【探索19-1】二十世紀灰姑娘:DNA之謎

■DNA解密這段歷程軌跡裡,除了華生與克里克外,還有著好幾位主角與配角,他們偶然的交會,共同寫下了這份簡單、優雅,又承先啟後的炫麗篇章。

講師|陽明大學生命科學系暨基因體科學研究所榮譽教授 陳文盛
彙整撰文|陳雅婷

綿長的DNA序列宛如深邃的字典,也是撰寫生命篇章的必要辭彙,稍有一「字」之差便是截然不同意涵。然而,初期生物學家們並不認為單調無聊的DNA能扮演遺傳物質這麼重要的角色,蛋白質才是他們屬意的真命天子。歷經三十多年的研究,從發現、分析、解構的歷程裡,DNA從不被看好的灰姑娘角色,最終登上基因后位寶座。

 

●灰姑娘之路

關於這段故事脈絡,不妨從1866這年說起。著名的豌豆園故事,大家都已熟悉。1856-1863年間,孟德爾以豌豆雜交實驗推論出孟德爾第一定律與第二定律,並提出「遺傳因子」這個概念。但當時的科學家們對於「遺傳因子」是什麼物質並無太大頭緒。1869年年僅24歲的醫生米歇爾(Friedrich Miescher),從傷患繃帶取下的膿細胞,在白血球的細胞核中,發現一種溶解水,卻不溶於稀鹽酸的含磷未知新物質,他稱為「核素」,亦即我們日後所熟悉的「核酸」。

過了數年,在1885-1901年間,德國化學家柯塞(Albrecht Kossel)將核酸水解,發現含有核糖、磷酸和A、T、C、G等四種鹼基;他的學生李文(Phoebus Levene)則進一步提出「鹼基-糖-磷酸」之間的鍵結,同時區分出核糖核酸(RNA)和去氧核糖核酸(DNA) 兩種樣態。兩者在化學結構上只有兩處些微的差異,但在生物功能上卻有極大不同。科學家們雖然普遍認同基因就存於染色體上,而染色體的構成成份是蛋白質和DNA。但蛋白質的組成成份有20種胺基酸,遠多於DNA的4種核苷酸成份,所以當時主流認為遺傳物質應是蛋白質。

●精靈教母現身

隨著一系列的實驗結果,這樣的劇情開始有了轉變。1928年,弗雷德里克·葛利非斯(Frederick Griffith)以肺炎雙球菌進行轉形實驗。他發現致死性的肺炎雙球菌即使用熱殺死,如果和無毒性的變種肺炎雙球菌一同注射老鼠,老鼠仍會發病死亡,病鼠身上也能發現活的致死性肺炎雙球菌。當時他稱這種作用為「轉形」。1944年,美國科學家艾佛瑞(Oswald Avery)和他的團隊,則進一步驗證誘發轉形作用的遺傳物質究竟為何。他將致死型肺炎雙菌分離為DNA、蛋白質、脂肪、醣…等成分,並一一測試何者能誘發轉形,結果顯示只有含DNA的部份才能誘發,反之,如果將DNA水解,形即無法發生,這些結果支持DNA是遺傳物質的論點。然而,這與當時認為的蛋白質才是遺傳物質的主流想法大相逕庭,就連艾佛瑞本身也不太有把握。直到8年後(1952年)赫胥(Alfred Hershey)及他的助手蔡斯(Martha Chase)進行的「果汁機實驗」,才又有了進一步支持。

赫胥和蔡斯以放射性硫、磷分別標示噬菌體蛋白質及DNA,發現T2噬菌體感染大腸桿菌時,進入細菌的大部分是放射性磷(DNA)。對此結果,赫胥不論是在公開演講或其論文中,還是對DNA是遺傳物質的的論點持保留態度。

而除了上述這些經典實驗外,在這段DNA研究風潮漸長的時期裡,還有幾位科學家也起了關鍵性作用。1947年秋,英國諾丁漢大學克里斯(James Michael Creeth)和他的博士生導師古蘭德(J. Masson Gulland)和喬丹(Denis O. Jordan)發表了一篇論文,顯示DNA分子之間含有氫鍵,它們是支持DNA分子結構的關鍵。

