基因編輯誕生前奏——DNA，始終是一個熱門方向

【資料圖】

導(dǎo)讀：

古今中外，圍繞著遺傳的問題有很多探討。從林奈、拉馬克、達爾文，再到孟德爾，以及后面的沃森、克里克等，最終科學家找到了生命的遺傳秘密：它就潛藏在基因里。

本期視頻我們主要介紹“基因是什么”、“基因突變有哪些影響”。我們訪談的嘉賓是湖南師范大學醫(yī)學院教授、“瀟湘學者”谷峰教授。

谷峰（湖南師范大學醫(yī)學院教授、“瀟湘學者”） |嘉賓

林奈、拉馬克和達爾文

問：基因與遺傳的關(guān)系是怎樣的？

谷峰：“基因與遺傳的關(guān)系”問題是遺傳學的一個基礎(chǔ)科學問題。比如身高是遺傳的，父母身高很高，那對應(yīng)孩子的身高也會很高。所以，這也是為什么北歐人群普遍比亞洲人個子高，從遺傳學來說是有基礎(chǔ)的。

我們身體里面的任何性狀，包括口腔里的牙齒、單眼皮雙眼皮、皮膚，都是跟我們父母的基因息息相關(guān)的。具有代表性的工作就是孟德爾的豌豆雜交實驗，把豌豆做雜交，我們可以發(fā)現(xiàn)性狀是有遺傳學規(guī)律在其中的。

再往后就是摩爾根的果蠅雜交實驗。摩爾根做了一些遺傳學研究，這些工作通過形態(tài)觀察，為遺傳學基因的進一步發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

摩爾根和果蠅實驗

當然，最后鎖定“基因是什么”的科學家就是沃森和克里克。他們從DNA的角度詮釋了DNA到底是什么，他們兩個人解釋了雙螺旋結(jié)構(gòu)、堿基配對，這些工作為我們后期基因操作奠定了堅實的基礎(chǔ)，所以這是我們目前從基因水平認識DNA。接下來讓我們聊一下RNA，新冠病毒是RNA，作為遺傳物質(zhì)，它可以不斷地復(fù)制，不斷地傳遞到下一代。當然病毒這種生命體跟我們常規(guī)的生命體，比如說大腸桿菌、國寶熊貓、水稻之類的是不一樣的。

簡而言之，基因從原始發(fā)現(xiàn)到最終確定下來有幾個比較重要的事件，這些事件對于我們推動基因編輯是非常重要的。

問：基因的結(jié)構(gòu)組成是怎樣的？

谷峰：基因包括幾個組成部分：

首先，基因一般有一個啟動子驅(qū)動基因的轉(zhuǎn)錄；第二，基因中包含了外顯子和內(nèi)含子。對于真核細胞的基因組而言，它既包含內(nèi)含子，又包含外顯子。內(nèi)含子將相鄰的外顯子隔開，一個基因就可以轉(zhuǎn)錄成多種不同的轉(zhuǎn)錄本，實現(xiàn)基因特異性的調(diào)控；第三，除了剛剛提到的內(nèi)含子、外顯子和啟動子之外，在基因的3’端還有polyA結(jié)構(gòu)，這意味著轉(zhuǎn)錄到了某一個位置需要停止下來。這幾個部分是構(gòu)成基因的最基本的部分。

對于人類的基因來說，它主要由四種堿基組成：ATGC。如果它被轉(zhuǎn)錄成RNA，那么T會變成U，所以對RNA而言就是AUGC。這就是DNA跟RNA的區(qū)別。

另外，我們在提到基因通常還會提到基因的5’端非翻譯區(qū)和3’端非翻譯區(qū)，分別叫作5’端UTR和3’端UTR，對于基因來說這是調(diào)控的元件，可以在不同轉(zhuǎn)錄起始位點轉(zhuǎn)錄，通過UTR結(jié)合一定的因子來調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的活性，這是基因調(diào)控的一個重要機制。

問：基因是如何傳遞遺傳信息的？

谷峰：在細胞核中，首先說染色體，基因位于某一個染色體上的某一區(qū)段?；驎S著細胞更新而進行復(fù)制，這涉及到DNA復(fù)制的問題，從母代細胞復(fù)制變成子代細胞也有相應(yīng)的過程，這個過程叫有絲分裂。

然后，就是基因如何作用于我們體內(nèi)蛋白質(zhì)的過程。這個過程包括，將基因通過RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄成RNA，之后RNA需要從細胞核中轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)中，這涉及到相關(guān)的堿基配對，轉(zhuǎn)錄完RNA之后，它需要變成成熟的RNA。成熟的RNA要從細胞核轉(zhuǎn)運到細胞質(zhì)中，最終在細胞質(zhì)中利用核酸進行翻譯。翻譯完畢后，蛋白質(zhì)會前往細胞核，如果需要去線粒體，它就會有線粒體定位信號，使其前往線粒體；如果需要留在細胞質(zhì)中，它就會定位在細胞質(zhì)中。

