4月25日是世界DNA日，今年恰逢DNA结构发现70周年。1953年4月25日，美国年仅25岁的博士后James Watson和英国37岁的博士生Francis Crick共同在剑桥大学卡文迪许实验室提出了一种DNA的结构。这篇发表在Nature上的论文虽然仅有一页纸的长度，插图也只有一张，却对之后的生物学领域带来了巨大的影响。
开启一个时代
Watson和Crick所提出的DNA结构，即为现在大家耳熟能详的双螺旋结构。在当时，结构生物学家Rosalind Franklin和分子生物学家Maurice Wilkins想到通过X光照射DNA结晶，并观察X射线的衍射情况来逆推DNA的结构。当Watson和Crick见到Franklin拍摄的DNA“照片”及数学计算后，受到很大的启发，并最终构建出了磷酸、脱氧核糖交替在外形成骨架，碱基在内彼此配对的双螺旋结构。
图1 Watson和Crick
在此之前，人们对于遗传物质究竟是蛋白质还是DNA存在争议。虽然1944年，微生物学家Oswald Avery通过对成分的精准分离，测试出DNA才是具有活性的遗传物质。但直到双链DNA螺旋结构被确立，这一问题才最终定论，并从此改变了生物学的发展道路，使得人们能够在分子水平理解生命遗传的发生和演化，包括遗传信息如何存储、传递，如何指导细胞复制和修复，如何影响个体的生长发育等。
随后的数十年里，一系列突破性研究成果相继涌现，1958年，中心法则被提出，指出了遗传信息的传递方向；1966年，遗传密码全部破译，确定了碱基是如何编码氨基酸的；1972年，DNA分子在体外重组首次实现，开启了人类对基因的改造之路；1977年，第一代基因测序法Sanger测序诞生，使人类能够真正有机会读懂生命这本“说明书”；1990年，人类基因组计划启动，历时十三年，最终揭开了人体内约2.5万个基因、30亿个碱基对的密码。而现在，科学家们更可以通过CRISPR-Cas等技术准确地删除、插入或修改基因，从而改变生物体的遗传信息。
与你我息息相关的DNA
双螺旋结构的确立不仅为遗传学建立了物理基础，也改变着普通人生活的方方面面。例如，在农业中，通过基因编辑，可以开发出更耐病、耐旱、高产的作物和畜禽，改善食品品质，提高食品安全；在医学中，通过基因测序，医生能够更好地了解患者的遗传信息，从而设计个性化的治疗方案，而在某些情况下，医生还可以将正常的基因序列注入患者体内，以代替或修复有缺陷的基因。
此外，诸如人类种群的溯源，生物多样性的维持，法医鉴定，微生物耐药性监控等领域也离不开对DNA的分析。
值得一提的是，随着基因测序技术的迭代升级，人们能够真正做到“治未病”。比如可以根据个体的基因变异情况，评估其在某种疾病上的风险，并制定出特定的健康计划使之遵守，或增加筛查的频率。甚至可以在孕育生命之前，对父母或胚胎进行基因测序，阻止罕见先天性疾病遗传给下一代。
向先驱致敬
站在基因组学迅猛发展的今天，我们更能看清双螺旋结构发现的意义，因为无数的新技术、新学科都在此基础上诞生。DNA的发现和相对论、量子力学共同被誉为20世纪自然科学领域最为重要的三大成就，而人类基因组计划也和曼哈顿原子弹计划、阿波罗登月计划，并称为20世纪的三大科学工程。值此70周年之际，两位在基因组学领域颇有建树的中科院院士也对此感慨良多。
贺林院士表示：“（DNA双螺旋结构发现、人类基因组计划完成）对人类和科学界的影响和价值可以说是划时代的。以70年前DNA双螺旋结构的提出为例，它实质性地启动了分子生物学时代，使遗传研究深入到分子层面去‘解码生命’。自此，人们清楚了解了遗传信息的构成和传递途径。在以后的70年里，以分子遗传学为首的各学科如雨后春笋般出现，一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了清晰阐明，并且大大推动了DNA重组技术，开拓了生物工程领域的研究和应用。”
杨焕明院士作为人类基因组计划的参与者，在接受媒体采访时谈起当时的心情：“大约20年前，我拿到人类基因组草图时真的很高兴，因为这是历史性进步，它揭开了人类很多奥秘，是全人类的共同遗产和共同财富。同时，在草图面前，我也更加明白我们对生物的理解是多么肤浅，我们站在前人的肩膀上、站在新的起点上，看到前方有更辽阔的世界、更多的岔路口，生命的奥秘比我们想象的更复杂，但我们摸索到一条路了。”
DNA双螺旋结构的发现给出了一个答案，但也提出了更多的问题有待后来者解答，我们要做的，不仅仅是对先驱们心怀敬意，更要站在前人的肩膀上，向更高、更远处探索！
参考资料：
[1]WATSON JD, CRICK FH. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 1953 Apr 25;171(4356):737-8. doi: 10.1038/171737a0.
[2]http://www.news.cn/mrdx/2023-04/25/c_1310713756.htm
