基因为何是遗传关键？“人类基因组计划”破译生命密码

基因编辑诞生前奏——DNA，始终是一个热门方向

导读：

古今中外，围绕着遗传的问题有很多探讨。从林奈、拉马克、达尔文，再到孟德尔，以及后面的沃森、克里克等，最终科学家找到了生命的遗传秘密：它就潜藏在基因里。

本期视频我们主要介绍“基因是什么”、“基因突变有哪些影响”。我们访谈的嘉宾是湖南师范大学医学院教授、“潇湘学者”谷峰教授。

谷 峰（湖南师范大学医学院教授、“潇湘学者”） | 嘉宾

林奈、拉马克和达尔文

问：基因与遗传的关系是怎样的？

谷峰：“基因与遗传的关系”问题是遗传学的一个基础科学问题。比如身高是遗传的，父母身高很高，那对应孩子的身高也会很高。所以，这也是为什么北欧人群普遍比亚洲人个子高，从遗传学来说是有基础的。

我们身体里面的任何性状，包括口腔里的牙齿、单眼皮双眼皮、皮肤，都是跟我们父母的基因息息相关的。具有代表性的工作就是孟德尔的豌豆杂交实验，把豌豆做杂交，我们可以发现性状是有遗传学规律在其中的。

再往后就是摩尔根的果蝇杂交实验。摩尔根做了一些遗传学研究，这些工作通过形态观察，为遗传学基因的进一步发现奠定了基础。

摩尔根和果蝇实验

当然，最后锁定“基因是什么”的科学家就是沃森和克里克。他们从DNA的角度诠释了DNA到底是什么，他们两个人解释了双螺旋结构、碱基配对，这些工作为我们后期基因操作奠定了坚实的基础，所以这是我们目前从基因水平认识DNA。接下来让我们聊一下RNA，新冠病毒是RNA，作为遗传物质，它可以不断地复制，不断地传递到下一代。当然病毒这种生命体跟我们常规的生命体，比如说大肠杆菌、国宝熊猫、水稻之类的是不一样的。

简而言之，基因从原始发现到最终确定下来有几个比较重要的事件，这些事件对于我们推动基因编辑是非常重要的。

问：基因的结构组成是怎样的？

谷峰：基因包括几个组成部分：

首先，基因一般有一个启动子驱动基因的转录；第二，基因中包含了外显子和内含子。对于真核细胞的基因组而言，它既包含内含子，又包含外显子。内含子将相邻的外显子隔开，一个基因就可以转录成多种不同的转录本，实现基因特异性的调控；第三，除了刚刚提到的内含子、外显子和启动子之外，在基因的3’端还有polyA结构，这意味着转录到了某一个位置需要停止下来。这几个部分是构成基因的最基本的部分。

对于人类的基因来说，它主要由四种碱基组成：ATGC。如果它被转录成RNA，那么T会变成U，所以对RNA而言就是AUGC。这就是DNA跟RNA的区别。

另外，我们在提到基因通常还会提到基因的5’端非翻译区和3’端非翻译区，分别叫作5’端UTR和3’端UTR，对于基因来说这是调控的元件，可以在不同转录起始位点转录，通过UTR结合一定的因子来调控基因转录的活性，这是基因调控的一个重要机制。

问：基因是如何传递遗传信息的？

谷峰：在细胞核中，首先说染色体，基因位于某一个染色体上的某一区段。基因会随着细胞更新而进行复制，这涉及到DNA复制的问题，从母代细胞复制变成子代细胞也有相应的过程，这个过程叫有丝分裂。

然后，就是基因如何作用于我们体内蛋白质的过程。这个过程包括，将基因通过RNA聚合酶转录成RNA，之后RNA需要从细胞核中转运到细胞质中，这涉及到相关的碱基配对，转录完RNA之后，它需要变成成熟的RNA。成熟的RNA要从细胞核转运到细胞质中，最终在细胞质中利用核酸进行翻译。翻译完毕后，蛋白质会前往细胞核，如果需要去线粒体，它就会有线粒体定位信号，使其前往线粒体；如果需要留在细胞质中，它就会定位在细胞质中。

