什么是基因？
? ? ? ? 古時(shí)候，民間有“龍生九子，不成龍，各有所好”的說法，一般是用來比喻同胞兄弟品質(zhì)、愛好各不相同。實(shí)際上，這句諺語背后所體現(xiàn)的，正是基因起著關(guān)鍵性作用?；颍刂浦w的基本構(gòu)造和功能運(yùn)行，儲(chǔ)存著很多遺傳的信息，包括血型、身高、長相、繁育、疾病和衰老等。從基因早期概念的提出，到最終明確基因的結(jié)構(gòu)和功能，中間經(jīng)歷了漫長的歲月，無數(shù)科學(xué)家在這中間薪傳相隨，才有了現(xiàn)在我們能在一定程度上揭開遺傳它的神秘面紗。
? ? ? ? ?要說基因的源頭，還是得從達(dá)爾文說起。
? ? ? ? ?很多人都知道達(dá)爾文，他在1858年提出進(jìn)化論，第二年出版《物種起源》，幾年后又提出了遺傳假說“泛生假設(shè)”。這個(gè)假說可以看成是一種錯(cuò)誤的對(duì)基因的理解，該學(xué)說認(rèn)為，生物體各部分的細(xì)胞，都帶有特定的可以自身繁殖的粒子，稱為“微芽”或“泛子”，這種粒子傳遞給子代，使它們呈現(xiàn)親代的特征，而環(huán)境的改變可使“微芽”或“泛子”的性質(zhì)發(fā)生變化，再通過特別的繁殖方式，傳給子代。但“微芽”或“泛子”的存在，未得到科學(xué)上的證明，他所假想的微芽，與后來的基因也相去甚遠(yuǎn)，被后來的遺傳學(xué)所否定，達(dá)爾文因此沒能成為遺傳學(xué)奠基者。
遺傳學(xué)說的奠基者：孟德爾
? ? ? ? 孟德爾是個(gè)孤獨(dú)的天才，在當(dāng)時(shí)的科學(xué)界始終未得到承認(rèn)，他甚至把寫好的論文寄給了生物領(lǐng)域的學(xué)術(shù)權(quán)威達(dá)爾文，但是在達(dá)爾文去世后，人們整理他的書庫時(shí)發(fā)現(xiàn)，孟德爾的那篇論文，還沒有拆封，安靜的躺在角落，甚至上面已經(jīng)落了灰塵，這說明當(dāng)初達(dá)爾文根本沒看這篇論文，究竟是什么原因已經(jīng)不得而知。孟德爾當(dāng)時(shí)的工作，即便是同領(lǐng)域里的一些大?？茖W(xué)家，也不能理解。
? ? ? ? 孟德爾的出生地現(xiàn)在是捷克境內(nèi)，當(dāng)時(shí)屬于奧匈帝國。他的父親是個(gè)農(nóng)民，命運(yùn)似乎注定了孟德爾終其一生都與種植分不開，他熱愛生物學(xué)，即便是做了修道士，每年在修道院里也會(huì)種豌豆。只不過，他種豌豆卻是為了可續(xù)，觀察豌豆的各種性狀：植株是高的、還是矮的，種子是圓的、還是皺的……期間經(jīng)歷了八年，始終樂此不疲，終于發(fā)現(xiàn)了遺傳規(guī)律，并提出因子學(xué)說：細(xì)胞里的因子控制豌豆的性狀。這比達(dá)爾文的泛生假設(shè)還早2年，可是卻未引起任何反響。
? ? ? ? 他的這個(gè)理論，大多數(shù)讀過高中的人都知道，看似簡單，實(shí)際上即便是數(shù)學(xué)很好的人，也很難從一堆數(shù)字中，輕易發(fā)現(xiàn)被上帝隱藏起來的遺傳規(guī)律。直到2007年，還有人認(rèn)為孟德爾當(dāng)年的豌豆數(shù)據(jù)做了假，有人懷疑他的數(shù)據(jù)過于完美，是一種偽造的統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)。可是要知道，那時(shí)候還沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)這門學(xué)科，如果孟德爾利用了統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)篡改，只能證明，他不但是個(gè)生物學(xué)領(lǐng)域的奇才，更是一個(gè)數(shù)學(xué)方面的天才。孟德爾不是因?yàn)槔娑鲅芯?，他是一個(gè)純粹的科學(xué)家，死后卻在相當(dāng)長的一段時(shí)間里，仍被人懷疑數(shù)據(jù)造假，這是不公正的，好在百年后的今天，多數(shù)人相信他是位偉大的科學(xué)家。
