DNA双螺旋的发现，如何影响生命科学70年？

1953年2月28日，美国科学家沃森（左）和英国科学家克里克（右）在英国剑桥的一个酒馆里宣布了DNA双螺旋模型，从此开启了人们对于“生命之书”的深刻理解。图源：A. Barrington Brown/Science Photo Library

编者按：

      DNA双螺旋模型的发现让人们认识到，生命最根本的基石是4个“碱基字母”及其相应的“书写规则”。这一发现为人类打开了“生命之书”的阅读之门，引导我们进入了比世界上任何一个图书馆藏书都要丰富的“生命之书”殿堂。

       生物体与非生物体之根本差异在于，生物体能够保存和利用信息，并把自身的信息一代又一代地传递下去，“龙生龙，凤生凤，老鼠生儿会打洞”。从古至今，人们一直试图阐明生物体这种承载和传递信息的能力。这个梦想在1953年终于得到了实现——美国科学家沃森（Watson, J）和英国科学家克里克（Crick, F）提出了DNA双螺旋模型，借此在分子水平上清晰地解释了生物体是如何保存和传递信息；而分子生物学也在此基础上诞生，现代生命科学的“帷幕”也就此正式拉开。

       70年过去了，人们从DNA双螺旋的研究中取得了哪些重要的突破？

研究者从DNA双螺旋模型中认识到，生命的底层逻辑是“文字”，即生命用“A”、“T”、“G”、“C”4种碱基作为基本单元连接成长长的多核苷酸链，这样的两条多核苷酸链相互缠绕而形成DNA双螺旋。这4种碱基正是记录生命遗传信息的“字母”，其中每3个碱基组成一个类似“单词”的遗传密码子，对应一个特定的氨基酸。蛋白质是执行生命活动的主要功能元件，由多个氨基酸作为基本单元连接而成。从4种碱基中选择3种来构成1个密码子的总数为64，所以生物体拥有64个密码子 “单词”。由于生物体用来合成蛋白质的天然氨基酸仅仅有20种，因此除了两种氨基酸（甲硫氨酸和色氨酸）分别由一个密码子决定以外，其他18种氨基酸分别对应2到6个密码子。生物体内的“基因”正是一段由多种密码子连接起来的“碱基句子”，用来指导一种蛋白质的氨基酸组成和排序。

由此可见，大自然在创造生命时采用了写书的方式，自然界的万千生命种类就如同万千本书——只需要4个碱基作为基本的字母，就可以创作出无数的作品。因此，研究者的主要工作通常就是阅读 “生命之书”中的一段段碱基序列组成的“句子”，并揭示这些句子的含义和可能的生物学功能。

1 识文断字——编码基因的认识

研究者最初认为，一个编码基因用于指导一种蛋白质的合成。但随着“阅读”工作的深入，研究者发现，虽然这种“一基因一蛋白”的观点在大肠杆菌等简单生物体上基本成立，但在动植物等复杂生物体上情况就明显不一样了——这类生物体拥有大量的“断裂基因”，即在一个编码蛋白质的碱基序列之间插有若干段不编码蛋白的碱基序列，其基因内编码蛋白质的碱基序列称为“外显子”（Exon），而不编码的碱基序列则称为“内含子”（Intron）。换句话说，“断裂基因”就好比一个完整的“语句”被拆开，在中间加入了一些无意义的文字。研究者还注意到，生命形式越高等，断裂基因就越多。如在用于制造面包和啤酒的酵母细胞里，只有4%的基因拥有内含子；而在小鼠或人的基因组内，绝大部分基因都拥有内含子。

为什么大自然在创作 “生命之书”时发展出这样策略？这看上去与人类的文字创作历史有某种相似之处。在古典文学时期，创作者以描述为主，每句话都很明确，无一废字。但在现代文学时期，创作者希望要在一个句子里表达出不同的内容和感觉，从而发展出了复杂的句式，如爱尔兰作家乔伊斯（Joyce, J）在其著名的“意识流”小说《尤利西斯》的许多句子中，就放进了没有意义的文字。对拥有这种策略的复杂生物体而言，一个断裂基因内多个外显子通常会受到不同的剪切和拼接，称为可变剪接；如果把不同的外显子用可变剪接方式进行连接，一个基因就能制造出多种蛋白质。目前已经知道人类拥有的基因总数大约是20000多个，而能够制造出的蛋白质种类显然要远远大于这个数目。

