Chapter 1
基因，这么讲我就懂了

提到基因，我们自然会想到核酸、DNA等概念，其实这三者的物质基础十分相近，就像水、水蒸气和冰的关系，它们本质上都是由同样的要素构成，只是在不同学科或领域的叫法不同。

什么是基因？

DNA属于核酸的一种，核酸可以分为脱氧核糖核酸和核糖核酸。DNA是脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid）的英文缩写，携带着遗传信息。而RNA是核糖核酸（Ribonucleic Acid）的英文缩写，在体内主要引导蛋白质的合成。A、T、C、G四种碱基构成DNA螺旋结构，符合右手螺旋法则。这种螺旋结构在我们生活中也十分常见，比如旋转楼梯。这样的结构保证了能量最低、长久且持续的稳定性。而RNA则是单链结构，缺乏稳定性，例如RNA病毒，相对更容易发生变异。

我们每个人的基因组大小约3Gb，即意味着由30亿个碱基对构成，用扑克牌来比喻比较好理解。A、T、C、G四种碱基对应扑克牌的四种花色，且A只能匹配T，C只能匹配G，这四种花色两两配对形成30亿个碱基对，这30亿对碱基在我们的生殖细胞（精子或卵子）里被分成了23摞，每一摞就相当于一条染色体，这些染色体就是遗传信息的载体。正常人体细胞的染色体共有23对，46条，一半来自父亲，一半来自母亲；其中有22对常染色体，1对性染色体，性染色体是XY即为男性，XX即为女性。

人类染色体核型分析

人类的遗传物质从染色体层面上讲，可以叫作染色体组，“组”的意思就是所有染色体在一起。但如今的研究能力使得科学家们更多地从基因层面上进行分析，称其为“基因组”，即把所有的基因一起研究，因而这个研究的分辨率和精细度就大大提升了。这些染色体、基因都是由DNA构成的，基因就代表其中一段有意义的序列，此外还有一些调控序列，调控序列是控制基因表达的DNA片段。

结构决定功能。碱基配对、DNA双螺旋结构这些精妙的结构都来自亿万年的生命演化。而碱基在关键位置细微的不同就会出现基因突变，进而导致表现出的性状发生变化。每个人在出生时，就好比是抓了一手扑克牌，但请注意我们要按照生命的规则出牌，并不是随便怎么出都是有意义的，比如“10、J、Q、K、A”这是一连串的顺子，都出完就打赢了。但是如果发生了基因突变，手里的牌变成了“9、10、Q、K、A”，这就不是顺子了，很可能就会造成出生缺陷、恶性肿瘤，或者罹患各种传染疾病、感染疾病。

因此，整体来讲，基因即“基本的因素”，构成了我们生命活动最基本的语言，代表了我们生命密码的物质基础，携带着我们生命世世代代得以保留的信息。

一个人大约有40万亿～60万亿个细胞，除生殖细胞外，每个细胞携带的基因组都是相同的。那么问题来了，既然同一个人的每个细胞中都有遗传物质，为什么有些组成手、有些组成腿、有些组成内脏了？

这是因为，即使每个细胞携带所有相同的遗传信息，单个细胞在同一时空内也只会表达其中一部分基因。DNA提供的是一种可能性——在转化成RNA、蛋白质、代谢物的过程中差异很大——在转化过程中，逐步分化出不同的细胞，进而构建成不同的组织、器官、系统和人体，这就是从一个受精卵变成一个婴儿（大约万亿个细胞）的过程。此外，想想同卵双胞胎，他们的基因是几乎一致的，但随着年龄的增长，差异会越来越大。所以不能说，有好基因就一定能表达出好基因的性状，每个人都是基因和环境相互作用所决定的。

基因的发现

我们常说“21世纪是生命科学的世纪”，而最近20年生命科学的快速发展也需要我们回望这一路走来的艰辛——和所有的科学发现一样，基因的发现是一个漫长而曲折的过程。

首先我们要知道，当今人类已知的真理是“有限真理”或“有效真理”——科学的不断进步与发现随时可能颠覆我们的认知。正如1953年詹姆斯·杜威·沃森（James Dewey Watson）和弗朗西斯·哈利·康普顿·克里克（Francis Harry Compton Crick）发表DNA分子结构之前，再聪明的人也不知道DNA结构是什么，只有在文章发表之后，人们才逐渐了解DNA双螺旋结构，生命科学研究才进入到分子层面。

