DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型與生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展

關(guān)鍵詞：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型;基因工程;生物醫(yī)學(xué);

引言：

二十世紀(jì)五十年代，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型得以創(chuàng)立，這對(duì)于生命科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展來(lái)說(shuō)是絕對(duì)的里程碑事件，并且是整個(gè)科學(xué)史上的重大事件。該模型的建立歷經(jīng)了艱苦的探索過(guò)程，而最終的研究成果也非常豐碩，遺傳物質(zhì)DNA分子結(jié)構(gòu)模型的建立體推動(dòng)了整個(gè)時(shí)代的進(jìn)步與發(fā)展。

一、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)與發(fā)展史

上世紀(jì)最偉大的自然科學(xué)成果當(dāng)屬DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)。該模型的建立標(biāo)志著現(xiàn)代分子生物學(xué)進(jìn)入到高速發(fā)展期。在1868年，最早是一名24歲的瑞士醫(yī)生米歇爾最先發(fā)現(xiàn)核酸。不過(guò)由于不同生物的核酸性質(zhì)太相近，以此用來(lái)解釋生物遺傳的多樣性顯得有些牽強(qiáng)，就這樣，他和遺傳物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)遺憾錯(cuò)過(guò)了。

1929年，美國(guó)生化學(xué)家萊文對(duì)核苷酸的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了歸納闡述，并提出“四核苷酸假說(shuō)”，他在研究之后提出，核酸是由四種等量核苷酸組成，和糖原一樣的性質(zhì)，不具備特殊功能。他的這一觀點(diǎn)一定程度上抑制了學(xué)者們研究核酸的熱情。

1950年，美國(guó)生化學(xué)家查蓋夫（Erwin Chargaff）通過(guò)分光光度法、紙層析等方法對(duì)多種生物的堿基組成進(jìn)行了具體測(cè)定，并以最終的結(jié)果推翻了“四核苷酸假說(shuō)”，同時(shí)還提出“查蓋夫規(guī)則”，也就是說(shuō)：在所有DNA當(dāng)中，A=T，G=C，由此可得A+G=T+C[1]。此即為雙螺旋模型當(dāng)中堿基互補(bǔ)配對(duì)原則的理論依據(jù)。

雙螺旋模型還有一個(gè)基礎(chǔ)，即X-射線衍射分析。在這一方面，威爾金斯與富蘭克林是最大的研究貢獻(xiàn)者。1950年，莫里斯·威爾金斯（Maurice Hugh Frederick Wilkins）利用X-射線衍射技術(shù)對(duì)DNA晶體展開(kāi)分析。他對(duì)衍射技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化完善，從而獲取到清晰的DNA衍射照片。之后，沃森在訪問(wèn)國(guó)王學(xué)院時(shí)得以見(jiàn)到這張照片，頗受啟發(fā)的他開(kāi)始試著以X-射線衍射技術(shù)來(lái)全面研究DNA結(jié)構(gòu)。

1952年，奧地利裔美國(guó)生物化學(xué)家查伽夫（E.chargaff，1905-2002）對(duì)DNA中的堿基含量進(jìn)行了測(cè)試，最終發(fā)現(xiàn)，在所有的四種堿基當(dāng)中，胸腺嘧啶和腺嘌呤的數(shù)量一致，而胞嘧啶和鳥(niǎo)嘌呤的數(shù)量也是一樣的。由此，沃森和克里克便聯(lián)想到這幾種堿基之間可能是兩兩對(duì)應(yīng)的關(guān)系，由此提出了腺嘌呤與胸腺嘧啶配對(duì)、鳥(niǎo)嘌呤與胞嘧啶配對(duì)的概念。

