DNA元件百科全书 进化论【编撰“DNA百科全书”】
时间：2020-04-02 07:37:40 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
什么是基因？ 1909年，丹麦遗传学家威廉・约翰森（Wilhelm Johanssen）创造出了“基因”一词，用来描述一种可令子女遗传父母特质的机制。像他那个时代的其他生物学家一样，约翰森并不了解这个无形的因子是什么东西。 在接下来的60年里，科学家们将基因这个词从抽象概念变为了具体现实。他们把面包霉菌和细菌、果蝇和玉米等等都拿来当做实验对象，发现如何通过修饰细胞内的分子来改变花朵、眼睛及其他性状。他们还指出了DNA是一对相互缠绕的链。 到上世纪60年代，科学家对基因做出令人信服的定义。他们认为，基因是用以制造蛋白的DNA编码。为了从基因制造蛋白质，细胞不得不读取它，并建立一个单链副本――RNA外转录。接着，这个RNA就会被一簇用于建立蛋白质模板的核糖体分子抓住。 基因是遗传的基本单位。每次细胞分裂时，它就复制基因，然后父母将这些基因中的一些传递给他们的后代。如果你从母亲那里继承了红头发，或者继承了得乳腺癌的倾向，可能是因为你继承了那个帮助产生这些性状的基因。科学家们觉得基因的定义非常好，1968年分子生物学家贡特尔・斯腾特（Gunther Stent）还宣称，未来几代科学家的工作是解决其中的一些细节。 斯腾特和他同时代的科学家深知，这些细节是非常重要的。他们知道，当蛋白质固定到它附近的DNA时，基因能够关闭和开启；他们也知道，一些编码RNA分子的基因，永远不会变成蛋白质，它们有其他工作，比如建立核糖体内的蛋白质。 但是这些例外似乎不能引起科学家质疑他们关于基因的定义。美国耶鲁大学的生物信息学家马克・格斯坦（Mark Gerstein）说：“生物学的工作方式和数学不同，如果你发现一个数学上的反例，你需要重新思考定义。生物学不是这样，一两个反例出现时，人们才更愿意展开其研究。” 20世纪70～90年代，科学家们发现了越来越多的反例。大量非编码的DNA片段存在于蛋白质编码区域，人类基因组中2.1万个蛋白质编码基因只占了整个基因组的1.2%，那么，其余98.8%的基因是做什么的？ 1972年，日本遗传学家大野乾给这些不能编码蛋白质的DNA片段起了个名字，叫做“垃圾DNA”。而DNA的发现者弗朗西斯・克里克在1980年发表的论文中将这种DNA称为“终极寄生虫”。人们还对垃圾DNA的来源提出了多种解释，比如有一部分来自逆转录病毒，它们侵袭宿主细胞时，会把自身的RNA转换成DNA，插入基因组中，并跳来跳去大量复制，在进化历程中，有许多逆转录病毒DNA留在了人类基因组里，成为垃圾。 但是随着时间的推移，越来越多的科学家认识到，这些垃圾DNA并非垃圾，它们担负着自身的使命。或许，就连基因的定义也需要改一下？ “基因决定论”遭挑战 遗传代码以字符形式表示，不同的字母都代表着一种称为碱基的不同分子：G（鸟嘌呤），A（腺嘌呤），T（胸腺嘧啶），C（胞嘧啶）。自从人类基因组草图绘制完成，我们知道人类有23对染色体、30亿个碱基对，也就是说人类基因组序列中的30亿个字母都已被拼写出来，下一个目标就是定位或识别其中有意义的部分，包括确定哪些DNA编码蛋白，哪些不编码蛋白，以及查明调节基因表达的元件。 为了弄清这些问题，2003年9月美国国立人类基因研究所启动了一个被称为“DNA元素百科全书”（简称ENCODE）的计划，成员来自11个国家80家科研机构的35个研究小组。世界上第一部百科全书诞生在18世纪的法国，共有28卷，含7万多词条和近3000幅插图。当时编撰百科全书的著名法国学者狄德罗等人希望，这部书不仅要涵盖人类知识的全部，而且要以此来启蒙人类的思想向新文明迈进。ENCODE计划的项目介绍也写出，此计划不仅要提供有关人类基因组知识的“百科全书”，而且要以此促进人类彻底和完整地认识自身和生命的复杂性。 2007年，该团队在《自然》等学术刊物发表了几十篇相关论文，报道了他们的第一批研究成果。