读《基因传》 - AI 研究知识库

读《基因传》

“基因” 既是遗传物质的基本单位，也是一切生物信息的基础。本书讲述了基因这个科学史上最具挑战与危险的概念的起源、发展与未来。

2009 年，瑞士研究人员发布了一项大型国际研究结果，研究对象包含数千个家庭与数万名男女。通过分析那些两代人均罹患精神病的家庭，他们发现了躁郁症与精神分裂症之间在遗传上存在紧密联系。

癌症发病机理也许是对传统遗传学理论的终极颠覆。某个基因组会疯狂地展开病理性自我复制，这种“ 热衷” 于自我复制的基因组“ 机器” 控制了细胞的生理机能，最终演变成为形态各异的顽疾。尽管我们在癌症研究上已经取得重大进展，可是人类至今尚无法有效治疗或者治愈这种疾病。

截至目前，这三项概念在结构上竟有惊人的相似之处，其框架均由最基本的组织单元构成：例如原子是物质的最小单元，字节（或比特）是数字信息的最小单元，而基因则是遗传与生物信息的最小单元。由于物质、信息与生物均具有固定的内在结构，因此只要理解最小单元组成就可以把握整体情况。

目前人们对于基因的理解已经日臻完善，并且由此摆脱了实验室阶段的束缚，我们开始有目的地在人类细胞中进行研究与干预工作。染色体是细胞中携带遗传物质的载体，其外形好似细长的纤维，上面携带成千上万个以链状结构相连的基因。[ 2] 人类共有 46 条染色体，其中 23 条来自父亲，另外 23 条来自母亲。基因组指的是某个有机体携带的全套遗传信息（

人类基因组大约包括 21 000 至 23 000 个基因，它们在人体生长发育、细胞修复以及功能维持方面起着决定作用。鉴于基因技术在过去 20 年间得到迅猛发展，因而我们能够从时间与空间上破解部分基因发挥上述复杂功能的机制。不仅如此，我们偶尔也会通过定向改造基因来影响它们的功能，最终使身体状态、生理机能甚至人类本身发生改变。

我们已经发明出按照既定目标永久改变人类基因组的技术（尽管这些“ 基因工程” 技术的安全性与可靠性还有待慎重评估）。与此同时，通过分析个体基因组来预测人们未来命运的能力也得到大幅度提升（虽然通过这些技术预测出的结果的真实性尚需验证）。

20 世纪 40 年代，纳粹德国为了实现上述目标已经达到疯狂的极限，他们利用某些残忍的人体实验来验证优生学理论，其中包括监禁、绝育、安乐死以及灭绝人性的屠杀。

第二次世界大战（以下简称“ 二战”）结束后科学技术的迅猛发展促成了生物学领域的革命。研究证实 DNA（脱氧核糖核酸）就是遗传信息的载体。如果我们使用专业术语来表述基因的“ 作用”，那么基因就是通过编码化学信息来合成蛋白质，从而控制生物的性状并且行使生物学功能。

20 世纪 70 年代，有两项对遗传学起到重要影响的技术问世，这就是我们耳熟能详的基因测序与基因克隆，它们分别代表着基因的“ 读取” 与“ 复制”（“ 基因克隆” 包括所有用于从生物体中提取基因，然后经过一系列体外操作后获得杂交基因，并且这些杂交基因可以在活细胞内大量复制的技术）。

2001 年，人类基因组草图正式公布。根据基因组计划的发展方向，我们将从基因层面来理解人类遗传过程中变异与“ 正常” 的行为。

实际上，如果仔细观察周围的事物，那么你会发现，世界上所有纷繁复杂的现象都是自然规律高度集成的结果。只有在个别情况下，我们才可以仅凭直觉与感知来了解这些自然规律。当然在通常情况下，我们仍然需要通过人工实验来说明某个复杂问题，

当时分类学在生物学理论中居于统治地位，这种巧妙的设计将所有生物按照界、门、纲、目、科、属和种来进行分类。 18 世纪中期，瑞典植物学家卡尔· 林奈（ Carl Linnaeus）创建的生物命名法为分类学奠定了基础，那时它还只是用于形态描述而并非机制研究。

