DNA雙螺旋的發(fā)現(xiàn)，如何影響生命科學70年？
1953年2月28日，美國科學家沃森（左）和英國科學家克里克（右）在英國劍橋的一個酒館里宣布了DNA雙螺旋模型，從此開啟了人們對于“生命之書”的深刻理解。圖源：A. Barrington Brown/Science Photo Library
生物體與非生物體之根本差異在于，生物體能夠保存和利用信息，并把自身的信息一代又一代地傳遞下去，“龍生龍，鳳生鳳，老鼠生兒會打洞”。從古至今，人們一直試圖闡明生物體這種承載和傳遞信息的能力。這個夢想在1953年終于得到了實現(xiàn)——美國科學家沃森（Watson, J）和英國科學家克里克（Crick, F）提出了DNA雙螺旋模型，借此在分子水平上清晰地解釋了生物體是如何保存和傳遞信息；而分子生物學也在此基礎(chǔ)上誕生，現(xiàn)代生命科學的“帷幕”也就此正式拉開。
70年過去了，人們從DNA雙螺旋的研究中取得了哪些重要的突破？
吳家睿 ｜ 撰文
研究者從DNA雙螺旋模型中認識到，生命的底層邏輯是“文字”，即生命用“A”、“T”、“G”、“C”4種堿基作為基本單元連接成長長的多核苷酸鏈，這樣的兩條多核苷酸鏈相互纏繞而形成DNA雙螺旋。這4種堿基正是記錄生命遺傳信息的“字母”，其中每3個堿基組成一個類似“單詞”的遺傳密碼子，對應(yīng)一個特定的氨基酸。蛋白質(zhì)是執(zhí)行生命活動的主要功能元件，由多個氨基酸作為基本單元連接而成。從4種堿基中選擇3種來構(gòu)成1個密碼子的總數(shù)為64，所以生物體擁有64個密碼子 “單詞”。由于生物體用來合成蛋白質(zhì)的天然氨基酸僅僅有20種，因此除了兩種氨基酸（甲硫氨酸和色氨酸）分別由一個密碼子決定以外，其他18種氨基酸分別對應(yīng)2到6個密碼子。生物體內(nèi)的“基因”正是一段由多種密碼子連接起來的“堿基句子”，用來指導一種蛋白質(zhì)的氨基酸組成和排序。
由此可見，大自然在創(chuàng)造生命時采用了寫書的方式，自然界的萬千生命種類就如同萬千本書——只需要4個堿基作為基本的字母，就可以創(chuàng)作出無數(shù)的作品。因此，研究者的主要工作通常就是閱讀 “生命之書”中的一段段堿基序列組成的“句子”，并揭示這些句子的含義和可能的生物學功能。
1 識文斷字——編碼基因的認識
研究者最初認為，一個編碼基因用于指導一種蛋白質(zhì)的合成。但隨著“閱讀”工作的深入，研究者發(fā)現(xiàn)，雖然這種“一基因一蛋白”的觀點在大腸桿菌等簡單生物體上基本成立，但在動植物等復(fù)雜生物體上情況就明顯不一樣了——這類生物體擁有大量的“斷裂基因”，即在一個編碼蛋白質(zhì)的堿基序列之間插有若干段不編碼蛋白的堿基序列，其基因內(nèi)編碼蛋白質(zhì)的堿基序列稱為“外顯子”（Exon），而不編碼的堿基序列則稱為“內(nèi)含子”（Intron）。換句話說，“斷裂基因”就好比一個完整的“語句”被拆開，在中間加入了一些無意義的文字。研究者還注意到，生命形式越高等，斷裂基因就越多。如在用于制造面包和啤酒的酵母細胞里，只有4%的基因擁有內(nèi)含子；而在小鼠或人的基因組內(nèi)，絕大部分基因都擁有內(nèi)含子。
為什么大自然在創(chuàng)作 “生命之書”時發(fā)展出這樣策略？這看上去與人類的文字創(chuàng)作歷史有某種相似之處。在古典文學時期，創(chuàng)作者以描述為主，每句話都很明確，無一廢字。但在現(xiàn)代文學時期，創(chuàng)作者希望要在一個句子里表達出不同的內(nèi)容和感覺，從而發(fā)展出了復(fù)雜的句式，如愛爾蘭作家喬伊斯（Joyce, J）在其著名的“意識流”小說《尤利西斯》的許多句子中，就放進了沒有意義的文字。對擁有這種策略的復(fù)雜生物體而言，一個斷裂基因內(nèi)多個外顯子通常會受到不同的剪切和拼接，稱為可變剪接；如果把不同的外顯子用可變剪接方式進行連接，一個基因就能制造出多種蛋白質(zhì)。目前已經(jīng)知道人類擁有的基因總數(shù)大約是20000多個，而能夠制造出的蛋白質(zhì)種類顯然要遠遠大于這個數(shù)目。
