1953年2月28日，第一個(gè)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型誕生，引發(fā)生物學(xué)研究的重大革命，開啟了分子生物學(xué)時(shí)代。

　　今年是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)70周年。過去70年間，人類逐步了解了書寫“生命天書”的基本“字母”和“書寫”規(guī)則，更在不斷深入“閱讀”其內(nèi)容的基礎(chǔ)上，開啟了全新的“創(chuàng)作”之路。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，指引著人類從認(rèn)識(shí)基因走向合成生命，在造福人類自身的同時(shí)，也將給未來世界帶來更多可能。

　　“龍生龍，鳳生鳳，老鼠生兒會(huì)打洞”。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。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(gè)夢(mèng)想在1953年終于得到了實(shí)現(xiàn)——美國科學(xué)家沃森和英國科學(xué)家克里克提出了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的。在此基礎(chǔ)上，分子生物學(xué)誕生，現(xiàn)代生命科學(xué)的“帷幕”也就此正式拉開。

　　過去70年間，人類認(rèn)識(shí)到生命最根本的基石是四個(gè)“堿基字母”及其相應(yīng)的“書寫規(guī)則”，并由此打開“生命之書”的閱讀之門，進(jìn)入了比世界上任何一個(gè)圖書館藏書都要豐富的“生命之書”殿堂。

　　“生命之書”之 閱讀篇

　　研究者從DNA雙螺旋模型中認(rèn)識(shí)到，生命的底層邏輯是“文字”，即用“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(gè)堿基組成一個(gè)類似單詞的遺傳密碼子，對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的氨基酸。蛋白質(zhì)是執(zhí)行生命活動(dòng)的主要功能元件，由多個(gè)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)成一個(gè)密碼子，總數(shù)為64，所以生物體擁有64個(gè)密碼子“單詞”。

　　由于生物體用來合成蛋白質(zhì)的天然氨基酸只有20種，因此除了兩種氨基酸(甲硫氨酸和色氨酸)分別由一個(gè)密碼子決定以外，其他18種氨基酸分別對(duì)應(yīng)2到6個(gè)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(dǎo)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(shí)采用了“寫書”的方式，只需4個(gè)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(xué)功能。

　　認(rèn)識(shí)編碼基因

　　從“一字一義”到“復(fù)雜句式”

　　研究者最初認(rèn)為，一個(gè)編碼基因用于指導(dǎo)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(diǎn)在大腸桿菌等簡單生物體上基本成立，但在動(dòng)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(gè)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”，不編碼的稱為“內(nèi)含子”。換句話說，“斷裂基因”好比一段完整的“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。比如，在用于制造面包和啤酒的酵母細(xì)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(shí)會(huì)發(fā)展出這樣的策略?這看上去與人類的文字創(chuàng)作歷史有著某種相似之處。在文學(xué)發(fā)展早期，創(chuàng)作者以描述為主，每句話都比較明確。但隨著文學(xué)的發(fā)展，創(chuàng)作者希望在一個(gè)句子里表達(dá)出不同的內(nèi)容和感覺，從而發(fā)展出了復(fù)雜句式。比如，愛爾蘭作家喬伊斯在其著名的“意識(shí)流”小說《尤利西斯》的許多句子中，就摻雜了沒有意義的文字。

　　對(duì)擁有這種策略的復(fù)雜生物體而言，一個(gè)斷裂基因內(nèi)多個(gè)外顯子通常會(huì)受到不同的剪切和拼接，即“可變剪接”——如果把不同的外顯子用可變剪接方式進(jìn)行連接，一個(gè)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)大約是兩萬多個(gè)，而能夠制造出的蛋白質(zhì)種類顯然要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)目。

