【现货速发】30秒探索基因密码

前言

罗德尼·罗思坦

地球上的生命形式由千千万万种组合构成，基因正是这些组合的基石。遗传学，即对基因的研究，涉及我们日常生活的许多方面——从我们体内细胞的复制到提取用于生殖的精子和卵子，再到种种对社会产生影响的复杂问题，如转基因生物的创造和基因治疗技术的应用等。不仅如此，现在的医生还开始根据基因数据对患者进行诊断和治疗。

对于一些人来说，“遗传学”一词会让他们联想到弗兰肯斯坦创造的怪物及《侏罗纪公园》中那般令人毛骨悚然的画面。为了消解这些恐惧心理，科学家要以一种能够为大众所理解的方式将自己的发现和遗传学规律传递出去，这一点至关重要。显而易见，理解遗传学的内在原理有助于揭开这一重要科学领域的神秘面纱，同时也将深化公众对于潜在伦理问题的探讨。我的同事马修·韦茨曼（Matthew Weitzman）和乔纳森·韦茨曼（Jonathan Weitzman）是同卵双胞胎，他们收集了共计50个30秒小片段，其中浓缩了遗传学世界的核心内容。设计这些小片段是为了让读者领略该领域的发展历程：从孟德尔的遗传研究到发现DNA是遗传物质，再到当前的全基因组测序以及未来的基因诊断和基因治疗。

后，我们不该畏惧遗传学。随着对基因间关系、基因与环境的相互作用了解得愈发深入，我们可以展望一个激动人心的新时代，届时我们的生活质量将会进一步提高。无论是生产更健康的食品、应用合成生物学促进药品及其他化合物的生产，还是通过精准医疗获得更强健的体魄，这些都将对我们的生活产生积极的影响。

引言

乔纳森·韦茨曼，马修·韦茨曼

像遗传学这般引人遐想的学科寥寥无几。遗传学之所以吸引我们，或许是因为它解决了我们是谁以及是什么赋予我们各自的身份这些本质问题：我们为什么长得像父母？我们和兄弟姐妹或者街坊邻居的区别是怎么来的？我们将把什么遗传给下一代？这些问题自古有之，但一个世纪前诞生了一门科学，它提供了意想不到的视角，取得了出人意料的进展，也挑战着我们对于遗传的传统认知。

20世纪的遗传学发展史仿佛一次旋风式的过山车之旅，生物医学成就每每与伦理挑战相伴。经过细致入微的观察，格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）得以定义一些关于特征（或性状）遗传的基本定律。在世纪之交，他的成果重新进入公众视野，这为探索代际遗传物质、性状的决定因素奠定了基础。这门新兴科学需要用新的语言加以描述。1905年，在一封私人信件中，英国生物学家威廉·贝特森（William Bateson）创造了“遗传学”（genetics，源自希腊语“生育”一词）这一术语来描述这门新的遗传科学。一年后，他又在伦敦举行的第三届国际植物杂交会议上公开提出该术语。此后不久，“基因”（gene）、“基因组”（genome）、“基因型”（genotype）和“表型”（phenotype）这些词语便诞生了。在这一领域，个性鲜明的人比比皆是，他们都热衷于揭开遗传的奥秘。他们取得了伟大的成就，如巧妙地破译遗传密码、发现DNA（脱氧核糖核酸）分子的双螺旋结构等。20世纪的尾声伴随着现代生物学中激动人心的挑战之一：一场堪比人类登月的竞赛。一个规模宏大、雄心勃勃的项目吸引了来自全世界的遗传学家纷纷投身其中，其人数之多史无前例，那就是人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）。其目标是揭秘构成人类基因组的30亿个碱基对——生命之书的序列!