2 察言观色——表观遗传的发现

“生命之书”拥有众多编码各种蛋白质的基因，生物体必须精准地控制这些基因，以便在需要时制造出特定的蛋白质。为此，生命在基因到蛋白质合成的过程中增加了一个中间步骤，称为“转录”——把基因的碱基序列之信息转录到一条称为“信使RNA”（mRNA）的碱基序列之上，然后用mRNA作为模板指导蛋白质合成。也就是说，生命通过转录方式选择性地“阅读”基因。近年来的研究发现，DNA上的许多碱基序列通常被化学基团进行修饰，其中最常见的是甲基化修饰，即DNA甲基化转移酶在多核苷酸链的胞嘧啶“C”上用共价键结合一个甲基基团（CH3）。而DNA甲基化修饰的主要功能正是调控基因的转录活动，或促进某个基因的转录，或抑制其转录。由于DNA碱基序列上的化学修饰通常受到机体内外环境的调节，从而成为了生命响应环境变化来控制基因转录的重要手段。

最重要的是，这些控制基因转录活动的化学修饰往往可以通过细胞分裂的过程传递给子代细胞。显然，在这种基因转录状态的传递过程中，DNA碱基序列本身并没有发生改变。人们把这种在DNA碱基序列的化学修饰信息传递之现象称为表观遗传；由此产生了一门新学科：表观遗传学（Epigenetics）。如果把DNA碱基序列的各种化学修饰比喻为不同的颜色，那么 “生命之书”就不再是最初人们认识到单色印刷本，而是一本五颜六色的彩色图书——不仅用碱基序列写出的“文字”可以被复印和传递，而且用化学基团涂抹在这本“书”里的各种“颜色”也可以被复印和传递。

经典遗传学观点认为，生命只采用多核苷酸链上的碱基序列保存和传递所有可以遗传的信息，且只有DNA碱基序列上发生的改变才能够遗传给下一代；而环境等外部因素导致的个体性状之改变，不论好坏，都不会遗传给后代；比如个体因膳食不平衡导致的肥胖是不会遗传给后代的。也就是说，个体在身体内建了一道无形的“墙”，让在环境作用下机体后天获得的性状之信息不能传递到其生殖细胞的DNA序列上，因此后代是不会受到亲代生存环境之影响。

表观遗传现象的发现不仅打破了碱基序列是生命遗传活动唯一载体的教条，而且被一系列研究证明表观遗传信息在某些情况下可以从亲代遗传给子代。例如，在斑马鱼受精卵的发育过程中，来自父本的DNA甲基化修饰模式一直维持着，直至胚胎发育的囊胚期才被消除；而来自母本染色体的甲基化修饰模式则在胚胎发育的初期就很快被消除，然后在这些母本染色体上按照父本DNA甲基化修饰模式进行了重建。也就是说，这些源自精子的DNA甲基化修饰模式可以被遗传到子代，并用来指导子代的胚胎早期发育。由此可见，表观遗传活动把生命的开放性提升到了一个新的高度，使得从外部环境获得的信息通过表观遗传修饰与机体内的DNA碱基序列上信息进行整合，不仅能够影响个体当下的生理和病理活动，还能够传递给下一代。

要想识别“生命之书”里的碱基“文字”并对相关的内容进行改写，首先需要的就是DNA测序技术。早在1977年，生命科学界在测量DNA碱基序列上就取得了重大突破，其中英国科学家桑格（Sanger, F）发明了酶法，美国科学家吉尔伯特（Gilbert, W）发明了化学法；同年桑格还利用其技术测定了第一个生物体——噬菌体X174——的全基因组序列，共5375个碱基。桑格的测序技术被称为第一代DNA测序技术。不过，当今生命科学研究的主流是第二代测序技术，其主要特点是检测通量高；它不仅大大降低了测序成本，而且还明显提高了测序速度，用一代测序技术完成一个人类基因组30亿个碱基的测序需要3年左右的时间，而使用二代测序技术则可能在1周内即可完成。不久前研究者又开发出了能够检测单个多核苷酸分子的第三代测序技术。

