揭開DNA的造物密碼

☉［英］本·米勒 著 金立峰 陳青石 譯

攜帶信息的DNA

DNA到底是什么呢？這三個(gè)字母代表deoxyribonucleic acid，就是“脫氧核糖核酸”，它是一種非常特別的分子。它的名字聽起來好像很復(fù)雜，但其實(shí)不然。核糖（ribo）是一種糖類，是DNA的主要成分之一。你可能已經(jīng)猜到了deoxy的意思——脫氧，就是每一個(gè)核糖分子都被移走了一個(gè)氧原子。而nucleic（核）之所以會出現(xiàn)，是因?yàn)镈NA是在細(xì)胞的核中出現(xiàn)的。所以，總結(jié)來說：DNA是一種很長的分子，存在于細(xì)胞核中，由脫氧核糖構(gòu)成。

你可能還記得在中學(xué)生物課上看到的細(xì)胞的樣子，為了更好地幫你回憶起來，我在下面畫了一個(gè)。如果你從口腔內(nèi)壁刮下一些上皮細(xì)胞，滴一滴染色劑在上面，然后在顯微鏡下觀察，你就能看到生物學(xué)家所謂的“真核細(xì)胞”的所有重要特征了。真核細(xì)胞的中央有一個(gè)細(xì)胞核，細(xì)胞核周圍有一層看起來有點(diǎn)起泡的果凍狀物質(zhì)，然后最外層的細(xì)胞膜把它們都包起來。你的DNA，整齊地打包成了23對染色體，就位于細(xì)胞核中。果凍狀物質(zhì)叫做細(xì)胞質(zhì)，其中的氣泡則是能幫助細(xì)胞進(jìn)行各種生物機(jī)制的各種小玩意兒。

首先，DNA很穩(wěn)定。DNA的結(jié)構(gòu)非常不尋常，使它很難被破壞，因此科學(xué)家可以成功獲取數(shù)萬年以前原始人的DNA。其次，DNA可以儲存信息，事實(shí)上，如果要復(fù)制一個(gè)你，所需要的全部信息就保存在DNA中。再次，DNA有能力復(fù)制自己。沒有DNA的話，孩子就得不到父母的遺傳，進(jìn)化也不能進(jìn)行。

所以讓我們總結(jié)一下：DNA是一種特殊的分子，可以攜帶信息，相當(dāng)于某個(gè)特定生命體的藍(lán)圖。DNA存在于細(xì)胞核中，在這里它被切成稱為染色體的小段。染色體成對出現(xiàn)，人類一共有23對。那么，它是怎么發(fā)揮作用的呢？怎么把DNA里蘊(yùn)含的信息傳遞到一個(gè)能走能說的人體里去呢？

現(xiàn)在是時(shí)候討論一下蛋白質(zhì)了。

口腔上皮細(xì)胞染色體和一條DNA

蛋白質(zhì)，生命存活的關(guān)鍵

植物和動(dòng)物都含有大量的蛋白質(zhì)。比如說，你可能知道，你的肌肉、骨骼、毛發(fā)和皮膚都是由蛋白質(zhì)構(gòu)成。但是你可能不知道，蛋白質(zhì)也是在細(xì)胞的層次讓各種事情辦成的：從助你消化食物的酶，到調(diào)節(jié)血糖濃度的激素，到給血液輸送氧氣的血紅蛋白都是蛋白質(zhì)。雖說聽起來可能不夠浪漫，但是把植物和動(dòng)物說成是一袋袋蛋白質(zhì)，袋子里充滿水，一點(diǎn)也不夸張。

現(xiàn)在據(jù)估計(jì)人體里有數(shù)十萬甚至上百萬種不同的蛋白質(zhì)，但是它們由僅僅20種不同的氨基酸組成。我們的身體可以合成出大部分氨基酸，但是并不是全部。我們的身體不能自行制造的氨基酸，我們只能從食物中攝取。換句話說，我們吃肉、蛋、魚類和植物蛋白的原因就是可以把它們分解成單個(gè)的氨基酸，然后用這些氨基酸來合成我們需要的蛋白質(zhì)。

