微侃医林 133: DNA 双螺旋的发现 （下）
六
鲍林几乎没有依靠X 射线衍射图像就确定了蛋白质的α螺旋， 但是沃森知道，准确的 X 射线数据可以帮助他们更快地研究DNA，同时防止走弯路。到了剑桥后，沃森一直恶补晶体X射线衍射学理论。
英国物理、分子生物学家阿斯特伯里 (W.T. Astbury) 1947年拍摄的DNA X 射线衍射图是沃森的起点。 但是沃森知道威尔金斯实验室的X衍射照片更重要，或者说富兰克林的实验更重要。现在几乎只是富兰克林在作DNA X 射线衍射实验。
沃森和克里克一个又一个念头，富兰克林和她的博士生高斯林一个又一个实验。1951年11月中旬，富兰克林开了一个工作研讨会，总结她6个多月的研究成果。威尔金斯邀请沃森参加，他非常高兴。 沃森知道富兰克林的研究结果，包括X 射线衍射照片，可能为DNA 螺旋结构提供线索。
富兰克林的报告，给了沃森什么启发帮助，沃森一点没提。他说富兰克林认为她的实验只是开始，并不能测试有关 DNA 的任何基本内容。 她需要收集更多数据。
第二天，沃森与克里克见面，讲述富兰克林的报告内容。 由于记不清细节，让克里克皮毛火燥。沃森讲完，克里克开始在一张白纸上乱画。以后，他们开始尝试建立DNA 模型。毫无疑问，富兰克林的报告，富兰克林的X 射线衍射照片，给了他们足够的自信，让他们认为有足够的实验资料，建立DNA模型。不管富兰克林对她自己的研究结果怎么认为。
照片A/富兰克林，富兰克林在研讨会上很可能展示了这张照片。
鼓捣了半年多。1951年7 月，沃森和克里克完成了他们的模型。DNA 有四种不同的碱基，相同的糖和磷酸。沃森设想糖和磷酸的主链非常规则，而碱基顺序则非常不规则，否则就没有基因的多样性。这个DNA 是三根螺旋。每2.8 nm绕轴一圈。 糖和磷酸键组成链, 在螺旋里面, 碱基在链的外面。磷酸是负电，负负相斥，是什么力把这些磷酸连在一起？ 沃森认为是镁离子。
在建立模型的过程中，他们以富兰克林的数据作为根据。模型完成后，再用富兰克林的实验数据验证。
模型终于做完，看起来很成功。大家到绿门餐厅吃饭。克里克不久前向自然投稿一篇关于α角蛋白的文章，即将发表。现在好像又来了一个重大突破。他的太太也在餐桌旁。虽然不懂沃森他们谈的什么，但是她感到克里克的事业正在起飞。她憧憬着富裕的生活，拥有一辆汽车。
克里克给威尔金斯打了个电话，邀请威尔金斯过来观看他们的模型。一个星期 后，威尔金斯和他的实验伙伴威利舍兹（Willy Seeds），富兰克林和博士生高斯林一起来到。
威尔金斯没有说什么，只是要求模型不要超过他的几个同事的数学范畴。富兰克林则把他们的模型贬的一钱不值。1： 没有证据证明DNA 是螺旋形。需要进一步的X衍射来证明或证误。2： 镁离子不可能把磷酸连接在一起，因为镁离子被水分子紧密包围，不可能成为一个紧密结构的关键部件。3: X 衍射图像不支持三螺旋结构。富兰克兴犹未尽，回去后又写了一张纸条，宣告DNA螺旋的死亡，要为DNA 螺旋开追悼会。
富兰克林的悼文，幽默甚至刻薄，幸灾乐祸。（维基）。
半年多的心血，被富兰克林一顿臭骂就泡汤了。富兰克林的评论，还传到大老板布拉格那里。威尔金斯的老板和布拉格商量，认为克里克和那个美国佬沃森，山寨他们投入巨金研究的DNA没有意义。 意思是版权所有，国王学院不喜欢他们插手。布拉格禁止他们再搞DNA 模型。沃森和克里克，灰头土脸。克里克还发愁他什么时候才能拿到博士学位证。大老板布拉格也为这个发愁，克里克可能再等5年都毕不了业。 5 年？他怎么受得了克里克那张大嘴巴？
七