毕达哥拉斯认为，男女在人类繁衍（就像在生产劳动中的角色差异）过程中的分工各不相同。其中父亲提供了胎儿形成的必要信息，而母亲子宫提供的营养可以使这些数据转化为胎儿。该理论后来被称为“ 精源论”，它强调了精子在决定胎儿各种特征中的核心作用。

如果说柏拉图的作品《理想国》是政治哲学的理论基础，那么《动物志》就是人类遗传学的奠基之作。

传递信息才是遗传物质的核心功能。信息从开始就参与了生物体的孕育过程，并且最终实现了信息转化成为物质的过程。当生物体发育成熟后，其体内会再次生成男性或者女性精液，此时材料又将转化为信息。

缩微人图片风靡于 17 世纪，人们把精子尾部看作柔顺的发束，而把精子头部当成微小的头颅。到了 17 世纪末期，预成论被公认为解释人类与动物遗传问题最权威的理论。

实际上，预成论基本上是毕达哥拉斯理论的重述，其核心还是精子携带着制造新生命的全部信息。而“ 无形的手” 则是亚里士多德思想的华丽转型，它强调遗传是以信息创造物质的形式进行的（“ 无形的手” 携带着指令塑造出胚胎）。

在 18 世纪末期，自然史这门学科主要被那些所谓的神职博物学家把持，其中就包括教区牧师、本堂牧师、修道院院长、教会执事以及修士，他们在花园里对各种动植物进行繁育，然后通过收集它们的标本向神创论天造地设的奇迹致敬，但是总体来说，他们都刻意回避讨论有关神创论基础的话题。教堂为这些科学家提供了某种庇护的天堂，而这种做法也有效地抑制了他们的好奇心。

达尔文与孟德尔发现了同一个具有划时代意义的问题：“ 自然” 到底来自何方？孟德尔的问题源自微观：单个有机体如何才能将信息传递给下一代？达尔文的问题则来自宏观：有机体如何让它们的特征信息世代相传？最后，这两位巨匠的努力殊途同归，从而诞生了现代生物学上最重要的理论，并且对于人类遗传学进行了最为深入的阐述。

托马斯· 马尔萨斯平时是萨里郡奥克伍德教堂的助理牧师，可是到了夜晚，他就成了一名隐秘的经济学家。其实他真正热衷的是研究人口与增长问题。 1798 年，马尔萨斯以笔名发表了《人口论》（ An Essay on the Principle of Population）这篇颇具煽动性的文章，他认为人口增长与有限资源之间的矛盾无法调和。马尔萨斯据此推断，随着人口不断增长，生活资料将逐渐耗尽，个体之间的竞争将变得更加激烈。

在马尔萨斯的文章中，达尔文终于找到了他梦寐以求的答案。而这种为生存而进行的斗争就是塑造之手。死亡不仅是自然界的指挥官，同时也是残忍的刽子手。达尔文写道：“ 我突然想到，在这种环境下（自然选择），有利变异将被保留而无利变异将被清除。其结果就是形成某个新的物种。”[

华莱士重新回顾了马尔萨斯的文章。“ 答案显而易见…… 适者生存…… 只要通过这种方式，动物机体的任意部分都可以根据需要发生改变。”

拉马克理论的魅力在于它描述了一个令人信服的进化过程：所有的动物都在逐渐适应环境，然后它们会沿着进化的阶梯缓慢趋向完善。进化与适应彼此相互融合成为一个连续的整体：适应环境是进化的基础。该理论并非靠直觉产生，它的内容既适合神创论，同时也非常符合生物学家的研究现状。

孟德尔却深信天下大事必作于细。 18 世纪兴起的科学革命遍及欧洲大地，这场变革最深刻的意义在于，人类意识到自然法则具有同一性与普适性。众所周知，牛顿根据苹果从树上坠落的事实发现了万有引力，而其本质与控制天体环绕轨道运行的驱动力毫无二致。如果遗传规律也存在某种通用的自然法则，那么我们就可以从豌豆生长发育的过程来了解人类繁衍生息的奥秘。