? ? ? ? 為什么說孟德爾天才？
? ? ? ? 很多科普作者都有過相似的總結(jié)，這是大家較為一致的結(jié)論。以前的遺傳性狀研究者，在比較親代與子代的異同時(shí)，是把親代與子代分開來看待，他們認(rèn)為親代與子代都是單一的個(gè)體，不存在關(guān)聯(lián)。但孟德爾在做豌豆的實(shí)驗(yàn)時(shí)，思維上就已經(jīng)和前人不同，他認(rèn)為子代必須看成是一個(gè)群體，每一個(gè)小豌豆都有它們的價(jià)值，是獨(dú)一無二的，個(gè)體變異正是遺傳的表現(xiàn)，所以每一個(gè)小豌豆都值得觀測研究，不但觀測性狀，還仔細(xì)的數(shù)每一粒豌豆種子，最終是這份堅(jiān)持，帶來了偉大的發(fā)現(xiàn)。感興趣的讀者，可以閱讀《花園里的修道士》（The Monk in the Garden：The Lost and Found Genius of Gregor Mendel），作者：Robin Marantz Henig。
? ? ? ? 在孟德爾死了的18年后，他的論文終于重新被其他的科學(xué)家翻出來，發(fā)現(xiàn)其背后的價(jià)值。1909年，丹麥遺傳學(xué)家約翰森，創(chuàng)造了gene一詞，這個(gè)單詞的寫法與拉丁語、希臘語里的血統(tǒng)、氏族、種族相近，因此被廣泛接受。gene作為遺傳學(xué)的核心名詞，漸漸取代孟德爾的因子。后來，中國有個(gè)留學(xué)生叫談家楨，被稱為中國遺傳學(xué)之父，在國內(nèi)很多大學(xué)任教過，期間他給國內(nèi)的刊物寫科普文章時(shí)，第一次將gene音譯為基因。
? ? ? ? 不過，真正證實(shí)基因存在的科學(xué)家，卻不是約翰遜，而是美國進(jìn)化生物學(xué)家摩爾根，他發(fā)現(xiàn)基因存在于染色體上。染色體的名字正如它的字面意思：當(dāng)時(shí)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在給細(xì)胞染色后，通過顯微鏡觀測到，有一個(gè)個(gè)長短不一樣的棒狀物，于是給這些東西起了名字，叫染色體。摩爾根在前人的理論基礎(chǔ)上，最終通過果蠅實(shí)驗(yàn)證實(shí)了基因的存在于染色體上。
? ? ? ? 那么，為什么摩爾根會(huì)選擇果蠅來做實(shí)驗(yàn)？因?yàn)楣墏€(gè)體小，繁殖快，這樣有利于實(shí)驗(yàn)的觀測，縮短周期。更關(guān)鍵的原因，果蠅這個(gè)小生物身上只有四對(duì)染色體，基因數(shù)目也不多，差不多就100多個(gè)基因，這種客觀的事實(shí)，給他的研究帶來了巨大的成功。以致后來有人說，果蠅是上帝專門為摩爾根創(chuàng)造的。
? ? ? ? 1911年，摩爾根根據(jù)他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了“染色體遺傳理論”，1928年，出版《基因論》一書，1933年，獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，可見他的偉大成績。因?yàn)槊系聽柡湍柛目茖W(xué)貢獻(xiàn)，遺傳學(xué)也被稱為孟德爾—摩爾根遺傳學(xué)。
? ? ? ? 再到后來，又經(jīng)過一大批科學(xué)家、幾代人的努力，才終于知道了基因到底是什么。實(shí)際上，大家熟知的DNA并不是基因，簡單來說，DNA中那部分有明確功能的序列，才叫基因。
DNA并不是基因
? ? ? ? 很多沒有進(jìn)行過系統(tǒng)生物學(xué)學(xué)習(xí)的朋友，會(huì)以為DNA就是基因，但實(shí)際上并不是，這里首先需要弄清楚：細(xì)胞、染色體、DNA、基因之間的關(guān)系，它們實(shí)際上是一種包含關(guān)系，我們來慢慢理清楚。
? ? ? ? 身體上的組織或器官，比如：心臟、大腦、眼睛、鼻子、手、腳等等，其實(shí)是由無數(shù)個(gè)體細(xì)胞組成的，在每一個(gè)體細(xì)胞里，都有46條染色體，而每一條染色體上，都有一段段的遺傳信息序列，叫做DNA，它們高度螺旋化之后，和其他的一些化學(xué)物質(zhì)共同形成了染色體，而DNA中間的某些部分，才被稱為基因。