　　發(fā)現(xiàn)表觀遺傳

　　生命“涂抹”的色彩也可傳代

　　“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(zhǔn)地控制這些基因，以便在需要時(shí)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(gè)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(dǎo)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(xué)基團(tuán)修飾，其中最常見的是甲基化修飾。而DNA甲基化修飾的主要功能正是促進(jìn)或抑制某個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄活動(dòng)。由于DNA堿基序列上的化學(xué)修飾通常受到機(jī)體內(nèi)外環(huán)境的調(diào)節(jié)，這就成了生命響應(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(dòng)的化學(xué)修飾往往可以通過細(xì)胞分裂的過程，傳遞給子代細(xì)胞。顯然，在這一過程中，DNA堿基序列本身并沒有發(fā)生改變。人們把這種在DNA堿基序列上的化學(xué)修飾信息傳遞現(xiàn)象稱為表觀遺傳，并由此產(chǎn)生了一門新學(xué)科：表觀遺傳學(xué)。

　　如果把DNA堿基序列的各種化學(xué)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(rèn)識(shí)到的單色印刷本，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，用化學(xué)基團(tuán)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(xué)觀點(diǎn)認(rèn)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(dǎo)致的個(gè)體性狀之改變，不論好壞，都不會(huì)遺傳給后代。

　　比如，個(gè)體因膳食不平衡導(dǎo)致的肥胖是不會(huì)遺傳給后代的。也就是說，個(gè)體在身體內(nèi)建了一道無形的“墻”，機(jī)體在環(huán)境作用下后天所獲得的性狀信息，無法隔“墻”傳遞到其生殖細(xì)胞的DNA序列上，因此后代是不會(huì)受到親代生存環(huán)境之影響。而表觀遺傳現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)不僅打破了堿基序列是生命遺傳活動(dòng)唯一載體的教條，而且一系列研究證明，表觀遺傳信息在某些情況下可以從親代遺傳給子代。

　　由此可見，表觀遺傳活動(dòng)把生命的開放性提升到了一個(gè)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(jī)體內(nèi)的DNA堿基序列上的信息進(jìn)行整合，不僅能夠影響個(gè)體當(dāng)下的生理和病理活動(dòng)，還能夠傳遞給下一代。

　　“生命之書”之 編寫篇

　　人類認(rèn)識(shí)自然的一個(gè)主要目的是要改造自然，為人類服務(wù)。同樣，人類也不會(huì)停留在對(duì)生命的“閱讀”階段，而是努力地發(fā)展各種新技術(shù)去改造生命。為了改寫“生命之書”，研究者發(fā)展出了兩種基本工具：識(shí)別“字母”——測(cè)定DNA上4種堿基的排列順序;編輯“文字”——剪切和連接DNA上的堿基序列。

　　要想識(shí)別“生命之書”里的堿基“文字”并對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行改寫，首先需要的就是DNA測(cè)序技術(shù)。早在1977年就誕生了第一代DNA測(cè)序技術(shù)。不過，當(dāng)今生命科學(xué)研究的主流是高通量的第二代測(cè)序技術(shù)。它不僅大大降低了測(cè)序成本，還顯著提高了測(cè)序速度，用一代測(cè)序技術(shù)完成一個(gè)人類基因組30億個(gè)堿基的測(cè)序需要三年左右的時(shí)間，而使用二代測(cè)序技術(shù)則可能在一周內(nèi)完成。不久前，研究者又開發(fā)出能夠檢測(cè)單個(gè)多核苷酸分子的第三代測(cè)序技術(shù)。

　　人們往往用“剪刀加漿糊”形容文字編輯工作。要對(duì)“生命之書”里的堿基序列進(jìn)行編輯，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(shí)別DNA上特定的堿基序列，從而找到準(zhǔn)確的剪切位點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)DNA鏈內(nèi)的定點(diǎn)切割。

　　2012年，美國科學(xué)家通過改造細(xì)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(yù)為“基因魔剪”，是目前進(jìn)行基因編輯最強(qiáng)有力的工具，沒有之一。堿基序列被剪切之后，需要用“漿糊”重新連接，為此，研究者有針對(duì)性地發(fā)展出了若干DNA連接酶，以便把DNA鏈間缺口連接起來。