最神奇的地方就是這里。對于你身上的每一種蛋白質(zhì)，都有對應(yīng)的密碼在你的某條染色體的某個(gè)區(qū)域上，告訴身體要用哪些氨基酸。以及要用什么樣的順序連接氨基酸，從而制造出這個(gè)蛋白質(zhì)。染色體上的這類區(qū)域有專門的名稱、你應(yīng)該很熟悉——它叫基因。

繪制基因組

我曾經(jīng)與弗蘭西斯·克里克有過一面之緣，他就是發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)與功能的兩位著名科學(xué)家中的一位。

克里克和沃森推斷出的DNA分子有雙螺旋結(jié)構(gòu)，就好像盤旋扭轉(zhuǎn)的梯子一樣。

克里克和沃森不僅解決了DNA結(jié)構(gòu)之謎，還破解了DNA密碼。如果DNA是一個(gè)梯子的話，那兩邊的梯柱就是由交替出現(xiàn)的糖和磷酸基組成的。每個(gè)糖類分子會與一個(gè)堿基連接，共有4種不同的堿基：腺嘌呤（adenine）、胸腺嘧啶（thymine）、鳥嘌呤（guanine）、胞嘧啶（cytosine）。我們先不管它們到底是什么，因?yàn)槿绻斫膺@個(gè)密碼，我們只需要用每個(gè)堿基的英文首字母，也就是A、T、G、C來稱呼DNA的密碼就可以了。這些堿基成雙配對，連接構(gòu)成梯子中間的橫杠；A總是跟T連接，而G總是跟C相連。

接下來是最令人驚奇的部分：這些堿基構(gòu)成了一種密碼，而我們的身體可以像拉拉鏈一樣將一個(gè)DNA分子從中間拉開，閱讀密碼并且用它來制造蛋白質(zhì)。而且，這個(gè)密碼極為簡單。在基因里，這些堿基組成許多個(gè)單字，每個(gè)單字由三個(gè)字母組成。這些由三個(gè)字母組合的單字，正好對應(yīng)了建構(gòu)我們身體的20種氨基酸。換句話說，基因基本上是制造特定蛋白質(zhì)的食譜；它簡單地告訴身體，哪些氨基酸需要按什么次序放在一起，來制造出某個(gè)蛋白質(zhì)。

你可能聽說過“人類基因組計(jì)劃”，這個(gè)計(jì)劃的目標(biāo)就是要定出完整的人類染色體的堿基測序。最早的一組完整序列于2003年完成，從那以后，我們一直在研究每個(gè)基因到底位于哪條染色體上的哪個(gè)位置，以及它能制造出哪一種蛋白質(zhì)。

DNA是跟人類歷史直接相關(guān)的。每個(gè)人的DNA上面都有他們祖先的標(biāo)記，而如果用一點(diǎn)偵探的高明技巧，我們就能往前推導(dǎo)，不僅能回溯到我們的近親，而且可以回溯到幾百萬甚至幾十億年前。

偉大的線粒體

一個(gè)典型的動(dòng)物或植物細(xì)胞，里面都有個(gè)塞滿了以染色體形式存在的DNA，細(xì)胞核在果凍般的細(xì)胞質(zhì)中飄忽游蕩，最外邊還包著一層細(xì)胞膜。還記得我說過細(xì)胞質(zhì)里有各種各樣的小玩意嗎？線粒體（“線型顆粒”）就是其中的小玩意之一，它為細(xì)胞提供能量。線粒體有著自己的DNA，而且下面這點(diǎn)很重要：它只存在于女性的卵細(xì)胞中，而男性精子中沒有。所以你從母親那里遺傳了線粒體DNA，而這個(gè)DNA并沒有經(jīng)過重組。

黑猩猩時(shí)鐘

那線粒體DNA怎樣幫助我們追溯祖先呢？好吧，DNA很善于復(fù)制自己，但是做得并不完美。每一次在復(fù)制DNA時(shí)（就是制造新細(xì)胞時(shí)），就會發(fā)生錯(cuò)誤。因?yàn)檫@個(gè)復(fù)制過程，時(shí)間長了以后，即使是線粒體DNA中的單體型都可能發(fā)生突變。由于染色體DNA在傳遞到下一代時(shí)，都會與父母的DNA混合，產(chǎn)生重組，所以線粒體DNA的變化速度跟染色體DNA相比是很慢的，但是，經(jīng)過人類5000代傳承之后，這個(gè)突變還是會為線粒體DNA帶來顯著效應(yīng)。