当两个等位基因同时存在时，其中一个基因可能会“ 支配” 另外一个基因。当显性等位基因存在时，隐性等位基因就像消失了一样，但是如果植株同时获得两个隐性等位基因，那么隐性等位基因控制的性状将再次出现。在整个过程中，单个等位基因携带的信息不可分割，信息微粒将保持完整。

在自然界中，生物体表现出的变异性状浩如烟海（高茎、矮茎、皱粒、圆粒、绿色、黄色、棕色），而这些携带遗传信息的微粒在悄然无息中世代相传。生物体的性状均由某种独立单位决定，它们具有与众不同的特征以及永不磨灭的属性。尽管孟德尔没有为这个遗传单位命名，但是他实际上发现了基因最基本的特征。[

1897 年，德· 弗里斯完成了《遗传性畸变》（ Hereditary Monstrosities）一文，在这篇具有里程碑意义的论文中，他对实验数据进行了系统分析，并且推断每种性状是由单一信息微粒决定的。每个杂合体都继承了两个这样的信息微粒，其中一个来自精子，而另一个来自卵子。然后信息微粒又通过精子和卵子完整地传递给下一代。信息微粒既不会混合，也不会出现信息丢失。

突变是自然界中变异体产生的根源：长颈羚羊、短喙雀与大叶植物均可自发生成于数目庞大的普通种群（该理论与拉马克的观点相反，这些突变体源自随机选择而并非刻意制造）。这些变异体的特征在于其遗传性，它们在精子与卵子内以离散指令形式存在。当动物在自然界中物竞天择的时候，只有那些最能适应环境的变异体，或者说最适合的突变才能世代延续下去。它们的后代在继承这些突变的同时会形成新的物种，并且由此推动物种进化。自然选择不是作用于生物体，而是影响其遗传单位。德· 弗里斯意识到，鸡只是鸡蛋自我更新过程中的产物。

高尔顿使用的大部分研究数据相对直观，当然有时也会出现意料之外的事情。总体而言，如果父母双方均身材高大，那么孩子的个头也不会矮。高个头男性与普通个头女性所生的子女，其身高无疑要超过正常人群的中位数，但是他们同样符合正态分布，其中有的人要比要比父母高，而有的人则比父母矮[

亚里士多德曾经将遗传定义为信息流，而这条河承载着遗传密码从卵子进入胚胎。 2000 多年以后，孟德尔在无意中发现了遗传信息的基本结构，也可以说是组成密码的字母表。如果说亚里士多德描述了遗传信息在代与代之间流通的趋势，那么孟德尔则发现了流通中使用的货币。

在科学界，某个词语就可能代表一个假说。在自然语言中，词语只是概念的转述；然而在科技语言中，词语的含义绝不会这么简单，其中的内涵可能包括机制、结局以及预测。某个科技名词的问世足以引发成千上万个疑问，

高尔顿希望通过人工选择遗传性状与定向繁育后代来改良人种，并且将这门新兴学科起名为优生学。对于高尔顿来说，优生学只是遗传学的一种应用形式，就像农业是植物学的应用形式一样。

从孟德尔开始进行豌豆实验，再到卡丽· 巴克被法院强制执行绝育手术，这中间只经历了短短的 62 年。就在这稍纵即逝的 60 多年间，基因已经从一种植物学实验中的抽象概念演变为操纵社会发展的强大工具。就像 1927 年在最高法院进行辩论的“ 巴克诉贝尔案” 一样，遗传学和优生学领域也是鱼龙混杂，可是其影响力已经渗透到美国社会、政治和个人生活中。

摩尔根的发现是对孟德尔定律的重要修正。基因并不会单独旅行，相反，它们总是结伴而出。染色体分布在细胞核内，它储存着各种被压缩的信息包。但是这项发现具有更重要的意义：从概念上讲，摩尔根不仅将基因连接在一起，他还将两门学科（细胞生物学与遗传学）结合起来。基因不再是一个“ 纯理论单位”，它是居住在某个特定部位的有形物质，并且以某种特殊的形式存在于细胞中。“