威尔金斯、富兰克林对沃森、克里克关上大门，不愿意提供信息，不再邀请他们参加座谈会。沃森并不泄气。他一方面在实验室干活，研究烟草花病毒, 为了有点研究成果，好继续拿奖学金。 1952年6月，他证明了烟草花病毒（TMV）是螺旋结构。另一方面恶补知识，学习理论化学，阅读期刊。阅读克里克借给他的书《化学键的本质》。研究肌肉和胶原纤维的电子显微镜照片，寻找螺旋的迹象。学习X射线拍摄技术。每一个螺旋楼梯，都让他相信其他生物结构也具有螺旋对称性。与此同时，沃森和克里克一直在思考、探索DNA结构之谜。
奥地利的生物化学家欧文·查加夫 (Erwin Chargaff)发现：在他们所有的 DNA 制品中，腺嘌呤 (A) 的数量与胸腺嘧啶 (T) 的数量非常相似。而鸟嘌呤 (G) 的数量又与胞嘧啶 (C) 的数量非常接近。 此外，不同的生物，这些碱基的比重不尽相同。 有些生物体的 DNA 含更多的 A 和 T，而其它则含更多的 G 和 C。为什么AT、GC 数目相似？为什么不同生物AT、GC 数目不同？查加夫惊人的发现，生物意义是什么？
欧文·查加夫 (Erwin Chargaff) （维基）
卡文迪什实验室的数学家、理论化学家约翰·格里菲斯 （John Griffith）计算发现，腺嘌呤和胸腺嘧啶可以通过表面相互粘附, 鸟嘌呤和胞嘧啶之间也有类似的吸引力。克里克对此感到兴奋，他马上想到这两队相互粘附的碱基，就是查加夫发现的数目相同的碱基对。
1952年7月，查加夫访问剑桥，让沃森、克里克兴奋。但查加夫对他们两个人不感兴趣。沃森一头乱发，看起来像一个美国疯子。克里克连4个碱基的化学差异都不知道，也记不得哪些碱基有氨基。克里克辩解说他总是可以查到这些信息。查加夫不买账, 认为他们两个人不知道要到哪里，怎么到那里。
1953年1月中旬。鲍林的儿子，来剑桥不久的彼得，给沃森带来一份鲍林文章的拷贝。他的表情让克里克和沃森心底一沉，以为鲍林捷足先登，发现了DNA 的结构。一分钟扫完鲍林的文章后，沃森放心了。鲍林的模型也是三链螺旋，糖磷酸骨架位于中心。和他们失败的模型一样。 晚饭，沃森和克里克为鲍林的失败干杯。但是他们并没有就此放松。一旦鲍林意识到他的错误，他会迅速纠正，最终成功。
几天后，沃森带上鲍林的手稿去找威尔金斯和富兰克林，听他们的看法。威尔金斯正忙，沃森于是去找富兰克林。熟门熟路，看来他去过不少次，虽然彼此没有好感。富兰克林不需要沃森。她泡在她自己的实验里，有她自己的目标和烦恼，特别是与威尔金斯的争斗，正在准备离开。沃森则离不开富兰克林，不管富兰克林的话多刺耳。他得依靠富兰克林的实验资料，依靠富兰克林的权威判断。
沃森不敲门就进去，富兰克林不高兴。沃森厚着脸皮，告诉富兰克林鲍林的手稿。说鲍林的三螺旋与他和克里克半年前的模型相似。富兰克林告诉他，她的X 射线衍射图证明，任何认为DNA是螺旋的人，都是傻瓜。 沃森认为他比富兰克林更了解她的实验数据，反驳暗示她读不懂自己的X衍射照片。突然，富兰克林从实验室长桌子后面走出来，向沃森走去。沃森以为富兰克林要揍他一顿，赶快逃跑， 在门口碰上来找他的威尔金斯。
来到他的实验室，威尔金斯向沃森透露，他和他的助手威尔逊一直在偷偷复制富兰克林的X 射线衍射结果。从去年夏天开始，富兰克林就掌握了新的三维 DNA 形式。威尔金斯又给沃森看富兰克林新的DNA X 射线衍射图。威尔金斯和沃森，似乎都被富兰克林欺负或者小看，同病相怜。同时又公开或者秘密地，持之以恒地在她身边干间谍勾当。
Photo 51， B型DNA晶体 （维基）。
