Back to Top

基因与遗传杂谈——生命科学院张博教授访谈录(三)

guo  2010.03.26   经验与探索   2 条评论 总浏览数:4,687

 

摘要:本文是对张博老师采访的第三部分。在本文中张老师从专业的角度,用通俗的语言,讲述了基因与遗传科学的本质、研究的现状,并对生命科学未来的发展进行了理性的预期。本文可供对生命科学感兴趣的初学者参考,对相关领域的专业人员也会有一定的借鉴意义。
 
一、什么是基因?关于生命的奥秘
记者:基因工程已经是很多科幻小说的题材。有的科幻小说上写,将来人类完全掌握了基因的奥秘,能够设计具有强大能力的新人类、新物种。您能不能从专业的角度用比较通俗的语言来解释一下什么是基因,基因究竟有什么作用?基因科学,遗传科学现在发展到了什么程度?将来会是一个什么前景?
张老师:通俗的讲什么是基因?这个问题太难了。科学往往是这样,越基本的问题越难说清楚。
李鑫:基因这个概念从很早,从定义它开始就一直在发展,不断地在变。
记者:那你学了遗传学以后,怎么理解基因?
李鑫:如果答考试的名词解释,我就会说,基因就是染色体上具有遗传效应的DNA分子片段。
张老师:很多人都见过DNA分子的那个双螺旋结构。双螺旋结构的意义之一是它的稳定性,双螺旋给自己转起来了,不容易受外界影响,否则无法维持正常的生命活动并保持种群的一致性;另外一个意义就是遗传,双螺旋结构展开后,分别做为模板就可以复制为两个DNA。所谓遗传就是DNA或基因的复制与传递。一部遗传学发展的历史,就是研究基因的历史。基因的概念在不断发展,到现在还没有一个非常确切、完整的定义。
记者:那么基因怎么控制生物体生长的?比如说一个个体长成某个样子,胳膊长多长,手指头多长,为什么手指头末端会长出指甲来,包括汗毛怎么长出来等等。基因类似于计算机二进制代码,最后怎么翻译、描述、控制生物的形态?
张老师:这是中心法则的问题。皮肤、毛发、指甲,实际上大部分是蛋白质,或者说是四类生物大分子构成的,核酸、蛋白质、脂类、糖类。任何一个生命体包含的有生物活性的大分子,都属于这四类。这四类里,最重要的是核酸,核酸就是DNA、RNA,它直接或间接地指导另外三类分子的生成。核酸直接控制蛋白质合成,就是通过编码基因里碱基对的序列。大部分基因编码的产物是蛋白质。我们身上有几万不同种类的蛋白质,有的是让肌肉收缩的,有传递信息的,有起保护作用的等等。基因(脱氧核糖核酸)通过转录产生对应的RNA(核糖核酸),RNA通过翻译产生对应的蛋白质;有什么样的基因,就会产生什么样的蛋白质。这就是中心法则的核心内容。遗传学从诞生到现在一直在探索,基因到底是什么?基因怎么让一个生命就成了这个样子?具体的控制过程与逻辑,到现在也没完全回答,不能翻译成我们人类的语言。我们就是做这个事情的。
记者:基因研究现在进展到什么程度?有些基因片段对应于什么性状是不是有大概的认识?
张老师:有很多突变的研究,告诉我们某个基因是干什么的。比如说人有白化病,某个基因的缺陷造成缺少一种酶,酪氨酸代谢出问题,黑色素合成不了,人就会得白化病。在这种情况下,基因和性状的对应非常清楚。最早研究野生的果蝇,眼睛是红的,突然发现有一只果蝇眼睛是白的,我们能找到是哪个基因变了,这性状和基因的对应关系也很清楚。粗略地估计,人至少有三万个基因。这三万个基因分别是干什么的?只有很小很小一部分,大约百分之一的基因可能精确知道,百分之十的基因可能粗略知道,百分之九十的基因都不知道。
另外,从基因的概念来讲,核酸或者DNA片段和基因还不能完全画等号,为什么呢?三万个基因只占人类全部染色体基因组的不到百分之二,剩下的百分之九十八是什么我们更是不知道了,至少目前我们不能把它叫做狭义上的基因。
记者:也就说基因组有大量的冗余。
张老师:可以说是冗余,有人干脆说是垃圾,但现在不能肯定。也许这种存在有很重要的、未被发现的意义。
记者:把那些“多余”基因去掉看看有没有影响,不是可以得到一些结论吗?有没有人做这方面的研究?
张老师:很好的主意,符合遗传学的研究思路。现在研究基因的主要方法就是把它破坏了,看看这个生物体发育成什么模样。要是没眼睛了,那这个基因就是管眼睛发生的。很多基因的功能就是用这种方式发现的。对于百分之九十八所谓的垃圾DNA呢,也可以这样做,但是做起来就更难了,因为你无从下手。到底破坏它哪一段呢?因为正常基因有很确定的结构,我知道我这么一破坏它肯定就不行了;而垃圾DNA,你不知道破坏多大,破坏多少,破坏成什么样,它才能够没有用。有人在研究这个东西,但是非常难。
