DNA
的发现与历史
DNA
（脱氧核糖核酸）是构成生命的基础单位，它的发现与研究对
于生物学和医学领域有着巨大的影响。本文将讲述
DNA
的发现历史以
及相关的重要里程碑事件。
一、
DNA
的初步认识
19
世纪末，科学家开始注意到细胞核内含有一种未知的物质，这种
物质在细胞分裂时发生变化。
1882
年，德国科学家汉斯
·
冯
·
瓦尔登宁
首次提出了这种物质的命名
“
核酸
”
。然而，在当时科学技术水平有限，
科学家们对核酸的性质几乎一无所知。
二、格里菲斯的转化实验
1928
年，英国科学家弗雷德里克
·
格里菲斯进行了一项开创性的实
验，这个实验成为后来
DNA
研究的重要奠基石。格里菲斯使用两个不
同类型的肺炎双球菌，发现当被一种被称为转化的现象影响时，一种
菌株的特性可以被另一种菌株所取代。这表明着遗传物质可以通过转
化传递。
三、艾弗里的转化物质
——
DNA
1930
年代，奥斯瓦尔德
·
泰斯滕
·
艾弗里等科学家通过他们的实验证
明，信使质体
DNA
是格里菲斯实验中所描述的转化物质。这一发现引
起了巨大的关注和兴趣，开启了对
DNA
的进一步研究。
四、查尔斯
·
沃森和詹姆斯
·
克里克的双螺旋结构模型
DNA的结构在 1953 年被阐明，但它实际上是在 1868 年由一位名叫弗里德里希·米歇尔的瑞士科学家在德国的一个小实验中发现的。
在 1965 年颁发的诺贝尔奖在沃森和克里克欣赏他们的双螺旋模型的经典照片旁边用斜体表示。该奖项的授予是“因为他们发现了核酸分子结构及其对生物材料信息传递的意义”。值得注意的是分子结构， 而不是 发现。
弗里德里希·米歇尔于 1844 年 8 月 13 日出生在瑞士的一个热衷于科学的家庭。他的父亲和叔叔 分别是巴塞尔的著名、解剖学家和教授。米歇尔对科学表现出浓厚的兴趣，并开始在巴塞尔学习医学，但后来决定研究会满足他对自然世界的好奇心。
弗里德里希·米歇尔是如何发现 DNA 的？
DNA 的故事始于 1868 年加入实验。 对细胞的化学成分很感兴趣。
打开网易新闻 查看精彩图片
米歇尔是一位一丝不苟的科学家，记录每一个细节，工作非常谨慎。这种耐心的方法在蛋白质和脂质中检测到一些奇怪的东西。在进行测试时，他注意到在酸性条件下会沉淀出一种物质。兴奋和好奇，他开始探索这种不寻常的沉淀物。
他做了几个实验来使这种物质从溶液中沉淀出来。这种未知的沉淀在碱性条件下溶解，但在溶液中和时沉淀。即使溶液变成酸性，该物质也不会溶解回溶液中。
蛋白质在其结构中同时携带带正电和带负电的分子。 根据溶液的 pH 值，整个蛋白质可能带正电或负电。在蛋白质带有正电荷或负电荷的 pH 值下，它将保持溶解在溶液中。
水中的离子将与蛋白质上的带电物质相互作用，使蛋白质保持在溶液中。然而，在特定的 pH 值（每种蛋白质都是唯一的）下，蛋白质上的净电荷为 0、这意味着它没有电荷。在这个 pH 值下，蛋白质分子开始相互作用，而不是与周围的离子相互作用。这种相互作用导致蛋白质聚集并沉淀出来。这个 pH 值称为等电点或 pI。改变 pH 值，远离其 pI，它将溶解回溶液中。
沉淀物不溶于各种酸性 pH 值。他得出结论，这不是蛋白质。
可以肯定的是，还进行了几次测试。他烧掉了沉淀物，发现了所有常见的有机元素——氧、碳、氢和氮。他没有发现硫，这是大多数蛋白质中常见的元素。他注意到沉淀物中含有大量的磷。磷不存在于任何其他生物分子中。
他还将沉淀物置于蛋白酶中，这些酶将蛋白质分解成它们的组成部分——氨基酸。蛋白酶不影响沉淀物，进一步巩固了他的观点，即这不是蛋白质。根据之前的工作，他也知道这种物质是在细胞核中发现的，所以他把它命名为核素。
