【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。