他们建立了一个目录，详细描述了1％人类基因组中的功能元件。美国国立人类基因研究所主任弗朗西斯・柯林斯表示：“这是人类生物学上的一个里程碑。” ENCODE的研究结果显示，基因组以另一种方式被组织起来，这种方式给人们提出了一个问题：重要的基因是怎样遗传的？ 越来越多的证据在向“基因决定论”挑战。比如，从遗传学角度来看，同卵双生的孪生子具有完全相同的基因组。如果这两个孪生子在同样的环境下成长，从逻辑上说，他们俩人的气质和体质应该非常相似，但实际情况是，一些孪生子往往在长大成人后出现性格、健康方面的很大差异，这种反常现象长期困扰着遗传学家。 为了理解这个问题，需要了解一下基因活性是如何被调控的。一个基因可以指导生成某一特定的蛋白质，蛋白质执行着细胞内大部分的功能，从而操控细胞的行为。DNA缠绕在一簇叫做组蛋白的蛋白质上，就像缠绕在轴上的线，然后再进一步缠绕成染色体。包装比较紧密的情况下，基因往往维持非活化状态，因为那些能让基因活化的分子此时很难靠近。如果需要一个基因工作时，它所在的那段DNA区域就会略微展开，使得将一些可以对它进行转录的分子能够靠近。而染色体是松散的还是高度压缩的，都会受到一些添加在组蛋白或者DNA上的化学标签影响，这些被称为表观遗传标记。“这些标记不改变基因的顺序，但是可以改变基因的行为。最有名的表观遗传学标记是DNA甲基化，这是一种碳氢元素组成的基团，它可以通过收紧染色质让基因无法被阅读，由此保持基因活性。”哈佛大学的布拉德利・伯恩斯坦（Bradley Bernstein）在接受采访中告诉本刊记者，“它们能帮助细胞记住哪些基因要保留，哪些基因从来不被打开。” 有一个很好的例子是柳穿鱼。这是一种普通花卉，大多是对称的白色花瓣，有一些却长成黄色五角星。1741年植物分类学鼻祖林奈的一个学生从瑞典乌普萨拉带回了一株植物样品送给他，这植物在外观、特殊气味及花、种子的特殊颜色上乍一看和普通的柳穿鱼完全相同，可花的末端却是五角星。林奈得出的结论是：“这种新植物由本身种子繁殖，因而是一个新物种，并不是一开始就有的。”他还花了两年时间写文章论述以柳穿鱼为代表的反常对称现象――Peloria（反常整齐花），就是希腊语中的“大怪物”。后来，他决定不再理会这讨厌的“物种”，甚至在他的《植物种志》中也没有提到它。这个困了大师很久的问题直到百年后才揭晓答案，这两种花是同一种植物，样子不同并不是因为它们的基因有差异，而是因为DNA甲基化模式让一些基因“闭嘴”，这个基因活跃的时候花就是左右对称的，如果它沉默，花朵就变成轴对称。 这样的例子在植物中很多，在动物中也被发现不少，甚至可以帮助了解癌症起源。长久以来，人们了解到，当DNA发生变异时细胞很容易发生癌变。最近的一些研究表明，当表观遗传标记被干扰时，细胞也会更容易发生癌变，因为那些至关重要的基因被关闭了，而那些应当被关闭的基因却被打开了。使这两种变化变得尤为危险的是，它们还能通过细胞传递给后代。 2005年，华盛顿大学的马修・艾姆威和他的同事发现，将怀孕大鼠暴露在可杀死真菌的化学品稀菌酮中，这些大鼠变得不那么多产，而且得癌症和肾脏缺陷的危险更大。这些效果不仅遗传给了后代，还在接下来的三代内通过父亲传递给儿子。研究人员发现，这一过程DNA并没有改变，只有精子的DNA甲基化模式发生了变化。2007年，艾姆威和他的同事记录到了更为令人惊讶的化学影响：在子宫内曾暴露于化学品环境的雌鼠会避免与那些曾暴露于化学品环境的雄鼠进行交配，这种偏好将持续至少三代。 当这些试验的结果被一一揭开时，科学家开始意识到贯穿于发育和成长期的与外界环境的接触，以及不同的经历体验可以改变基因的活性，使生命呈现不同的特质。除此之外，ENCODE项目还研究了不死的假基因、基因中的不速之客等深奥的问题。2011年，他们发布了“小鼠基因百科全书”第一批数据，作为人类DNA百科全书项目的补充研究。伯恩斯坦告诉本刊记者：“这个项目将是一个持续多年的项目，2012年，我们将会公布更多的进展。”
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