关于双螺旋结构的提出

　　我们拟提出脱氧核糖核酸（DNA）盐的一种结构。这种结构的崭新特点具有重要的生物学意义。

　　鲍林和考瑞曾提出过一个核酸结构。他们在发表这一结构之前，欣然将手稿送给我们一阅。他们的模型包含磷酸接近纤维袖，碱基在外周的三条多核苷酸链。我们觉得这样的结构是不够满意的，其理由有二：（1）我们认为进行过X射线衍射分析的样品是DNA的盐而不是游离的酸。没有酸性氢原子，接近轴心并带负电的磷酸会相互排斥。在这样的条件下，究竟是什么力量把这种结构维系在一起，尚不清楚。（2）范德瓦尔力距似显太小。

　　弗雷泽曾提出过另外一种三条多核苷酸链的结构（将出版）。在他的模型中，磷酸在外边，碱基在内部，并由氢键维系着。他描述的这种结构也不够完善，因此，我们将不予评论。

　　我们拟提出一个完全不同的脱氧核糖核酸盐的结构。该结构具有绕同一轴心旋转的两条螺旋链（见图）。根据化学常识我们假定，每条链包括联结β-D-脱氧呋喃核糖的3\',5\'磷酸二酯键。两条链（不是它们的碱基）与纤维轴旋转对称垂直，并呈右手螺旋。由于旋转对称性，两条链的原子顺序方向相反。每条链都与弗尔伯格的第一号模型粗略地相似；即碱基在螺旋内部，磷酸在外边。糖的构型及其附近的原子与弗尔伯格“标准构型”相似，即糖和与其相联的碱基大致相垂直。每条链在z向每隔3.4埃有一个核苷酸。我们假定，同一条链中相邻核苷酸之间呈36度角，因此，一条链每10个核苷酸，即34埃出现一次螺旋重复。磷原子与纤维轴之间的距离为10埃。因为磷酸基团在螺旋的外部，正离子则易于接近它们。

　　这个结构模型仍然有值得商榷之处，其含水量偏高，在含水量偏低的情况下，碱基倾斜，DNA的结构会更加紧凑些。

　　这个结构的一个新特点就是通过嘌呤和嘧啶碱基将两条链联系在一起。碱基平面与纤维轴垂直。一条链的碱基与另一条链的碱基通过氢键联系起来形成碱基对。两条链肩并肩地沿共同的之向联系在一起。为了形成氢键，碱基对中必须一个是嘌呤，另一个是嘧啶。在碱基上形成氢键的位置为嘌呤的1位对嘧啶的1位；嘌呤的6位对嘧啶的6位。

　　假定核酸结构中碱基仅以通常的互变异构形成（即酮式而非醇式构型）出现，则只能形成专一的碱基对。这些专一碱基对为：腺嘌呤（嘌呤）和胸腺嘧啶（嘧啶），鸟嘌呤（嘌呤）和胞嘧啶（嘧啶）。

　　换言之。按照这种假设，如果一个碱基对中有一个腺嘌呤，在另一条链上则必然是胸腺嘧啶。同样地，一条链上是鸟嘌呤，另一条链上必是胞嘧啶。多核苷酸链的碱基顺序不受任何限制。因此，如果仅仅存在专一碱基对的话，那么，知道了一条链的碱基顺序，则另一条链的碱基顺序自然也就决定了。

　　以前发表的关于脱氧核糖核酸的X射线资料，不足以严格验证我们提出的这种结构。至今，我们只能说它与实验资料粗略地相符合，但在没有用更加精确的结果检验以前，还不能说它已经得到了证明。在本文后面发表的一篇短文提供了一些精确的数据。但是，我们在搞出这个DNA结构以前，并不知道该文报告的详细结果。这个结构模型虽然不是完全地，但主要地是根据已发表的资料和立体化学原则建造起来的。

　　我们当然注意到了，我们提出的专一碱基对直接地表明遗传物质的一种可能的复制机制。

　　该结构的全部细节，包括建造模型的一些条件以及原子的同向性等问题将另行发表。

　　我们非常感谢多纳休经常向我们提出建议和批评，特别是关于原子间距问题。我们也得到伦敦金氏学院威尔金斯博士、富兰克林博士及其同事们一些尚未发表的实验结果和思想的鼓舞。作者之一（沃森）由美国小儿麻痹症国家基金会（Natiortal Foundation for lnfantile Para1ysis，U.S.A。）奖学金资助。

　　剑桥卡文迪什实验室，医学研究委员会生物分子结构研究单位，1953年4月2日。

　　参考文献

　　[1] Pauling，L.，and Corey，R.B.,Nature，171，346 （1953）．Proc. U.S．XXXXXXdd．Sci.，39，84 （1953）.

　　[2] Furberg，S.，XXXXXXXem Scand，6，634 （1952）。

　　[3]Chargaff，E., for references see Zamenhof，S.,Brawerman，G.,and Chargaff，E.,Biochim。 Biophys, Acta，9，402 （1952）。

　　[4]Wyatt，G.R.，XXXXXXXXysiol，36，201（1952）。

　　[5]〕Astbury，W.T.,Symp. Soc. Exp．BiOl.,l，Nucleic Acid,66 （XXXXXXXXXXXXess，1947）.