一看到照片（后来有名的51号照片），沃森嘴巴张大，心跳加快。 与富兰克林以前的照片A型DNA比较，照片51 直接明了。看了图，沃森马上相信，DNA 是螺旋结构，而且他还可以推出螺旋的几个参数。 更让他高兴的是，威尔金斯和富兰克林，还没有意识到这张图的重要意义。 虽然威尔金斯也相信螺旋结构。
从伦敦返回剑桥，坐在冰冷的火车车厢里，沃森在报纸边缘化画出他记得的B 图。 然后又推敲是两链还是三链。
回到剑桥，沃森找到大老板布拉格，要求再作DNA 模型，同时要求卡文迪什实验室工场机械师制作碱基模块。布拉格最初沉默不语。当沃森透露51号照片的细节后，布拉格马上同意。
从富兰克林的51号照片，沃森得到或者推出几个概念： 1 双螺旋。2 螺旋34 Å（3.4 nm）转一圈。 3 螺旋直径20 Å （2.0 nm）。4 碱基在垂直于螺旋轴的方向彼此堆叠。沃森与克里克讨论，克里克认为应该给三链和双链给与同样的考虑。
实验室工场的机械师首先作出糖和磷酸的模块。沃森开始建立主链模型。一开始，他仍然把主链放在中心。因为他感到把碱基放在中心，会产生太多模型。 另外他不知道如何处理放在里面的碱基。虽然把碱基放在外面，与富兰克林的51号照片不相容。
沃森总是担心。又折腾了几天，再次拆掉模型后，他决定试一试把主链放在外面，碱基放在中心，碱基和主链的角度是30-40度。新的主链看起来更符合立体化学。
沃森辛苦工作，日思夜想。周末照常爬梯。 另外，打网球、看电影、泡妞。
如何安排螺旋链中心的碱基是个头痛的难题。4个碱基形状大小不一，而碱基系列应该不规则，否则就没有遗传的多样性。不规则的碱基排列，有的地方，大的碱基会把主链向外挤。有的地方，小的碱基又使主链内有缝隙。凹凸不平，2条主链可能相互缠绕，乱七八糟。另外，碱基如何连在一起，从而使两条链连在一起？沃森和克里克一直认为不是氢键。重读了 J. M. Gulland 和 D. 0. Jordan 关于 DNA 酸碱滴定的论文后，他们改变主意，认为至少大部分碱基靠氢键连接。
一个多星期过去，工场还没有把碱基模块作出来。沃森在纸上画腺嘌呤环。 他发现相同的碱基，都可以用两个氢键连接。不过，常见的腺嘌呤互变异构体不会与腺嘌呤形成氢键。沃森想，也许有腺嘌呤特异性酶，让腺嘌呤插入到链上另一个腺嘌呤的对面。难道这就是碱基连接的方式？ 沃森心跳再次加速。他感到他发现了遗传的秘密。基因复制，首先是两条链分开后作为模板，复制出相同的另一条链，从而把基因遗传。
相同碱基配对The double helix by James D. Watson
沃森回到住处，越想越高兴。两个多小时，他躺在黑暗中，成对的腺嘌呤在闭上的眼睛前旋转。 随后，他又感到恐惧，这么聪明的想法万一是错误的呢？
早晨一到办公室，沃森就开始描述他的想法。办公室同事，美国晶体学家杰里·多诺霍 （Jerry Donohue）说他的模型行不通。碱基连接应该是酮的形式，而不是烯醇构型。杰里·多诺霍告诉沃森，不要在他灵机一动的构想上浪费时间。 就像不服气富兰克林，又不得不服一样, 沃森不得不听杰里·多诺霍。 因为他对氢键比世界上任何人都知道的多，而且从来不对自己不知道的东西发言。
克里克来了，也不喜欢这个碱基近亲结婚的设想。如果这么相配，每条链要68 Å才旋转一圈，与富兰克林的51号照片不符。此外，不符合查加夫规则，腺嘌呤数=胸腺嘧啶，鸟嘌呤=胞嘧啶）。
沃森想不出其它方案，一下午都在用硬纸板剪碱基模块。