记者:您刚才说DNA直接控制蛋白质合成,但这几万种蛋白质长到什么地方,长多少怎么控制呢?对这方面的研究进展如何?
张老师:这是一个非常好的问题,是发育遗传学或者叫发育生物学研究的。每个生命体都是从一个单细胞来的,大象也是从一个细胞来的。一个细胞不断分裂、分化,最后多少个亿、甚至上百万亿的细胞组成了一个人体,组成一个大象,组成一个完整的生命体。这就是发育的过程。那么,从单细胞受精卵到多细胞生物体到底是怎么一步一步来的?对于这个过程,细胞生物学家看到的是一个个形态、功能各异的细胞,而从遗传学的角度来看,这本质上都是由基因控制的。细胞则是基因发挥作用的舞台。基因是怎么控制的?简单地说,基因是通过RNA或蛋白质作为它的代言人来完成这个任务的。总体而言,基因既决定蛋白质的性质,也控制蛋白质在什么时候、什么地方合成,还能决定蛋白质产生的量。但是,这种在时间和空间、质和量上的控制靠的不仅仅是跟某一个蛋白质相对应的那个基因,还要靠其它基因编码的其它蛋白质。也就是说,基因控制某个特定的蛋白质的性质和合成,其它蛋白质也可以影响这个特定的蛋白质的产生过程。基因并不是孤立的,而是相互之间有合作与协调。三万个基因就能决定一个受精卵变成一个人,这里面太复杂了。如果能把这个过程说清楚,那么生命科学也差不多可以说成熟了。现在很多地方说不清,我们只能分割来看,比如刚才说的白化病,还有双眼皮也是遗传的,等等。我们一个一个基因来研究,等把每个基因研究透了,整个的picture就出来了,怎么变成一个人就知道了。这是发育生物学要解决的问题,但还有很长的路要走。
记者:基因跟生命体的宏观性状,是一一对应的吗?还是说有某种群体、交叉的作用?象人的宏观特征远不只三万个吧,可能几百万都不止,三万个基因如何控制这么多生命特征?
张老师:这也是一个非常好的问题。三万个基因不是各自独立,我管这个他管那个,要是这样事情就简单了。每个基因都跟另外三万个基因有千丝万缕的联系,生命科学的研究,难就难在这。有一一对应的情况,比如这个基因坏了就会得白化病,但大部分情况下破坏了一个基因,会出现千奇百怪的结果,因为其它的基因都在参与这个作用。
一个基因可以影响很多种性状,很多种基因可以影响某一个性状,是交叉的、网络形的。
记者:基因既然与生命体宏观性状不是一一对应的,一个基因突变可能产生复杂的影响,一个宏观性状的改变也可能要多个基因发生突变。从进化的角度来讲,基因突变产生优势物种并遗传下去的概率是不是太低了?有没有可靠的数学模型可以证实这一点?有人攻击进化论就说,单纯靠基因突变不可能产生如此复杂的生命体。
张老师:严格的数学证明我确实没有见过,但理论上来讲应该是可行的。达尔文提出的进化论,基础就在于承认生存环境、资源是有限的,但是生物体有一个天然过度繁殖的本能。一个生物体活着的意义,就是要产生尽量多的后代,去扩散它的基因,尽量让它的基因在种群里占更高的比例。更大层次上,生物体要让它所属的这个种群有尽量多的数量。生物体每个后代都会带有很多的突变,突变率我们可以算出来,大约是10-6(百万分之一)。象人类单倍体基因组有30亿个核苷酸对,10-6乘再以30亿,再加上现在60亿人口,突变的几率是很高的。对于较低等的生命,特别是微生物,繁殖速度和个体数量都高出人类几个数量级,突变产生的可能性就更高了。不断适应性的突变积累起来到一定程度,再去跟它祖先一比,就面目全非了,新的物种就出来了。
这个过程我觉得从数学上来讲没有问题,因为纵向的时间尺度加上横向的核苷数量都很大。但生命科学是一个实验科学,要证实一个东西,一定要能用实验来证明它。进化论最大的问题就在于永远不可能用实验来证明,因为不可能在进化所需要的时间尺度上做实验。
记者:不是有很多繁殖很快的生物吗?
李鑫:对,达尔文当初就用家养动物,鸡鸭一类的,然后人工选择,研究后代的变化。
张老师:猪、狗、牛、羊、小鼠之类,这些家养动物性状的改变,是一个人工选择进化的过程。自然选择很漫长,有随机性,人工选择就很快了。从这个角度来讲,进化论在家畜的饲养优化、农作物育种里面得到了很好的体现。人工选择就是一个人工加速进化的过程,所以进化论虽然不能直接用实验检验,但有间接实验证据的支持。
