二重らせん：DNAの形をめぐる発見競争

1869年の冬、テュービンゲンにある城を改装した建物で、フリードリヒ・ミーシェルという25歳のスイス人医師が、使用済みの手術用包帯から膿を洗い流していた。彼が近くの診療所からこの包帯を集めたのは、捨てられた包帯が白血球を吸い込んでいたからであり、ミーシェルはその細胞の化学的性質を研究したかったのだ。彼はその核から、それまで見たことのないふるまいを示す奇妙なリンに富んだ物質を抽出した。それはタンパク質でも脂肪でも炭水化物でもなかった。彼はそれをヌクレインと名づけた。彼は知らぬうちにDNAを単離していたのだが、それを細胞内で特に役割を持たない取るに足らない分子だと信じたまま亡くなった。

それから84年後、1953年の春、その同じ分子が生物学で最も論じられる対象となる。ほんの数週間の濃密な期間に、ケンブリッジの二人の男とロンドンの小さな研究グループが、ヌクレインが実際にどのような形をしているのかを突き止め、その答えはこの分子をめぐる科学全体を再編成した。これは、役割を持たない分子が、いかにして生命の指令を担う分子になったのかという物語であり、その形を発見するまでの長く、争いに満ち、ときに度量に欠けた競争の物語である。

誰も重要だと思わなかった分子

ミーシェルの後、何十年もの間、ヌクレインが遺伝物質でありうると信じる者はほとんどいなかった。当時はその論理がもっともらしく思われた。染色体が遺伝を担うことは知られており、染色体はタンパク質とDNAの両方からできていた。タンパク質は20種類の異なるアミノ酸から組み立てられており、それが明らかな豊かさを、すなわち複雑な指令を書き記せるかもしれない大きな文字盤を与えていた。これに対してDNAには、アデニン、チミン、グアニン、シトシンという4種類の構成要素しか含まれておらず、糖とリン酸からなる単調な骨格があるだけだった。ほとんどの生物学者にとって、それは生物のように込み入ったものを符号化するにはあまりにも単純で反復的すぎるように見えた。きっと遺伝の情報はタンパク質の中に宿っており、DNAはただの構造的な足場にすぎないのだろう、と。

その合意に最初の深刻な亀裂が入ったのは1944年のことだった。ニューヨークのロックフェラー研究所で、オズワルド・エイブリー、コリン・マクラウド、マクリン・マッカーティがJournal of Experimental Medicineに論文を発表し、1928年の不可解な結果に立ち返った。その先行する実験で、イギリスの細菌学者フレデリック・グリフィスは、無害な肺炎球菌の菌株が、毒性のある細胞の死んだ残骸と混ぜられると、致死性の菌株へと永久に形質転換しうることを示していた。グリフィスが形質転換物質と呼んだその死んだ細胞の中の何かが、毒性の指令を担っており、生きた細菌の子孫に受け継がれうるのだった。エイブリー、マクラウド、マッカーティはその何かを化学的に特定しようと取りかかり、何年もの入念な精製の末に、形質転換物質はタンパク質ではなくDNAであると結論づけた。結果は明快だったが、分子生物学界は、そんなに単純な分子がそれほどの情報を担えるはずがないとなおも確信し、ほぼ十年にわたってそれを信じるのを大方拒んだ。

ついに決着をつけた実験

疑念が完全に晴れたのは1952年になってからで、いまではその巧みさで名高い実験によってだった。コールド・スプリング・ハーバーで、アルフレッド・ハーシーとマーサ・チェイスは、細菌に感染するウイルスであるバクテリオファージを研究していた。ファージはDNAの核を包むタンパク質の殻にすぎず、細菌を攻撃するときには遺伝物質を注入して細胞の仕組みを乗っ取る。問いは単純だった。ファージが感染するとき、送り込むのはタンパク質なのか、それともDNAなのか。

ハーシーとチェイスは放射性標識を用いてそれに答えた。彼らはファージの一群を、タンパク質には含まれるがDNAには含まれない放射性硫黄とともに育て、もう一群を、DNAには含まれるがタンパク質には含まれない放射性リンとともに育てた。それぞれの一群を細菌に感染させ、その混合物をミキサーと遠心分離機にかけて、空になったファージの外皮を細胞表面から剥ぎ取った。放射能がどこへ行ったかを調べると、DNAの標識であるリンは細菌の内部にあり、タンパク質の標識である硫黄は剥ぎ取られた外皮の中に外側に残っていた。細胞に入ったのはDNAだけだったのだ。Journal of General Physiologyに発表されたこの結果は、エイブリーのグループが8年前に示していたことを、ついにほとんどの分子生物学者に納得させた。DNAは遺伝物質だったのであり、緊急の問いは、それがどのような形をしているのかになった。