第二天早上，沃森来到空荡荡的办公室，把桌面上的文件搬开，把纸板碱基在上面摆过来摆过去，以不同的方式连接。他突然意识到： 两个氢键把腺嘌呤/胸腺嘧啶连在一起，形状和至少两个氢键连接在一起的鸟嘌呤/胞嘧啶完全相同。
The double helix by James D. Watson
多诺霍来到办公室。沃森问他，是不是反对这种新的配对。多诺霍一声“不” 字出口，沃森顿时情绪爆涨。他怀疑他已经解开了为什么嘌呤和嘧啶数目相等之谜，找到了查加夫规则的原因。更重要的是，他找到了遗传复制的答案。通过配对的碱基，一条单链就是另一条链的模板。
克里克也来了。他也是情绪暴涨，但是假装镇静，保持怀疑态度。他把碱基以不同的方式摆在一起（或者是装模作样），找不出其它更满意的方式。 克里克发现连接碱基和糖的糖苷键和螺旋轴垂直，碱基可以交换位置，但糖苷键仍然指向同样的方向。这意味着同一条链可以同时含有嘌呤和嘧啶，而且两条链必须朝相反的方向运行。
最后还有一个问题，A-T 和 G-C 碱基对能否如意插进两根螺旋之间。这只有建立完整的模型，才能回答。 虽然如此，午饭时，克里克告诉每个人，他和沃森已经找到了生命的秘密。沃森有点嫌克里克那张大嘴巴报喜太快，但也忍不住兴奋。DNA结构被他们解决了，他们的名字将和DNA双螺旋永远联在一起。
又过了一天，工场送来金属碱基模块制造出来。沃森开始建立完整的模型。建完以后，克里克又左看右看，没发现什么问题。然后一起去吃晚饭。他们春风得意，意识到他们要得诺贝尔奖。
剑桥卡文迪什实验室从大老板布拉格到导师，到同事，都来看模型。 威尔金斯来看模型。克里克在他旁边说个不停，这个模型如何符合晶体衍射图像。威尔金斯盯着双螺旋模型，没有注意克里克在说什么。克里克突然闭嘴。晶体X 射线衍射，威尔金斯还没有他懂得多吗？ 威尔金斯自己不能弄清楚吗？威尔金斯好像全盘接受了这个模型。不知道他内心是不是闪过一点愤怒。都是他的实验室的成果，他的上司还要求沃森/克里克不要掺和，现在居然被他们抢了头功。沃森说威尔金斯的声音没有一丝苦涩，脸上没有任何怨恨的痕迹。
威尔金斯回去后，打电话来说富兰克林也支持他们的双螺旋结构。实际上，富兰克林在知道他们的模型前，X 射线衍射图已经迫使她接受螺旋结构。她也接受了A-T 和 G-C 配对的构架。
不断有人来到沃森他们的办公室看DNA 模型。每次来人，沃森和多诺霍就躲到一边，克里克就带着访客参观DNA 模型，他的大嗓门一遍又一遍重复同样的讲解，乐在其中。
沃森和克里克的DNA 双螺旋模型（维基）
八
沃森和克里克随即写出文章。大老板布拉格读了他们的文章，作了一些小小的修改建议，表示要给自然杂志写一封强烈的推荐信。大老板很高兴，DNA结构的突破来自他的实验室，而不是加州鲍林的实验室。大老板大概从此对克里克另眼看待。克里克那张大嘴巴也不那么刺耳了。文章1953年4月12日邮出，4月25日在自然杂志发表。威尔金斯和富兰克林根据他们自己的实验材料和沃森/克里克的DNA模型，各自写了一篇文章，在同期《自然》杂志发表。
1 沃森和克里克：核酸的分子结构—DNA 的结构。在文章结尾，两个人首先感谢了多诺霍，然后是威尔金斯，最后是富兰克林。
2 威尔金斯：DNA 的分子结构。
3 富兰克林：胸腺核酸钠的分子构型。
文章发表后9年，沃森、克里克和威尔金斯获诺贝尔医学生理学奖。“表彰他们在核酸分子结构及其对生命物质信息传递的重要性方面的发现”。富兰克林已经去世， 诺贝尔奖只授予活着的人。
1962 年若干诺贝尔获奖者。从左到右：威尔金斯，佩鲁茨 ( Perutz 沃森和克里克在剑桥卡文迪什实验室的导师，化学奖)，克里克，斯坦贝克（Steinbeck 文学奖），沃森和约翰·肯德鲁（John Kendrew，佩鲁茨的同事，化学奖）。
