基因“密碼”探尋人類的生命“族譜”

王碧清

近年來，人工智能、精準(zhǔn)醫(yī)療、基因檢測、胚胎冷凍等詞匯進(jìn)入大眾視線。生命科學(xué)不斷發(fā)展，基因科學(xué)相關(guān)的技術(shù)逐步揭開了生命的神秘面紗。某種程度上，基因背后的“密碼”也是我們?nèi)祟愖遄V的宏大記載。

中國科學(xué)院生物學(xué)博士邱曉芳在《生命的語言：揭示人類基因的奧秘》一書中提到，“我們正在面臨一個繼農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、工業(yè)經(jīng)濟(jì)、信息經(jīng)濟(jì)之后的生物經(jīng)濟(jì)時代”，而由30億個堿基對排列組合而成的“天書”——基因組，這當(dāng)中不僅“有我們的‘自傳，更蘊(yùn)含著生命延續(xù)進(jìn)化的密碼”。

什么是生命

在我們的星球，有超過30萬種生物，每一個物種都為生存而頑強(qiáng)奮斗著。而人類多年以來為了定義生命始終孜孜以求。

消化病學(xué)先驅(qū)揚(yáng)·巴普蒂斯塔·范·海爾蒙特曾在1648年做出一個猜想：“一切生命都是化學(xué)。”量子力學(xué)奠基人之一埃爾溫·薛定諤講：“生物從周圍環(huán)境汲取秩序。”亞里士多德也曾說過，形成一只雞的原理都蘊(yùn)含在雞蛋里，一顆橡樹的果實(shí)包含著整顆橡樹的信息。

達(dá)爾文提出，自然每時每刻都在仔細(xì)審查世界，因此每一個微小的變化，不管它被內(nèi)在細(xì)胞的生物化學(xué)機(jī)制埋藏得多么深，只要它能對生存和繁殖有用，自然選擇就會把它挑選出來。

1943年，埃爾溫·薛定諤開展了“什么是生命”的專題講座，他知道染色體內(nèi)蘊(yùn)含了生命的秘密，但并不清楚以何種形式存儲。他甚至提出，“基因太小了，應(yīng)該歸為一種大分子”。也是在這一年，天才數(shù)學(xué)家阿蘭·圖靈見證了首臺可編程計(jì)算機(jī)的誕生。馬特·里德利在《基因組：人類自傳》當(dāng)中說：“當(dāng)時，沒有一個人意識到圖靈也許比其他任何人都更接近生命的秘密。圖靈更是沒有意識到，遺傳物質(zhì)本質(zhì)上就是一種可編程的存儲程序，新陳代謝就是一臺通用計(jì)算機(jī)。”

演化生物學(xué)家喬治·威廉姆斯在1966年寫就《適應(yīng)與自然選擇》，認(rèn)識到“自然選擇的實(shí)質(zhì)是基因的存活”。

近期提出的生命的定義如下：

“一個能夠獲取、儲藏、處理以及利用信息來規(guī)劃其活動的物質(zhì)系統(tǒng)”；

“一個能夠不斷得到單體和能量供應(yīng)，并受到保護(hù)的核酸和蛋白質(zhì)聚合酶系統(tǒng)”；

“一個可以實(shí)現(xiàn)自我組織、自我復(fù)制、通過變異而進(jìn)化、可以新陳代謝且集中密閉的系統(tǒng)”；

“一種有序的不穩(wěn)定狀態(tài)”；

…………

最為廣泛接受的生命定義，則是來自美國航空航天局（NASA）于1992年所提出的：生命是一個能夠發(fā)生達(dá)爾文式進(jìn)化的自我維持的化學(xué)系統(tǒng)。不過這個定義依然存在許多缺陷。以色列作家埃迪·普羅斯在《生命是什么》中，通過回顧幾個世紀(jì)以來的研究表示，“在我們填平生命與非生命之間的概念性鴻溝之前，以及在將生物和物理這兩個學(xué)科自然地融合起來之前，我們還難以把握生命的本質(zhì)和人類在宇宙中的位置”。

步入生物科學(xué)探秘時代

今天，通過基因，我們知道了黑猩猩與人類分離晚于大猩猩，人類和猿類的分離發(fā)生在1000萬年、甚至不到500萬年以前。通過科學(xué)家的研究，在人類和黑猩猩的體內(nèi)，負(fù)責(zé)生長樣貌的基因是完全一致的。那么，什么又是基因呢？

人體當(dāng)中有大約100萬億個細(xì)胞，大多數(shù)細(xì)胞直徑不到1/10毫米。每個細(xì)胞內(nèi)部都有黑色的一團(tuán)，叫“細(xì)胞核”。細(xì)胞核當(dāng)中有兩套完整的人類基因組，其中一套來自母親，另一套來自父親。理論上，每套基因組都有相同的23對染色體，上面數(shù)萬個基因。由于父母基因?qū)ι洗嬖诩?xì)小的差別，在生育時，通過父母雙方染色體的交換和重組，一套完整的基因組便傳給了后代。

基因是生物遺傳物質(zhì)的最小單位，是遺傳物質(zhì)DNA（脫氧核糖核酸）中有遺傳信息的片段，而DNA的基本單位是4種核苷酸。這些核苷酸按照一定順序排列，表達(dá)一定的遺傳信息。