2 察言觀色——表觀遺傳的發(fā)現(xiàn)
“生命之書”擁有眾多編碼各種蛋白質(zhì)的基因，生物體必須精準地控制這些基因，以便在需要時制造出特定的蛋白質(zhì)。為此，生命在基因到蛋白質(zhì)合成的過程中增加了一個中間步驟，稱為“轉(zhuǎn)錄”——把基因的堿基序列之信息轉(zhuǎn)錄到一條稱為“信使RNA”（mRNA）的堿基序列之上，然后用mRNA作為模板指導蛋白質(zhì)合成。也就是說，生命通過轉(zhuǎn)錄方式選擇性地“閱讀”基因。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，DNA上的許多堿基序列通常被化學基團進行修飾，其中最常見的是甲基化修飾，即DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶在多核苷酸鏈的胞嘧啶“C”上用共價鍵結(jié)合一個甲基基團（CH3）。而DNA甲基化修飾的主要功能正是調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄活動，或促進某個基因的轉(zhuǎn)錄，或抑制其轉(zhuǎn)錄。由于DNA堿基序列上的化學修飾通常受到機體內(nèi)外環(huán)境的調(diào)節(jié)，從而成為了生命響應(yīng)環(huán)境變化來控制基因轉(zhuǎn)錄的重要手段。
最重要的是，這些控制基因轉(zhuǎn)錄活動的化學修飾往往可以通過細胞分裂的過程傳遞給子代細胞。顯然，在這種基因轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的傳遞過程中，DNA堿基序列本身并沒有發(fā)生改變。人們把這種在DNA堿基序列的化學修飾信息傳遞之現(xiàn)象稱為表觀遺傳；由此產(chǎn)生了一門新學科：表觀遺傳學（Epigenetics）。如果把DNA堿基序列的各種化學修飾比喻為不同的顏色，那么 “生命之書”就不再是最初人們認識到單色印刷本，而是一本五顏六色的彩色圖書——不僅用堿基序列寫出的“文字”可以被復(fù)印和傳遞，而且用化學基團涂抹在這本“書”里的各種“顏色”也可以被復(fù)印和傳遞。
經(jīng)典遺傳學觀點認為，生命只采用多核苷酸鏈上的堿基序列保存和傳遞所有可以遺傳的信息，且只有DNA堿基序列上發(fā)生的改變才能夠遺傳給下一代；而環(huán)境等外部因素導致的個體性狀之改變，不論好壞，都不會遺傳給后代；比如個體因膳食不平衡導致的肥胖是不會遺傳給后代的。也就是說，個體在身體內(nèi)建了一道無形的“墻”，讓在環(huán)境作用下機體后天獲得的性狀之信息不能傳遞到其生殖細胞的DNA序列上，因此后代是不會受到親代生存環(huán)境之影響。
表觀遺傳現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)不僅打破了堿基序列是生命遺傳活動唯一載體的教條，而且被一系列研究證明表觀遺傳信息在某些情況下可以從親代遺傳給子代。例如，在斑馬魚受精卵的發(fā)育過程中，來自父本的DNA甲基化修飾模式一直維持著，直至胚胎發(fā)育的囊胚期才被消除；而來自母本染色體的甲基化修飾模式則在胚胎發(fā)育的初期就很快被消除，然后在這些母本染色體上按照父本DNA甲基化修飾模式進行了重建。也就是說，這些源自精子的DNA甲基化修飾模式可以被遺傳到子代，并用來指導子代的胚胎早期發(fā)育。由此可見，表觀遺傳活動把生命的開放性提升到了一個新的高度，使得從外部環(huán)境獲得的信息通過表觀遺傳修飾與機體內(nèi)的DNA堿基序列上信息進行整合，不僅能夠影響個體當下的生理和病理活動，還能夠傳遞給下一代。