现代遗传学深刻影响了生物学的各个领域。为应对挑战，新技术飞速出现，生物学领域的众多新成果随之产生。在动植物体内，DNA和基因的运作方式别无二致，正是这种认识为五花八门的实验模型系统打开了大门。有关单细胞细菌、普通面包酵母和低等果蝇的研究发现为揭示遗传学的基本规律提供了线索。事实上，DNA片段的功能可以通过将基因从一个生物体转移到另一个生物体测试出来。借助大自然历时数千年予以完善的“机器”（也就是酶），研究人员学会了对DNA分子进行测序、复制、合成以及设计。这一杰出成就为理解人类疾病带来了突破，点燃了新型基因药物的希望。但是它也带来了恐惧，激发了可怕的幻想。

遗传学仍然以令人惊叹的步伐前进。人类基因组正在接受成千上万次的测序；人们终于纠正了基因治疗的错误，挽救了生命；基因编辑达到了前所未有的精确水平。遗传学已经从一门充斥着抽象概念的深奥学科，演变为一系列将影响我们日常生活的技术。在本书中，我们将与读者分享面对这场奇幻冒险时的兴奋，并揭开隐藏在专业术语背后的遗传学的神秘面纱。“基因”和“DNA”这两个词在不经意间成了日常用语，但人们往往不明白二者的真正含义。在我们的身份问题上，解释清楚遗传学能说明什么、不能说明什么，无疑具有重要意义。那些用于复制、解释和保护我们基因组的分子和酶极为微小，但它们对社会的影响却举足轻重。通过编写《30秒探索基因密码》一书，我们希望日后在关于社会及子孙后代如何利用遗传学和遗传信息的讨论出现时，普通读者有能力参与其中。

本书框架

在本书中，来自全球的专家引导我们理解遗传学，内容由解读从基因到基因组的一系列现代遗传学术语、破译遗传密码一直延伸到人类基因组测序。专家在本书中解析了相关术语和概念，使我们既为自己原有的遗传学知识储备惊叹，又震惊于自己知之甚少。每节简明扼要地介绍一个主题。其中的主要段落均辅以3秒钟速览（快速概览，一句话了解关键事实）。3分钟思考则使主题的内容更加充实，让主题愈发引人入胜。3秒钟人物介绍了与主题相关的科学家，不同小节对同一位科学家的介绍并非完全一致。每章还介绍了一名业内先驱——为我们理解现代遗传学做出贡献的重要人物。本书首先介绍了遗传学这门新学科的历史及基本概念。随后本书挖掘细节，先做出详尽的解释（对象包括染色体和细胞的作用及基因和基因组水平的遗传），再对新兴的表观遗传学领域进行探讨（该领域研究在不改变生物体内DNA序列的情况下的遗传效应）。在“健康与疾病”一章中，对分子运动的研究建立在与疾病相关的生理学和生理过程的基础之上。若撇开技术和实验方法的进步不谈，那么我们对于遗传学的讨论必然是不全面的。对于这些技术在不久的将来会如何影响医学的发展及我们的生活，本书在结尾做出了一些预测。 

少有其他学科能像基因和遗传学领域那样抓住人类的想象力，因为它解决了我们是谁，我们是什么的本质问题。我们每个人都有自己的身份：为什么我们看起来像父母？是什么使我们不同于我们的兄弟和邻居？我们将把什么传给下一代？这些问题和人类一样古老。本书为全彩印刷，图文并茂地介绍了基因与遗传学的基础与前沿知识。

在本书中，遗传学领域的专家解释了遗传学领域的50个发人深省的主题，每个主题，无论多复杂，作者都会用一幅图、两页纸、三四百字，在30秒内向读者进行讲解。我们将一起踏上科学探秘之旅，解开隐藏在科学术语背后的神秘科学。从基本的细胞生物学到几乎令人难以置信的DNA测序和干细胞技术的进步，本书会将这些非凡的发现一一道来。

本书旨在让读者深入了解这一领域是如何发展的，从孟德尔的遗传研究到DNA作为遗传物质的发现，直到现在的全基因组测序和基因诊断和基因治疗的未来。随着我们对基因之间的关系以及它们与环境的相互作用了解得越多，我们就可以期待一个激动人心的新时代，我们的生活质量将得到改善。拥有更健康的食品，应用合成生物学来促进药物和其他化合物的生产，以及通过精准医疗提供更好的治疗，这些都将积极地影响我们的生活。 