觀察個(gè)人的單體型以后，你就可以很容易地把這個(gè)人放到一個(gè)更大的相似單體型所構(gòu)成的集合里，我們稱之為“單倍群”。整個(gè)人類被分成大概20個(gè)線體單倍群，這些群組都可以按年代順序進(jìn)行排列。而且，就像你期望的那樣，作為一個(gè)從非洲進(jìn)化出來，然后移民到全球各角落的物種來說，肯定存在一個(gè)非洲單倍群是地球上其他單倍群的祖先。

確定每一個(gè)單倍群出現(xiàn)的年代，是目前很多人感興趣的研究方向，但是基本原則還是很好掌握的。我們知道人類跟黑猩猩有一個(gè)共同祖先，而且我們可以向前追溯，看看這個(gè)祖先的線粒體DNA是什么樣子。從化石證據(jù)中我們大概知道人類與黑猩猩是什么時(shí)候分開的；最新的證據(jù)顯示大概是600萬年前。所以，我們知道了人類的線粒體DNA在600萬年前的樣子，以及現(xiàn)在的樣子，我們就可以拿中間任何一種DNA進(jìn)行分析，然后很有把握地計(jì)算出它最初的出現(xiàn)時(shí)間。

人們一直都在改進(jìn)這個(gè)基本的方法，因?yàn)槊恳淮€粒體的變化速度都可能被比如自然選擇和人口瓶頸等因素干擾。我之前所描繪的人類遷徙圖從非洲開始，沿著海岸到達(dá)印度尼西亞，然后回到歐洲，或到達(dá)新世界——由于需要因應(yīng)新的研究成果，科學(xué)家們會對其中的路線和年代進(jìn)行調(diào)整和修改，但是大家在大致輪廓上已有了共識，在細(xì)節(jié)看法上也越來越趨向一致。而且，在下面這個(gè)重要的事實(shí)上，大家都沒有分歧：我們都是20萬年前生活在非洲的一個(gè)女人的后代。她被稱為最近共同祖先（MRCA），但是我更喜歡另外一個(gè)富有詩意的名字：“線粒體夏娃”。

回到伊甸園

現(xiàn)在你知道了：你的線粒體DNA是從你母親那一條線遺傳下來的，它告訴我們你來自非洲。不僅如此，不管你是不是跟英王征服者威廉或者演員威廉·夏特納有親戚關(guān)系，如果你追溯你的線粒體家譜夠早的話，你就會找到一個(gè)生活在20萬年前的女人：線粒體夏娃。

如果要準(zhǔn)確地說，線粒體夏娃當(dāng)然不是第一個(gè)存活在地球上的女人，她只是遠(yuǎn)古女性人類中最幸運(yùn)的那個(gè)而已。在她之前地球上可能已經(jīng)出現(xiàn)過其他女人，跟她同時(shí)期也可能有其他女人活著，但是她們的線粒體DNA剛好已經(jīng)絕跡了，只有她的存留了下來。對于這一點(diǎn)，我們只能說她的運(yùn)氣很好了；以任何可遺傳的性狀來說，如果一個(gè)小群體延續(xù)了足夠多代，這個(gè)性狀最終表現(xiàn)得比其他性狀頻繁，完全要靠好運(yùn)氣。最初的人類只是一個(gè)小群體，而且碰巧早期的線粒體DNA中，只有一種流傳了數(shù)千年到數(shù)萬年。

但是，從你的母親那里遺傳過來的線粒體DNA，并不是你跟最初的人類唯一的聯(lián)系。人類的基因組中還有一部分可以讓你從父系這邊進(jìn)行追溯，一直可以追溯到一位幸運(yùn)的男人，那個(gè)部分就是他Y染色體中的DNA。