　　基因工程誕生

　　生命“移花接木”帶來人類福祉

　　上世紀(jì)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(duì)DNA堿基序列進(jìn)行操作的技術(shù)稱為“基因工程”——通常是將外源基因轉(zhuǎn)入到受體細(xì)胞，從而使其特性發(fā)生改變或產(chǎn)生新的性狀。在這個(gè)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(yùn)載工具(如質(zhì)粒或病毒)上的DNA在體外人工連接，形成新的重組DNA，然后轉(zhuǎn)送到另一種生物體(受體)中進(jìn)行擴(kuò)增和表達(dá)。

　　基因工程誕生以來，為人類的福祉做出了巨大貢獻(xiàn)。生產(chǎn)治療糖尿病的胰島素就是一個(gè)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牛或豬的胰腺提取物。這種生產(chǎn)方式不僅昂貴，而且產(chǎn)量很低，遠(yuǎn)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(gè)第二代產(chǎn)品所取代。為了進(jìn)一步提高胰島素的療效和安全性，研究者又對(duì)胰島素基因進(jìn)行精細(xì)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)揮了巨大作用。1983年，科學(xué)家培育出了第一個(gè)轉(zhuǎn)基因作物——轉(zhuǎn)基因煙草;到2002年，世界上大約有550萬到600萬煙農(nóng)種植轉(zhuǎn)基因煙草。1996年，美國的農(nóng)場(chǎng)主開始種植轉(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，從而可以抵抗除草劑。2021年，美國轉(zhuǎn)基因大豆種植面積占美國大豆總種植面積的95%，總產(chǎn)量為1.2億噸。

　　基因編輯迭代

　　為治愈遺傳病點(diǎn)亮希望之光

　　基于DNA限制性內(nèi)切酶的基因工程技術(shù)極大改善了人類的生產(chǎn)生活，但該技術(shù)在基因編輯的應(yīng)用中也表現(xiàn)出來一些明顯的不足，比如實(shí)驗(yàn)流程比較復(fù)雜，結(jié)果獲取需時(shí)較長，編寫能力不夠精準(zhǔn)等。

　　為此，研究者一直在努力開發(fā)更好的基因編輯技術(shù)。2012年，美國科學(xué)家道德娜和沙爾龐捷在細(xì)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)“CRISPR-Cas9”。這種技術(shù)的基本原理是：利用一段設(shè)計(jì)好的RNA序列“sgRNA”引導(dǎo)DNA內(nèi)切酶“Cas9”至特定的DNA序列上進(jìn)行剪切。該技術(shù)經(jīng)過不斷迭代，目前不僅可以在細(xì)胞的基因組內(nèi)插入長達(dá)3.6萬個(gè)堿基的外源DNA片段，而且可以對(duì)細(xì)胞內(nèi)的DNA乃至RNA進(jìn)行單個(gè)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武器。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前已知的單基因遺傳病超過9000種，對(duì)人類的健康造成了巨大危害。

　　例如，血紅蛋白基因異常會(huì)導(dǎo)致“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，我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，由于沒有好的治療藥物或方法，重度地中海貧血患者只能定期進(jìn)行輸血;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(jìn)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(gè)，其中5個(gè)是采用CRISPR技術(shù)。

　　值得注意的是，CRISPR技術(shù)在改良農(nóng)作物品種方面同樣有著巨大優(yōu)勢(shì)。它不僅可以利用外源基因來改造作物，還能夠把作物自身的基因按照設(shè)計(jì)好的目標(biāo)直接進(jìn)行“改寫”。2013年，中國科學(xué)家高彩霞在世界上首次報(bào)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(bào)道了使用CRISPR技術(shù)修改小麥的基因序列，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(dòng)下，傳統(tǒng)的那種不可控的作物自然育種未來將轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨瓤煽氐淖魑镌O(shè)計(jì)育種。