少有其他学科能像基因和遗传学领域那样抓住人类的想象力，因为它解决了我们是谁，我们是什么的本质问题。我们每个人都有自己的身份：为什么我们看起来像父母？是什么使我们不同于我们的兄弟和邻居？我们将把什么传给下一代？这些问题和人类一样古老。本书为全彩印刷，图文并茂地介绍了基因与遗传学的基础与前沿知识。

在本书中，遗传学领域的专家解释了遗传学领域的50个发人深省的主题，每个主题，无论多复杂，作者都会用一幅图、两页纸、三四百字，在30秒内向读者进行讲解。我们将一起踏上科学探秘之旅，解开隐藏在科学术语背后的神秘科学。从基本的细胞生物学到几乎令人难以置信的DNA测序和干细胞技术的进步，本书会将这些非凡的发现一一道来。

本书旨在让读者深入了解这一领域是如何发展的，从孟德尔的遗传研究到DNA作为遗传物质的发现，直到现在的全基因组测序和基因诊断和基因治疗的未来。随着我们对基因之间的关系以及它们与环境的相互作用了解得越多，我们就可以期待一个激动人心的新时代，我们的生活质量将得到改善。拥有更健康的食品，应用合成生物学来促进药物和其他化合物的生产，以及通过精准医疗提供更好的治疗，这些都将积极地影响我们的生活。 

乔纳森·韦茨曼（Jonathan Weitzman），巴黎狄德罗大学遗传学教授，表观遗传学和细胞命运中心创始人。乔纳森曾为很多年龄段的学生讲授过遗传学、表观遗传学和干细胞生物学课程，并担任欧洲遗传学硕士项目学科带头人。他的研究重点是了解基因调控网络和表观遗传学对疾病治疗的作用。

马修·韦茨曼（Matthew Weitzman），宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院教授，费城儿童医院相关实验室负责人。马修有着病毒学和分子生物学双重背景，他专门从事病毒感染和基因组完整性交叉学科研究。他曾应邀在世界各地演讲，并组织了许多关于病毒、基因组完整性和基因治疗的学术会议。

乔纳森和马修是同卵双胞胎。 

6 前言

8 引言

12 历史与概念

14 术语

16 孟德尔遗传定律

18 达尔文与《物种起源》

20 DNA携带遗传信息

22 双螺旋结构

24 破译遗传密码

26 罗莎琳德·富兰克林

28 中心法则

30 人类基因组计划

32 染色体与细胞

34 术语

36 细胞核

38 染色体及核型

40 线粒体

42 人类Y染色体

44 托马斯·亨特·摩尔根

46 着丝粒和端粒

48 细胞周期

50 细胞分裂

52 基因与基因组

54 术语

56 什么是基因

58 跳跃基因

60 基因剪接

62 基因型与表型

64 基因表达

66 芭芭拉·麦克林托克

68 突变与多态性

70 DNA损伤与修复

72 基因组结构

74 表观遗传学

76 术语

78 基因与环境

80 基因组印记

82 DNA甲基化

84 X染色体失活

86 染色质和组蛋白

88 康拉德·哈尔·沃丁顿

90 非编码RNA

92 双胞胎

94 健康与疾病

96 术语

98 性别

100 发育遗传学

102 行为遗传学

104 显性遗传病和隐性遗传病

106 阿奇博尔德·加罗德

108 基因与免疫缺陷

110 自闭症的遗传学

112 癌症的遗传学

114 技术手段与实验方法

116 术语

118 模式生物

120 遗传指纹

122 基因检测

124 基因图谱

126 DNA测序

128 雅克·莫诺

130 聚合酶链反应

132 全基因组关联分析

134 治疗前景

136 术语

138 基因治疗

140 个人基因组学及个性化医疗

142 合成生物学

144 J.克雷格·文特尔

146 转基因生物

148 克隆

150 干细胞和重编程

152 基因组编辑

154 附录

156 参考资源

158 编者简介

159 致谢 

少有其他学科能像基因和遗传学领域那样抓住人类的想象力，因为它解决了我们是谁，我们是什么的本质问题。我们每个人都有自己的身份：为什么我们看起来像父母？是什么使我们不同于我们的兄弟和邻居？我们将把什么传给下一代？这些问题和人类一样古老。本书为全彩印刷，图文并茂地介绍了基因与遗传学的基础与前沿知识。