? ? ? ? 從這個(gè)圖中，我猜讀者應(yīng)該已經(jīng)清楚一個(gè)事實(shí)：基因只是DNA的一個(gè)個(gè)片段，它們的結(jié)構(gòu)相同，都是由四種堿基組成，簡寫成A、T、C、G，按照一定的順序排列起來，形成一段段特殊序列，而每一段序列就代表著一種遺傳信息（序列長短不同，代表的功能不同，傳遞的信息不同）。
? ? ? ? 舉個(gè)例子來理解，某個(gè)人想通過短信表白，說出我愛你三個(gè)字。那么，他首先要用拼音打出“wo ai ni”，形成文字，才能傳遞這么一個(gè)語言信息。在人的身體里，就是這4種堿基隨機(jī)組合形成的基因，代表著身體的語言，傳遞著關(guān)鍵信息，來精細(xì)控制細(xì)胞在身體每個(gè)部位中的具體功能。
? ? ? ? 人類基因組計(jì)劃完成后，我們終于搞清楚人體的全部基因，大約是2.5萬個(gè)，由30億個(gè)A、T、C、G組成，如果你能知道自己的30億個(gè)堿基是怎么排列的，和人類基因組計(jì)劃中公布的草圖進(jìn)行比對(duì)，就能在某種程度上知道自己生、老、病、死的規(guī)律。正是由于這么多個(gè)基因的存在，才能做到對(duì)身體的精細(xì)化管理，如果它們發(fā)生了基因突變，就可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。
什么是基因突變？
? ? ? ? 基因突變是堿基水平上的永久性變化，有先天突變，也有后天突變。以愛情里的表白為例來解釋突變的含義：當(dāng)你準(zhǔn)備打拼音“wo ai ni”時(shí)，可能只是剛好手抖了一下，拼錯(cuò)成了“wo ti ni”，也就是“我踢你”的意思。試想想看這樣的信息發(fā)出去的后果，表白應(yīng)該會(huì)注定失敗。
? ? ? ? 基因突變的過程就類似于此。本來正常的堿基，可能因?yàn)橐恍┉h(huán)境因素的改變，比如輻射，導(dǎo)致堿基發(fā)生了變化，這會(huì)讓原本基因要表達(dá)的功能發(fā)生改變，帶來對(duì)人體的影響。當(dāng)然，在多數(shù)情況下，身體內(nèi)損壞的DNA，可以被特定的基因進(jìn)行修復(fù)，比如著名的“人體警察”TP53基因，會(huì)修復(fù)受損的DNA。如果這些特定的基因也發(fā)生了突變，身體很可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的疾病。只有全部的基因協(xié)同作用，才能發(fā)揮人體的正常功能。
? ? ? ? 如果我們把全部的基因比作是一個(gè)交響樂團(tuán)，那么，當(dāng)突變發(fā)生在不太重要的位置，可能不會(huì)造成嚴(yán)重影響，就像樂團(tuán)的沙錘缺了一拍，很多聽眾無法發(fā)覺。如果突變發(fā)生在重要環(huán)節(jié)，則可能是致命的，就像首席小提琴手在主旋律上出現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò)誤，可能對(duì)整體效果產(chǎn)生明顯影響。
常見的突變
? ? ? ? 常見的突變有單個(gè)位點(diǎn)突變（SNP）、片段的插入（Indel）、結(jié)構(gòu)變異（SV）、拷貝數(shù)變異（CNV）等等。如果用一個(gè)交響樂團(tuán)來形容人體和基因的關(guān)系：
? ? ? ? ① 點(diǎn)突變：指某個(gè)堿基發(fā)生了變化。相當(dāng)于一個(gè)音符的錯(cuò)誤，一般觀眾很難聽出問題。
? ? ? ? ② 插入或缺失：指某個(gè)位置處多了或少了一個(gè)堿基。相當(dāng)于某個(gè)樂手的樂譜多了一節(jié)或者少了一節(jié)，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)影響聽到的效果。
