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弗朗西斯·克里克:DNA 雙螺旋的共同發現者

  • 2013-10-01
  • Armanda
弗朗西斯·克里克(Francis Crick)在他的辦公室裡,他因與詹姆斯·沃森(James Watson)共同發現 DNA 分子的結構而聞名。 (圖片來源:PLoS Biol 2/12/2004:e419。https://dx.doi.org/10.1371/journal.pbio.0020419)

弗朗西斯·克里克 (Francis Crick) 是分子生物學先驅,與詹姆斯·沃森 (James Watson) 和莫里斯·威爾金斯 (Maurice Wilkins) 一起發現了 DNA 分子的雙螺旋結構。三人組贏得了1962 年因其工作而獲得醫學博士學位。

早期生活

十幾歲的時候,他獲得了米爾希爾學校的獎學金,這是一所位於倫敦北部的私立男子學校。他後來說,他不記得自己“異常早熟”,但他確實記得自己學習過孟德爾遺傳學。他對此很感興趣,但當時學校裡並沒有教授它。

1937 年,第二次世界大戰中斷了他的學業,他在倫敦大學獲得了物理學學士學位。戰爭期間,他在英國海軍部工作,幫助開發磁性和聲學水雷。

八卦測試

戰後繼續他的物理學工作被證明並不令人滿意。克里克決定應用他所謂的“八卦測試”來決定他的未來。克里克認為,只有當一個人對某個主題或問題的熱情引起好奇心和奉獻精神時,科學洞察力和新發現才會出現。他認為,一個人最常選擇談論的主題是識別該人真正興趣的關鍵。

克里克發現他的談話主要有兩個主題。他喜歡談論人類的思想和意識,以及他剛剛讀過的一本書。歐文·薛定諤的《什麼是生命?活細胞的物理方面》提出了一個令克里克著迷的問題:“如何用物理和化學來解釋生命有機體內發生的空間和時間事件?”克里克認為他的物理學背景使他能夠幫助回答這個問題。

由於缺乏生物科學方面的經驗,克里克知道自己需要培訓,因此他去了劍橋大學附屬組織培養實驗室 Strangeways 工作。在接下來的兩年裡,他使用了熟悉的物理科學方法,例如定量分析和,研究一個不熟悉的主題——細胞內的細胞質。 1949 年,他加入了倫敦卡文迪什實驗室的醫學研究委員會單位,在那裡他開始了利用 X 射線衍射研究蛋白質結構的博士研究。正是在那裡,他遇到了一位名叫詹姆斯·沃森的年輕美國人。

當時,人們對物理和化學過程知之甚少。。好時和蔡斯已經證明是一種存在於活細胞核中的分子,負責在新細胞形成過程中傳遞遺傳信息。不明白的是這個過程是如何運作的。信息是如何從親代細胞複製到子代細胞的?細胞如何利用這些信息來構建蛋白質並執行生命所需的其他功能?克里克和沃森認為了解 DNA 分子的三維結構將有助於回答這些問題。他們決定嘗試建立一個視覺模型來幫助理解 DNA 分子幾何形狀。

人們知道DNA是由重複的糖/磷酸單元和四個氮鹼基(腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和鳥嘌呤)組成的“骨架”,但它們是如何排列的呢?該分子是由兩條鏈還是三條鏈組成的?氮鹼基是配置在鏈的外側還是內側?克里克和沃森提出了他們的第一個模型,該模型採用三股結構,鹼基在外面。它們配對匹配的氮鹼基(例如配對腺嘌呤和腺嘌呤或配對胸腺嘧啶和胸腺嘧啶)。來訪的科學家,其中包括一位名叫,他們的批評很嚴厲。該模型行不通;它沒有回答任何有關 DNA 如何編碼或複制遺傳信息的問題。

大約在這個時候,克里克和沃森發現了兩條重要信息。來自美國的化學家Jerry Donohue指出,他們在模型中使用的胸腺嘧啶和鳥嘌呤的構型是不正確的。當沃森使用正確的化學鍵合信息剪出每個氮鹼基的新紙板模型時,他有了一個令人興奮的發現。使用新的形狀,很明顯,腺嘌呤鹼基將與胸腺嘧啶完美匹配,而胞嘧啶與鳥嘌呤完美匹配。大約在同一時間,沃森看到了羅莎琳德·富蘭克林的 DNA 晶體射線照片,他意識到這表明 DNA 分子是雙鏈的,氮鹼基應該位於糖/磷酸骨架內,就像梯子內的橫檔一樣。

克里克立即明白了新模型的含義。如果保持梯子鹼基對“梯級”的弱氫鍵被破壞,那麼“梯子”的每一半都可以作為複制由氮鹼基順序編碼的信息的模板。腺嘌呤與胸腺嘧啶以及胞嘧啶與鳥嘌呤的互補配對解釋了每次細胞分裂時如何復制準確的信息。鹼基配對還顯示了分子如何扭曲成螺旋形狀。 1953 年 2 月 28 日,克里克宣布他和沃森“發現了生命的秘密”,令當晚聚集在當地一家酒吧的其他科學家們著迷。他們在 1953 年 5 月 30 日出版的《自然》雜誌上發表了他們的發現。