在本书中，遗传学领域的专家解释了遗传学领域的50个发人深省的主题，每个主题，无论多复杂，作者都会用一幅图、两页纸、三四百字，在30秒内向读者进行讲解。我们将一起踏上科学探秘之旅，解开隐藏在科学术语背后的神秘科学。从基本的细胞生物学到几乎令人难以置信的DNA测序和干细胞技术的进步，本书会将这些非凡的发现一一道来。

本书旨在让读者深入了解这一领域是如何发展的，从孟德尔的遗传研究到DNA作为遗传物质的发现，直到现在的全基因组测序和基因诊断和基因治疗的未来。随着我们对基因之间的关系以及它们与环境的相互作用了解得越多，我们就可以期待一个激动人心的新时代，我们的生活质量将得到改善。拥有更健康的食品，应用合成生物学来促进药物和其他化合物的生产，以及通过精准医疗提供更好的治疗，这些都将积极地影响我们的生活。 

乔纳森·韦茨曼（Jonathan Weitzman），巴黎狄德罗大学遗传学教授，表观遗传学和细胞命运中心创始人。乔纳森曾为很多年龄段的学生讲授过遗传学、表观遗传学和干细胞生物学课程，并担任欧洲遗传学硕士项目学科带头人。他的研究重点是了解基因调控网络和表观遗传学对疾病治疗的作用。

马修·韦茨曼（Matthew Weitzman），宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院教授，费城儿童医院相关实验室负责人。马修有着病毒学和分子生物学双重背景，他专门从事病毒感染和基因组完整性交叉学科研究。他曾应邀在世界各地演讲，并组织了许多关于病毒、基因组完整性和基因治疗的学术会议。

乔纳森和马修是同卵双胞胎。 

孟德尔遗传定律

孟德尔通过豌豆杂交实验发现了遗传定律。他将植物隔离繁殖了数代，以此使这些相互隔离的植物的后代具有各自的可见性状。之后，他将具有不同可见性状的植物杂交，例如将开紫色花的植株与开白色花的植株杂交。在代中，他只获得了开紫色花的植株。但在这些植株再次杂交后，他发现四分之一的新植株开白色花，四分之三的开紫色花。孟德尔对此的解释是，花色之所以不同是因为存在成对因子的传递，这些因子决定了可见性状。在代中，紫色花这一占主导地位的性状被认为是显性的（P），白色花则是隐性的（p）。对人类而言，蓝色眼睛是隐性的，棕色眼睛是显性的。孟德尔所说的因子现在被称为等位基因，这是DNA序列中具有特定性状的变体。从广义上讲，等位基因有显性和隐性之分。这些等位基因是一个基因座（locus,拉丁语，意为“位置”）的替代序列，很多情况下大致等同于一个基因。一个种群中可能存在两个以上的等位基因。

达尔文与《物种起源》

我们从哪里来？为什么我们有四肢和眼睛？直到1859年，查尔斯·达尔文出版了《物种起源》这一划时代的科学巨著，人们才发现这些原来并不是科学界内的问题。达尔文的生命观如今被称为进化论。简单来说，进化论指出，在一个群体中，个体间的一些不同性状可以遗传给下一代。适应环境能力越强的个体越有可能生存、繁殖并将可遗传性状传给后代。如此一来，为适应环境，种群会随着时间的推移而进化，终导致新物种的出现。达尔文的观点既和我们直觉中认为人类与其他动物截然不同的想法矛盾，也和物种不会因时而变的观点相悖。他的书引发了哲学及宗教领域声势浩大的辩论，其中一些至今仍在继续。20世纪20年代到60年代，基因、遗传学和DNA的发现为达尔文的理论提供了新的证据支撑。由此催生的现代进化论，对于我们理解世界至关重要。

