DNA雙螺旋:解讀生命的奧秘

2020-11-28 中國科學院

山西臨汾的施良飛越看自己的女兒越不像自己,也不像自己的妻子。2001年7月9日,他攜妻帶女一同到北京做DNA親子關係鑑定。結果令他和妻子大吃一驚……

一隻羊或牛不再像以前那樣只是為人類提供肉類和皮革,通過克隆技術、轉基因技術,這隻羊或牛就會變成一個製藥廠,生產著基因技術所需要的各種各樣的藥物……未來一個人的醫院病歷很簡單,就是一張CD盤,其中含有病人的全部遺傳信息……

小酒館裡宣稱發現生命的秘密

1953年,年僅25歲的詹姆斯·沃森和37歲的弗朗西斯·克裡克共同完成了一項偉業:他們從DNA(脫氧核糖核酸)的X光衍射圖上解讀了它的雙螺旋結構。當時大多數人對於這一發現並沒有予以關注,就連當時的媒體,也只有一家小報(現早已停刊)稍作報導。然而隨著時光流轉,DNA雙螺旋結構的發現對人類社會產生的影響與日俱增,克隆技術、基因工程、生物晶片技術等都與之不可分割。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員莫鑫泉說,DNA雙螺旋結構的發現開啟了分子生物學時代。它使生物大分子的研究進入一個嶄新的階段,使遺傳的研究深入到分子層次,「生命之謎」被打開,人們清楚地了解遺傳信息的構成和傳遞的途徑。50年來,分子遺傳學、分子免疫學、細胞生物學等新學科如雨後春筍般出現,一個又一個生命的奧秘從分子角度得到了更清晰的闡明,DNA重組技術更是為利用生物工程手段的研究和應用開闢了廣闊的前景。

有趣的是,在發現DNA雙螺旋結構時,沃森是一個剛剛邁出校門不久的大學生,而克裡克則是一個不懂遺傳學的、一個不得志的物理學家。然而就是這兩個人,改寫了生物學的歷史。他們的研究成果被譽為可與達爾文的進化論、孟德爾的遺傳定律相媲美的重要科學發現。

關於DNA雙螺旋結構的發現日期還有一段小「故事」。1953年2月28日,37歲的克裡克走進英格蘭劍橋大學的雄鷹酒館,在那裡他向一群困惑的聽眾宣布,他和一位朋友發現了「生命的秘密」。然而包括沃森在內的許多科學家卻都認為,只有當沃森和克裡克於1953年4月25日在《自然》雜誌上首次發表關於DNA雙螺旋結構的論文時,生命的秘密才算得上是真正展現在人類面前。正因此,中國遺傳學會將在這一論文發表50周年之際,於4月20-24日在南京舉行隆重的學術紀念研討會,國家有關部門也將在4月24日舉行相關紀念活動。

「發現DNA雙螺旋結構的意義對生物學來說怎麼估量都不為過。」莫鑫泉先生對記者說:「用雙螺旋結構解釋遺傳是如何進行的,這是人類對自己、對生物學認識的巨大飛躍。發現雙螺旋之前,科學家對生命現象進行了長期的思考與研究:是什麼因素使人類能夠一代一代地將遺傳特性保持下去?」的確,就是一個桌子還有腐朽變壞的時候,為什麼人類就能代代延續?什麼決定了人生人,老鼠生老鼠?

在20世紀初,沒有人能夠想到DNA就是遺傳物質。當時科學家們猜測,生命的遺傳物質應該是蛋白質,因為20種胺基酸多種不同的組合,可以形成許多不同的蛋白質,蛋白質作為酶催化生物代謝反應,由此控制多種遺傳性狀的表達。然而在沃森和克裡克發現DNA雙螺旋結構後,科學家們終於明白了,DNA的4種核苷酸分子不同的組合或序列構成了成千上萬種基因,這些「化學語言」編碼著不同的遺傳信息,指導和控制著生物體的生化、形態、生理和行為等多種性狀的表達和變化。DNA是自然界唯一能夠自我複製的分子,正是這種精細準確的複製,為生物將其特性傳遞給下一代提供了最基本的分子基礎。

DNA雙螺旋結構的發現及由此產生的生物技術革命正以前所未有的深度和廣度影響著人類的生活,影響著自然科學,包括社會科學的發展。

「為什麼我的女兒不像我」

山西臨汾的施良飛越看自己的女兒越不像自己,也不像自己的妻子。2001年7月9日,他攜妻帶女一同到北京做DNA親子關係鑑定。結果令他和妻子大吃一驚:他們二人不是女兒的生物學父母。為此他們將妻子生產時的醫院臨汾鐵路分局中心醫院告上了法庭,要求返還親生女兒並賠償經濟損失及精神損害。2001年8月,法院不公開開庭審理了此案。施良飛得到了一份醫院提供的與其妻子同時住院者的名單,於是他便開始一家一戶地悄悄尋找。