1953年，沃森和克里克結(jié)合前人的研究成果展開(kāi)進(jìn)一步研究之后發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，從此打開(kāi)了分子生物學(xué)的發(fā)展局面，遺傳學(xué)的研究開(kāi)始被提高到分子層面，困擾人們已久的“生命之謎”終于有了解開(kāi)的鑰匙，至此，人們真正理解了遺傳信息的構(gòu)成與傳遞路徑。隨后，分子遺傳學(xué)、分子免疫學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科快速興起，從分子的角度著手，生命奧秘被一個(gè)個(gè)解開(kāi)，DNA重組技術(shù)使得基于生物工程手段的研究與應(yīng)用有了更多的發(fā)展的可能性。

二、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型對(duì)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)的影響

很早之前，遺傳學(xué)家基于不同形狀而提出“基因”這一概念，在他們看來(lái)，“基因”為遺傳性狀提供了形成基礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)人們并不了解“基因”的化學(xué)本質(zhì)。直至上世紀(jì)四十年代，具有生物活性的遺傳物質(zhì)DNA才被分離出來(lái)，至此，其化學(xué)本質(zhì)才得以明確。細(xì)胞中的DNA是長(zhǎng)達(dá)兩米的長(zhǎng)鏈分子，經(jīng)過(guò)壓縮，其被藏于僅有1、2個(gè)微米直徑的細(xì)胞核當(dāng)中，可以發(fā)現(xiàn)，其空間結(jié)構(gòu)極為特殊[2]。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型能夠?qū)NA的空間結(jié)構(gòu)予以說(shuō)明，使DNA結(jié)構(gòu)具備了信息特征，由此打破了之前僅能由遺傳表型的角度理解生命現(xiàn)象的限制，使研究得以提高到基因型的層面，并開(kāi)始構(gòu)建表型-基因型相互關(guān)系，以及生物信號(hào)作用譜、遺傳信息傳遞譜、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖、生物分子相互作用譜。此后，分子生物學(xué)的新時(shí)代正式來(lái)臨。

隨后，醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)與分子醫(yī)學(xué)得到大力發(fā)展，在形成學(xué)科后，分子生物學(xué)就以其獨(dú)特的解決問(wèn)題的視角和能力在自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)等諸多領(lǐng)域得到滲透，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)學(xué)科、領(lǐng)域的協(xié)調(diào)融合，最終產(chǎn)生大量的邊緣學(xué)科、交叉學(xué)科，很大程度上推動(dòng)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展與進(jìn)步。所以，上世紀(jì)后半葉之后，該學(xué)科一直體現(xiàn)著帶頭學(xué)科的風(fēng)范。了解生命學(xué)科、生物學(xué)科在這一時(shí)期的發(fā)展路徑便能夠很好地驗(yàn)證這一點(diǎn)。第一點(diǎn)是遺傳機(jī)理的破譯，在遺傳機(jī)理中，DNA復(fù)制機(jī)制在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建立之后得到妥善解決[3]。自然界一直存在復(fù)雜的遺傳物質(zhì)相互作用關(guān)系，這也是在此基礎(chǔ)上得到了闡釋，并被人們所認(rèn)識(shí)，比如感染病來(lái)源和傳播機(jī)制、癌癥病毒和宿主細(xì)胞遺傳物質(zhì)間的作用機(jī)制以及抗體多樣性遺傳重組機(jī)制、可移動(dòng)遺傳原件的發(fā)現(xiàn)，包括早起胚胎發(fā)育遺傳控制機(jī)制等等。

以上案例中所出現(xiàn)的遺傳控制作用和生長(zhǎng)、發(fā)育、分化、進(jìn)化等基礎(chǔ)生物學(xué)過(guò)程相關(guān)，所以其也有體現(xiàn)出了普遍性指導(dǎo)意義。生命是物質(zhì)，也是由分子組成的，不同的結(jié)構(gòu)將會(huì)表現(xiàn)出不同的功能。最為基本的結(jié)構(gòu)是一級(jí)結(jié)構(gòu)，由此衍生出二級(jí)、三級(jí)、司機(jī)空間結(jié)構(gòu)，將DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)研究清楚是非常困難的，在此背景下，以化學(xué)斷裂法、雙脫氧末端法來(lái)測(cè)定DNA片段序列的方法產(chǎn)生了，此后，人們開(kāi)始關(guān)注和了解到DNA分子當(dāng)中的一些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