研究RNA

克里克在 20 世紀 50 年代和 1960 年代最重要的工作涉及細胞如何利用 DNA 中的信息來形成生命所需的數千種蛋白質。 20 世紀 50 年代中後期,克里克與一個新的科學家團隊合作,發現儲存在細胞核中的 DNA 信息如何傳輸到細胞質中的核醣體,在那里合成蛋白質。克里克和其他人懷疑核醣體 RNA (rRNA) 是負責信使的人。這個想法後來被證明是錯誤的。

在核醣體中發現了大量的RNA,並且一些RNA存在於細胞核中,但是存在問題。 rRNA 鏈非常短,而組成不同類型蛋白質的氨基酸鏈可能很長。其次,不同物種細胞中核醣體RNA的量是恆定的,而DNA的量因物種而異。克里克與西德尼·布倫納 (Sydney Brenner) 合作,發現一種不同類型的 RNA(稱為信使 RNA)會在細胞核中形成部分 DNA 模板的臨時副本,並將該副本運輸到核醣體。核醣體 RNA“讀取”代碼,第三種類型的 RNA(轉移 RNA)在細胞中移動,找到正確的氨基酸,並將它們帶到核醣體組裝成蛋白質。

接下來,克里克將注意力轉向發現如何僅用 4 個氮鹼基就可以編碼 20 種氨基酸,而這些氨基酸是蛋白質的組成部分。顯然,鹼基組必須一起“讀取”才能編碼每種類型的氨基酸。

問題是數學。以兩個為一組讀取遺傳密碼意味著只有 16 種可能的組合 (4x4)。但是,如果核醣體以三個鹼基為一組讀取遺傳密碼,則有 64 種可能的組合 (4x4x4),並且只有 20 個氨基酸。 Seymor Benzer 創造了術語“密碼子”來表示核醣體中的一組三個鹼基,而“反密碼子”則表示轉移 RNA 上的相應鹼基。

克里克假設轉移 RNA 的一端有一組鹼基,可以“插入”核醣體上相應的基團。轉移RNA會在一端拾取一種氨基酸並將其轉運至核醣體。轉移 RNA 另一端的一組鹼基將“插入”核醣體上三個鹼基的匹配組。然後核醣體會將氨基酸結合成蛋白質鏈。

1961年,克里克提出了一項實驗,表明轉移RNA必須以三人為一組進行“讀取”。他與 Brenner 和 Leslie Barnett 一起引入了一種誘變劑,可以在 DNA 信息的信使 RNA 副本中添加或刪除鹼基。從改變的代碼合成的蛋白質從發生添加或刪除的點開始變形。改變的蛋白質通常沒有功能。

克里克解釋說,這就像一個由三個字母單詞組成的句子,其中一個字母被改變了。更改後的所有內容都將是胡言亂語。

例如,下面這句話就有意義:肥貓吃了大老鼠。

刪除一個字母會導致以下所有單詞發生“相移”。

結果句子將無法識別:THF atc ata tet heb igr at

20 世紀 60 年代,克里克與多個研究團隊合作。一項重要的項目“解開了遺傳密碼”,表明許多氨基酸是由多個密碼子編碼的。 (例如,氨基酸亮氨酸可以由六種不同的密碼子編碼。)克里克還幫助識別了“起始”和“終止”密碼子,這些密碼子通知核醣體何時停止向蛋白質鏈添加氨基酸並開始新的序列。他因能夠與許多不同的人合作而聞名。帶領同事組建有效的研究團隊。其他人非常尊重他知識的廣度和深度,以及他將多種來源的信息關聯起來並製定可行理論的能力。

1966 年,克里克將他的研究轉向更廣泛的問題。他想知道基因如何控制細胞分裂、細胞分化和器官生長。他與他領導的研究團隊一起,幫助形成了現代發育生物學的基礎,這是當今最富有成果的研究領域之一。

20 世紀 70 年代,克里克的焦點再次轉移。這次,他轉向了他在職業生涯之初進行“八卦測試”時所表現出的兩種熱情中的第二種。大腦內的物理和化學過程如何解釋人類的思想和意識?在此期間,克里克廣泛閱讀了神經生物學領域的新發現,並發展了幾個重要的理論。

值得注意的是,他對“注意力偏差”的概念負有責任。注意偏差是大腦如何篩選有關大小、形狀、顏色、運動等的感官輸入,從而形成物體或事件的概念和標籤,同時避免不相關信息帶來的感官超載。克里克的另一個理論是,快速眼動睡眠和做夢是大腦的“大掃除”機制,旨在丟棄不相關的記憶並增強功能性記憶的保留。

整個 20 世紀 80 年代和 90 年代,克里克繼續從事神經生物學領域的工作。 1981 年,他出版了一本名為《生命本身》的書,內容涉及進化論以及地球上第一個生命的微生物是由來自太空的智慧“播種”的可能性。 1994 年,另一本書《驚人的假說》解釋了他在神經生物學方面的研究以及他的信念:“我們的思想——我們大腦的行為——可以完全由神經細胞(和其他細胞)的相互作用來解釋,而無需外部生命力的作用。”儘管是一名無神論者,他還是誠實地承認,“我還沒有提出任何既新穎又能夠以令人信服的方式解釋許多互不相關的實驗事實(關於人類思想)的理論。” 2004 年 7 月 28 日,克里斯托夫·科赫 (Christof Koch) 因結腸癌去世前幾天,他一直在與他一起撰寫另一本神經生物學書籍。

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