当然，这里可能还涉及到蛋白质的修饰，不同的蛋白质修饰可以调控蛋白质的活性。例如，蛋白质本身是一种酶，我们可以通过磷酸化、乙酰化等不同的修饰来调控蛋白质的活性。

有生成的蛋白，自然会有降解的蛋白。如果我们不想要某个特定的蛋白质，我们可以通过泛素化将蛋白质分解掉。最终，这会是一个动态的过程。

如果这个动态过程出现问题，例如我们的基因发生了突变，那么相应的蛋白质也会发生突变。比如说一个蛋白质本身应该前往细胞核，但突变后无法到达，那么就会对细胞产生功能性影响。

问：基因突变是什么？

谷峰：关于基因突变的问题，实际上有两方面的作用。一方面，突变可能会让我们变得更好，例如突变后疟原虫就无法感染我们，或者说感染率很低，我们不要完全认为突变一定是坏的，突变后变得更聪明甚至也是有可能的。

另一方面，突变也可能会导致我们患上疾病。突变可能有正向作用，也可能有负向作用，就像疫苗一样。在制作疫苗的过程中，我们可能会降低微生物的毒性，制作更安全有效的疫苗。

对于人体而言，体内的突变是怎么来的，有几种不同的说法。第一，我们在精子和卵子生成的过程中产生的突变，因为在减数分裂过程中，基因组整体变化很大，减数分裂产生同源重组的时候很容易发生突变。

第二，主要是在生殖器中发生的突变。我们发现父母都没有突变，但他们的孩子却有突变。这种突变我们称之为“新生突变”。在“新生突变”中，父亲的影响因素很大。父亲年龄越大，孩子所带的突变就会越多，这个是父源的影响。同样地，母源也有一定的影响，比如说卵子生成过程中会发生减数分裂，在减数分裂的过程中容易发生相关的突变。

第三，一些外源因素。比如太空中的辐射和离子的辐射，以及一些药物、微生物，特别是病毒，它会整合到基因组中，最终导致相关的疾病。比如乙肝，乙肝最终导致肝癌的原因就在于破坏了我们的基因。

问：您能介绍下人类基因组计划吗？

谷峰：“人类基因组计划”顾名思义，就是测定人类基因组的碱基结构。比如测定基因的位置、基因的组成等。这项工作开始于90年代末期，是在克林顿担任美国总统期间完成的。

人类基因组大概由30亿个碱基组成，当时的资金投入是一个碱基一美元，也就是一共投入30亿美元，目的是希望弄清楚人类基因组问题。一旦我们了解的基因组问题，对后续疾病的诊断、治疗都会有非常重要的意义。

我们国家，杨焕明院士在当时参与了“人类基因组计划”，这项工作的意义非常重大。当然，这项计划一方面作出了贡献，另一方面，由于当时技术的限制，部分基因组碱基测定不是很清楚。这两年技术有了进步，科研人员把一些没有测清楚的序列又更新了。

“人类基因组计划”对我们整个生命学科非常重要。在这个过程中，我们不仅培养了一批人才，还提高了国际协作的能力，这对整个学科来说都是一个里程碑式的贡献。

问：人类基因组计划带来的影响

谷峰：“人类基因组计划”的历史贡献是非常大的，因为我们首先要认识事物，才能谈得上改造事物。所以读、写、改（基因）其实是一个统一的过程。如果基因都读不清楚，是没办法写和改（基因）的。“人类基因组计划”为整个学科提供了一个非常坚实的基础。

前几天，我与中科院生化细胞所李劲松院士一起聊科研工作的时候，他告诉我，他们实验室正在做一项研究，就是把小鼠的每一个基因都进行标签。这项工作是非常有意义的，可以做一个很好的工具使用。

这项计划实际上与“人类基因组计划”是有一些关联的，我们在利用小鼠做一些研究的时候，往往缺少相关的工具和遗传资源，这些都是“人类基因组计划”延伸下来的内容。

并不是说“人类基因组计划”结束了，基因组研究工作也就结束了。实际上，后续还有很多的工作需要衔接。因此，好的遗传资源、好的相关技术平台、成批的人才培养对整个生命学科来说，都是非常重要的。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

采访人：叶水送

受访人：谷峰

审核：陶宁 中科院生物物理所 副研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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