化学の中に隠れていた二つの手がかり

1950年代の初めには、すでに二つの決定的な証拠が出そろっていたが、それらがどう組み合わさるのかをまだ誰も見抜いていなかった。一つ目はコロンビア大学のエルヴィン・シャルガフからもたらされた。1949年から1950年にかけて、当時としては新しいペーパークロマトグラフィーと呼ばれる手法を用いて、シャルガフは多くの異なる種から採取したDNA中の4種類の塩基の割合を測定した。彼はある驚くべき規則性を見いだした。どの試料でも、生物が何であろうと、アデニンの量はほぼ正確にチミンの量と等しく、グアニンの量はほぼ正確にシトシンの量と等しかった。同時に、アデニンとチミンの和とグアニンとシトシンの和の全体の比率は、種ごとに大きく異なっていた。いまではシャルガフの規則と呼ばれるこれらの観察は、心をそそる手がかりだった。それは塩基が何らかの形で対をなしていること、AはTと、GはCと結びついていることをほのめかしていたが、シャルガフ自身はその理由を語れず、彼の数字の意味は構造が判明するまで封じられたままだった。

二つ目の手がかりは化学からではなく、物理学から、DNAがX線を散乱させるその仕方からもたらされた。ロンドンのキングス・カレッジで、ロザリンド・フランクリンと彼女の大学院生レイモンド・ゴスリングは、X線繊維回折を用いていた。これは分子の繊維にX線のビームを当て、散乱した線のパターンをフィルム上に捉える手法である。そのパターンの斑点や弧は分子の繰り返す幾何構造を符号化しており、それを読み取るのは高度な技を要する。1952年5月、フランクリンとゴスリングは、水和した生物学的に意味のある形のDNA、いわゆるB型について、それまでに撮られた中で最も鮮明な像を生み出した。単に51番の写真として記録されたこの像は、紛れもないX字形に交差した反射のパターンを示しており、訓練を積んだ目には、その分子がらせんであることをはっきりと告げるものだった。

ケンブリッジ、ロンドン、そして許可なく見せられた一枚の写真

いまや競争は二つの陣営に分かれていた。キングス・カレッジでは、フランクリン、ゴスリング、モーリス・ウィルキンスがX線データに取り組んでいた。ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所では、ジェームズ・ワトソンとフランシス・クリックが、金属板と棒を組み合わせ、幾何構造が知られているすべての制約に従うまで組み立てるという物理模型を作ることで構造を導き出そうとしていた。二つのグループは気まずい競争相手であり、とりわけフランクリンとウィルキンスの関係は張りつめていた。

1953年1月、ウィルキンスはフランクリンの許可も知らぬところで、彼女の51番の写真をワトソンに見せた。ワトソンにとってその像は、自分とクリックがらせんを追っているという胸を躍らせる確証であり、その寸法についての定量的な手がかりを与えてくれた。この出来事はそれ以来ずっと議論されてきた。なぜなら、フランクリンの入念な実験的研究が、当時の彼女がほとんど評価されなかった発見へと直接つながり、しかも彼女自身のデータの使用について彼女に相談がなかったからである。これが、二重らせんの物語がその科学と同じくらいその倫理によって記憶されている理由の一つである。

この写真とシャルガフの規則を手に、ワトソンとクリックは1953年の2月と3月前半を模型の作業台で過ごした。突破口は塩基の対合を正しくとらえたときに開かれた。アデニンがチミンと、グアニンがシトシンと対をなすなら、できあがった二種類の対はほぼ正確に同じ幅になることが分かる。その一定の幅は、対をなした塩基が、外側に沿って糖とリン酸のかさばる骨格が滑らかに走る、直径が一定のらせんの内側で、踏み段のように収まりうることを意味した。幾何構造は突如かみ合い、それはシャルガフの規則を一挙に説明した。すべてのAがTと、すべてのGがCと結合しているからこそ、AはTに、GはCに等しいのだ。模型は3月7日に完成し、原稿は4月2日にNatureへ送られた。