一天,施良飛按照名單找到了一家小賣部,一眼就看到了女主人段香翠居然和自己的「女兒」長得一模一樣,並且段香翠的「女兒」長得又很像自己的妻子。2001年11月19日,施良飛夫婦及「女兒」、段香翠夫婦及「女兒」共6人在法院的監督下在臨汾地區醫院抽取血樣各1份並當場貼了封條。次日,兩個家庭的血樣送到公安部物證鑑定中心做DNA親緣關係鑑定。22日,檢驗出來了:施良飛的女兒是段香翠夫婦之生女的相對機會為99.9999%;段香翠的女兒是施良飛夫婦之生女的相對機會為99.9999%,至此,案件的基本事實終於大白於天下。

撇開案件錯綜複雜的關係及結果不說,公安部物證鑑定中心為此案所作檢驗時利用了DNA的檢測技術。其原理是,人身上的每個細胞有總數約為30億個鹼基對的DNA,每個人的DNA都不完全相同,人與人之間不同的鹼基對數目達百萬之多,因此通過分子生物學方法所顯示出來的人的DNA模樣就會因人而異,人們就可以像指紋那樣分辨人與人的不同了;同時DNA還具有遺傳性,是負責遺傳特性的基本物質,人們可以利用這一特點來鑑別兩個人之間的親緣關係。施良飛雖認為段翠香的女兒長得很像自己的妻子,這並不能說明二人之間就有血緣關係。只有利用了DNA的檢測技術才能確認這一關係。

這件事反映了DNA對我們現代生活的影響,然而鑑定血緣關係或者是警方利用DNA技術破案都僅僅是這種影響中的極小部分。中國科學院基因組信息學中心研究員、國家863科技攻關計劃人類基因組單體型圖構建項目課題組長曾長青博士對記者說,DNA雙螺旋的發現對人類的影響實際上很難一樣一樣地數出來,就像電的發明對今天人類社會的影響一樣。它本身屬於一項非常基礎性的科學發現。了解了DNA、RNA(核糖核酸)和蛋白質的結構與功能,就如同解讀了從遺傳信息到生命活動的三步曲,就可以使人類從分子水平上解釋生命,認識生命,直到改造生命。發現了雙螺旋,可以說帶來了人類知識的大爆炸。

克隆塔斯馬尼亞虎

1936年最後一隻塔斯馬尼亞虎死於澳洲的霍巴特動物園。塔斯馬尼亞虎是一種食肉的有袋類動物,身上有虎皮斑紋,後腿像袋鼠的腿,腹部有育兒袋,實際上更像狼,曾生活於澳大利亞、巴布亞紐幾內亞和塔斯馬尼亞島。當200年前白人來到這些地方後,因其吃羊而大量捕殺,終於造成塔斯馬尼亞虎滅絕。

2002年5月28日,澳大利亞博物館館長邁克·阿徹在雪梨宣布,科學家從保存130年之久的塔斯馬尼亞虎標本中提取了DNA並複製成功,這隻標本從1866年以來便泡在酒精中保存。他們希望在10年之內克隆出一頭塔斯馬尼亞虎。科學家認為,從死亡動物身上取得的DNA,並沒有「失效」,與從活著的動物身上取得的DNA一樣有效。如果克隆塔斯馬尼亞虎成功,可以推而廣之到其他滅絕的動物。

這絕對是一個利好的消息。如果科學家克隆塔斯馬尼亞虎成功,就表明許多其他的絕種動物都可以克隆;從某種意義上說,絕種並不一定意味著永久消失。

克隆技術也許會為絕種動物死而復生打開方便之門。關於克隆生命,爭議最大的恐怕就是複製人了。但這不屬於科學問題,引發爭議的主要是它所帶來的倫理問題和道德問題。撇開了倫理道德的影響,又有多少人反對利用基因技術、克隆技術復活已絕種的動物呢?