? ? ? ? ③ 結(jié)構(gòu)突變：指若干個(gè)堿基的位置變了。相當(dāng)于樂譜的幾個(gè)段落順序被打亂，原本的樂曲自然也就發(fā)生了明顯的變化。
? ? ? ? ④ 拷貝數(shù)變異：指基因的數(shù)目發(fā)生了變化，正常基因是一對(duì)兒有2個(gè)，如果發(fā)生拷貝變異后，基因的數(shù)目不等于2，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致多了或少了基因。相當(dāng)于樂譜中有一段重復(fù)了多次，或者本應(yīng)重復(fù)的部分重復(fù)次數(shù)不夠，聽著就會(huì)很不舒服。
? ? ? ? 基因的突變，可能是壞事，也可能是好事。我們?nèi)祟愇拿髂馨l(fā)展到現(xiàn)在，在生物學(xué)層面上，就是由一系列好的突變所帶來的，保證人類能在惡劣的自然環(huán)境下存活下去。需要指出的是，突變是隨機(jī)的，正常情況下突變頻率很低，可能幾千年才會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定可遺傳的突變，但在一些特殊環(huán)境影響下，如：放射性輻射、致癌化學(xué)制品等不利條件刺激下，突變頻率會(huì)大大提升。
? ? ? ? 人類在數(shù)萬年的演化中，也產(chǎn)生了很多有害突變，比如有些人生下來就患有先天疾病，這是因?yàn)檫z傳到了不好的基因。在后面的章節(jié)中，我會(huì)通過很多具體的案例，解讀基因在這中間起到的關(guān)鍵性作用。
附表：基因發(fā)現(xiàn)的時(shí)間史
? ? ? ? 在整個(gè)基因發(fā)現(xiàn)的過程中，是由一個(gè)個(gè)關(guān)鍵的歷史事件促成的，我們需要感謝這些科學(xué)家，正因?yàn)樗麄償?shù)百年來薪傳相隨，才有了我們今天對(duì)基因等生命領(lǐng)域的了解。本部分內(nèi)容翻譯自yourgenome.org。
1871年，F(xiàn)riedrich Miescher發(fā)表了一篇論文，指出細(xì)胞核中存在“核素”（現(xiàn)在稱為DNA）。
這一年，第一次國際橄欖球聯(lián)盟賽在英國和蘇格蘭之間進(jìn)行。
1904年，Walter Sutton和Theodor Boveri提出了染色體遺傳學(xué)說，發(fā)現(xiàn)其中一條遺傳自母親，另一條來自父親。
這一年，羅斯福當(dāng)選為美國總統(tǒng)。
1910年，Albrecht Kossel因發(fā)現(xiàn)五個(gè)堿基、腺嘌呤、胞嘧啶、鳥嘌呤、胸腺嘧啶和尿嘧啶，被授予第一屆諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
這一年，第一部恐怖片上映。
1950年，Erwin Chargaff算出堿基A、C、G和T的配對(duì)模式，A與T進(jìn)行配對(duì)，C與G進(jìn)行配對(duì)。
這一年，朝鮮軍隊(duì)入侵韓國引發(fā)朝鮮戰(zhàn)爭。
1952年，Alfred Hershey和Martha Chase進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明DNA才是遺傳物質(zhì)，而非蛋白質(zhì)。
這一年，修女特麗薩為加爾各答垂死和窮困的人們建了一個(gè)家。
1953年，F(xiàn)rancis Crick，F(xiàn)rancis Crick，和Maurice Wilkins發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。
這一年，伊麗莎白二世的加冕典禮在倫敦的威斯敏斯特教堂舉行。
1961年，Marshall Nirenberg, Har Gobind Khorana 和colleagues發(fā)現(xiàn)了密碼子，每個(gè)密碼子會(huì)參與形成氨基酸的過程。
這一年，肯尼迪成為美國總統(tǒng)。
1968年，Marshall Nirenberg, Har Gobind Khorana 和Robert Holley因?yàn)閷?duì)tRNA分子進(jìn)行了測序，而獲得尼倫伯格生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