　　[6]Wilkins，M.H.F．，and Randall，T.T.，Biochim，Biophys。 Acta. 10，192（1953）.　

脱氧核糖核酸结构的遗传学意义

　　沃森和克里克

　　1953年5月30日

　　活细胞中脱氧核糖核酸（DNA）的重要性是无可争议的。在一切分裂着的细胞中，DNA如果不是全部，至少也是大部分存在于细胞核内。DNA是染色体的主要组成成分。很多证据部说明它是染色体一部分（如果不是全部）遗传性状的携带者，也可以说它本身就是基因。但是，至今尚无证据能够说明遗传物质究竟是怎样进行精确自我复制的。

　　最近，我们提出了一个脱氧核糖核酸盐的结构模型。这个模型如果正确的话，就直接地解释了遗传物质自我复制的机制。与我们的前文同时发表的伦敦金氏学院学者们的X射线资料，定性地支持我们的结构模型而与以前提出的所有结构模型都是矛盾的。虽然这一结构模型尚需更多的X 射线资料加以证实，我们充满信心地认为，现在就讨论它的遗传学意义是正确的。为此，我们假定脱氧核搪核酸盐的纤维并非由于制备方法而产生的矫作物。威尔金斯及其同事们曾经指出，由分离出的DNA纤维和某些完整的生物材料，如精子头部和噬菌体颗粒等，同样可以得到类似的X射线图谱。

　　脱氧核糖核酸的化学结构现在已经完全确立了。如图1所示，它是一个很长的分子，以有规律地交替出现的糖和磷酸构成其骨架。每一个糖联结一个含氮碱基，而碱基又有四种不同的类型（我们认为5-甲基胞嘧啶与胞嘧啶等同，因为两者在DNA结构中皆能很好地参与碱基配对）。两种可能出现的碱基——腺嘌呤和鸟嘌呤为嘌呤；另外两种——胸腺嘧啶和胞嘧啶为嘧啶。迄今所知，多核苷酸链中碱基顺序是无规律的。由磷酸、糖和碱基构成的单体称核苷酸。

　　我们这个具有生物学意义的结构模型的第一个特点，在于它不是由一条而是由两条（多核苷酸）链所构成。这两条链皆绕一个共同的纤维轴旋转，如图2所示。一般认为DNA汉有一种化学结构形式，因此螺旋结构中只应有一条链。但是，X射线所得密度图强有力地证明螺旋结构中有两条链。

　　另一个有生物学重要意义的特点是这两条链维系在一起的方式。这种方式表现为碱基间形成的氢键，如图3所示。碱基以配对方式联结在一起，即一条链上一个碱基与另一条链上上个碱基通过氢键联结在一起。关键问题在于螺旋结构中仅能形成某些专一的碱基对，为了维系两条链，碱基对中一个碱基是嘌呤，另一个则必定是嘧啶。否则，如果一个碱基对包含两个嘌呤，两条链之间则容纳不下。

　　我们相信，碱基几乎完全以常见的互变异构形式存在。果真如此的话，形成氢键的条件则是非常严格的。仅能形成的碱基对为：

　　腺嘌呤与胸腺嘧啶

　　鸟嘌呤与胞嘧啶

　　碱基间形成氢键的方式如图4和图5所示。碱基对能以两种方式形成。例如，两条链上都可能出现腺嘌呤。一条链上出现腺嘌呤，则另一条链上和它配对的碱基必是胸腺嘧啶。反之亦然。

　　最近的分析结果指出，在测定过的各种来源的DNA样品中，腺嘌呤的数量接近胸腺嘧啶的数量，鸟嘌呤的数量接近胞嘧啶数量。但是，腺嘌呤与鸟嘌呤的比值则因来源不同而不同。这些分析结果强有力地支持碱基配对法则。事实上，多核苷酸链的碱基顺序如果是无规律的话，除了求助于我们的配对法则外，要解释这些分析结果是很困难的。

　　我们的结构模型中磷酸和糖的骨架是完全规则的。而在这种结构中任意碱基对顺序都是合适的。这一模型说明，在一个很长的分子中可以有很多交换不同的碱基排列顺序。因此，这似乎表明严谨的碱基顺序就是携带遗传信息的密码。如果已知两条链中一条链的碱基顺序，根据专一碱基对法则，可以准确无误地写出另一条链的碱基顺序。可见，一条链与另一条链是互补的。正是这一特点表明了脱氧核糖核酸分子是如何自我复制的。

　　以前讨论目我复制通常要涉及样板或模板这个概念。曾经提出过直接自我复制的样板论，也有过由样板产生“副本“，“副本“反过来作样板再产生初始的“正本“的说法。但是，这两种观点都没有具体解释这一过程是如何在原子和分子水平上进行的。

　　现在，我们的脱氧核搪核酸模型实际上是一对样板。这两条祥板是彼此互补的。我们假定，在复制之前氢键断裂，两条链解开并彼此分离。然后，每条链都可以作为样板，在其上形成一条新的互补链。这样，我们最后得到了两对链，而此前我们汉有一对链。而且，在复制过程中，也是严格符合碱基对顺序的。

