在序章中，我們介紹了遺傳物質(zhì)的初探，既有多位科學(xué)家通過三個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了核酸是遺傳物質(zhì)，也有孟德爾這種天縱英才直接提出了遺傳因子存在并給出了遺傳規(guī)律的研究。

那么，遺傳物質(zhì)和基因是同一種東西嗎？我們對基因的理解是什么樣的呢？

今天我們就來聊聊基因的問題。

基因——遺傳物質(zhì)的核心

明白了核酸是遺傳物質(zhì)，于是就可以回歸到我們最初的問題了，什么是基因？

根據(jù)簡單的生物化學(xué)知識，就可以知道，核酸的基本組成很簡單，就是四種核苷酸，分別是腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C），這四者排列組合，形成了我們的遺傳物質(zhì)DNA。

核苷酸長的就是下面這樣子，

（圖片來源：wiki）

形成核苷的含氮化合物，叫做堿基（base），這一部分是根據(jù)具體的差異又可以分為ATGC四種。接下來是糖和磷酸基團(tuán)組成的結(jié)構(gòu)，這部分結(jié)構(gòu)在DNA里是一模一樣的，只有根據(jù)糖上面的氧差異分為脫氧核糖（DNA骨架）和核糖（RNA骨架）。

不過，這個(gè)時(shí)候，又有一個(gè)問題出現(xiàn)了，這些A\T\G\C到底是怎么樣的組合，到底有什么意義呢？它們是隨機(jī)組合還是有規(guī)律的？它們的具體信息又是如何轉(zhuǎn)換成為我們觀察到的性狀呢？不同生命的差異，到底和DNA哪些地方有關(guān)呢？

這就像，你面前放了一本英語書，你知道它肯定是用ABCDE等26個(gè)字母寫成的，但是這本書具體內(nèi)容是什么樣的，你卻不清楚。

而要解決問題，我們就必須翻開這本書，去了解DNA的A\T\G\C排序情況是什么樣子。

（圖片來源：亞利桑那州立大學(xué)）

這就引發(fā)了另一場大的科學(xué)探索：DNA結(jié)構(gòu)。

當(dāng)然，這個(gè)問題的解決也不能一蹴而就，而是要分步進(jìn)行。

首先，我們要解決DNA的總體結(jié)構(gòu)是什么樣子。

不過這一點(diǎn)可不容易，在當(dāng)時(shí)，我們沒有更精細(xì)的觀察手段，只能依靠推測，于是就有了不少理論，比如有人曾提出DNA是有四種核苷酸等量組成的“四核苷酸假說”。

直到1950年，查蓋夫才首次確定，DNA中，堿基A和T的數(shù)量相同，而G和C的數(shù)量相同，這一規(guī)則，奠定了DNA結(jié)構(gòu)中的堿基互補(bǔ)配對這個(gè)基礎(chǔ)原則，即A=T,C=G。

有了這一原則，接下來，威爾金斯和富蘭克林兩位科學(xué)家開始用X-射線衍射來分析DNA晶體的結(jié)構(gòu)，通過不斷的嘗試和改進(jìn)，他們成功地拍到了清晰的DNA衍射照片，就是下面這張著名的圖。

DNA衍射圖（圖源wiki ）

而正是看到了這張圖，年輕的沃森和克里克共同提出了對DNA結(jié)構(gòu)的猜測，那就是——雙螺旋。

簡單地說，DNA是兩條鏈組成的結(jié)構(gòu)，每條鏈上都是由ATGC組成，但是它們并不是完全孤立的，而是兩條鏈的每個(gè)位置都是互補(bǔ)配對的，也就是A=T,G=C，這樣就形成了穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

沃森和克里克（圖源wiki ）

這一發(fā)現(xiàn)可謂石破天驚，從投稿到發(fā)表，Nature僅僅花了23天，幾乎創(chuàng)造紀(jì)錄，而發(fā)現(xiàn)者威爾金斯、沃森和克里克三人也很快共同獲得了諾貝爾獎。這一發(fā)現(xiàn)后來也被人們和相對論、量子力學(xué)并列為20世紀(jì)自然科學(xué)三大發(fā)現(xiàn)，可見其分量。

當(dāng)然，也有一絲遺憾，就是當(dāng)初拍攝了那張至關(guān)重要照片的富蘭克林卻并沒有拿到諾獎，因?yàn)樗?958年因?yàn)轭净及┌Y而去世，而這個(gè)發(fā)現(xiàn)是1962年才獲得諾貝爾獎。

有了DNA雙螺旋模型，不僅讓我們找到了DNA的結(jié)構(gòu)，更意味著我們找到了DNA復(fù)制機(jī)制，只要我們知道DNA的其中一條鏈的信息，就可以得出另一條鏈的信息，這就是堿基互補(bǔ)配對的魅力，而DNA復(fù)制自身的過程就是保留一條鏈的信息然后通過堿基互補(bǔ)配對來合成另一條鏈，這就是半保留復(fù)制。而這一點(diǎn)，也為我們進(jìn)一步解讀DNA提供了基礎(chǔ)，于是，第二個(gè)問題就順理成章出現(xiàn)了。

接下來，我們要考慮DNA的序列是什么樣的？

要了解DNA的序列具體情況，也就是DNA上的ATGC的排列情況，那么就需要對其進(jìn)行檢測，這種做法，在生物學(xué)上有個(gè)專有名詞，叫做測序（sequence）。

當(dāng)然，既然DNA本身是一種核苷酸，所以科學(xué)家們就想到了用化學(xué)的方法來進(jìn)行反應(yīng)檢測其到底是哪個(gè)核苷酸。