三、基于DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的生物醫(yī)學(xué)發(fā)展展望

從DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)被提出的那一刻，分子生物學(xué)時(shí)代就來(lái)臨了。分子生物學(xué)讓生物大分子的研究開(kāi)啟了新的篇章，將遺傳研究提高奧分子層面，幫助人們解開(kāi)“生命之謎”，讓人們對(duì)遺傳信息的構(gòu)成與傳遞模式有了更為深刻的認(rèn)識(shí)。隨后，眾多相關(guān)學(xué)科陸續(xù)產(chǎn)生，從分子的角度著手可以很好地解決很多生命的奧秘，DNA重組技術(shù)的出現(xiàn)讓基于生物工程的研究與應(yīng)用都有了更多的可能性[4]。人們對(duì)DNA的了解和操控已經(jīng)達(dá)到了一定的水平，可以忽略其自身的進(jìn)化功能，而將其作為一種信息載體進(jìn)行操作?？梢詫NA理解為存儲(chǔ)信息的載體，其有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，比如能夠從死去很久的生命體當(dāng)中提取DNA樣本。

上世紀(jì)七十年代，一種基于基因工程的生物技術(shù)產(chǎn)生了，并逐步形成了生物技術(shù)這一新產(chǎn)業(yè)，很大程度上促進(jìn)了醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和工業(yè)向生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)方向的發(fā)展。在之后的二十多年間，分子生物化學(xué)作為生物化學(xué)、生物物理學(xué)的一部分，也得到了快速的進(jìn)步和發(fā)展。尤其是在九十年代，隨著美國(guó)“人類基因組計(jì)劃”的全面推行，基因組學(xué)也逐漸形成，至此，人類便可以由基因?qū)用鎭?lái)研究疾病發(fā)生、發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律，從而可以進(jìn)行科學(xué)有效地預(yù)防和診治，所有有關(guān)生命現(xiàn)象、重大疾病的議題，都或多或少和分子生物學(xué)、基因組學(xué)有所關(guān)聯(lián)，可以發(fā)現(xiàn)，在生物醫(yī)學(xué)發(fā)展領(lǐng)域，DNA所發(fā)揮的作用也越來(lái)越重要。

結(jié)語(yǔ)：

自從上世紀(jì)中期DNA優(yōu)美的曲線被發(fā)現(xiàn)之后，生物學(xué)各個(gè)領(lǐng)域也受此影響而發(fā)生了重大變革。提取自然材料、重新設(shè)計(jì)與改造，從而促進(jìn)人類社會(huì)的發(fā)展，這是六十多年以來(lái)科學(xué)家們基于DNA雙螺旋帶來(lái)的啟示而不斷進(jìn)行的嘗試與突破。所有在新的領(lǐng)域進(jìn)行的探索注定會(huì)備受質(zhì)疑，這一點(diǎn)在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型發(fā)展方面亦是如此，但DNA技術(shù)需要持續(xù)不斷地進(jìn)步和發(fā)展，研究人員有責(zé)任推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的不斷變革，這也是我們今后的努力方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]張慧·命運(yùn)的螺旋帶來(lái)的啟示--從DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)看科學(xué)方法論[J]·山西大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會(huì)科學(xué)版），2015， 28（2）.

[2]趙德坤，秦小康，對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)過(guò)程的反思[J]·中學(xué)教學(xué)參考，2018（5）

[3]張翮·遺傳物質(zhì)發(fā)現(xiàn)史的哲學(xué)思考[J]. 醫(yī)學(xué)與哲學(xué)， 2016，（13） .

[4]楊煥明·DNA&HGP對(duì)人類未來(lái)的影響[J]·湖南醫(yī)學(xué)，2019（8）22-25

作者簡(jiǎn)介：

鄭亞賞，女，學(xué)歷：本科，延邊大學(xué)臨床醫(yī)學(xué) 在校生。