這一年，美國民權(quán)活動(dòng)家馬丁路德金在孟菲斯遇刺身亡。
1977年，F(xiàn)rederick Sanger開發(fā)了第一代測序技術(shù)，測出了歷史上第一個(gè)完成的基因組，是一種叫做PHIX174的病毒基因組。
這一年，美國搖滾歌手埃爾維斯·普雷斯利逝世。
1980年，Sanger與Wally Gilbert和Paul Berg因?yàn)殚_創(chuàng)性的測序技術(shù)，獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
這一年，英國歌手兼作曲家約翰列儂在紐約被槍殺。
1983年，James Gusella和他的團(tuán)隊(duì)，確定了亨廷頓氏病的基因定位。
這一年，英國強(qiáng)制駕駛員和前排乘客使用安全帶。
1985年，Alec Jeffreys開發(fā)了一種DNA圖譜分析方法。
這一年，B·貝奇克成為溫網(wǎng)男子單打中最年輕的冠軍。
1990年，人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)，該項(xiàng)目希望在15年內(nèi)完成人類基因組中的所有30億個(gè)堿基的草圖繪制。
這一年，曼德拉在南非監(jiān)獄被釋放。
1992年，美國和英國的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)揭示了在胚胎發(fā)育過程中檢測胚胎的技術(shù)。
這一年，歐洲迪士尼在法國巴黎附近開業(yè)。
1995年，流感嗜血桿菌基因組序列完成，是第一個(gè)被測序完成的細(xì)菌基因組序列。
這一年，湯姆·漢克斯主演的《阿甘》獲得奧斯卡最佳男主角獎(jiǎng)。
1996年，酵母基因組測序完成，第一個(gè)克隆動(dòng)物Dolly the Sheep在愛丁堡大學(xué)羅斯林學(xué)院出生。
這一年，說唱歌手Tupac Shakur在拉斯維加斯被槍殺。
1998年，John Sulston和Bob Waterston發(fā)表了線蟲基因組測序結(jié)果。
這一年，谷歌搜索引擎問世。
1999年，第一個(gè)被測序的人類22號(hào)染色體測序完成。
這一年，歐元開始流通。
2000年，完成了模型生物果蠅的全基因組序列。
這一年，圣克魯斯（UCSC）推出UCSC基因組瀏覽器。
2001年，人類基因組序列草圖發(fā)布。
這一年，基地組織的恐怖分子襲擊了紐約世貿(mào)中心。
2002年，完成了第一個(gè)哺乳動(dòng)物小鼠的全基因組序列。小鼠基因組比人類基因組小14%，但超過95%的小鼠基因組與人類的基因組相似。
這一年，伊麗莎白女王去世，享年101歲。
2003年，人類基因組計(jì)劃已經(jīng)完成，并確認(rèn)人類有大約20000到25000個(gè)基因。人類基因組測序準(zhǔn)確率為99.99%，比計(jì)劃提前了2年。
這一年，薩達(dá)姆被抓獲。
2005年，HapMap（人類遺傳變異圖譜）發(fā)表在《自然》雜志上。黑猩猩基因組測序完成。
這一年，颶風(fēng)卡特麗娜襲擊了美國路易斯安那州、密西西比州州和阿拉巴馬州沿海地區(qū)。
2007年，新一代測序技術(shù)出現(xiàn)，速度提升70倍。
這一年，蘋果推出iPhone。
2008年，千人基因組計(jì)劃開始。
這一年，奧巴馬成為第一個(gè)黑人美國總統(tǒng)。
2010年，千人基因組計(jì)劃結(jié)果發(fā)布。
這一年，海地發(fā)生了七級(jí)地震。
2012年，確認(rèn)人類基因組包含20687個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因。
這一年，“好奇”號(hào)火星車成功登陸火星。
還有很多的生物學(xué)上的科學(xué)進(jìn)展，都應(yīng)該被列入到其中，就留給細(xì)心讀到此處的你去發(fā)現(xiàn)吧，或許那樣才更有趣。
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