曾長青博士認為,DNA的發現不僅改變了整個生命科學,而且對包括社會科學在內的其他的科學和學科都有極大的影響。像今天很「熱鬧」的為全球各界人士所關注的複製人、幹細胞、基因和轉基因等都是在知曉了DNA結構後才有可能產生的,而它們所帶來的一系列有關遺傳學、人類道德標準和生命倫理學的問題或挑戰也成為當代社會科學工作者的熱門話題。曾博士戲稱,DNA雙螺旋結構的發現及其所帶來的

現代生物技術的革命也給社會科學研究者創造了眾多的「就業」機會 。

病歷———一張CD盤

假如你得了感冒,到醫院就診,大夫會給開一些治療感冒的藥物。你必定會按照大夫的要求定時吃藥,企盼著能早日康復。其實大夫給你治感冒開這幾種藥,給別人治感冒基本也是開這幾種藥。同樣一個心臟病患者到醫院就診,大夫給他開的藥與給別的心臟病患者開的藥也沒什麼兩樣,可以說是看病不看人。但實際上人們對藥物的反應是不一樣的,有的藥對某人起作用,但對另一人可能就不起作用。

曾長青博士認為,隨著現代生物技術的發展,這種治療方法肯定會改變。她向我們展示了這樣一幅藍圖:未來的醫學將是「個體醫學」。一個人得了病,可以根據他的基因特點設計幾種藥物,更有針對性和更少副作用地予以治療;當了解了你有某些能夠引起疾病的基因或是對某一疾病的易感基因後,就可以通過分子遺傳學的手段對你的基因進行更換,或者修正;或是通過治療使它不表達,使它沒有什麼活性。曾博士設想,未來一個人的醫院病歷很簡單,就是一張CD盤,其中含有病人的全部遺傳信息,告訴你有多大的可能性會得心臟病,你對肝炎敏感性有多大,患高血壓的概率是多少,也能清楚你有多大的可能性不得這些疾病。將來還可利用基因「改善」人的健康狀況。比如藏族人、蒙古族人高血壓的發病率較高,但彝族人就不愛得高血壓。假如彝族人到藏族人群中居住,儘管他酒肉不拒,患高血壓的可能仍比藏族人低。可能將來不僅找到了有關高血壓的各個基因,並可對一些不好的位點進行「改造」,那麼藏族人也就不易患高血壓了。

當然這張CD盤不能做到讓你不得病,它只是告訴你有易患某種病的傾向,使你可以預防或有針對性地治療。可能通過轉基因食品,使人們在填飽肚子的同時,就「嫁接」過來了許多預防或治療疾病的基因。

DNA、基因、一張CD盤、轉基因食品,我們仿佛看到人類未來生活的美麗的藍圖。肯定當年DNA雙螺旋結構的發現者沃森和克裡克是想不到這些的。當然他們也想不到,就憑這一發現,1962年他們成為了諾貝爾獎的獲獎者。

四條腿的「製藥廠」

生命科學被稱為21世紀的科學,生物技術被認為是信息技術之後將統領世界經濟的排頭兵。有人說,1953年,沃森和克裡克發現了DNA雙螺旋結構,標誌著生物經濟的開始。基因是決定一個生物物種所有生命現象最基本的因子,因而2000年人類基因組測序的完成和公布標誌著生物經濟進入成長階段。

科技部生物中心主任、中國農業大學博士生導師王宏廣教授向記者展望了未來生物經濟的前景:生物技術已經成為許多國家研究開發的重點,成為國際科技競爭、經濟競爭的熱點,生物技術產業已經成為繼信息產業之後的又一個新的經濟生物生長點。現代生物技術革命是新的科技革命的重要內容,生物技術在醫學方面的應用,必將導致現代醫學巨大的變化。生物藥在化學藥、生物藥、天然藥這三大類藥物中的比重會直線上升,在重大疫病包括天花、B肝以及各種細菌型、病毒型的大型傳染病防治等方面,生物藥都將發揮其他藥物不可替代的作用;幹細胞的研究可能使人體的器官像汽車零件一樣予以更換。現代生物技術在農業方面的應用,必將引發第二次綠色革命。轉基因技術將對人類已經種植數千年動植物品種進行改良,一隻羊或牛不再像以前那樣只是為人類提供肉類和皮革,通過克隆技術、轉基因技術,這隻羊或牛就會變成一個製藥廠,生產著基因技術所需要的各種各樣的藥物。生物肥料的使用將部分替代人類已經用了近一個世紀的化學肥料,生物農藥將部分替代化學農藥,不僅能為農民節約大量的資金,而且減少了農產品與環境汙染。

隨著王宏廣主任的描述,記者眼前出現了一幕幕的未來圖畫:在西部乾旱缺水的地區種植著具有抗旱基因的樹種和草,使乾旱貧脊的半壁江山變成秀美山川;以往令人無可奈何的鹽鹼地通過抗鹽基因的注入變成良田,生產著木材和纖維;城鄉的汙水通過發酵等生物技術處理,又能為人所灌溉、利用;經過生物技術處理的固體垃圾,變廢為寶,為我們產生著新的能源……

我們所展望的只是今天能想到的,同我們所不知道的相比,實為滄海一粟,未知的生命科學前景才是我們人類更大的福祉。

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