强调米歇尔发现的论文发表于 1871 年。米歇尔继续研究核蛋白，更喜欢使用鲑鱼精子作为材料。他的工作表明核蛋白中不寻常的磷以磷酸的形式存在。注意到它扩散不良的分子，他推断它一定很重（又名高分子量）。他猜对了，一种被他称为鱼精蛋白的基本分子与核蛋白有关。
这些物质一起构成了他正在研究的精子正规的质量。后来的研究表明，米歇尔对这一切都是正确的！
米歇尔之后的DNA
打开网易新闻 查看精彩图片
自从发现和验证DNA结构以来，核酸的世界从未如此。对分子的研究猛增，在接下来的 3 年里，已经完成了大量的开创性工作。
弗里德里希·米歇尔因肺结核病逝，享年 51 岁，他的叔叔威廉·希斯在介绍米歇尔全集时写道：“对米歇尔及其作品的欣赏不会减少；相反，他会成长，他的发现和思想将成为丰硕未来的种子。” 今天，我们仍在探索 DNA 和其他核酸，以寻找地球上进化、健康和生命起源的秘密，所以这句话不假，米歇尔将永远在 DNA 历史上享有盛誉！
这篇综述回顾了DNA测序技术发明四十周年以来的发展历程，规模从几个碱基对个人类基因组，我们已经见证了多个技术革命和增长，现在获得的百万人和其他多种的基因组。DNA测序技术已被广泛地使用，包括作为一个广阔的分子的计数器。我们预测，从长远来看，DNA测序的影响将可与显微镜相提并论。
早期测序
更早是胰岛素（蛋白质）和tRNA早于DNA完成了测序。其中，个RNA测序用了140kg的酵母测出了76个核苷酸。
DNA测序技术的发明**
1973年Gilbert和Maxam引物延伸法测定了24个核苷酸，每个核苷酸在耗时一个月。
1976年Sanger和Coulson链终止法和Gilbert和Maxam化学裂解法。
1979年鸟枪法测序
1987年Smith、Hood和Applied Biosystems开发了桑格法荧光测序仪，1000base/d。
1982年Genbank上存储了500,000bases。
1986年Genbank上存储了10,000,000bp。(统计数据见。ncbi。nlm。nih。gov/genbank/statistics/）
扩大到人类基因组
1、几个显著进步：1）从染料标记的引物到染料标记的末端;
2）突变的T7 DNA聚合酶;
3）线性扩增反应；
4）基于磁珠的DNA纯化和提取；
5）PE双端，双链测序；
6）毛细管电泳；
7）工业化标准的加入。
2、软件的开发：phred，质量度量Q值, phrap, the TIGR assembler and the Celera assembler
3、测序成本的下降:2001年一个测序中心可以测10,000,000bp/day。 2004年￥1/（600-700bp)。
4、和HGP计划平行进行的私人基因组测序Craig Venter and Celera (2001)。
大规模平行DNA测序
1、核心是体外扩增产生每个模板拷贝被测序，而不是细菌克隆。
2、几种扩增方式有polonies，桥式pcr或者滚环扩增（纳米球）。
3、边合成边测序的三种方式：1）焦磷酸测序2）使用DNA连接酶的特异性荧光寡核苷酸模板附在顺序的方式3）聚合酶介导下逐步加入荧光标记的脱氧核苷酸（1998, Solexa）
4、个NGS测序平台是454（2005）, 然后是Solexa（35bp PE）。
5、几个NGS平台454（Roche收购）
Solexa ( Illumina收购),
Agencourt (Applied Biosystems收购),
Helicos (founded by Quake),
Complete Genomics (founded by Drmanac安康收购)
Ion Torrent(founded by Rothberg)
(PS:这些测序平台，在生信菜鸟团公众里面都有介绍)