　　仔细琢磨一下我们的模型表明，如果一条链（或它的有关部分）呈螺旋结构，复制就很容易进行。我们设想，细胞在其生活阶段中合有大量游离核苷酸（严格他讲应是多核苷酸的前体）可以被细胞利用。游离核苷酸的碱基常常通过氢键与链上一个碱基配对。我们现在假定，如果新合成的链可以形成我们设想的这种结构，则生成新链的单体聚合化反应才有可能进行。这种观点表面上似乎是讲得通的。除非这些核苷酸是形成我们的结构所必需的，否则，由于位阻效应，它们就不能在初始的链上“结晶”并彼此接近最终联成一条新链。这种聚合化反应是否需，要一个专一的酶，或者已有的单股螺旋是否可以有效地起到酶的作用。这些都是尚侍进一步研究的问题。

　　因为我们的模型中两条链是相互缠绕在一起的，要分开它们必须解除这种缠绕。两条链每34埃缠绕一周，因此，一个分子量为一百万的DNA约有150周螺旋。不管染色体具有怎样精细的结构，仍然需要有相当数量的非螺旋部分存在。显微镜观察的结果明确指出，在染色体有丝分裂中出现很多缠绕部分和非缠绕部分。尽管这是宏观现象，大概也反映了分子水平上的类似情况。要并井有条地弄明白这些过程是怎样发生的，虽然现在还有困难，我们觉得上述的看法还是值得考虑的。

　　在前文中，我们提出的结构模型仍然有值得商榷之处。两条多核苷酸链之间可以摆一条多肽链围绕同一螺旋轴旋转。邻位磷原子之间的距离为7.1埃，与完全伸展的多肽链一个周期的距离非常接近，这或许有某种意义。我们认为，在精子头部或核蛋白体矫作物之中，多肽链大概占据着这个位置。关于DNA已发表的X射线图中，出现比较微弱的次级谱线（second layer-1ine）与这种观点粗略地相符合。蛋白质在这里的功能可能是控制DNA链是否缠绕，有助于将一条多肽链维持在螺旋构型之中，或者表现其他非专一性的作用。

　　我们的模型也为其他一些现象提供了可能的解释。例如，自发变异可能是由于一种碱基偶尔以它不常有的互变异构体形式出现而产生的。另外，在减数分裂中，同源染色体的配对可能也依赖于专一的碱基配对。我们将另外详细讨论这些问题。

　　现在，我们提出的脱氧核糖核酸复制的一般概念，应该看作是一种推测。即使这种观点是正确的，要详细描述遗传复制机制尚需很多新的发现。多核苷酸的前体是什么？什么力量促使两条链解开？蛋白质的确切作用是什么？染色体究竟是一对长的脱氧核糖核酸链，或者它包含一束由蛋白质联结在一起的核酸链？

　　尽管这些都是不能肯定的问题，我们觉得我们提出的脱氧核搪核酸结构可能有助于解决一个基本的生物学问题——遗传复制中样板的分子基础。我们提出的假说是，祥板是由一条脱氧核糖核酸链的碱基组成的图案，而基因包含着这种样板的互补碱基对。

　　作者之一（沃森）由美国小儿麻痹症国家基金会奖学金资助。

　　剑桥卡文迪什实验室，医学研究委员会生物分子结构研究单位

　　参考文献

　　[1] Watson，J．D，，and Crick，F.H，C.,Nature，171，737（1953).

　　[2]Wilkins，M，H．F.,Stokes，A，R.,and Wilson，H.R.，Nature，171，738（1953), Franklin，R.E.,and Gosling，R，G.，Nature,171，740（1953).

　　[3](a) Astbury，W.T，Symp．XXXXXXXXXXCl.,No.1，66（1947）.

　　(b) Furberg，S．，XXXXXXXXXXXXand．，6,634（1952）.

　　（c)Pauling，L.，and Corey，R.B.,Nature，171，346（1953）. XXXXXXXt．Acad. Sci.U，S.，39，84 （1953）.

　　（d)Fraser，R.D.B，，（in prcparation）.

　　[4]Wilkins，M.H，F.，and Randal1，J．T.，Biochim. Biophys．Acta，10，192（1953）.

　　[5]Chargaff，E.，for references see Zamenhof，S．，Brawerman，G., and Chargaff，E., Biochim， Biophys．Acta,9，402（1952).Wyatt，G.R.,J．XXXXXXysio1，，36，201（1952）.

DNA双螺旋与分子生物学的崛起

　　斯坦特

　　在芝加哥海德公园高中上历史课时，我知道了文艺复兴运动开始于1453年5月29日。这一天，土耳其人攻下了康土坦丁堡。人们这时突然发现，中实际已经过去，古典文艺和科学开始再度兴起。虽然我后来终于懂得了把某个具体日期定为某个历史时期的开始，这种作法是多么荒唐可笑，但我仍然认为，分子生物学时代确实开始于康士坦丁堡陷落五百年以后，甚至一天也不差。这个时代开始于1953年4月25日。这一天，英国科学杂志《自然》发表了两位年轻科学家——沃森（原为海德公园高中的劲敌——南海岸高中的学生）和克里克写的一篇论文。这篇文章宣布发现了DNA双螺旋。消息传开，不胫而走，它的内容广为流传。对遗传机制感兴趣的多数生物学家很快就认识到，从携带遗传信息的生物大分子角度研究遗传学的时代到来了。