要想識別“生命之書”里的堿基“文字”并對相關(guān)的內(nèi)容進行改寫，首先需要的就是DNA測序技術(shù)。早在1977年，生命科學界在測量DNA堿基序列上就取得了重大突破，其中英國科學家桑格（Sanger, F）發(fā)明了酶法，美國科學家吉爾伯特（Gilbert, W）發(fā)明了化學法；同年桑格還利用其技術(shù)測定了第一個生物體——噬菌體X174——的全基因組序列，共5375個堿基。桑格的測序技術(shù)被稱為第一代DNA測序技術(shù)。不過，當今生命科學研究的主流是第二代測序技術(shù)，其主要特點是檢測通量高；它不僅大大降低了測序成本，而且還明顯提高了測序速度，用一代測序技術(shù)完成一個人類基因組30億個堿基的測序需要3年左右的時間，而使用二代測序技術(shù)則可能在1周內(nèi)即可完成。不久前研究者又開發(fā)出了能夠檢測單個多核苷酸分子的第三代測序技術(shù)。
人們往往形容文字編輯活動為“剪刀加漿糊”。而要對“生命之書”里的堿基序列進行編輯也同樣需要“剪刀加漿糊”。研究者開發(fā)出來的“基因剪刀”是各式各樣的核酸酶，其中最常用的是“限制性內(nèi)切酶”；這類酶能夠識別DNA上特定的堿基序列，從而找到準確的剪切位點并實現(xiàn)DNA鏈內(nèi)的定點切割。2012年，美國科學家通過改造細菌的核酸酶系統(tǒng)發(fā)展出一種全新的“CRISPR-Cas9”技術(shù)，它被譽為“基因魔剪”，是目前進行基因編輯最強有力的工具，沒有之一。至于堿基序列剪切之后需要重新連接的“漿糊”，研究者也有針對性地發(fā)展出了若干能夠把DNA 鏈間缺口連接起來的DNA連接酶。
1 移花接木：基因工程的誕生
上個世紀70年代，隨著DNA限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn)，研究者開始了“生命之書”的編寫工作，并把這類在分子水平上對DNA堿基序列進行操作的技術(shù)稱為“基因工程”（genetic engineering）——通常是將外源基因轉(zhuǎn)入到受體細胞，從而使其特性發(fā)生改變或產(chǎn)生新的性狀。在這個過程中，首先是利用限制性內(nèi)切酶把一種生物體（供體）DNA上的特定基因切下來，將其與運載工具（如質(zhì)粒或病毒）上的DNA在體外人工連接而形成新的重組DNA，然后轉(zhuǎn)送到另一種生物體（受體）中進行擴增和表達。
基因工程誕生以來，為人類的福祉做出了巨大的貢獻。生產(chǎn)治療糖尿病的胰島素就是一個典型范例。2022年是胰島素用于臨床治療的第100周年。第一代醫(yī)用胰島素主要是源于?；蜇i的胰腺提取物。這種生產(chǎn)方式不僅比較昂貴，而且產(chǎn)量很低，遠不能滿足臨床需求。1981年，美國研究者利用基因工程技術(shù)，將人的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，通過大腸桿菌大量生產(chǎn)重組人胰島素。從此第一代胰島素產(chǎn)品完全被這個第二代產(chǎn)品所取代。為了進一步提高胰島素的療效和安全性，研究者又對胰島素基因進行精細的改造，獲得了第三代產(chǎn)品——重組胰島素類似物。