6.2012年454, SOLiD 和 Helicos停止开发，illumina成为主流，尽管安康是个潜在挑战者。准确度99.9%，Novaseq可以两天内产生1百亿reads，是HGP计划23G的40倍。
单分子实时测序
1、PacBio:零模波导孔，大于10k的读长，10%的原始错误率，很低的gc偏好性。
2、纳米孔测序：Oxford Nanopore Technologies (ONT)，更长读长可达900K, 便携式，电信检测，但是错误可能不是随机的。
1、基因组的de novo组装
（1）遗传图谱（2）物理图谱（3）双端测序，8-10冗余，1/100,000的错误率（4）Celera, 从贪婪算法（phrap and the TIGR assembler）到基于图的方法（重叠–布局–共识）（5）de Bruijn graphs (如 EULER and Velvet)（6）高分子量high molecular weight (HMW)（7）HiC
2、基因组测序
1）重测序：Bowtie and Burrows–Wheeler Aligner (BWA)数据压缩，SAMtools and later GATK。
2）几个计划：Genome Aggregation Database (gnomad。broadinstitute。org/)
Genomics England ([。genomicsengland。co。uk/](。genomicsengland。co。uk/))
NHLBI TOPMed (TransOmics for Precision Medicine, [。nhlbiwgs。org/])
测序的临床应用
1、无创产前诊断 non-invasive prenatal testing (NIPT)
2、WES： Mendelian and neurodevelopmental disorders
3、癌症：靶向治疗、非侵入性诊断和监测ctDNA, cfDNA,发现新的突变位点。
更初的双螺旋模型
丰富多彩、引人入胜的生命现象，历来是人们更为关注的课题之一。在探索生物之谜的历史长河中，一批批生物学家为之奋斗、献身，以卓越的贡献扬起生物学“长风破浪”的航帆。今天，当我们翻开群星璀璨的生物学史册时，不能不对J·沃森(JinWatson)、F·克里克(FrancisCrick)的杰出贡献，予以格外关注。50年前，正是这两位科学巨匠提出了DNA双螺旋结构模型的惊世发现，揭开了分子生物学的新篇章。如果说十九世纪达尔文进化论在揭示生物进化发展规律、推动生物学发展方面，具有里程碑意义的话，那么，DNA双螺旋结构模型的提出，则是开启生命科学新阶段的又一座里程碑。由此，人类开始进入改造、设计生命的征程。
诚然，生物科学的每一次突破都是其自身发展到一定阶段的产物，是不同学科新理论、新技术相互渗透融合的结果，但勿庸置疑，它首先是科学家个人创造性劳动的宝贵结晶。今天，了解DNA双螺旋结构模型产生的背景、条件，以及对生物学发展产生的积极影响，对我们深刻认识这一重大发现的科学价值，正确把握现代生命科学发展的规律和方向，是大有裨益的。正是基于这一认识，笔者撰写了这篇短文，权作对DNA双螺旋结构模型提出50周年的纪念。
浩繁纷杂的生物尽管千差万别，但不论哪一个种类，从更小的病毒直至大型的哺乳动物，都毫无例外地可以把自己的性状一代一代地传下去；而无论亲代与子代，还是子代各个体之间，又多少总会有些差别，即便是双胞胎也不例外。人们曾用“种瓜得瓜，种豆得豆”和“一母生九子，九子各别”，生动形象地概括了存在于一切生物中的这一自然现象，并为揭开遗传、变异之谜进行了不懈的努力。