科学史上有太多这样的故事，因为一年的时间或一个人的发现，就解决了一个大问题，并将人类认知向前推进了一大步。

我们可以从两本著作说起，一本是1543年出版的《人体结构》，一本是1859年出版的《物种起源》。

让我们将目光放到欧洲。罗马时期的名医克劳迪亚斯·盖伦（Claudius Galenus）从动物和植物入手解剖，极大推动了解剖学的发展。那时，人体解剖被列为禁忌，整整封印了1200多年。而在黑死病之后，严苛的教条瓦解，文艺复兴让艺术与科学氛围更加宽容。1543年，比利时医生安德烈·维萨里（Andreas Vesalius）出版了《人体结构》这一巨作，纠正了盖伦时期的很多偏差，建立了近代人体解剖学理论。

1543年是奇迹的一年。那一年，哥白尼发表了“日心说”；那一年，德川家康出生，后来他统一了日本；那一年，西班牙探险家以西班牙亲王菲利普的名字给菲律宾命名；那一年，是中国明朝嘉靖二十二年……一年之间发生了很多事情，而在生命科学领域，《人体结构》让人类开始从生物角度更加了解自己。

随后，血液循环学说的提出、显微镜的发明、显微图谱的绘制、细胞学说的创立等都在为遗传物质的发现积蓄力量。直到1859年，达尔文发表《物种起源》，提出人类起源于古猿的可能，把“神创论”放到了尴尬的位置，才将生命起源推回到科学的正轨中去。达尔文从现象规律给出的生命起源的更合理推测，核心上是在哲学观角度否定了“神创”，这也正是达尔文的伟大之处。

1865年，格雷戈尔·约翰·孟德尔（Gregor Johann Mendel）通过豌豆实验建立了遗传法则。我认为孟德尔是十分幸运的，因为假如选择其他物种来做实验，其结果可能会截然不同。他的文章在最初发表时并未引起大的反响，1900年前后，有科学家重新做了类似实验，并引用了孟德尔的文章，生物学界由此才发现了豌豆实验的重要价值。

在这期间，年轻的瑞士医生弗雷德里希·米歇尔（Friedrich Miescher）发现了核酸是遗传信息的载体。大约1868年至1873年间，米歇尔生活的地区时常发生战乱，他得以从收集的绷带上观察白细胞。他发现，这些细胞的细胞核内有一种酸性物质，他称之为“核素”（nuclein，现称核酸），这种物质在细胞中广泛存在，细胞分裂前它的含量会显著增加。这里要说明，血细胞中成熟的红细胞没有细胞核和线粒体，所以也就没有DNA。然而，经过一番研究后，米歇尔认为不同生物的核素化学性质十分接近，这显然无法解释生物的多样性，或许核素并不是遗传物质。因此当时主流观点仍坚持认为生命的基本物质是蛋白质，遗传物质可能存在于蛋白质中。

大约1909年，丹麦遗传学家威廉·约翰森（Wilhelm Johannsen）赐予了遗传物质“gene”这样一个绝世好名字，并由中国遗传学先驱潘光旦、谈家桢、卢惠霖等将其汉语译名推广为“基因”。在考证“基因”一词的由来时，我们有一个有趣的发现：大量的史料证明，gene一词中译成“基因”大体是1930年由潘光旦首创；但gene一词作为遗传学词语引入中文，应是在更早的1923年。彼时，冯肇传将之译为“因子”，陈桢将之译为“因基”。20世纪30年代，gene在很多书中被翻译成了“因基”，解释为“物质的基本因子”，即便多次改版、再印，使用的都是“因基”这一中译词。有据可考的是，1936年，谈家桢先生首次谈及于此，他在《国立武汉大学理科季刊》刊发的《遗传“因基”学说之发展》一文，用的就是“因基”一词。但20世纪50年代之后，风向似乎发生了转变。不难看到，在那时的生物学相关教科书中，都普遍开始使用“基因”一词了，如谈家桢先生于1955年出版的首部著作《生物学引论》，用的就是“基因”这个词。因而，我们推测gene的中译词出现了演变，并排除“因基”是印刷错误的可能。毕竟，“基因”这一中译，无论是在音译还是意译方面，都更为契合，因而得以逐渐取代“因基”，成为主流的中译词。至于我们对gene的解构剖析，究竟是因基——“因子的物质基本”，还是基因——“基本的因子”，的确是一个很有意思的话题，值得我们进一步理解与思考。