李鑫:有很多短期的实验。比如说同一种类的鱼,往往在河流上游的比较肥大,产卵、繁殖慢,运动也慢;下游的鱼产卵比较快,繁殖后代也比较多,但形体较小。后来有人就把下游的鱼换到上游去,把上游的鱼换到下游。过了十多年之后,上下游的鱼又变成原来那个样子了。我觉得这就是进化论一个很好的证据。
张老师:不过进化论本身确实也存在很多不完善的地方,这就需要不断“进化”了。
二、基因工程与生命科学发展前景展望
记者:我看过一部科幻短篇小说叫《魔鬼积木》,把基因做成积木组合起来,可以按需要设计生命体。这种小说写的在科学上有没有可能和可行性?
李鑫:把从基因到编码调控那一套系统全部建立起来之后,我觉得应该可行。
张老师:我觉得可能性是存在的,但要多长时间就不好讲了。
记者:现在基因研究,只有等生命个体发育成熟以后,才能看到它到底是什么样子。未来某一天,是不是把一个基因组输入计算机,就能算出生命体未来发育的样子?
张老师:目前还做不到,基因与基因的调控机制远没有搞清楚,但存在这种可能性。而且我相信基因研究是一种加速发展的过程,现在的发展速度惊人,超出我们想象了。我觉得什么可能性都存在,包括克隆人,这是很令人担忧的事情,因为技术上没有太大的障碍了。
记者:会有秘密组织在秘密的基地进行这种研究,象科幻小说上描写的?
张老师:只要有钱,再给他时间,真是有可能的。技术的发展是双刃剑,就像原子弹似的。人能够做到去改变物种,去创造新物种,这不是道德、甚至不是法律能够完全禁止、控制的。当然大家应该是努力去控制,不要对人类造成危害。教育不光是教知识,还要有人性的教育。人首先是有社会责任的,不能说科学家就能为所欲为,尤其对遗传学来讲。因为遗传学跟社会的联系最为紧密。我认为生命科学的教学里应该体现人文精神,不仅要向学生传授知识,同样要向学生灌输善待知识、善待生命、善待人生的理念,鼓励学生努力用知识造福人类,而不是为了某些利益去危害人类。我在每年的第一次遗传学课的最后都会跟同学们共勉:“珍惜生命、关爱生命、尊重生命、把握生命。”
记者:但基因时代总会到来,不管我们是否愿意看到,不管对人类社会会造成什么影响,也不管是否会破坏我们现在的价值与道德体系。这正如工业时代与信息时代的到来一样。为了不在未来社会中单纯扮演“受害者”的角色,我觉得我们应积极进行生命科学研究,这也是国家安全所在。
记者:还想请教您一些问题。从遗传学角度来讲,有没有记忆遗传的可能性?就是说父辈的一些经历能不能遗传?如果可以对基因进行改造,有没有可能产生记忆遗传?这也是科幻小说的题材。
张老师:根据现在的知识,还没有记忆遗传的证据,但我觉得不排除这种可能性,这应该属于“获得性遗传”的问题。按拉马克的获得性遗传理论解释长颈鹿脖子为什么这么长,就是:长颈鹿的脖子开始没那么长,为了吃树上的叶子,就拼命的伸脖子,脖子越拉越长。这一代拉长一点,这个性状传给下一代,下一代再拉长一点,慢慢就成了今天的长脖子。从现代遗传学理论体系来讲,获得性遗传是完全错误的。之所以出现长颈鹿这个物种,是因为基因突变,某个个体脖子长了一节,这个变化有利于它吃到高树上的叶子,它生存力就强,繁殖的后代就多。通过长时间的自然选择,就成了现在这个样子。
但现在有一个很新的遗传学研究领域,叫表观遗传学。简单地来说就是,在某种情况下,生物性状能反过来影响DNA,DNA后天变了,变了以后就能够传下去。有这么一个表观遗传现象,就有人说,获得性遗传也是有基础的,也是能够做到的。
关于你说的记忆遗传,涉及遗传学一个很重要也很难以对付的课题,就是神经活动。学习记忆,包括思维、推理,还包括语言,都有其遗传基础,但更复杂。我觉得有一天如果能把这个神经活动遗传机制搞清楚的话,记忆的遗传倒不一定是不可能的。比如说,你记住这个英文单词,可能就是因为通过某个基因,编码了一个特殊的记忆蛋白,对应着这个单词。如果知道了这个机制,就可以想办法把这个蛋白怎么放在你的脑子里。你没学,一放进去你就有了这种记忆。当然现在这还是纯粹的想象。
 
===================
采访记者:郭九苓
采访时间:2009年9月8日,上午9:30-13:00
录音整理:安胺
文字编辑:范晓,余鹏,郭九苓,张博
定稿时间:2010年1月7日,经张博老师审订。
 
 

2 条评论

  1. 把从基因到编码调控那一套系统全部建立起来之后,我觉得应该可行。

  2. [...]  基因与遗传杂谈——生命科学院张博教授访谈录(三) [...]