在不同人的同一條染色體和同一個位置的核苷酸序列中，有可能存在絕大多數(shù)核苷酸排列序列一致、只有一個地方的核苷酸序列不同的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象就是“單核苷酸多態(tài)性”。科學(xué)家指出，這種“單核苷酸多態(tài)性”即基因上的細(xì)小差異導(dǎo)致了每個人的與眾不同。

生命的種族、血型、孕育、生長、凋亡等都與基因息息相關(guān)。為什么我們會有不同的膚色、不同的瞳孔顏色？為什么人與人間會有個體差異？……這些生命的秘密正蘊(yùn)藏于人類基因組之中。

基因組學(xué)有兩個主要理念：一、生命是序列的；二、生命是數(shù)字的。邱曉芳表示，“基因組學(xué)就是把生命序列化和數(shù)字化，從而可以通過序列分析、信息學(xué)分析“讀懂天書”。

1988年，美國科學(xué)家提出了迄今為止最為宏大的生命科學(xué)計(jì)劃——人類基因組計(jì)劃。隨后，來自英國、日本、法國、德國和中國的科學(xué)家加盟研究。

人類基因組計(jì)劃的宗旨為測定組成人類染色體（單倍體）中所包含的30億個堿基對所組成的核苷酸序列，從而繪制人類基因組圖譜，并且辨識其載有的基因及其序列，達(dá)到破譯人類遺傳信息的最終目的。這是人類為探索自身奧秘所邁出的重要一步。

我國是在1999年9月正式加入這一計(jì)劃的，主要承擔(dān)人類基因組第三號染色體短臂端3000萬對堿基的測序研究任務(wù)，因占整個人類基因組30億對堿基的百分之一，故又稱為“1%項(xiàng)目”。中國也是參加該研究計(jì)劃中唯一的發(fā)展中國家。

2000年6月26日，科學(xué)家公布人類基因組“工作框架圖”；2001年2月12日，公布了人類基因組圖譜及初步分析結(jié)果。六國科學(xué)家先后參加人類基因組對23對染色體DNA大規(guī)模測序的國際合作，最終繪制了一張類似化學(xué)元素周期表的人類基因組精確圖譜。

人類基因組圖譜研究側(cè)重于人類基因的共性，對人與人之間基因的差異性即基因變異研究較少。繼2月12日國際人類基因組計(jì)劃的科學(xué)家和美國塞萊拉公司聯(lián)合公布了人類基因組圖譜及對它的初步分析結(jié)果之后，雙方又分別宣布將繪制人類基因變異圖譜。這是生命科學(xué)的又一個重大科研項(xiàng)目，使基因圖譜進(jìn)一步邁向?qū)嵱没?/p>

2003年這一年，第一個人類基因組被測序。截至2005年，人類基因組計(jì)劃的測序工作已經(jīng)完成。

基因就如同我們的指紋一樣獨(dú)一無二。2007年，科學(xué)家首次闡述了人與人之間的DNA究竟存在著多大的差異。這對于如何治療疾病、人類如何看待自己以及保護(hù)個人隱私等各個方面都產(chǎn)生了重大影響。短短幾年時間，個人基因組測序成本由最早的1000～5000萬美元，降至2010年的5000美元。目前，基因解密速度正在不斷加快。

1990年代，中國先后啟動了“中華民族基因組中若干位點(diǎn)基因結(jié)構(gòu)的研究”和“重大疾病相關(guān)基因的定位、克隆、結(jié)構(gòu)和功能研究”。至2007年10月，我國科學(xué)家成功繪制完成第一個完整的中國人基因組圖譜（又稱“炎黃一號”），這也是第一個亞洲人全基因序列圖譜。這對中國，乃至亞洲人的DNA、隱形疾病基因、流行病預(yù)測等研究具有重要作用。

隨著人類擁有了一份完整的人類基因記錄，“我們開始根據(jù)基因空間而非基因組和物種來理解世界”，基因組科學(xué)家、“人造生命之父”克雷格·文特爾以癌癥為例提出，隨著人類可以對診斷結(jié)果和相應(yīng)的基因進(jìn)行詳細(xì)劃分，癌癥已經(jīng)可以被分解成越來越多不相干的疾病。“癌癥實(shí)際上是由體細(xì)胞突變而來，當(dāng)我們從環(huán)境中吸收毒素，如輻射等，就會導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。直白地說就是，隨著我們基因里越來越多的體細(xì)胞的突變激增，直到超出一個閾值，突然我們就成長出了不受管制的細(xì)胞。”

就在不久前的1月17日，深圳華大基因向外界宣布，在阿里云上搭建的在線平臺創(chuàng)下了新的世界紀(jì)錄：僅用15分鐘，即可完成一個高精度的個人全基因組測序全流程。這無疑為遺傳病檢測、腫瘤篩查等提供有力支撐。生命“天書”的破解不再遙不可及，并且隨著云計(jì)算不斷進(jìn)入尋常百姓家。

（主要資料來源：中國科普博覽、中國日報(bào)、《基因組：人類自傳》、《生命：進(jìn)化生物學(xué)、遺傳學(xué)、人類學(xué)和環(huán)境科學(xué)的黎明》等）

責(zé)任編輯 華南