1910年，美国生物学家托马斯·亨特·摩尔根（Thomas Hunt Morgan）及其夫人通过果蝇实验创立了染色体遗传理论，发现了染色体遗传机制。如果说孟德尔通过植物实验建立了宏观遗传法则，那么摩尔根则更多地侧重于动物实验，并由此推动了细胞遗传学发展。在这里不得不说，很多生物为人类遗传学研究作出过重要贡献，包括但不限于拟南芥、水稻、线虫、果蝇、斑马鱼、小鼠、大鼠、家兔、恒河猴、食蟹猴、黑猩猩等。这里值得一提的是，在1931年德国科学家恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）发明电子显微镜之前，因为可见光衍射极限的原因，人们只能看到细胞、细菌、细胞器或染色体，而更小的病毒、蛋白质、基因在当时还无法通过光学显微镜看到，人们只能通过观察细胞和染色体去进一步研究遗传学。基因到底是什么？人们仍旧为之着迷。

直到1944年，奥斯瓦德·西奥多·艾弗里（Oswald Theodore Avery）进行的肺炎双球菌体外转化实验，使“DNA是遗传物质”这一事实无可辩驳。他的发现开启了分子遗传学的大门。但是对于DNA的结构，人们还不甚了解。

到了1953年，沃森和克里克先于当时的权威莱纳斯·鲍林（Linus Pauling），确认了DNA的正确结构——双螺旋而非三螺旋，使遗传学的研究深入到分子层次，分子生物学时代由此正式开启。其中作出重要贡献的其实还有英国女科学家罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）。

富兰克林在伦敦国王学院就职时，将X射线技术应用于DNA的结构研究，成功拍摄了DNA晶体的X射线衍射照片，而这张照片正是后来沃森和克里克得以发现DNA结构的关键所在。作为合作伙伴的莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins）在富兰克林不知情的情况下，将这张照片展示给在剑桥大学做DNA结构研究的沃森和克里克，他们很快领悟到——DNA结构是两条以磷酸为骨架的链相互缠绕形成的双螺旋结构，由氢键将之连在一起。这一发现发表于1953年的《自然》（Nature）杂志上，他们与威尔金斯也因此获得了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。在此过程中，富兰克林并未追究自己的照片被“盗用”，反而为这一发现而高兴，并在《自然》杂志上发表了一篇证明DNA双螺旋结构的论文。不幸的是，1958年，富兰克林因卵巢癌过早离世，未等到颁发诺奖的那天。不得不说，遗憾虽永远无法弥补，但这位了不起的女性科学家那纯粹的科研精神却让人感动。同时，女性科学家在研究道路上所受到的困难与阻碍，也实在是值得人们反省、沉思。

另外值得一提的是，1955年，华裔科学家蒋有兴不畏权威，将人类染色体数目由48条更正为46条，从而结束了持续32年的错误理论。在蒋有兴提出23对（46条）染色体时，“人类有48条染色体”的共识已经存在长达数十年之久。他的发现最初并不被科学界所认可，直到十几年后欧洲科学家受蒋有兴启发数出了46条染色体后才慢慢被大家接受。在此，我们要反思的，一是在科研中华裔科学家要进一步争取平等和尊重；二是科学必须可被证伪，要允许有人挑战权威，唯有如此科学才能不断进步。

基因后来的故事已被大家所熟知：1958年，克里克提出的“中心法则”（Central dogma），为遗传密码解读作出重要贡献。“中心法则”是指遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质，即完成遗传信息的转录和翻译过程；也可以从DNA传递给DNA，即完成DNA的复制过程。我们可以简单地描述遗传信息的传递流程：DNA造出了RNA，RNA制造了蛋白质，而蛋白质会配合前两者的传递，并协助DNA进行复制。时至今日，随着越来越多包括“朊病毒”之类的“例外”的挑战，使得该法则时不时就要补充阐述，但其依然是生物学本不多的基本法则之一。

至此，人们已经基本了解了遗传物质的结构与机制，后来的基因测序、基因编辑、基因合成等技术都得力于这漫长而曲折的基因发现历程。站在巨人的肩膀上，我们迎来了21世纪——生命科学的世纪，这一段故事我们将在基因技术部分来进行讲述。