　　正如文艺复兴运动诞生于西方基督世界同东方穆斯林世界的对抗之中一样，分子生物学在遗传学与生物化学的对峙中降临人间。遗传学创立于1865年。盂德尔（Gregor Mendel)发表了他用种子形状和花的颜色等遗传性状各不相同的豌豆品种进行杂交实验的结果。孟德尔曾经研究过圆形和皱形种子，红花和白花等性状在子代植物中的分布情况。他的杂交实验结果使他得出了有机体携带着并传递给子代很多遗传因子或称基因的著名结论。每一个基因决定一个性状，因此有机体的全貌受其全部基因的控制，而这些基因都是由其亲代传授下来的。孟德尔的见解远远超越了他的时代，以致他的发现在以后35年内没有引起生物学界的注意。1900年，孟德尔的研究成果才重新受到重视，遗传学在本世纪头二十年中才发展成生物学领域内一门最重要的前沿科学。基因在染色体上呈线状排列。（在细胞核内染色体呈线状。细胞分裂前，染色体一分为二。细胞分裂期间，染色体分布到两个子细胞之中，而每个子细胞都获得它自己的一组染色体。）这在很大程度上应该归功于摩尔根（Thomas XXXXrgan)及其助手们所进行的大量工作。此外，他们还发现了基因能够进行突然的、永久性的变化或称突变。一个突变可以导致由基因所决定的特定遗传性状发生变化，例如红花颜色变为白花颜色。

　　这些实验结果大大推动了对于生命的认识。从理论上来说，它为了解生物进化打下了坚实的基础。这时已经可以看出，基因突变是生物界新物种的基本源泉，因此也是推动生物进化的动力。达尔文提出的自然选择，其实就是选择那些携带着新基因、或基因新组合的有机体；正是这些新基因或基因新组合，为生物在生存竞争中提供了更大的适应性。而在实践上，遗传学也为人类带来了巨大的利益。农业方面，人们因此能够设计出合理的培育方法，从而改良传统的作物和家畜，获得较好的经济效益。医药方面，由于认识到基因在人类很多疾病中的作用，也就为有效地防止或治疗这些疾病提供了合理的措施。但是，在二十世纪上半叶，遗传学虽然已经成为生物科学的皇后，但作为它的中心概念的基因的物理性质却仍然是神秘莫测的。例如，没有人知道基因是由什么组成的，其性状是怎样作用于携带它的有机体的，以及在细胞分裂中，基因是如何忠实地自我复制的，等等。

　　也许只能用迄今尚不了解的物理和化学规律才能解释基因性质的奥秘，基因自我复制的机制以及基因对细胞功能的控制。这就吸引了许多物理学家转而研究遗传学。其中最有影响的一位物理学家就是杰出的丹麦物理学家波尔（Niels Bohr)的学生——德尔布吕克。1935年，29岁的德尔布吕克因为以生物学家的身份发表了一篇题为“论基因突变和基因结构的性质”的纯理论性文章而崭露头角。十年后，德尔布吕克在他那篇只在私下传播，并不为很多人知道的文章中表达的观点却在一本广为阅读的《生命是什么？》的书中得到了普及。这本书是当时已经声名显赫的物理学家薛定谔写的。回顾起来，薛氏一个最重要的观点就是，基因乃遗传信息的携带者；而基因携带遗传信息，据估计，其唯一合理方法又在于它包含着少量连续的种类不同的重复因子，或称符号，这种精确的连续的模式即是编码的遗传信息。薛定谔在举例图解这种编码体系的最大信息量时，曾使用摩尔斯密码的两个符号——点和横来代表它的重要因子。与此同时，德尔布吕克已开始用实验方法研究基因问题。1918年，在帕萨迪纳加州理工学院，德尔布吕克作为博士研究员开始研究细菌病毒（通常称噬菌体）。虽然噬菌体是很小的、结构比较简单的超显微颗粒（长度小于万分之一毫米），然而，它们却有自我复制能力。德尔布吕克发现，噬菌体颗粒感染寄主细菌后，半小时内就产生几百个同样的子代噬菌体颗粒。因此，基因复制的中心问题可以简化为亲代噬菌体颗粒如何在半小时内产生上百个子代颗粒的问题。两年后，德尔布吕克结识了来自饱经战争创伤的欧洲的避难者——卢里亚，以及圣路易华盛顿大学的赫尔希。他们的结合创立了噬菌体小组。共同的目标——解决基因性质之谜，把这个小组的成员紧紧地联系在一起。1947年，卢里亚任印第安纳大学教授。他接受了19岁的沃森作他的研究生，并举荐他参加噬菌体小组。

