打開基因開關

徐江玉

白天工作，晚上睡覺，到點吃飯，生物鐘讓人們生活節(jié)奏固定，生活井井有條。最近英美研究人員從基因入手重新認識生物鐘背后機理，研究結果顛覆傳統(tǒng)理論。

重識生物鐘

生物鐘讓我們每天按時吃飯、睡覺、起床，形成合理的作息習慣，然而時差、熬夜等原因會導致生物鐘紊亂，進而引發(fā)癌癥、老年癡呆癥、心理障礙等多種疾病。長期以來，科學家認為，人體具有生物鐘主要是神經元白天頻繁發(fā)出電脈沖，夜間發(fā)送速度放緩，從而使人白天精神，晚上乏累，形成規(guī)律的生理節(jié)奏。由于神經元深埋在大腦深處，實驗難以在人體內進行，因此研究人員選用老鼠作為實驗對象。實驗結果顯示，神經元白天并不發(fā)出電脈沖信號，而是只在黃昏時分發(fā)出，在夜間則進入休眠狀態(tài)。

按照傳統(tǒng)研究方法，研究人員將所有神經元細胞一視同仁，認為所有神經元細胞都能發(fā)出電脈沖信號。但從基因角度，研究人員發(fā)現，神經元由兩種完全不同的細胞組成，一種基因的“鐘細胞”能發(fā)出電脈沖，而“非鐘細胞”卻不能。過去研究人員認為只有細胞受損或死亡時才處于休眠狀態(tài)，但事實上與一般細胞不同，“鐘細胞”在休眠時仍正常運轉。有趣的是，大腦其他部分也可能存在這種“鐘細胞”，這將使人們重新認識大腦。這一研究有望幫助治愈因生物鐘紊亂引起的多種疾病。

四兩撥千金

自然界就像一部永遠不會結束的懸疑片，我們經常會驚嘆其劇情的跌宕起伏。難道就沒有什么東西可以降服基因嗎?科學家們最近給出了回答：有的。

我們來看一個對比實驗：研究人員讓兩組老鼠生出一批具有相同基因的小老鼠。這些小老鼠從一出生就同吃、同睡、同玩，因此，它們的外型看上去應當是非常相似的，但是實驗結果是怎樣的呢?由第一組的鼠媽媽生下的小老鼠，臃腫肥胖，易患癌癥，并且周身披著如同腐臭奶油那樣的黃色毛皮。而由第二組鼠媽媽生出的小老鼠則非常美麗：苗條，健康，毛皮棕色。同樣的基因，同樣的生活環(huán)境，卻培育出截然不同的老鼠。

這中間究竟發(fā)生了什么?結果顯示，它們的區(qū)別不是由于基因密碼，也不是由于環(huán)境——而是在于對兩者進行調解的機制之中。病怏怏的黃毛小老鼠體內的某一基因制造了一種叫做“刺鼠”的致病蛋白，它也會影響毛皮的顏色以及身體狀況。而棕色的小老鼠也有同樣的基因，但是它們并沒有受到什么影響，這些基因幾乎完全失效了!原來，產出棕色小老鼠的母親們在懷孕期間享受了“特別補品”：一種富含葉酸的食品。它使鼠體內充滿小小的四原子結構體——甲基。這些甲基滲透到逐漸長大的棕色老鼠胚胎中，把不良基因“鎖起來”，不讓它們出來搗亂。因此，我們可以說，在生化水平上，僅憑基因序列，是不能完全決定命運的。四個小小的原子已經有足夠的資格藐視棕色老鼠體內染色體組的嚴重缺陷了!

生物學家?guī)资昵熬鸵阎兰谆耍瑥纳鲜兰o90年代開始，他們發(fā)現了其他幾種“化學開關”也可以控制基因的開合。但是直到最近他們才開始了解這些開關是DNA和外界環(huán)境之間的關鍵紐帶。這一發(fā)現對一些最基本的關于生命如何運行的科學設想提出挑戰(zhàn)，科學家們曾經將DNA中的雙螺旋序列視為無法更改的生命藍圖，但現在看來，這種解釋顯然太過簡單。幾乎就在受精剛剛結束，胚胎僅僅只是幾個細胞的時候，它就開始感知周圍環(huán)境的細微信號，然后對其自身的染色體組進行檢查，它會根據它所接收到的信號將不同細胞中的基因“打開”或者“合上”。在這種時候，“本性”也不“難移”了——遺傳上相同的胚胎將開始不同的生命旅程。

“垃圾”顯神功

人類基因組工程確定了大約3.4萬個與蛋白質制造有關的基因，而其余的基因片段被認為是由所謂的沒有功能的DNA片段組成的。因此，有人把剩余的DNA片段比作“2分鐘的電視劇中插播的50分鐘的廣告”。但是最近幾年的研究發(fā)現，這些所謂的“垃圾”DNA，其中有一部分可能就是控制基因的開關。

將開關扳到一邊，可以使細胞長成心臟：將開關扳到另一邊，可以使細胞變?yōu)楦闻K。若是等待足夠長的時間，將會產生一個具有一系列令人目眩的細胞、組織和器官的完整的人?？茖W家們現在得知，這些開關對這一過程負有責任。它們指導著幾乎全部的身體功能。和基因一樣，它們也是使我們變成現在這個樣子的“生物建筑師”?？茖W家在過去幾年探測了幾種基因開關。有的開關能有效阻止癌細胞的擴增，有的能關掉導致細胞不必要死亡的有害基因。

研究者們漸漸發(fā)現，大部分“垃圾”DNA在基因的有效活動過程中發(fā)揮著本質性的作用?？茖W家斷定：曾被認作是無用的，沒有承擔基因代代相傳任務的DNA，實際上是被高度完好地保存下來并時而被利用著的基因。正像正常基因一樣，它們在經歷了幾萬年有時是幾百萬年的進化之后，其化學上的屬性還完好如初，這就意味著，曾經被認作是無用的“垃圾”對于擁有它們的器官來說是必不可少的。

喜憂參半

基因開關也不一定只干好事，不正常工作的開關也會造成許多非傳染性的疾病，包括癌癥、肥胖和神經混亂等。有些開關一旦設定，甚至會危及生命?？茖W家還發(fā)現了一個關于組蛋白的秘密：我們的基因至少有1/3具有組蛋白開關，可以控制某處的開合。人類胚胎必須在很短的時間內開始許多復雜的進程，也許身體中的一些基因為了“均衡發(fā)展”，會在很短時間內開始一些進程。但是這種“神速”的進程也許會需要一定的代價。

某些基因開關會留下一半沒打開，當它們完全打開的時候，它們會清除細胞中全部的物質，使細胞成為一個“空盤子”，看上去像一個危險的癌細胞。這種半開半合的基因開關，對于人體發(fā)育而言也許真的直接與癌癥相連。我們對組蛋白研究得越多，它就越復雜，而一個系統(tǒng)越復雜，出錯的可能性就越大。癌癥和其他普通疾病也許是我們體內固有的一部分，它給我們帶來極不情愿的一個后果：人總是要死去，上天早已在我們細胞里安排好了?？茖W家們認為：“我們不能把常見的疾病如癌癥看成是偶然的進化，我們也許已經被按照一種非常精巧的方式設定從而達到這樣的目的——必須保證我們最終會死去。”這樣看來，控制基因的開關仍然蒙著厚厚的面紗，等待著我們去揭開。