基因如何決定我們的生命？人類基因組計(jì)劃可以破解生老病死之謎嗎？

我們的生命由何決定？基因在各種生命活動中可以說占據(jù)了主導(dǎo)，而人類對它的探索，一經(jīng)開始就從未停止過。

一枚小小的受精卵，發(fā)育成四肢健全的人體，擁有獨(dú)一無二的容貌，卻又經(jīng)歷相似的成熟、衰老……我們體內(nèi)像是有一本詳細(xì)的說明書，指導(dǎo)著生命有條不紊地推進(jìn)。

這部“生命之書”寫在名為DNA的遺傳物質(zhì)上。DNA，全稱“脫氧核糖核酸”，是由含不同堿基的核苷酸分子排列組合而成的。核苷酸分子最主要的差異部分是堿基。共有4種，分別簡稱為A、T、C、G。其中A與T，C與G總是成對、互補(bǔ)地出現(xiàn)在DNA雙鏈的兩側(cè)。堿基的排列順序稱為“序列”。DNA的序列是編碼蛋白質(zhì)的依據(jù)。能編碼出完整蛋白質(zhì)的序列片段就是 “基因”。如果把DNA比作一座巨大的圖書館，“基因”就相當(dāng)于其中的一本本書。

圖：配圖來自圖蟲網(wǎng)

一套完整的DNA序列稱為一個“基因組”。人類的基因組由約30.55億個堿基對組成，包含約2.5萬個基因，能指導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)的氨基酸組裝成不同功能的蛋白質(zhì)。例如，紅細(xì)胞中的血紅蛋白，能捕獲血液中的氧分子；角蛋白可以彼此緊密連接，形成堅(jiān)硬的指甲。

每個人體細(xì)胞中都有一套近乎完全相同的DNA，但有些基因只在特定器官，或特定的時(shí)間段工作。胰島素是能降低血糖的激素，由胰臟內(nèi)的胰島β細(xì)胞分泌。它也是一種蛋白質(zhì)。當(dāng)血糖過度升高，血液中的信號分子會通知胰島β細(xì)胞，打開DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的一部分，也就是胰島素基因，合成胰島素蛋白。一旦產(chǎn)生了足夠的胰島素，會有其他信號分子來通知胰島β細(xì)胞，讓胰島素基因停止工作。這就像你從DNA圖書館里拿了一本胰島素的書，看完了再把它放回去。

人類基因組的相似性高達(dá)99.9%，剩余0.1%的差異和環(huán)境因素共同造就了每個人獨(dú)特的外貌、體質(zhì)、壽命等等。人的一生中，DNA的序列也會變化。細(xì)胞復(fù)制過程中的錯誤，紫外線、藥物等的刺激，都可能造成堿基的缺失或位置移動。如果因此導(dǎo)致基因改變，合成出異常的蛋白質(zhì)，就可能導(dǎo)致疾病。如果有個可供參考的基因組序列，就能從源頭上，研究個體差異和疾病的原因了。

于是，1990年，“人類基因組計(jì)劃”正式啟動。它的核心目的就是繪制出人類基因組的完整序列圖，進(jìn)而研究與生老病死相關(guān)的眾多基因的差異和相互關(guān)系。第一個人類基因組的發(fā)布?xì)v時(shí)近13年，耗資超過30億美元，集結(jié)了全球多國的努力，中國也參與其中。序列數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上免費(fèi)公開，極大推動了全球基因領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。之后，基因測序技術(shù)開始飛速發(fā)展，測序效率不斷加快。如今，獲得單人基因組序列的成本已降至約1000美元，結(jié)果幾天內(nèi)就能獲取。

其實(shí)，2003年獲得的序列圖譜并不完整，只完成了92%。由于技術(shù)限制，有一部分未能順利測序。要知道，人體的一套DNA分子如果完全展開，可長達(dá)2米，自然塞不進(jìn)直徑僅幾微米的細(xì)胞里。為了節(jié)約空間，DNA分子通常纏繞、壓縮成致密的染色體，藏在細(xì)胞核中。染色體中部狹窄的 “著絲粒”是細(xì)胞分裂時(shí)復(fù)制后染色體開始分裂的位置；染色體末端的“端?！?，其長度隨著衰老而逐年變短?？墒沁@兩個重要部位的序列都含有大量的重復(fù)片段。當(dāng)年的測序儀效率很低，并且只能讀短短幾百個堿基的序列，再一段段拼起來。就好比玩拼圖，如果拼圖很小，圖案的顏色形狀又非常相似，就很難判斷它們的順序了。經(jīng)過近20年的探索，在高通量測序儀和能連續(xù)讀取幾萬個堿基的測序技術(shù)的幫助下，2022年，這缺失已久的8%終于被解鎖了。新版本的人類基因組擴(kuò)增了約2億個堿基，包括1956個預(yù)測基因，為研究疾病和分析人類演變提供了重要的依據(jù)。

在未來，基因探索還會給我們帶來什么，它將如何拓展人類生命和認(rèn)知的極限，沒人知道答案。

參考文獻(xiàn)
1．Nurk S, Koren S, Rhie A, et al. The complete sequence of a human genome[J]. Science, 2022, 376(6588): 44-53.’
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本文為科普中國·星空計(jì)劃扶持作品
作者：徐斯佳（京都大學(xué) 醫(yī)學(xué)博士）
審核：陶寧（中科院生物物理所 副研究員）
出品：中國科協(xié)科普部
監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司