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编撰“DNA百科全书”

2012-02-07 13:49 作者:曹玲来源:三联生活周刊 2012年第4期
2012年1月3日,著名学术期刊《自然》杂志介绍了几项2012年科技领域的主要看点,其中有一个名为“DNA元素百科全书”的项目非常值得关注。此项目的宗旨是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复杂性。

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?

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