17世纪末，有人提出了“预成论”的观点，认为生物之所以能把自己的性状特征传给后代，主要是由于在性细胞(精子或卵细胞)中，预先包含着一个微小的新的个体雏形。精原论者认为这种“微生体”存在于精子之中；卵原论者则认为这种“微生体”存在于卵子之中。但是这种观点很快为事实所推翻。因为，无论在精子还是卵子之中，人们根本见不到这种“雏形”。代之而来的是德国胚胎学家沃尔夫提出的“渐成论”。他认为，生物体的任何组织和器官都是在个体发育过程中逐渐形成的。但遗传变异的操纵者究竟是何物？仍然是一个谜。
直到1865年，奥地利遗传学家孟德尔在阐述他所发现的分离法则和自由组合法则时，才次提出了“遗传因子”(后来被称作为基因)的概念，并认为，它存在于细胞之内，是决定遗传性状的物质基础。
1909年，丹麦植物学家约翰逊用“基因”一词取代了孟德尔的“遗传因子”。从此，基因便被看作是生物性状的决定者，生物遗传变异的结构和功能的基本单位。
1926年，美国遗传学家摩尔根发表了著名的基因论。他和其他学者用大量实验证明，基因是组成染色体的遗传单位。它在染色体上占有一定的位置和空间，呈直线排列。这样，就使孟德尔提出的关于遗传因子的假说，落到具体的遗传物质———基因上，为后来进一步研究基因的结构和功能奠定了理论基础。
尽管如此，当时人们并不知道基因究竟是一种什么物质。直至本世纪40年代，当科学工作者搞清了核酸，特别是脱氧核糖核酸(简称DNA)，是一切生物的遗传物质时，基因一词才有了确切的内容。
1951年，科学家在实验里得到了DNA结晶；
1952年，得到DNAX射线衍射图谱，发现病毒DNA进入细菌细胞后，可以复制出病毒颗粒……
在此期间，有两件事情是对DNA双螺旋结构发现，起了直接的“催生”作用的。一是美国加州森格尔教授发现了蛋白质分子的螺旋结构，给人以重要启示；一是X射线衍射技术在生物大分子结构研究中得到有效应用，提供了决定性的实验依据。
正是在这样的科学背景和研究条件下，美国科学家沃森来到英国剑桥与英国科学家克里克合作，致力于研究DNA的结构。他们通过大量X射线衍射材料的分析研究，提出了DNA的双螺旋结构模型，1953年4月25日在英国发现杂志正式发表，并由此建立了遗传密码和模板学说。
之后，科学家们围绕DNA的结构和作用，继续开展研究，取得了一系列重大进展，并于1961年成功破译了遗传密码，以无可辩驳的科学依据证实了DNA双螺旋结构的正确性，从而使沃林、克里克同威尔金斯一道于1962年获得诺贝尔医学生理学奖。
现代生物学研究业已搞清，核酸是由众多核苷酸组成的生物大分子。核苷酸主要有四种类型，它们按不同的顺序排列，构成了含有各种遗传信息的核酸分子。基因就是核酸分子(主要是DNA)中含有特定信息的核苷酸片断。
在对生物的遗传物质进行深入研究，并不断取得进展的同时，自然界中的大量生命现象和实验中的许多实验结果，也给生物学工作者以有益的启示。
比如，大肠杆菌是一个品系繁多的大家族，有上万种不同的类型。有的品系因缺少指导合成某些特殊营养物质的基因，因而必须从培养基中直接摄取这些营养物质方能生活。这些大肠杆菌被称作营养缺陷型。如大肠杆菌K不能合成苏氨酸(T)和亮氨酸(L)；而它的另一个品系则不具备合成生物素(B)和甲硫氨(M)的能力。把这两种大肠杆菌的任何一种单独放在缺少TLBM的培养基上都不能生长。但是，当把这两种大肠杆菌混合在一起，放到缺少上述四种物质的培养基上，却奇迹般地长出了新菌落。这是什么原因呢？前面已经说过，大肠杆菌K中缺少T、L两种基因，却含有B、M两种基因；而另一个品系的DNA上，尽管不具备B和M基因，却含有K中缺少的T、L两种基因。当把它们放在一起大量培养时，前一品系细胞中的DNA有可能通过细胞膜进入后一品系的细胞中，使两种类型的DNA之间进行重新组合，形成同时含有BMTL四种基因的大肠杆菌新类型。其实，上面这种细菌间的杂交现象并不是仅仅在生物学家专门设计的营养缺陷型实验中才能进行，在自然状态下的许多细菌中同样存在，只不过数量太少，一般不易被人们发现罢了。