當然，這里可能還涉及到蛋白質(zhì)的修飾，不同的蛋白質(zhì)修飾可以調(diào)控蛋白質(zhì)的活性。例如，蛋白質(zhì)本身是一種酶，我們可以通過磷酸化、乙?；炔煌男揎梺碚{(diào)控蛋白質(zhì)的活性。

有生成的蛋白，自然會有降解的蛋白。如果我們不想要某個特定的蛋白質(zhì)，我們可以通過泛素化將蛋白質(zhì)分解掉。最終，這會是一個動態(tài)的過程。

如果這個動態(tài)過程出現(xiàn)問題，例如我們的基因發(fā)生了突變，那么相應(yīng)的蛋白質(zhì)也會發(fā)生突變。比如說一個蛋白質(zhì)本身應(yīng)該前往細胞核，但突變后無法到達，那么就會對細胞產(chǎn)生功能性影響。

問：基因突變是什么？

谷峰：關(guān)于基因突變的問題，實際上有兩方面的作用。一方面，突變可能會讓我們變得更好，例如突變后瘧原蟲就無法感染我們，或者說感染率很低，我們不要完全認為突變一定是壞的，突變后變得更聰明甚至也是有可能的。

另一方面，突變也可能會導(dǎo)致我們患上疾病。突變可能有正向作用，也可能有負向作用，就像疫苗一樣。在制作疫苗的過程中，我們可能會降低微生物的毒性，制作更安全有效的疫苗。

對于人體而言，體內(nèi)的突變是怎么來的，有幾種不同的說法。第一，我們在精子和卵子生成的過程中產(chǎn)生的突變，因為在減數(shù)分裂過程中，基因組整體變化很大，減數(shù)分裂產(chǎn)生同源重組的時候很容易發(fā)生突變。

第二，主要是在生殖器中發(fā)生的突變。我們發(fā)現(xiàn)父母都沒有突變，但他們的孩子卻有突變。這種突變我們稱之為“新生突變”。在“新生突變”中，父親的影響因素很大。父親年齡越大，孩子所帶的突變就會越多，這個是父源的影響。同樣地，母源也有一定的影響，比如說卵子生成過程中會發(fā)生減數(shù)分裂，在減數(shù)分裂的過程中容易發(fā)生相關(guān)的突變。

第三，一些外源因素。比如太空中的輻射和離子的輻射，以及一些藥物、微生物，特別是病毒，它會整合到基因組中，最終導(dǎo)致相關(guān)的疾病。比如乙肝，乙肝最終導(dǎo)致肝癌的原因就在于破壞了我們的基因。

問：您能介紹下人類基因組計劃嗎？

谷峰：“人類基因組計劃”顧名思義，就是測定人類基因組的堿基結(jié)構(gòu)。比如測定基因的位置、基因的組成等。這項工作開始于90年代末期，是在克林頓擔任美國總統(tǒng)期間完成的。

人類基因組大概由30億個堿基組成，當時的資金投入是一個堿基一美元，也就是一共投入30億美元，目的是希望弄清楚人類基因組問題。一旦我們了解的基因組問題，對后續(xù)疾病的診斷、治療都會有非常重要的意義。

我們國家，楊煥明院士在當時參與了“人類基因組計劃”，這項工作的意義非常重大。當然，這項計劃一方面作出了貢獻，另一方面，由于當時技術(shù)的限制，部分基因組堿基測定不是很清楚。這兩年技術(shù)有了進步，科研人員把一些沒有測清楚的序列又更新了。

“人類基因組計劃”對我們整個生命學科非常重要。在這個過程中，我們不僅培養(yǎng)了一批人才，還提高了國際協(xié)作的能力，這對整個學科來說都是一個里程碑式的貢獻。

問：人類基因組計劃帶來的影響

谷峰：“人類基因組計劃”的歷史貢獻是非常大的，因為我們首先要認識事物，才能談得上改造事物。所以讀、寫、改（基因）其實是一個統(tǒng)一的過程。如果基因都讀不清楚，是沒辦法寫和改（基因）的。“人類基因組計劃”為整個學科提供了一個非常堅實的基礎(chǔ)。

前幾天，我與中科院生化細胞所李勁松院士一起聊科研工作的時候，他告訴我，他們實驗室正在做一項研究，就是把小鼠的每一個基因都進行標簽。這項工作是非常有意義的，可以做一個很好的工具使用。

這項計劃實際上與“人類基因組計劃”是有一些關(guān)聯(lián)的，我們在利用小鼠做一些研究的時候，往往缺少相關(guān)的工具和遺傳資源，這些都是“人類基因組計劃”延伸下來的內(nèi)容。

并不是說“人類基因組計劃”結(jié)束了，基因組研究工作也就結(jié)束了。實際上，后續(xù)還有很多的工作需要銜接。因此，好的遺傳資源、好的相關(guān)技術(shù)平臺、成批的人才培養(yǎng)對整個生命學科來說，都是非常重要的。

本文為科普中國·星空計劃扶持作品

采訪人：葉水送

受訪人：谷峰

審核：陶寧 中科院生物物理所 副研究員

出品：中國科協(xié)科普部

標簽：