DNA携带遗传信息

DNA的发现可以追溯到弗里德里希·米歇尔的工作，他在19世纪80年代末从白血球的细胞核中分离出一种被他称作“核素”的物质。这种物质由蛋白质和DNA组成。它原先的通用名“核酸”（nucleic acid）是理查德·阿尔特曼（Richard Altmann）创造的。后来，弗雷德里克·格里菲斯（Frederick Griffith）证明了从致病性细菌（病原菌）中提取的物质可以将非致病性细菌改变为致病形式。以格里菲斯的实验为基础，奥斯瓦尔德·艾弗里、科林·麦克劳德（Colin MacLeod）、麦克林恩·麦卡蒂（Maclyn McCarty）等进行了进一步实验。他们破坏了除肺炎细菌的DNA以外的一切物质。经过这种激进的处理，DNA仍然可以将非致病性细菌转化为致病性细菌。只有破坏DNA才能阻止这种转化，这表明携带遗传信息的是DNA。与此同时，菲巴斯·列文确定了DNA的成分：腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、糖分子和磷酸基团。所有这些发现为罗莎琳德·富兰克林、莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins）、詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克在20世纪50年代初破解DNA的化学结构铺平了道路。

双螺旋结构

DNA的功能取决于其结构。核苷酸是DNA的基本单位，包括脱氧核糖、磷酸和4种碱基：A、T、G和C。核苷酸相互连接，形成长链聚合物，每个碱基都与另一条链上的一个特定的碱基配对：A总是与T配对，C总是与G配对。这些碱基对是如何共同组成一个三维结构的？在20世纪50年代初，人们争相展开研究。为了解DNA的结构，罗莎琳德·富兰克林与伦敦国王学院的莫里斯·威尔金斯合作，用X射线穿透DNA分子的晶体。通过X射线衍射技术生成的图像表明DNA分子呈螺旋状。在剑桥大学卡文迪什实验室（Cavendish Laboratory）工作的詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克看到了这个图像，意识到它为探究DNA的结构提供了一个关键线索。他们为DNA分子建立了一个化学模型，并于1953年首次提出DNA为双螺旋结构。对该结构的进一步研究揭示了碱基配对的机制，并解释了遗传信息如何在活细胞中存储和复制。

人类基因组计划

人类基因组计划或许是生物学家们有史以来进行的的合作项目，其规模相当于生物学领域的阿波罗载人登月计划。基因组指细胞内所有遗传物质的总和。世界各地的研究中心联手绘制基因图谱，以了解人类的所有基因。经过20世纪80年代的大量争论，美国国立卫生研究院（National Institutes of Health，NIH）于1990年主导启动了人类基因组计划，并预计该计划将持续至少15年。该计划首先绘制了23条人类染色体的图谱。随后，世界各地的研究中心对人类DNA进行了有序测序。1996年，该计划的领导人提出了“百慕大原则”（Bermuda Principles），鼓励各方共享所有遗传信息。随着DNA测序技术的效率和速度的快速提升，该项目加速推进。1998年，当美国私营公司塞莱拉基因组（Celera Genomics）公司也开始对人类基因组进行测序时，人类基因组测序成了一场比赛。2001年，政府和私人部门共同发布了人类基因组序列的份草图。2003年发布的人类基因组完整序列显示，在一个由60亿个碱基对构成的基因组中，大约包含2万个基因。

人类Y染色体

对许多动植物而言，性别是由基因决定的。例如，在大多数生物体中，两条X染色体会推动雌性动物或植物的发育。相比之下，男性有一条X染色体和一条Y染色体。Y染色体存在于哺乳动物、植物和许多其他生物体内，例如昆虫。X染色体通常较大，携带大量基因，而Y染色体较小，携带的基因很少。尽管动植物中的Y染色体并非来自共同的祖先，但它们进化的逻辑是相同的。X染色体和Y染色体原本是一对相同的染色体，经历了由Y染色体上的雄性性别决定基因引发的分化。一旦Y染色体出现，其他对雄性繁殖具有重要作用的等位基因就会在性别决定区域周围不断聚集。随后，染色体重排阻止了祖先的X染色体和