基因工程在農(nóng)作物領(lǐng)域同樣發(fā)揮了巨大的作用。當前，“轉(zhuǎn)基因作物”已經(jīng)深入到人們生活的許多方面。1983年，科學家培育出了第一個轉(zhuǎn)基因作物——轉(zhuǎn)基因煙草；到2002年，世界上大約有550到600萬煙農(nóng)種植轉(zhuǎn)基因煙草。1996年，美國的農(nóng)場主開始種植一種轉(zhuǎn)基因大豆——在這種大豆里轉(zhuǎn)入了植物“矮牽牛”的一種抗性基因，從而可以抵抗殺草劑。2021年，美國轉(zhuǎn)基因大豆種植面積占美國大豆種植面積的95%，總產(chǎn)量為1.2億噸。
2 更新?lián)Q代——基因編輯的迭代
雖然基于DNA限制性內(nèi)切酶的基因工程技術(shù)取得了許多突出的成果，但是該技術(shù)在基因編輯的應(yīng)用中也表現(xiàn)出來一些明顯的不足，如實驗流程比較復(fù)雜，結(jié)果獲取需時較長，編寫能力不夠精準等。為此，研究者一直在努力開發(fā)更好的基因編輯技術(shù)，直至2012年，美國科學家杜德娜（Doudna, JA）和卡彭特（Charpentier, E）在細菌的基因編輯系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展出了一種理想的基因編輯技術(shù)——英文的縮寫名稱為“CRISPR-Cas9”。這種技術(shù)的基本原理是：利用一段設(shè)計好的RNA序列“sgRNA”引導DNA內(nèi)切酶“Cas9”至特定的DNA序列上進行剪切。該技術(shù)經(jīng)過不斷的“迭代”，目前不僅可以在細胞的基因組內(nèi)插入長達36000個堿基的外源DNA片段，而且可以對細胞內(nèi)的DNA乃至RNA進行單個堿基的修改。
這類新型基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)顯著提升了人類抗擊疾病的能力，尤其為治療基因堿基序列異常的遺傳性疾病提供了有力的武器。據(jù)統(tǒng)計，目前已知的單基因遺傳病超過9000種，對人類的健康造成了巨大的危害。例如，血紅蛋白基因異常能造成“地中海貧血”，目前全球有近3.5億“地中海貧血”基因的攜帶者；中國長江以南各省是該病的高發(fā)區(qū)，在部分高發(fā)地區(qū)這種基因的攜帶者在人群中超過10%。過去沒有好的治療藥物或方法，重度的地中海貧血患者只能定期進行輸血；而現(xiàn)在則有望利用CRISPR技術(shù)來治療地中海貧血；目前全球進入臨床研究階段的地中海貧血基因編輯治療產(chǎn)品有6個，其中5個是采用CRISPR技術(shù)。
值得注意的是，CRISPR技術(shù)在改良農(nóng)作物品種方面也同樣有著巨大的優(yōu)勢。它不僅可以利用外源基因來改造作物，而且能夠把作物自身的基因按照設(shè)計好的目標直接進行“改寫”。中國科學家高彩霞2013年在世界上首次報道了利用CRISPR技術(shù)編輯水稻和小麥DNA序列的研究工作，并在2014年報道了使用CRISPR技術(shù)修改了小麥的基因序列，從而使編輯后的小麥能夠抵抗小麥白粉病的侵襲。可以說，在CRISPR等一系列基因編輯技術(shù)的推動下，傳統(tǒng)的那種不可控的作物自然育種在未來將轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨瓤煽氐淖魑镌O(shè)計育種。