　　虽然噬菌体小组在研究实际上尚待弄清的基因性质方面做出了重要贡献，然而，最终确定基因的物理性质却完全来自不同的领域。十九世纪六十年代，孟德尔的同时代人瑞士化学家米歇尔（Friedrich Miescher）发现细胞核含有一种以前不知道的合磷丰富的物质——核酸。到本世纪初，生物化学家证明了植物和动物细胞中普遍存在核酸，并且证明了核酸合有四种不同的含氮碱甚、一种五碳糖和磷酸。后来又发现，一个含氮碱基，一个糖和一个磷酸分子联结而成核酸的基本构件——核苷酸。而核酸分子就是由很多这样的核苷酸通过糖之间的磷酸二酯键而组成的。所以，核酸是一种多核苷酸链。到本世纪二十年代，大家又证实实际上存在两类不同的核酸。类为核糖核酸（RNA），另一类为脱氧核糖核酸（DNA）。这两类核酸的化学组分几乎是相同的。但是，DNA的糖为脱氧核糖。它比RNA的核糖少一个羟基。另外，RNA中有一种含氮碱基为尿嘧啶，与DNA中相应的含氮碱基胸腺嘧啶相比，尿嘧啶缺少一个甲基。可是，就是这两种化学结构上的细微差异却导致了DNA和RNA生物功能的重大区别。最早得知这种不同功能，是因为本世纪二十年代后期发现DNA几乎全在染色体上；而RNA则在细胞核外，即在原生质之中。由于当时摩尔根的研究业已表明基因寓于染色体之中，假设DNA在遗传中具有重要作用，看来也就并非是毫无根据的想象。但是，既然染色体中蛋白质比DNA多，也就不应断定基因实际上是DNA组成的。事实上，大多数专家都认为基因是由蛋白质组成的，而DNA只不过在遗传过程中发挥某些辅助的生理作用罢了。

　　1944年，纽约洛克菲勒研究所的艾弗里及其同事们首先直接证明DNA事实上是遺传物质。

　　艾弗里指出，把从正常供体细菌抽提出的纯品DNA加到畸化的受体细菌之中，某些受体细菌的遗传性状就转化为供体细菌型的，而这种受体细菌只有一个变异基因不同于供休细菌。由此可见，正常的供体细菌基因必然是以供体DNA分子的形式进入受体细菌，并在受体细菌中取代了它变异的同源基因。这说明，细菌DNA包含看细菌基因。在1944年，这样的结论似乎过于急进，甚至艾弗里本人也难以接受，只是在利用最为精密的装置做了对照实验后才不得不相信。事实上，在当时多数生物化学家和遗传学家看来，艾弗里的对照实验装置显然还不是十分严格的。艾弗里的这个发现虽然广为流传，但在以后的八年中，并没有对有关遗传机制的理论产生多大的影响。后来，在1952年，赫尔希和他的年轻助手蔡斯终于指出，噬茵体颗粒感染寄主细菌时，实际上汉有噬菌体DNA进入细菌，而噬菌体蛋白质却留在细菌外边，对于后来发生在细菌体内的噬菌体再生进程并未发生任何作用。因此，可以得出结论，指导合成子代噬菌体的亲代噬菌体基因寓于它的DNA之中。赫尔希-蔡斯再次证明DNA是遗传物质的实验产生了直接和深远的影响。从那时起，有关遗传机制问题的研究便全部集中于DNA上了。

　　为什么艾弗里宣布DNA是遗传物质对当时遗传学界产生的影响比其后赫尔希-蔡斯的实验产生的影响小呢？至少在我看来，其主要原因在于：1944年人们仍普遍认为，DNA分子是由四种核苷酸有规则地重复而构成的。一个DNA分子既由四个单调重复的单位构成，而每个单位又各含有四种含氮碱基，即腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶之中的一种，那么，要设想这样一个DNA分子怎样能够携带遗传信息，自然也就非常困难。不过，到了1952年，有关DNA结构的观点发生了变化。哥伦比亚大学的查戈夫对DNA进行了一系列严格的生化分析。他发现，DNA并不是由单调的四种核苷酸重复出现组成的。实际上，在多核苷酸链中，四种合氮碱基能以任意顺序排列。由于发现了DNA中四种碱基的相对数量，在不同生物来源的样品中并不相同，因此也就可以想象，在赫尔希-蔡斯时代，任何DNA分子都可以用多核苷酸链中严格的碱基顺序储存其遗传信息。换言之，薛定谔提出的遗传编码的重复因子，现在可以看作是腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶四种不同的核苷酸。在这种观点的基础上，生物遗传的根本问题可以归纳为DNA分子的两种不同的功能。一是自我催化功能，即通过亲代DNA分子严格的碱基顺序的复制，产生出遗传信息传给后代。二是异体催化功能，即DNA通过对于造成实际有机体的一系列生化反应的控制或主导，将其遗传信息表达出来。为了搞清楚DNA是如何完成这些功能的，就不仅需要了解DNA的化学组成，而且需要详细研究它的三维结构。

　　在噬菌体小组出现的同时，另外一个完全不同的物理学家小组也开始了对于生物学问题的研究。噬菌体小组的主要目标是想搞清楚遗传信息传递的物理基础，而这些物理学家的兴趣则集中在生物分子的三维结构——也就是它的形状上。对于这个结构分析小组来说，遗传学问题仅仅是其研究工作的一个项目，最多只占辅助地位。这个结构分析小组的工作可以说是从W.H.布喇格和W.L.布喇格沿袭下来的。布喇格父子于1912年建立了X射线晶体学并创立了晶休结构学派。这一创举使英国成了研究分子结构的故乡。在成功地测定了一些相当复杂的分子结构之后，这些晶体学家大受鼓舞，于是进一步将他们的结构分析方法应用于一些更加复杂的重要生物大分子结构上。因为他们相信，不搞清楚细胞组分的空间构型，就不能很好地理解细胞的生理功能。奥斯特伯和贝纳尔就是进行这方面工作的布喇格的第一批学生。他们于本世纪三十年代后期起，着手研究蛋白质和核酸结构。奥斯特伯将这种研究生命过程的方法命名为“分子生物学”。尽管他极力鼓吹了多年，这一新兴学科并没有得到广泛接受。例如，在1953年4月25日以前，噬菌体小组的成员都没有自认为或者自称为是“分子生物学家”。然而，在那一天，这个小组突然发现，他们一直在研究着的课题正是分子生物学，这就象莫里哀笔下的儒尔丹先生突然发现自己原来是在说些普通大白话一样。

