺傳學(xué)研究的主要問題之一。1902年，英國醫(yī)生伽羅德（Archibald Garrod）發(fā)現(xiàn)一些病孩患尿黑酸癥，病人的尿一接觸空氣就變成黑色。很快這種尿變黑的化學(xué)物質(zhì)就被鑒定出來，即是由酪氨酸轉(zhuǎn)變而成的一種物質(zhì)。伽羅德對患黑尿病患者的家譜分析發(fā)現(xiàn)，此病按孟德爾規(guī)則的方式遺傳。在進(jìn)行一系列研究后，1909年伽羅德出版了《新陳代謝的先天缺陷》一書，指出黑尿病患者代謝紊亂是因?yàn)槔野彼岱纸獯x的第一階段，即苯環(huán)斷裂這一步無法進(jìn)行。因而伽羅德認(rèn)為，苯環(huán)斷裂是在某種酶的作用下發(fā)生的，病人缺乏這種酶，所以出現(xiàn)黑尿癥狀。這樣就把一種遺傳性狀（黑尿）與酶（蛋白質(zhì)）聯(lián)系起來了。但對遺傳因子與酶的這種預(yù)測性的設(shè)想，卻無法得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

1940年，比德爾和塔特姆（E.L.Tatum）開始用紅色鏈孢菌研究基因與酶的關(guān)系。他們用X-射線照射誘導(dǎo)產(chǎn)生鏈孢菌的突變體，發(fā)現(xiàn)了幾種不同的失去合成能力的鏈孢菌。他們通過對這些突變體雜交后代的遺傳學(xué)分析表明，每一種突變體都是單個基因突變的產(chǎn)物，并認(rèn)為每一個基因的功能相當(dāng)于一個酶的作用。由此，于1941年他們提出了“一個基因一個酶”的假說。按照這個假說，基因決定酶的形成，而酶又控制生化反應(yīng)，從而控制代謝過程。1948年，米歇爾（F. Mitchell）和雷恩（J. Lein）發(fā)現(xiàn)，紅色鏈孢菌的一些突變體缺乏色氨酸合成酶，從而為“一個基因一個酶”的理論提供了第一個直接的證據(jù)。蛋白質(zhì)是有機(jī)體基因型產(chǎn)生的最直接的表現(xiàn)型，決定了生物性狀的表現(xiàn)形式。因此“一個基因一個酶”（后改為一個基因一個蛋白質(zhì)）的理論為以后DNA→RNA→蛋白質(zhì)的“中心法則”提供了理論基礎(chǔ)，對認(rèn)識基因控制遺傳性狀的機(jī)制具有重要意義。1958年，伽羅德和塔特姆獲得諾貝爾獎。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的確立

1951年，沃森在意大利參加了一個生物大分子結(jié)構(gòu)的學(xué)術(shù)會議，會上聽了英國國王大學(xué)威爾金斯關(guān)于DNA的X-射線晶體學(xué)的研究結(jié)果的報告十分興奮。沃森是噬菌體小組領(lǐng)袖人物盧里亞的研究生。博士畢業(yè)后，被盧里亞送到丹麥哥本哈根的克卡爾（Herman Kacker）實(shí)驗(yàn)室做有關(guān)核酸的生物化學(xué)方面的研究。這使他迅速熟悉了核酸方面的知識，并確認(rèn)基因的本質(zhì)是DNA。他認(rèn)識到，要解開基因的功能之謎，必需首先弄清DNA的結(jié)構(gòu)。威爾金斯的工作給了他極大的啟示，在盧里亞的支持下，他來到了當(dāng)時世界生物大分子結(jié)構(gòu)研究的中心——劍橋的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室。在這里，他與弗朗西斯·克里克（Francis Crick）相遇?？死锟水厴I(yè)于倫敦科里基大學(xué)物理系，二戰(zhàn)期間在軍隊(duì)從事過磁鐵礦方面的研究。戰(zhàn)后在薛定鍔《生命是什么》一書的影響下，轉(zhuǎn)向生物學(xué)研究。當(dāng)時作為一名博士研究生正在佩魯茲研究小組參加血紅蛋白結(jié)構(gòu)的研究。沃森的到來，使他了解了DNA研究的新進(jìn)展。他們一致認(rèn)為，搞清楚DNA的結(jié)構(gòu)是揭示基因奧秘的關(guān)鍵所在。倫敦國王學(xué)院的威爾金斯是克里克的朋友，這使他們很容易地獲得威爾金斯小組對核酸研究的新成果。沃森和克里克的合作，可以看成是生物學(xué)研究中，信息學(xué)派和結(jié)構(gòu)學(xué)派結(jié)合。這個結(jié)合最終導(dǎo)致DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。