人工合成生命始終是研究者在探索生命奧秘過程中一個不滅的夢想。早在1828年，德國化學家維勒（Wolher, F）就在實驗室中利用氰酸銨合成了尿素，首次證明了人們可以在實驗室里利用簡單的無機分子合成源自生物體內(nèi)的有機化合物。上個世紀60年代，中國科學家在世界上首次人工合成了第一個具有生物活性的蛋白質(zhì)——由51個氨基酸組成的牛胰島素；于1981年又在世界上首次人工合成了具有生物活性的多核苷酸鏈——由76個核苷酸組成的酵母丙氨酸轉(zhuǎn)移核糖核酸（酵母tRNAAla）。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，研究者近年來在實驗室合成生命的能力也在顯著的提高，他們甚至試圖創(chuàng)作出自然界不存在的“生命之書”。
1 按圖索驥——試管里合成的生命
2010年5月，美國生物學家文特爾（Venter, C）發(fā)布了世界上首個“人造生命”——科學家依據(jù)一種最簡單的細菌基因組序列之信息，首次全人工化學合成了這個完整的、長度超過100萬個堿基的基因組；且含有這一人造基因組的人工細菌能夠展現(xiàn)出相應(yīng)的生命活動。美國《新聞周刊》為此發(fā)表了專題報道，并在其封面刊登了文特爾的頭像并冠以“扮演上帝”（Playing God）的標題。不久前，美國和中國等多國科學家聯(lián)合發(fā)起的“合成酵母基因組計劃”，提出了一個更為宏大的目標——把擁有大約2400萬個堿基的酵母細胞基因組序列用化學合成方式復(fù)制出來；這個項目目前進展估計已經(jīng)過半。
20世紀90年代啟動的“人類基因組計劃”（Human Genome Project, HGP）的目標是，把人類自身這部由30億個堿基構(gòu)成的“天書”通過測序技術(shù)完整地“閱讀”一遍。它的實施為生命科學和醫(yī)學帶來了革命性的變化。而在2016年5月，100多位專家學者在美國哈佛大學開會，提出了要把人類基因組這部“天書”用化學合成的方式在試管里“寫”出來，稱為“人類基因組計劃——編寫版”（HGP-Write）?？梢韵胍?，未來一旦HGP-Write正式實施，必將對人類認識和控制自身帶來更為深遠的影響和意義。
2 奇思妙想——人造新生命的序曲
研究者的腳步并沒有停留在按照自然界已有的“生命之書”進行復(fù)制，而是開始按照人的意愿來創(chuàng)作全新的“生命之書”。例如，美國生物學家文特爾在其化學全合成的首個“人造生命”上進行了設(shè)計和改造，把他認為冗余的或非必需的基因“句子”從該基因組上刪除，化學合成了一個比原基因組堿基序列少了一半的“微型細菌基因組”；而含有這個微型基因組的細胞自我繁殖的速度比具有全長基因組序列的細胞快了幾乎5倍。
自然狀態(tài)下的“生命之書”通常擁有64個“單詞”——遺傳密碼子，用來指導20種天然氨基酸合成蛋白質(zhì)，其中有一些密碼子是冗余的，稱為同義密碼子。2019年，英國科學家發(fā)布了一個“人造”大腸桿菌，它含有一個人工設(shè)計并化學合成的人造大腸桿菌基因組，其中全新設(shè)計并合成的人工基因“句子”大約包含 400 萬個堿基對；在這些人工設(shè)計的基因里，只保留了61個遺傳密碼子，刪除了3個同義密碼子；而這些改造過的基因序列仍然可以制造出正常的蛋白質(zhì)。
研究者不僅試著修改基因“句子”和密碼“單詞”，而且在堿基“字母”上也做起了文章。2014年，美國研究者宣布他們在大腸桿菌的DNA序列里加入了兩種非天然堿基——dNaM和dTPT3，這兩個堿基也能夠在體內(nèi)通過配對和復(fù)制的方式傳遞信息；而在2017年的論文里，這些研究者進一步證明，這兩個插入到天然基因序列里的非天然堿基，同樣能夠指導特定的非天然氨基酸參與蛋白質(zhì)合成?？梢韵胍?，在不遠的將來，很有可能出現(xiàn)超越現(xiàn)存生命形式的全新人工生命體。
注：原文2023年2月25日發(fā)表于《文匯報》，《賽先生》獲作者授權(quán)轉(zhuǎn)載。文字略有修改。