　　奥斯特伯、贝纳尔和布喇格的其他几位学生早期的工作为晶体学后来的飞速发展奠定了基础。但是，最先取得分子生物学巨大胜利的并不是英国学派，而是加州理工学院的鲍林。他于1951年发现了蛋白质的基本结构。蛋白质也是一条长链分子，由二十种不同的氨基酸通过肽键彼此联结而成。这样的氨基酸链亦称多肽链。鲍林为自己提出了测定多肽链空间构型，即蛋白质大分子骨架形状的任务。他发现，这种骨架实际上只能有少量不同的螺旋构型，并且预见到其中一种构型，即α螺旋在决定蛋白质分子的形状中必定发挥着主导作用。这个预见不久即被证实。鲍林取得成功的部分原因是使用了测定蛋白质结构的新方法。想象和模型在这个新方法中比在英国晶体学家通常采用的直接分析法中起了更大的作用。但是，鲍林发现α螺旋不论是个多么伟大的胜利，并没有为人们提供很多关于蛋白质的新观点，更没有指出蛋白质如何工作和怎样合成出来的。他的胜利似乎没有导致很多新实验，或者说没有开辟思维的新前景，而是仅仅指出了使用他的结构分析方法可以达到多大的深度。与此同时，在剑桥布喇格实验室的佩鲁兹和肯德鲁一直从事于两种载氧蛋白质——血红蛋白和肌红蛋白的结构研究。由于当时使用工具的限制，他们要完成的任务是非常困难和复杂的，因而他们的进展是很缓慢的。鲍林的光辉胜利给剑桥小组很大的震动。但是，他们仍然坚定地干了下去。他们应用新的技术和更加有效的计算机对X射线照片做了复杂的数学分析。这样经过几乎十年的艰苦劳动，佩鲁兹和肯德鲁终于搞清楚了他们各自的蛋白质的全部三维结构。

　　1951年，鲍林成功地建立多肽链的基本结构以及同威尔金斯的一次偶然相遇，鼓舞着沃森试图搞清楚DNA分子的结构。威尔金斯在伦敦对DNA已经进行了很久的X射线晶体学分析，而沃森当时刚刚拿到博士学位正在哥本哈根继续进行他的噬菌体工作。为了学到X射线方面必要的技术，沃森到剑桥与肯德鲁一起工作。在剑桥，沃森遇到了克里克。克里克当时已经想到，DNA的三维结构对于了解基因的性质是很重要的。于是，沃森和克里克合作，在1953年春天发现了DNA分子是一个包括两条相互缠绕的多核苷酸链的双螺旋。DNA双螺旋是自身互补的，其中一条链的腺嘌呤核苷酸对应另一条链的胸腺嘧啶核苷酸，同样，鸟嘌呤核苷酸对应胞嘧啶核苷酸。这两组相互对应的核苷酸都是由氢键维系着。双螺旋中全部核苷酸皆是如此。

　　乍一看，自身互补的DNA双螺旋结构与两年前鲍林发现的α螺旋非常相似，特别是专一的氢键在α螺旋中也起着重要的作用。再一看，宣布DNA双螺旋结构其实是一个具有不同性质的重要事件。首先，在鉴定双螺旋结构的过程中，沃森和克里克首次引人了遗传学推论方法，因为这种鉴定要求DNA高度有规律的结构，必须在两条链上同时包含任意碱基顺序的信息因子。其次，与蛋白质α螺旋不同，DNA双螺旋的发现丰富了人们的想象力并为今后理解遗传物质如何表现功能开辟了道路。

　　DNA双螺旋结构是结构分析和遗传学概念相结合的光辉典范，它开辟了分子生物学的新纪元。沃森和克里克不仅仅是这个新纪元的开拓者，而且在以后的十年中，在分子生物学研究方面，他们仍处于主导地位。特别重要的是，他们是分子生物学的“中心法则”的主要创始人，而这一法则后来又对大量关于基因性质的研究起了指导作用。

　　中心法则表示一系列的信念。这些信念对DNA赖以获得自我催化和异体催化这两种基本功能的机制提供了清晰的说明。中心法则用最简单明了的形式指出，自我催化功能是一个单一步骤的过程。在这个过程中，DNA分子直接作为模板合成自身的DNA复制多核链。但是，异体催化功能则是两步过程。在此过程中，第二类核酸（RNA）参与作用。第一步，DNA作模板合成一个RNA多核链，DNA链中的碱基顺序又转录于这个多核链上。第二步，用细胞内蛋白质合成机器将RNA变换成一定结构的多肽链。必须注意，中心法则的一个基本特征是从DNA到蛋白质的单向信息流；这种单向信息流是永远不可逆的。

