每次撰写有关DNA的文章时,总会有莫名的喜感,愉悦之情源于DNA双螺旋结构的发现过程,不亚于一场“清宫大戏”。
众所周知,揭示DNA双螺旋结构的是沃森和克里克两人,沃森和克里克也因此获得1962年诺贝尔奖,而事实是双螺旋结构的发现,要再加上富兰克林、威尔金斯和葛斯林三人。
克里克和沃森
1950年,威尔斯金和他的学生葛斯林在剑桥大学国王学院研究DNA结构,发现提纯后的DNA非常适合用X射线衍射分析,为加快进程,学院领导在1951年1月,邀请了当时在X射线衍射技术方面略有名气的富兰克林进入实验室,负责DNA结构研究。
为了让富兰克林尽快熟悉,学院领导派葛斯林协助她。所谓一山不容二虎,一个实验室也没容下两位科学界大佬,实验室“一把手”之争拉开序幕。
罗莎琳德·埃尔西·富兰克林
1951年年底,富兰克林发现DNA可能是螺旋结构,主角沃森和克里克得知消息后,便按照猜想搭建出三股螺旋的DNA结构,邀请富兰克林参观。谁知富兰克林参观后对两人一顿臭骂,并利用关系强制暂停两人的实验,这让沃森和克里克是有苦说不出。
直到1952年5月,葛斯林在实验过程中拍下著名的照片“Photo 51”,发现DNA可能是双螺旋结构。念于旧情,葛斯林绕过和自己合作的富兰克林,第一时间将照片拿给自己的导师威尔斯金,谁知威尔斯金拿到照片后却据为己有,并找沃森和克里克“显摆”,以证明自己的能力,结果酿下“滔天大祸”。
Photo 51
受到照片启发,沃森和克里克迅速重启实验,并于1953年4月25日发表论文,作者署名却对其他三人只字未提,两人也顺利拿下诺贝尔奖。这段故事细说起来可不比《甄嬛传》差。
沃森和克里克漫画形象
回归正题,DNA作为多数生物体的总设计师,主要遗传物质,DNA分子双螺旋结构的提出,帮助我们更深刻地了解了生命的本质,是现代分子生物学重要里程碑之一。
DNA分子双螺旋结构和A、G、C、T四种核苷酸的发现,完美解释了DNA双链结构形成原理,可为何呈螺旋状却始终是迷,当今普遍认为,在无外力情况下,微观粒子会“自转”和围绕某轴“公转”。同理,核苷酸分子在DNA内也具有该特性,反映到大分子上就会呈现出螺旋结构。
在所有人都以双螺旋结构为基础解释生物本质时,1987年,苏联科学家Mirkin发现了一种三链螺旋DNA,该发现引起广泛讨论和研究。三链螺旋DNA迅速成为科学界热门的话题,并且科学家发现三链DNA在基因编辑方面具有高精准度等特点,是优异的基因编辑器。
早期研究中,受科技水平限制,科学家认为三链DNA的形成主要是单链上核苷酸被严格控制,每条单链由类碱基组成,分为嘌呤链和嘧啶链,三条链由氢键相连组成三碱基体,且长度较短,只有嘌呤-嘌呤-嘧啶和嘧啶-嘧啶-嘌呤两种。
直至1992年,科学家发现,抛除GC或AT碱基互补形成的常规氢键,TAT和CGC也可以配对形成Hoogsteen氢键,且具有专一性,三链结构中,单链DNA会与双螺旋结构中某一DNA单链形成Hoogsteen氢键,缠绕在双螺旋大沟上。
能形成三链DNA的线性单链DNA碱基序列
并且科学家发现三链DNA可以影响基因的表达和转录。如果人类某段基因出现突变或不想让它表达,我们完全可以合成一段单链DNA,与该基因结合,形成三链DNA阻止基因表达和转录。
相信在不远的将来,我们完全可以用该技术实现对人类基因的缝补,就像补胎一样,漏气补一下就好。
除去三链DNA,2018年4月23日,四链DNAi-motif被证实存在于生物体内,与三链DNA一样,四链DNA结构之前只存在于计算机和体外细胞中,很长一段时间内被认为是一种假想。研究结论发表于《Nature》杂志。
四链DNA在生物体内的发现,完全颠覆了人们对DNA结构的认知,来自澳大利亚的研究人员表示,四链DNA出现在特定时间的染色体端粒中,可能与基因开启或关闭相关。
i-motif四链DNA的出现,让长久沉迷计算机研究DNA多种结构的科学家松了口气,该结果除去本身具有的生物学意义,也侧面证明该领域科学家的付出是有价值的。
除了上述结构,十字架形DNA结构也被科学家在计算机中合成,虽然迄今为止三链和十字架结构的DNA未发现存在于生物体内,但是四链DNA的发现让一切皆有可能。
结尾DNA结构不是一成不变的,双螺旋也不是唯一结构,我们现在也许无法理解它,但应该“允许”它的存在,科学的发展就是常识不断颠覆,概念不断扩充,体系不断重构的过程。相信随着科学的发展,“我上了个假学”的感觉会越来越多,科学发展必定伴随着观念颠覆。
迄今我们都无法完全解答DNA结构之谜,是否意味着人类离编辑基因还很远,你觉得呢?
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