人们往往形容文字编辑活动为“剪刀加浆糊”。而要对“生命之书”里的碱基序列进行编辑也同样需要“剪刀加浆糊”。研究者开发出来的“基因剪刀”是各式各样的核酸酶，其中最常用的是“限制性内切酶”；这类酶能够识别DNA上特定的碱基序列，从而找到准确的剪切位点并实现DNA链内的定点切割。2012年，美国科学家通过改造细菌的核酸酶系统发展出一种全新的“CRISPR-Cas9”技术，它被誉为“基因魔剪”，是目前进行基因编辑最强有力的工具，没有之一。至于碱基序列剪切之后需要重新连接的“浆糊”，研究者也有针对性地发展出了若干能够把DNA 链间缺口连接起来的DNA连接酶。

1 移花接木：基因工程的诞生

上个世纪70年代，随着DNA限制性内切酶的发现，研究者开始了“生命之书”的编写工作，并把这类在分子水平上对DNA碱基序列进行操作的技术称为“基因工程”（genetic engineering）——通常是将外源基因转入到受体细胞，从而使其特性发生改变或产生新的性状。在这个过程中，首先是利用限制性内切酶把一种生物体（供体）DNA上的特定基因切下来，将其与运载工具（如质粒或病毒）上的DNA在体外人工连接而形成新的重组DNA，然后转送到另一种生物体（受体）中进行扩增和表达。

基因工程诞生以来，为人类的福祉做出了巨大的贡献。生产治疗糖尿病的胰岛素就是一个典型范例。2022年是胰岛素用于临床治疗的第100周年。第一代医用胰岛素主要是源于牛或猪的胰腺提取物。这种生产方式不仅比较昂贵，而且产量很低，远不能满足临床需求。1981年，美国研究者利用基因工程技术，将人的胰岛素基因导入大肠杆菌，通过大肠杆菌大量生产重组人胰岛素。从此第一代胰岛素产品完全被这个第二代产品所取代。为了进一步提高胰岛素的疗效和安全性，研究者又对胰岛素基因进行精细的改造，获得了第三代产品——重组胰岛素类似物。

基因工程在农作物领域同样发挥了巨大的作用。当前，“转基因作物”已经深入到人们生活的许多方面。1983年，科学家培育出了第一个转基因作物——转基因烟草；到2002年，世界上大约有550到600万烟农种植转基因烟草。1996年，美国的农场主开始种植一种转基因大豆——在这种大豆里转入了植物“矮牵牛”的一种抗性基因，从而可以抵抗杀草剂。2021年，美国转基因大豆种植面积占美国大豆种植面积的95%，总产量为1.2亿吨。

2 更新换代——基因编辑的迭代

虽然基于DNA限制性内切酶的基因工程技术取得了许多突出的成果，但是该技术在基因编辑的应用中也表现出来一些明显的不足，如实验流程比较复杂，结果获取需时较长，编写能力不够精准等。为此，研究者一直在努力开发更好的基因编辑技术，直至2012年，美国科学家杜德娜（Doudna, JA）和卡彭特（Charpentier, E）在细菌的基因编辑系统基础上发展出了一种理想的基因编辑技术——英文的缩写名称为“CRISPR-Cas9”。这种技术的基本原理是：利用一段设计好的RNA序列“sgRNA”引导DNA内切酶“Cas9”至特定的DNA序列上进行剪切。该技术经过不断的“迭代”，目前不仅可以在细胞的基因组内插入长达36000个碱基的外源DNA片段，而且可以对细胞内的DNA乃至RNA进行单个碱基的修改。

这类新型基因编辑技术的出现显著提升了人类抗击疾病的能力，尤其为治疗基因碱基序列异常的遗传性疾病提供了有力的武器。据统计，目前已知的单基因遗传病超过9000种，对人类的健康造成了巨大的危害。例如，血红蛋白基因异常能造成“地中海贫血”，目前全球有近3.5亿“地中海贫血”基因的携带者；中国长江以南各省是该病的高发区，在部分高发地区这种基因的携带者在人群中超过10%。过去没有好的治疗药物或方法，重度的地中海贫血患者只能定期进行输血；而现在则有望利用CRISPR技术来治疗地中海贫血；目前全球进入临床研究阶段的地中海贫血基因编辑治疗产品有6个，其中5个是采用CRISPR技术。