　　“生命之書”之 創(chuàng)作篇

　　人工合成生命始終是研究者在探索生命奧秘過程中一個(gè)不滅的夢(mèng)想。

　　早在1828年，德國化學(xué)家維勒就在實(shí)驗(yàn)室中利用氰酸銨合成了尿素，首次證明人類可以在實(shí)驗(yàn)室里利用簡單的無機(jī)分子合成源自生物體內(nèi)的有機(jī)化合物。上世紀(jì)60年代，中國科學(xué)家在世界上首次人工合成了第一個(gè)具有生物活性的蛋白質(zhì)——由51個(gè)氨基酸組成的牛胰島素;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(gè)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來研究者在實(shí)驗(yàn)室合成生命的能力也在顯著提高，他們甚至試圖創(chuàng)作出自然界中不存在的“生命之書”。

　　試管里合成生命

　　人類基因組計(jì)劃將出“編寫版”

　　2010年5月，美國生物學(xué)家文特爾發(fā)布了世界上首個(gè)“人造生命”——科學(xué)家依據(jù)一種最簡單的細(xì)菌基因組序列信息，首次全人工化學(xué)合成了這個(gè)完整的、長度超過100萬個(gè)堿基的基因組。而且，含有這一人造基因組的人工細(xì)菌能夠展現(xiàn)出相應(yīng)的生命活動(dòng)。

　　不久前，美國和中國等多國科學(xué)家聯(lián)合發(fā)起的“合成酵母基因組計(jì)劃”，提出了一個(gè)更為宏大的目標(biāo)——把擁有大約2400萬個(gè)堿基的酵母細(xì)胞基因組序列用化學(xué)合成的方式復(fù)制出來，目前這個(gè)項(xiàng)目進(jìn)展估計(jì)已經(jīng)過半。

　　上世紀(jì)90年代啟動(dòng)的“人類基因組計(jì)劃”的目標(biāo)，是把人類自身這部由30億個(gè)堿基構(gòu)成的“天書”通過測(cè)序技術(shù)完整地“閱讀”一遍。它的實(shí)施，為生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)帶來了革命性變化。2016年5月，百余位專家學(xué)者提出，要把人類基因組這部“天書”用化學(xué)合成的方式在試管里“寫”出來，稱為“人類基因組計(jì)劃——編寫版”(HGPWrite)。可以想見，一旦HGP-Write正式實(shí)施，必將對(duì)人類認(rèn)識(shí)和控制自身帶來更為深遠(yuǎn)的影響和意義。

　　設(shè)計(jì)和改造生命

　　按照人的意愿進(jìn)行全新創(chuàng)作

　　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(jìn)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(xué)家文特爾在其化學(xué)全合成的首個(gè)“人造生命”上進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改造，把他認(rèn)為冗余的或非必需的基因“句子”從該基因組上刪除，化學(xué)合成了一個(gè)比原基因組堿基序列少了一半的“微型細(xì)菌基因組”。而含有這個(gè)微型基因組的細(xì)胞，其自我繁殖的速度比具有全長基因組序列的細(xì)胞快了近五倍。

　　自然狀態(tài)下的“生命之書”通常擁有64個(gè)“單詞”——遺傳密碼子，用來指導(dǎo)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(xué)家發(fā)布了一個(gè)“人造”大腸桿菌，它含有一個(gè)人工設(shè)計(jì)并化學(xué)合成的人造大腸桿菌基因組，其中全新設(shè)計(jì)并合成的人工基因“句子”大約包含400萬個(gè)堿基對(duì);在這些人工設(shè)計(jì)的基因里，只保留了61個(gè)遺傳密碼子，刪除了3個(gè)同義密碼子，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”，還在堿基“字母”上做起了文章。2014年，美國研究者宣布他們?cè)诖竽c桿菌的DNA序列里加入了兩種非天然堿基——dNaM和dTPT3，這兩個(gè)堿基也能夠在體內(nèi)通過復(fù)制的方式傳遞信息。而在2017年的論文里，這些研究者進(jìn)一步證明，這兩個(gè)插入到天然基因序列里的非天然堿基，同樣能夠在蛋白質(zhì)合成中引導(dǎo)特定的非天然氨基酸。