1961年，克里克和同事首先证明DNA每3个碱基就是一个氨基酸的密码。不过，他们还没有发现具体碱基组与氨基酸的对应关系。
1961-1966年，生化学家马歇尔·W·尼伦伯格 (Marshall W. Nirenberg)破译了64个三联体碱基密码，对应20个氨基酸。1968年，他与哈尔·戈宾德·科拉纳 (Har Gobind Khorana) 和罗伯特·W·霍利 (Robert W. Holley)获诺贝尔医学生理奖。
九
富兰克林当年（1953年）离开国王大学, 因为和威尔金斯搞不好，和主任物理学家John Randall关系也不好。她转到Birkbeck College，在那里一直用X 射线研究烟草花叶病毒（tobacco mosaic virus TMV），成为这方面的国际权威。1958年到加州讲学。完了后去爬山的时候，突然发作剧烈腹痛。她被发现患了卵巢癌， 1958年4月16日去世。
她为什么患卵巢癌？ 可能是她吃射线太多。也可能是遗传。她是Ashkenazi 犹太人。这族犹太人妇产科癌发病率特别高。
她的墓志铭上写道：她对于病毒的研究和发现，将永远造福于人类。
前面是富兰克林的墓。
她对于DNA的贡献呢？ 墓志铭没提。1958年，沃森等人还没有因为DNA双螺旋得诺贝尔奖。给她写墓志铭的人，还没有意识她这个更大的贡献。过去几十年，提到DNA双螺旋，就要提到富兰克林的贡献。没有富兰克林的研究、讲座，特别是51号照片，沃森/克里克就作不出DNA模型。更重要的是，为富兰克林抱不平。3个大男人，偷了富兰克林的资料，依靠富兰克林的指教或者刻薄的指教，得了诺贝尔奖。而富兰克林却与诺贝尔奖无缘。富兰克林与威尔金斯的矛盾，也上升到歧视女性的高度。
没有沃森/克里克，富兰克林能不能发现DNA结构？ 可能性很小。富兰克林是技术人才，而不是思维超前的科学家。她精通X 射线衍射技术，她可以作出精确的DNA、蛋白质X 射线衍射图。她对实验精益求精，对实验本身感兴趣。 但是她缺乏大视野，或者说对大视野兴趣不高。威尔金斯和她差不多。沃森和克里克刚好相反。 鬼使神差，他们凑在了一起。刚刚跨进DNA研究的门口，一年半多一点，就发现了遗传的秘密。
大老板布拉格后来为沃森的书作序，其中一段写道：
这个故事是一个研究者面临困境的一个令人心酸的例子。他（沃森）知道，一位同事多年来一直在研究一个问题，积累了大量来之不易的证据，但尚未发表，因为同事预计成功指日可待。 他（沃森）已经看到了这些证据，并且有充分的理由相信，以他设想的方法进行，或者只是换一个角度，就会直接带来解决方案。 但是，在这样的阶段提出合作，很可能被视为非法入侵。 他应该自己继续吗？要确定这个至关重要的新想法真的是他自己的，还是在与他人交谈时无意识地吸收的，并不容易。 认识到这一困难导致科学家之间建立了一种有些模糊的准则，该准则承认其它同事可以在某种程度上就一系列研究提出主张。 当竞争来自四面八方的时候，没必要退缩。 这种困境在 DNA 故事中得到了清晰的体现。
布拉格为沃森和克里克辩护，因为他们几乎所有的实验材料都来自威尔金斯和富兰克林，特别是富兰克林。最初我以为布拉格说的“一位同事”是指富兰克林，结果发现是指威尔金斯，对富兰克林只字不提。 让我大跌眼镜。
参考
主要内容，特别是调料来自沃森1968年出版的小书《双螺旋》，其它见文中链接。
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