●秋天邂逅的搭檔

在逐漸確立DNA是遺傳物質的同時,英國倫敦的國王學院和劍橋的卡文迪許研究所的重頭戲正悄然上演,其中最重要的主角是華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)這對拍檔。華生15歲以資優生提早入讀芝加哥大學,原主修動物學,但受到物理學家薛丁格《生命是什麼》一書啟發,開始對遺傳學有了興趣。1950年他自印地安那大學獲得博士學位後,來到哥本哈根進行博士後研究,因緣際會下聽到了威爾金斯有關DNA的X光繞射研究報告,燃起想解決DNA結構的決心。1951年秋天,華生到卡文迪許繼續從事研究時,與在同一個研究室攻讀物理博士學位的克里克認識,這兩位相差12歲的搭檔,一拍即合!

在倫敦國王學院的羅莎琳·富蘭克林(Rosalind Franklin),也展開以X射線技術研究DNA結構。她很快發現DNA在不同濕度下會有A、B 兩種不同型態存在,也估計出DNA相鄰核苷酸之間的間距關鍵參數。其中,最廣為人知的研究,就是她和研究生雷蒙·葛斯林 (Raymond Gosling) 拍攝的「Photo 51」 X光繞射照片。當華生與克里克從她的同事威爾金斯手中看到這張影像,以及富蘭克林繳交給皇家醫學委員會的研究報告,克里克以他蛋白質結構的研究經驗推敲出DNA雙股的「雙向對稱」特性,也推翻了他們原先猜測的鹼基在外側的三股螺旋模型。

但是雙股之間如何互相連結呢?擔任角色的應該是鹼基之間的氫鍵,但是DNA的四種鹼基各式配對的方式多達32種,DNA會用哪種配對連結?生化學家查加夫(Chargaff)嚐試分析不同物種的核苷酸比例。他在1950年發現不論在酵母菌、肺結核桿菌、小牛、甚至是人體中的DNA,A和T數目大致相等,G和C數目也是如此。這就是所謂「查加夫法則」。1952年夏天,查加夫來到劍橋卡文迪西實驗室訪問,在此認識了華生和克里克,並討論起他這個研究結果。也正是這個機緣,促成了華生和克里克雙螺旋結構模型中的A-T 和C-G 配對。

●老鷹酒館的狂言

這時期華生提出一個同樣鹼基(A-A, T-T、G-G、C-C)互相配對的雙螺旋模型。他覺得很好,因為它可以用來解釋DNA複製的模式。但是和華生與克里克同一個辦公室的年輕物理化學家唐諾休(Jerry Donohue),指出華生用錯了G和T的異構物。華生改用正確的異構物後,發現他提出的配對就有問題了。

1953年2月28日(星期六)上午,華生用紙模型排列組合,依照克里克的建議,嘗試A-T之間和G-C之間的氫鍵配對。他發現這兩對鹼基各可以用某種氫鍵鍵結配對,得到幾乎完全一樣大小和形狀的鹼基對。以這樣鹼基對連結的DNA就會是均勻的螺旋結構。他請唐諾休確定化學結構的正確性。克里克看了也覺得他們找到正確的答案。

中午時分,華生與克里克步入老鷹酒館,興沖沖地向朋友們宣布:「我們發現了生命的秘密!」。不久,在4月25日《自然》期刊上,刊登了他們的文章, 也是讓華生、克里克與威爾金斯共同獲頒1962年諾貝爾生理醫學獎的重要論文。但讓人感到遺憾的是,富蘭克林因癌症早逝,未能同享屬於她的諾貝爾桂冠榮耀。

闔上這本生命童話後,我們已知故事的續章是DNA的解密,開啟了分子生物學的大門。如果我們進一步思考,「DNA的解密究竟是歷史必然之結果,亦或沒有華生與克里克就無法呢?」如果就科學研究進展脈絡看來,DNA結構發現其實是必然結果,但華生與克里克各自專長交織出的火花、各地傑出研究者成果的交會,和當時劍橋水道渠成的研究環境,或許也是這篇章真正令人著迷和讚嘆的地方!

時至今日,DNA雙螺旋結構發現已屆滿65週年,透過科學史的脈絡,我們得以回顧這段二十世紀生物學膾炙人口的故事,而現今握有字典的科學家,正繼往開來不斷嚐試創造下一個里程碑。

 

本文整理自:107/3/17由陳文盛老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「DNA:灰姑娘的故事」演講內容。

 

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