構造が実際にどのような姿で、なぜすぐに重要だったのか

ワトソンとクリックが記述した分子は、右巻きの二重らせんである。糖とリン酸が交互に並ぶ二本の骨格が外側で巻きつき、逆平行に走っている。これは二本の鎖が反対方向を向いていることを意味する。4種類の塩基はらせん階段の段のように核の中で積み重なり、二本の鎖は相補的な塩基対のあいだの水素結合によって互いに留め合わされている。アデニンは常にチミンと向き合い、グアニンは常にシトシンと向き合う。約10.5塩基対でらせんは一回転する。これを告げる論文は1953年4月25日にNatureに掲載され、わずか二ページ足らずで900語にも満たず、芸術家であるクリックの妻オディールが描いた一つの図が添えられていた。それは科学の中で最も静かに有名な一文の一つ、すなわち彼らの提案した特定の塩基対合が、この分子が自らを複製するやり方を直ちに示唆するという所見で締めくくられていた。

その控えめな一行こそが、なぜこの構造がそれほど速やかに重要だったのかを指し示していた。生物学における三つの深い問題が、この幾何構造からほとんどおのずと解け落ちたのだ。二本の鎖が相補的であるため、それぞれがもう一方を作り直す鋳型として働くことができ、それは複製の仕組みを示唆していた。これは後に半保存的複製として確認され、そこでは各々の娘分子が古い鎖を一本保ち、新しい鎖を一本得る。4種類の塩基は骨格に沿ってどんな順序でもつなげられるため、この構造は情報を担う容量を提供し、遺伝の情報は配列そのものに書き込まれた。そしてその配列が変わりうるため、この構造は突然変異の自然な仕組みをも提供した。その後三十年にわたる分子生物学の研究計画全体は、これら三つの含意から生まれたのである。

一つの賞、一つの不在、そして今も続く論争

1962年、ノーベル生理学・医学賞は、DNAの分子構造を解明した功績に対して、ワトソン、クリック、ウィルキンスに共同で授与された。ロザリンド・フランクリンはその中にいなかった。彼女は1958年4月に卵巣がんで、37歳の若さで亡くなっており、賞の規則のもとでは死後にノーベル賞は授与されないため、彼女はそもそも対象外だったのだ。もし彼女が生きていたら賞を分かち合っていたかどうか、そして彼女の51番の写真が発見の中心にあったことを踏まえて功績がどう配分されるべきだったのかは、それ以来ずっと議論されており、今も本当に決着がついていない。疑いの余地がないのは、彼女の実験データが不可欠だったことであり、ミーシェルの膿を吸った包帯から二重らせんの階段に至る道が、生物学がついに化学を軸に組み替えられる前に、ケンブリッジ、ロンドン、ニューヨーク、コールド・スプリング・ハーバーで、多くの手を経てきたということである。

重要なポイント

DNAは1869年にフリードリヒ・ミーシェルによってヌクレインと呼ばれるリンに富む物質として初めて単離されたが、何十年ものあいだ遺伝を担うには単純すぎるとして退けられていた。その見方が崩れたのは、エイブリー、マクラウド、マッカーティが1944年にDNAがグリフィスの形質転換物質であることを示し、ハーシーとチェイスが1952年にファージが細胞へ注入するのはタンパク質ではなくDNAであることを確認した後のことだった。続いて二つの手がかりが決定的であることが分かった。アデニンはチミンに等しく、グアニンはシトシンに等しいというシャルガフの規則と、DNAのらせん形を明らかにしたフランクリンとゴスリングの1952年のX線写真51番である。この両方を土台に、ワトソンとクリックは1953年初めに、A-T対とG-C対は同じ幅であり、したがって二本の逆平行な糖とリン酸の骨格からなる右巻きの二重らせんの内側に、積み重なって水素結合した塩基対とともに、一回転あたり約10.5対で収まることを解き明かし、これを1953年4月25日のNatureの短い論文に発表した。この構造が直ちに重要だったのは、その幾何構造が半保存的複製、配列に符号化された情報、そして突然変異の仕組みを示唆していたからである。1962年のノーベル賞はワトソン、クリック、ウィルキンスに贈られ、1958年に亡くなっていたフランクリンは、死後授与なしという賞の規則のもとで対象外となり、功績がどう分かち合われるべきだったのかという、今なお議論の続く問いを残した。