值得注意的是，CRISPR技术在改良农作物品种方面也同样有着巨大的优势。它不仅可以利用外源基因来改造作物，而且能够把作物自身的基因按照设计好的目标直接进行“改写”。中国科学家高彩霞2013年在世界上首次报道了利用CRISPR技术编辑水稻和小麦DNA序列的研究工作，并在2014年报道了使用CRISPR技术修改了小麦的基因序列，从而使编辑后的小麦能够抵抗小麦白粉病的侵袭。可以说，在CRISPR等一系列基因编辑技术的推动下，传统的那种不可控的作物自然育种在未来将转变为高度可控的作物设计育种。

人工合成生命始终是研究者在探索生命奥秘过程中一个不灭的梦想。早在1828年，德国化学家维勒（Wolher, F）就在实验室中利用氰酸铵合成了尿素，首次证明了人们可以在实验室里利用简单的无机分子合成源自生物体内的有机化合物。上个世纪60年代，中国科学家在世界上首次人工合成了第一个具有生物活性的蛋白质——由51个氨基酸组成的牛胰岛素；于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链——由76个核苷酸组成的酵母丙氨酸转移核糖核酸（酵母tRNAAla）。随着科学技术的发展，研究者近年来在实验室合成生命的能力也在显著的提高，他们甚至试图创作出自然界不存在的“生命之书”。

1 按图索骥——试管里合成的生命

2010年5月，美国生物学家文特尔（Venter, C）发布了世界上首个“人造生命”——科学家依据一种最简单的细菌基因组序列之信息，首次全人工化学合成了这个完整的、长度超过100万个碱基的基因组；且含有这一人造基因组的人工细菌能够展现出相应的生命活动。美国《新闻周刊》为此发表了专题报道，并在其封面刊登了文特尔的头像并冠以“扮演上帝”（Playing God）的标题。不久前，美国和中国等多国科学家联合发起的“合成酵母基因组计划”，提出了一个更为宏大的目标——把拥有大约2400万个碱基的酵母细胞基因组序列用化学合成方式复制出来；这个项目目前进展估计已经过半。

20世纪90年代启动的“人类基因组计划”（Human Genome Project, HGP）的目标是，把人类自身这部由30亿个碱基构成的“天书”通过测序技术完整地“阅读”一遍。它的实施为生命科学和医学带来了革命性的变化。而在2016年5月，100多位专家学者在美国哈佛大学开会，提出了要把人类基因组这部“天书”用化学合成的方式在试管里“写”出来，称为“人类基因组计划——编写版”（HGP-Write）。可以想见，未来一旦HGP-Write正式实施，必将对人类认识和控制自身带来更为深远的影响和意义。

2 奇思妙想——人造新生命的序曲

研究者的脚步并没有停留在按照自然界已有的“生命之书”进行复制，而是开始按照人的意愿来创作全新的“生命之书”。例如，美国生物学家文特尔在其化学全合成的首个“人造生命”上进行了设计和改造，把他认为冗余的或非必需的基因“句子”从该基因组上删除，化学合成了一个比原基因组碱基序列少了一半的“微型细菌基因组”；而含有这个微型基因组的细胞自我繁殖的速度比具有全长基因组序列的细胞快了几乎5倍。

自然状态下的“生命之书”通常拥有64个“单词”——遗传密码子，用来指导20种天然氨基酸合成蛋白质，其中有一些密码子是冗余的，称为同义密码子。2019年，英国科学家发布了一个“人造”大肠杆菌，它含有一个人工设计并化学合成的人造大肠杆菌基因组，其中全新设计并合成的人工基因“句子”大约包含 400 万个碱基对；在这些人工设计的基因里，只保留了61个遗传密码子，删除了3个同义密码子；而这些改造过的基因序列仍然可以制造出正常的蛋白质。

研究者不仅试着修改基因“句子”和密码“单词”，而且在碱基“字母”上也做起了文章。2014年，美国研究者宣布他们在大肠杆菌的DNA序列里加入了两种非天然碱基——dNaM和dTPT3，这两个碱基也能够在体内通过配对和复制的方式传递信息；而在2017年的论文里，这些研究者进一步证明，这两个插入到天然基因序列里的非天然碱基，同样能够指导特定的非天然氨基酸参与蛋白质合成。可以想见，在不远的将来，很有可能出现超越现存生命形式的全新人工生命体。

注：原文2023年2月25日发表于《文汇报》，《赛先生》获作者授权转载。文字略有修改。