　　关于DNA的这种异体催化功能的观点是以另一个附属法则为基础的，不过这种看法在当时并没有得到证实。这一附属法则（亦称“顺序假说”）认为，一种蛋白质分子精确的空间构象，以及与此相关的生物功能的特异性，完全取决于构成多肽链的那二十种氨基酸的特定排列顺序。因此，构成与某一基因相对应的一段DNA的四种核苷酸的特定顺序的“意义”，不外乎决定某种多肽链的氨基酸排列顺序。

　　至于自我催化功能，沃森和克里克认为，亲代DNA分子的两条互补的相互缠绕的多核苷酸链首先分离，然后才能得到它自己的复制本。两条亲代链皆可作为模板合成它自己的互补子代链。从中心法则的观点看，基因突变可以看作是在模板复制过程中出现的细微误差，这种误差导致了DNA的核苷酸顺序发生变化。显然，这些变化引起了相应的基因编码的遗传信息的变化。大约化了五年时间，人们才证明了自我催化功能观点基本上是正确的。

　　对于异体催化功能的理解，一开始似乎就比自我催化功能复杂得多，因此经过了更大的努力，化费了更长的时间之后才搞清楚。中心法则及其附属“顺序假说”使人们相信有遗传密码的存在。这种遗传密码把DNA的核苷酸顺序与相应多肽链的氨基酸顺序联系了起来。稍微思考一下很快就可以看出，遗传密码非常简单，其实就是在DNA中至少有三个连续的核苷酸对应多肽链中一个氨基酸。这就是说，四种核苷酸每次取三个,则总共有4X4X4=64个不同的密码子。因此，蛋白质中的二十种氨基酸，其中每一种至少可有一个这样的密码子来表示。由于密码子的种类比氨基酸的种类多，所以，一种氨基酸可能有不止一种密码子。在沃森和克里克发现DNA双螺旋后不久，就已推论出了密码子的这种情况，而且，字宙物理学家加莫（George Gamow）在1954年就已以文字形式发表了这种观点。但是，直到1961年，才最后证明遗传密码确实含有一种语言，在这种语言中，DNA的多核苷酸链在多肽翻译过程中念为3X3。克里克是用带有突变基因的噬菌体进行纯形状性质的遗传实验证实这一观点的。

　　异体催化功能的形状和信息原理，业已得到证明，这当然是件很有意义的事。但是，为了搞清楚它的分子机制，就需要运用生化方法去打开分子结构的奥秘，因为正是这种分子结构实际上影响着中心法则的转录和翻译。运用生化方法的第一个结果，是认识到核糖核蛋白体是细胞内蛋白质合成的部位。核糖核蛋白体是一种小的颗粒，由三分之一的蛋白质和三分之二的RNA所组成。活细胞内有大量核糖核蛋白体。但是，基因编码的遗传信息是如何通过核糖核蛋白体转变成多肽链的氨基酸顺序的呢？为了回答这个问题，1961年雅柯布（Francois Jacob）和莫诺德提出，按照中心法则，首先由基因的核苷酸顺序转录出称为信使RNA的核酸。这种信使RNA分子与核糖核蛋白体表面相结合后，再由信使RNA的核苷酸顺序以密码子为单元翻译为多肽链的氨基酸顺序，在翻译过程中，信使RNA正象录音带穿过录音机一样穿过核糖核蛋白体。沃森和他的学生们在阐明核糖核蛋白体的结构、信使RNA形成的机制以及信使RNA翻译成蛋白质等方面都做出了重要的贡献。当信使RNA穿过核糖核蛋白体时，信使RNA是如何指导氨基酸排列成早就确定了的正确顺序的呢？1958年，在信使RNA的概念尚未明确提出以前，克里克就对这个问题提出了他的看法。他认为，二十种不同的氨基酸不可能以一种特别方式与RNA模板的核苷酸三联体直接发生作用。因此，他提出一个“适应子”核苷酸的概念。任何种类的氨基酸在进入多肽链以前首先要装配在适应子上。这种适应子被认为含有一个三联体核苷酸，即“反密码子”。反密码子按沃森-克里克碱基对原理与表示带有该适应子的那个氨基酸三联体核苷酸密码子互补配对。适应子上的反密码子核苷酸与信使RNA上的相应密码子核苷酸形成特定的氢键，从而将带有该适应子的氨基酸带到核糖核蛋白体上的预先确定的适当位置。适应子假说提出后不久，研究蛋白质合成的生物化学家就发现了一整套专一的酶和专一的化学反应；并且逐渐认识到它们与适应子假说的内容非常相似。首先，发现了一类小分子RNA，即tRNA。它有八十个左右的核苷酸。每个细胞都含有几十种不同的tRNA。每一种tRNA都能与一种氨基酸，而且只能与一种氨基酸相结合。这种tRNA后来证明就是克里克预见到的适应子，因为它有一个与密码子互补的反密码子。其次，发现了一批酶。这种酶能催化一种氨基酸与相应的tRNA分子结合。这些能使每一种氨基酸和宫的相对应的转移RNA接头的酶就成为遗传的词典，亦即能识别遗传密码的细胞工具。

