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基因編輯誕生前奏——DNA，始終是一個熱門方向
導讀：
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學院教授、“瀟湘學者”谷峰教授。
谷 峰（湖南師范大學醫學院教授、“瀟湘學者”） | 嘉賓
林奈、拉馬克和達爾文
問：基因與遺傳的關系是怎樣的？
谷峰：“基因與遺傳的關系”問題是遺傳學的一個基礎科學問題。比如身高是遺傳的，父母身高很高，那對應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，我們可以發現性狀是有遺傳學規律在其中的。
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，這些工作通過形態觀察，為遺傳學基因的進一步發現奠定了基礎。
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構、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，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，它可以不斷地復制，不斷地傳遞到下一代。當然病毒這種生命體跟我們常規的生命體，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，基因從原始發現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：基因的結構組成是怎樣的？
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動基因的轉錄；第二，基因中包含了外顯子和內含子。對于真核細胞的基因組而言，它既包含內含子，又包含外顯子。內含子將相鄰的外顯子隔開，一個基因就可以轉錄成多種不同的轉錄本，實現基因特異性的調控；第三，除了剛剛提到的內含子、外顯子和啟動子之外，在基因的3’端還有polyA結構，這意味著轉錄到了某一個位置需要停止下來。這幾個部分是構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’端非翻譯區和3’端非翻譯區，分別叫作5’端UTR和3’端UTR，對于基因來說這是調控的元件，可以在不同轉錄起始位點轉錄，通過UTR結合一定的因子來調控基因轉錄的活性，這是基因調控的一個重要機制。
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段?；驎S著細胞更新而進行復制，這涉及到DNA復制的問題，從母代細胞復制變成子代細胞也有相應的過程，這個過程叫有絲分裂。
然后，就是基因如何作用于我們體內蛋白質的過程。這個過程包括，將基因通過RNA聚合酶轉錄成RNA，之后RNA需要從細胞核中轉運到細胞質中，這涉及到相關的堿基配對，轉錄完RNA之后，它需要變成成熟的RNA。成熟的RNA要從細胞核轉運到細胞質中，最終在細胞質中利用核酸進行翻譯。翻譯完畢后，蛋白質會前往細胞核，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中，它就會定位在細胞質中。
當然，這里可能還涉及到蛋白質的修飾，不同的蛋白質修飾可以調控蛋白質的活性。例如，蛋白質本身是一種酶，我們可以通過磷酸化、乙?；炔煌男揎梺碚{控蛋白質的活性。
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，我們可以通過泛素化將蛋白質分解掉。最終，這會是一個動態的過程。
如果這個動態過程出現問題，例如我們的基因發生了突變，那么相應的蛋白質也會發生突變。比如說一個蛋白質本身應該前往細胞核，但突變后無法到達，那么就會對細胞產生功能性影響。
問：基因突變是什么？
谷峰：關于基因突變的問題，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生的突變，因為在減數分裂過程中，基因組整體變化很大，減數分裂產生同源重組的時候很容易發生突變。
第二，主要是在生殖器中發生的突變。我們發現父母都沒有突變，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生減數分裂，在減數分裂的過程中容易發生相關的突變。
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，最終導致相關的疾病。比如乙肝，乙肝最終導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構。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，由于當時技術的限制，部分基因組堿基測定不是很清楚。這兩年技術有了進步，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，我們不僅培養了一批人才，還提高了國際協作的能力，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）其實是一個統一的過程。如果基因都讀不清楚，是沒辦法寫和改（基因）的?！叭祟惢蚪M計劃”為整個學科提供了一個非常堅實的基礎。
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”是有一些關聯的，我們在利用小鼠做一些研究的時候，往往缺少相關的工具和遺傳資源，這些都是“人類基因組計劃”延伸下來的內容。
并不是說“人類基因組計劃”結束了，基因組研究工作也就結束了。實際上，后續還有很多的工作需要銜接。因此，好的遺傳資源、好的相關技術平臺、成批的人才培養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：中國科協科普部
監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