在沃森—克里克開始著手研究DNA結(jié)構(gòu)之時，對DNA結(jié)構(gòu)的資料還是比較零散的。當(dāng)時已知：1。DNA是由腺嘌呤（A），鳥嘌呤（G），胸腺嘧啶（T），胞嘧啶（C）4種核苷酸組成；2。每個核苷酸的糖基因以共價鍵的方式與另一個核苷酸的磷酸基因結(jié)合，形成糖—磷酸骨架；3。這些核苷酸長鏈具有規(guī)則的螺旋狀結(jié)構(gòu)，每3.4埃重復(fù)一次。但DNA分子究竟是由幾條核苷酸鏈組成，以及鏈與鏈之間通過什么方式組成螺旋狀分子，則仍然不清楚。1951年沃森—克里克曾提出一個三螺旋模型，1952年，鮑林也提出了一個三鏈模型，但隨即被否定，因與已知的DNA X-射線衍射結(jié)果不相符。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的確立主要由于以下的研究成果：1。1952年，沃森在威爾金斯那兒看到了富蘭克林在1951年拍攝的一張水合DNA的X-線衍射圖，圖片上的強(qiáng)烈的反射交叉清楚地顯示了DNA是雙鏈結(jié)構(gòu)。這張圖給沃森印象極為深刻，決定建立DNA的雙鏈模型；2。1952年數(shù)學(xué)家格里菲斯（J. Griffith）通過對堿基間的結(jié)合力計算，表明A和T與G和C之間相互吸引的證據(jù)。同時從查伽夫（F. Chargaff）早先已確定的，DNA分子中，嘌呤堿與嘧啶堿之比為1:1的當(dāng)量定律，也排除了堿基同型配對的可能性。此外，多諾休（J. Donohue）指出了堿基的互變異構(gòu)現(xiàn)象。這些結(jié)果都肯定了DNA的二條核苷鏈中，A-T，G-C的堿基配對原則；3。1952年，富蘭克林DNA的X-線衍射結(jié)果已經(jīng)準(zhǔn)確地推測出，雙鏈分子糖—磷酸骨架在外側(cè)，堿基在內(nèi)側(cè)的結(jié)論。富蘭克林還推測出配對堿基的距離為20埃，旋距為3.4埃。

根據(jù)上述資料，1953年沃森—克里克提出了一個DNA雙螺旋模型。這個結(jié)構(gòu)符合已知的有關(guān)DNA的實(shí)驗(yàn)資料，棄提示了DNA分子復(fù)制的可能方式，因而立即受到科學(xué)界的重視并很快被接受。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著分子生物學(xué)的誕生。此后的15年間，分子生物學(xué)取得迅速發(fā)展，其中具有重要意義的進(jìn)展有：

1， 1968年克里克在他的《論蛋白質(zhì)的作用》一文中，提出了遺傳信息的流向是DNA-RNA-蛋白質(zhì)的著名的“中心法則”。1970年蒂明（Howard Temin）和巴爾的摩（David Baltimore）分別在RNA腫瘤病毒顆粒中發(fā)現(xiàn)“依賴RNA的DNA轉(zhuǎn)錄酶”（逆轉(zhuǎn)錄酶），證明了遺傳信息也可以從RNA流向DNA，從而完善了中心法則的內(nèi)容。1975年，蒂明和巴爾的摩獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