上述DNA的转移，主要是靠细胞之间的接触实现的，无需借助外力的帮助。但是，也存在另一种情况，DNA的转移和重组，是在第三者的介入下完成的。如噬菌体的转导就是一个典型的例证。
噬菌体是专门侵染细菌和放线菌的一类病毒。它体积小，结构简单，除六角形正规含有DNA外，周身披有一个起保护作用的外壳和一个蝌蚪状的尾巴。侵染细菌时，先从自身尾部分泌出一种溶菌酶，将菌体某处的细胞壁溶解，然后再把正规的DNA经由这个缺口送入细菌体内。噬菌体侵染细菌的过程有两种类型。一种叫烈性感染，即侵入菌体内的噬菌体DNA立即进行自我复制，产生新的DNA和蛋白质外壳，然后分泌溶菌酶使菌体细胞壁裂解，释放出新的噬菌体；另一种类型叫温和感染，即噬菌体DNA进入菌体细胞后，并不立即进行自我复制，而是插入到被感染菌体细胞的染色体内，潜伏下来。当细菌染色体进行自我复制时，它也跟着复制，并随染色体一同悄悄地进入子细胞内。可是一遇到紫外光照射等外来刺激，温和噬菌体的DNA就会立即脱离细菌染色体，迅速复制，进而使菌体裂解，释放出新的噬菌体。生物学工作者用温和噬菌体去感染有鞭毛的沙门氏杆菌，并通过紫外光照射促使侵入菌体内的噬菌体DNA迅速复制，释放出成熟的噬菌体，然后再用它们去感染无鞭毛的沙门氏菌，结果使无鞭毛细菌长出了鞭毛。其原因在于，当温和噬菌体侵染有鞭毛的沙门氏菌，进行自我复制时，阴差阳错地误把菌体细胞中决定鞭毛性状的DNA片断，也裹进了自己的蛋白质外壳内，而当它们再去感染无鞭毛的沙门氏菌时，就把这种决定鞭毛性状的DNA片断带进了无鞭毛的沙门氏菌中，以至出现了使无鞭毛的菌长出鞭毛的怪事。这种现象叫“转导现象”。这一实验不仅再次证明，生物细胞中的DNA可以从一个细胞转移到另一个细胞，而且表明，在实现这种转移的过程中，噬菌体是一种理想的运载工具。
既然DNA是决定生物性状的主要遗传物质，在自然界中又存在着DNA的转移和重组，并且还有噬菌体等充当基因的运载工具，那么，能不能设法把不同生物细胞中的DNA分子分离出来，进行体外切割，以获得我们需要的某些特定基因；或者人工合成某些基因片断，然后再按照预先设计好的方案，让基因重新组合，通过一定的运载手段，把重组体重新送回到生物体细胞内，并使它的功能表达出来，从而突破远缘杂交的障碍，按照人们的意志改造生物、创造出新的品种呢？
如前所述，大肠杆菌是人类更熟悉的微生物之一。大肠杆菌细胞质中的质粒是一种环状DNA，出入细胞较为容易。加之它结构简单，繁殖快，易于培养，所以大肠杆菌自然就成了基因工程研究的对象和理想的操作工具。1969年，美国生物学家夏皮洛等人首先用生物学方法，从大肠杆菌的质粒环状DNA片断上人工分离出了基因。三年之后，美国科学家科恩，首次把两个大肠杆菌的质粒从细胞中分离出来，在体外让质粒中的DNA分子重新进行组合，然后再送回大肠杆菌中，使其成功地获得表达，从而次实现了基因操作。
自此以后，基因工程获得了如火如荼的发展，取得了一个个振奋人心的突破，宛如升起在科学上空的瑰丽明星，令人神往。今天，我们已经可以用基因操作突破种间壁垒，实现各种生物遗传性状的重组，基因工程已成为生物技术的核心技术，广泛应用于医药健康和各个产业部门。放眼未来，它在造福人类中的作用是无可限量的。前景诱人，任重道远，让我们为之奋斗努力吧!
以上关于“DNA发明的前世今生（了解DNA科学发现的背后传奇）”的全部内容了，想要了解更多亲子鉴定相关资讯，请继续关注本站。
2024-05-07
匿名咨询
400-025-1120