而這個(gè)時(shí)候著名生物學(xué)家桑格創(chuàng)造性地找到了一種策略，他使用了一種特殊的核苷酸-雙脫氧核苷酸，我們知道RNA全名叫核糖核苷酸，DNA的核苷酸和RNA的核苷酸相比，脫了一個(gè)氧，所以叫脫氧核糖核苷酸，而這種雙脫氧核苷酸，比DNA還多脫了一個(gè)氧。這導(dǎo)致它的化學(xué)特性有點(diǎn)特殊，那就是當(dāng)DNA聚合酶移到這個(gè)位置的時(shí)候，因?yàn)殡p脫氧核苷酸結(jié)構(gòu)上少了一個(gè)氧，于是就無法延續(xù)下去，只能終止。而這樣一來，我們就可以根據(jù)雙脫氧核苷酸的指示，來判斷這個(gè)位置到底是什么樣的脫氧核苷酸了。

DNA測序流程（圖片來源：wiki）

這種方法的發(fā)明，直接解決了DNA的測序問題，因此被稱為第一代測序法。偷偷地說，就是RNA測序，也是要把它轉(zhuǎn)換成為DNA，然后按照DNA測序來進(jìn)行的。

而第一代測序的發(fā)明，也為人類基因組計(jì)劃的開展奠定了基礎(chǔ)，我們在后面會聊這方面內(nèi)容。

順便一提，桑格不僅對DNA進(jìn)行了測序，而且對蛋白質(zhì)也進(jìn)行了測序，這也為他贏得了兩座諾貝爾獎。

有了測序技術(shù)的出現(xiàn)，我們才正式打開了基因的世界，這也將迎來生命科學(xué)，尤其是分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的飛速發(fā)展。

這個(gè)時(shí)候，我們才可以正式討論這個(gè)主要的議題：基因。

基因和基因組

實(shí)現(xiàn)了DNA測序后，我們終于知道了DNA上的ATGC排列情況，也就是序列。我們第一次完完整整地看到了基因的世界。

原來，無論是中國人還是外國人，無論是動物還是植物，甚至是病毒，真正決定各種性狀的，是一段長長的ATGC排列，這樣的排列既有總量的差異，也有堿基種類的差異，從而導(dǎo)致了我們各自不同。

比如，人類的一個(gè)正常細(xì)胞中的DNA總長度是30億堿基對，斑馬魚是15億堿基對，而酵母才1200萬堿基對。

面對如此龐大的堿基序列組合，科學(xué)家們開始思考，這些堿基序列真的是隨機(jī)排列的嗎？還是有規(guī)律？整個(gè)DNA上的所有序列都在發(fā)揮作用嗎？

科學(xué)家們試圖對這些序列進(jìn)行研究，于是誕生了真正的概念：基因（gene）。

一開始，研究人員發(fā)現(xiàn)，我們的DNA上，并非所有序列都是一樣的，事實(shí)上有一些序列總是頻繁出現(xiàn)，而且呈現(xiàn)一些規(guī)律。

在反復(fù)總結(jié)之后，他們命名了一些很有規(guī)律的序列，這些堿基序列往往是有規(guī)律地開始、有規(guī)律地結(jié)束，而且它們有一個(gè)重要的標(biāo)志，就是可以在轉(zhuǎn)錄酶的幫助下轉(zhuǎn)錄成為RNA，并最終翻譯成為蛋白質(zhì)。

于是，科學(xué)家們將其正式定義為基因。

（圖片來源：NIH）

也就是說，在生物學(xué)上，嚴(yán)格意義上的基因是指能夠轉(zhuǎn)錄翻譯成蛋白質(zhì)的序列。

而我們的全部遺傳信息，也就有了相應(yīng)的命名，基因組（genome），“組”這個(gè)詞在生物學(xué)里也常用，通俗的理解就是全部的合集意思。

當(dāng)然，很快，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)，這樣定義也不嚴(yán)格。

首先是，這樣定義的話，其實(shí)基因占整個(gè)基因組的內(nèi)容很少，比如，人類的基因加起來不到整個(gè)人類基因組的百分之十，那剩下的是什么東西？

其次，如果一段DNA序列，只產(chǎn)生多肽（蛋白質(zhì)的一種初級結(jié)構(gòu)），甚至只產(chǎn)生RNA，但是這個(gè)RNA也有作用，它是不是基因呢？

再次，很多時(shí)候，產(chǎn)生一個(gè)蛋白，可能需要多個(gè)片段同時(shí)作用，它們屬于一個(gè)基因還是多個(gè)基因呢？

大家別小看這幾個(gè)問題，它們將在未來產(chǎn)生非常重大的影響。

所以，基因的定義目前還很模糊。對于生物醫(yī)學(xué)科研人員來說，基因往往是指能夠產(chǎn)生多肽鏈或功能RNA所需的全部核苷酸序列，而對于其他人來說，基因根據(jù)不同的語境有不同的意義。

比如，說“人和動物不同是基因決定”的時(shí)候，基因是指基因組；而說“喝酒臉紅是基因決定”的時(shí)候，基因可能是指某一個(gè)堿基的變異。

由此可見，基因這個(gè)概念，還真的很復(fù)雜，而且目前還沒有完全定論，所以，大家在聊基因的時(shí)候，最好明確一下自己提到的基因到底是哪個(gè)概念。

明白基因的概念之后，基因組是怎么回事？又有什么意義呢？我們下一篇來聊一聊。

編輯：孫晨宇

出品：科普中國

作者：李雷

監(jiān)制：中國科普博覽

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