　　遗传密码的破识是由一个不知名的年轻生化学家尼伦伯格（MarshllII Nlrenber功开始的。1961年春天，尼伦伯格研究出了一个无细胞体系，这种体系能将氨基酸结合殓多肚之中。实际上，他并不是研究蛋白质休外合成的第一人。但是，他的体系与前人相比，有一个重大的优点。在他的体系里，多肤的合成有赖干将信使RNA加入到反应混合体中去。这就为通过加入任意的信使RNA从而在体外合成专一的多肽链提供了一个切实可行的途径。尼伦伯格把人工合成的只台有尿嘧啶核苷酸的均聚的多核苷酸（与含有四种核苷酸的天然信使RNA不同）加到无细胞体系中，他得到了一个意想不到的结果。在体外体系中加入人工均聚的信使RNA可以合成均聚的多肽，即只含有一种氨基酸的多肚一聚苯丙氨酸。这个实验结果只能有一个意义：即在遗传密码中，U U U（U表示尿嘧啶核苷酸）三联体为苯丙氨酸的密码子。1961年8月，在莫斯科国际生物化学代表大会上，尼伦伯格宣布了他鉴定的这第一个密码子。这件事引起了全场轰动（克里克后来写道，他就感到象“触了电”一样）。这样一来，也就一下子能够直接运用化学实验来破译遗传密码了。因为，将各种已知成分构成的合成信使RNA引入无细胞蛋白质合成体系，其效果变得可以检验了。莫斯科国际生化会议开始了一场破识遗传密码的竞赛。结果六十四种密码子全部破识。到了本世纪六十年代中期，DNA自我催化和异体催化功能的一般性质已经基本上搞清楚了。通过互补氢键的形成，DNA获得了双重功能。一是作为模板合成自身的复本，完成DNA的自我催化功能。二是转录成mRNA，然后在蛋白质合成中，mRNA通过与（RNA的反密码子形成互补氢键完成它独特的异体催化功能。中心法则结果证明基本上是正确的。在没有借助物理学和化学未知原理的情况下，基因的奥秘揭开了。沃森和克里克早已发现，同类物质循环繁衍，其过程看来就是互补氢键的形成过程。

《双螺旋》一书的作者及出版概况

斯坦特

沃森（James Dewey Watson）于1928年 4月6日出生于芝加哥，16岁入芝加哥大学学习，1947年得动物学学士学位。此后，他在印第安纳大学做研究生，在卢里亚的指导下，完成了一篇关于X射线对细菌病毒的致死作用的论文，1950年得哲学博士学位。接着，沃森得到美国国家科学研究委员会默克博士奖学金的资助，先在哥本哈根大学和丹麦国家血清研究所的卡尔喀和马勒实验室工作，后又到剑桥大学卡文迪什实验室工作。不过，他在剑桥与克里克合作共同发现DNA双螺旋期间，则完全是靠美国国家小儿麻痹症基金会的奖学金资助的。1953年秋，沃森离开卡文迪什实验室到加州理工学院任高级研究员，名义上是在负责德尔布吕克实验室的、其实已经名存实亡的遗传学研究工作。因为，当时德尔布吕克本人对基因问题已不再感兴趣了（他认为这个问题现在已有一些杰出人才在进行）。德氏此时已经开始研究活细胞把太阳能转换成化学能或电能的机制。

1956年，沃森在哈佛大学生物系任教，在那里创建了一个实验室。一代有建树的分子生物学家就是在这里培养出来的。由于发现DNA结构，沃森和克里克及威尔金斯共同获得1962年度诺贝尔医学和生理学奖金。同年，佩鲁兹和肯德鲁获得诺贝尔化学奖金。1968年，沃森离开哈佛转到冷泉港实验室担任指导工作。这是一所规模较小的生物科学研究站，位于长岛北岸。德尔布吕克曾在噬菌体小组筹组期间，将此处选为研究中心。

六十年代中期，分子生物学已逐渐成为一间受到确认的独立学科。这时，沃森决定写一本叫做《发现DNA结构的个人记事》的书。哈佛大学出版社同他签订合同，准备出版他的回忆录。在1966-1967年间，他将初稿送给书中涉及的人员传阅。那时，这本书定名为《诚实的吉姆》。这份初稿遭到了猛烈的批评，但并不是由于作者对某些历史事实记述得不够确切或者作者在自我吹嘘，而是认为作者对很多人的描写没有必要如此尖刻，或者说，有些言论显得简慢无礼。由于这些批评，沃森删去或至少是冲淡了一部分过于触犯人的章节，又补写了一个“尾声”，公开恳请人们纠正那些作者的记忆与他们有出入的地方。作者触犯得最厉害的可能要数罗莎琳德·富兰克林了。但是那时既然她已离开人世，不能再应作者的请求提出什么意见，作者因此同意承认它“对她在学术和个人品德方面的最初印象（书中最初几页曾有记录）常常是错误的”。作者在“尾声”的最后部分，对富兰克林大加赞扬。可以看出，作者在努力纠正书中对她形象所作的含有贬意的描写。但是，正象本书引证1968年2月25日《纽约时报》所说的那样，由于沃森显然没有按批评者的意见把那些过分触犯人的章节作出较为满意的修改，哈佛大学出版社奉命取消了出版该书的合同。这时，书名已改为《双螺旋》了。后来，一家商业出版社——阿森纽（Atheneum）于1968年2月26日出版了这本书。就在出版前不久，《双螺旋》一书曾稍作修改首先在《大西洋月刊》（Atlantic Monthly）一月号和二月号上分期连载，1969年门特书局（Mentor Books）出版了平装本。