2，1954年伽莫夫第一次把決定一個氨基酸的核苷酸組合稱之為遺傳密碼，并提出了“重疊式三聯(lián)密碼”假說。他通過計算給出了64種可能的三聯(lián)密碼。伽莫夫的假說的問題是：1，重疊密碼是錯誤的；2，認(rèn)為DNA直接指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成是錯誤的。1961年克里克和布倫納（S.Brenner）通過實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計分析否定了遺傳密碼的重疊問題，提出了“非重疊式三聯(lián)密碼”的假說，并通過實(shí)驗(yàn)獲得證實(shí)。同年，尼倫伯格（M.W.Nirenberg）用生物化學(xué)的方法及體外無細(xì)胞合成體系，首次成功地確定了三聯(lián)尿嘧啶UUU.是苯丙氨酸的密碼子，揭開了破譯三聯(lián)密碼的序幕。到1966年就完成了所有20種氨基酸的密碼表1968年，尼倫伯格獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

3，.基因表達(dá)調(diào)控的“操縱子學(xué)說”的提出。1960年法國科學(xué)家莫諾（J. Monod）和雅各布（F.Jacob）發(fā)表了“蛋白質(zhì)合成的遺傳調(diào)控機(jī)制”一文。在文章中他們正式提出了基因表達(dá)的操縱子學(xué)說。他們用大腸桿菌乳糖代謝調(diào)控系統(tǒng)為模型，揭示了半乳糖苷酶產(chǎn)生的基因調(diào)控機(jī)制，提出了結(jié)構(gòu)基因、調(diào)節(jié)基因和操縱基因的概念，并證明了半乳糖苷酶（蛋白質(zhì)）的產(chǎn)生正是這些基因相互作用的結(jié)果。操縱子學(xué)說的提出使對基因的研究從結(jié)構(gòu)研究向功能研究的轉(zhuǎn)變，為深入揭示基因控制生物性狀（表型）的機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。1965年莫諾和雅各布獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。操縱子理論有力地證實(shí)了美國科學(xué)家麥克林托克（B.Mclintock）1951年在研究玉米遺傳特性時提出的“跳躍基因”（轉(zhuǎn)座子）的概念，為真核細(xì)胞基因調(diào)控的研究開辟了道路。1983年麥克林托克獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

4，基因工程枝術(shù)的誕生。1962年阿爾伯（W.Arber）提出細(xì)菌體內(nèi)存在一種可以破壞外來DNA的酶。1970年史密斯（H.O.Smith）獲得了第一個DNA限制性內(nèi)切酶。納桑斯則用內(nèi)切酶將SV40病毒的DNA切割成一些特定的片段，并獲得了此病毒基因組的物理圖譜。1978年阿爾伯、史密斯和納桑斯獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。此后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了DNA聯(lián)接酶、DNA聚合酶，這些工具酶的發(fā)現(xiàn)為基因工程技術(shù)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。1971年美國科學(xué)家伯格（P. Berg）用限制性內(nèi)切酶和聯(lián)接酶將SV40的DNA與入噬菌體的DNA片段連接在一起，形成的雜種分子在大腸桿菌中成功表達(dá)，使跨越物種的DNA重組成為現(xiàn)實(shí)?；蚬こ套鳛橐豁?xiàng)新技術(shù)誕生了，它不但為農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間，而且為進(jìn)一步深入探索生命起源和開展人造生命（合成生物學(xué)）的研究提供了技術(shù)手段。伯格的工作為基因工程的誕生奠定了基礎(chǔ)，1980年伯格獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。

從1953年DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)以來的半個多世記中，分子生物學(xué)按還原論的路徑迅猛發(fā)展，取得了許多重要進(jìn)展。進(jìn)入21世記以來，人類基因組計劃的完成，以及蛋白質(zhì)組學(xué)等各種“組學(xué)”的出現(xiàn)，為從整體上認(rèn)識遺傳、變異、及個體發(fā)育等基本生物學(xué)現(xiàn)象開辟了新方向。早已認(rèn)識到基因組完全相同的卵孿生子之間在遺傳表型上可以表現(xiàn)明顯差異，顯示了基因型（Genotype）與表現(xiàn)型之間的復(fù)雜關(guān)系。近年來興起的表觀遺傳學(xué)（Epigenetics）研究表明，基因組可以通過DNA甲基化（DNA methylation），基因印記，母體效應(yīng)，基因沉默，RNA編輯等方式改變基因表達(dá)的方式。這樣就為深入理解環(huán)境與遺傳的關(guān)系提供了可能，從而對醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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