斯特提万特绘制的这张早期遗传图谱意义非凡，它成为 20 世纪 90 年代蓬勃兴起的庞大人类基因组计划的序曲。由于通过连锁定律可以确定基因在染色体上的相对位置，因此斯特提万特同样为将来克隆复杂家族性疾病（例如乳腺癌、精神分裂症、阿尔茨海默病等）基因奠定了基础。而他只用了短短的 12 个小时就在纽约的学生宿舍里勾勒出了人类基因组计划的雏形。

其实基因的无穷魅力就在于此，只需要对它进行单次扫描就可以找到问题的答案。细胞执行代谢功能的信息源自何方？当然是来自细胞的基因。那么胚胎中的加密信息呢？当然还是由基因来编码。当某个生物体开始繁殖的时候，基因发出的指令在胚胎构建、细胞功能、新陈代谢、交配仪式与复制物种时起到关键作用，并且所有这些重要信息均将以将以某种相同的模式来进行。遗传学不是生物学领域的次要问题，它一定会跻身于学科排名的前列。

现在我们可以从基因的角度来描述上述三项和解，并且据此来阐明自然界的历史、现在与未来。其中进化描述了自然界的历史：即生命从何而来。变异描述了自然界的现在：为什么生物体会是现在的样子。而胚胎发育则是为了把握未来：单个细胞怎样才能创造出继承其衣钵的生物。

基因型+ 环境+ 触发器+ 概率= 表型尽管上述公式看似简洁，但是却具有权威性，它不仅抓住了遗传、概率、环境、变异与进化之间交互作用的本质，而且还反映了决定生物体形态与命运的演变过程。在自然界里，基因型变异就存在于野生种群中。

实际上，多布然斯基发现自然变异是生物体的某种重要储备，这种财富甚至比生物体自身的责任还重要。如果没有变异发生就不会存在丰富的遗传多样性，那么生物体可能终将彻底失去进化能力。

在 20 世纪 20 年代，科学家们刚刚开始运用化学知识来理解生命的奥秘。生物学逐渐向化学靠拢。生物化学家认为细胞就像是装满化学物质的烧杯，细胞膜将这些混合物紧紧包裹，它们之间发生反应后创造出“ 生命” 现象。

与高尔顿的不同之处在于，穆勒开始意识到，只有当社会处于完全平等的状态下时，积极优生学才能真正发挥作用。优生学不可能超越社会平等而实现。社会平等才是开展优生学的先决条件。如果没有社会平等作为保障，那么优生学将不可避免地误入歧途，尽管流浪、贫困、异端、酗酒以及智障等问题只是社会不公的体现，但是它们还是会被当成遗传病来看待。

按照普罗兹的描述，“ 种族卫生” 就是对种族进行遗传净化，就像个人卫生指的是对自己的身体进行清洗一样。个人卫生通常要清除身体的碎屑与排泄物，而种族卫生则要消除遗传物质的残余，并且创造出更健康与更纯净的种族。[

1935 年 10 月，为了防止遗传混合，纳粹政府在颁布的《德意志血统及荣誉保护法》（即“ 纽伦堡法案”）中，禁止犹太人与德意志血统的公民通婚或者与雅利安后代发生性关系。

截至 1941 年，德国 T4 行动已经屠杀了将近 25 万的成人与儿童。此外，在 1933 年到 1943 年间，大约有 40 万人根据绝育法接受了强制绝育手术。

在大屠杀期间，有 600 万犹太人、 20 万吉卜赛人、几百万苏联和波兰公民还有不计其数的同性恋者、知识分子、作家、艺术家以及持不同政见者在集中营与毒气室中惨遭杀害。

纳粹政府坚持遗传无法改变的理念，苏联政府笃信遗传可以被彻底清除。在这两种意识形态里，遭到蓄意歪曲的科学被用来支持国家主导的“ 净化” 机制。通过偷换基因与遗传学概念，整个系统的权力与地位得到了证实与巩固。到了 20 世纪中叶，无论基因学说被接受与否，它已经成为某种潜在的政治与文化工具，并且跻身历史上最危险的思想之一。

同卵双胞胎源自单个受精卵分裂，因此双胞胎具有完全相同的基因组；异卵双胞胎则源自两个同时受精的卵细胞，双胞胎的基因组并不相同）。

生命或许就是化学反应的过程，但是它必定是某种特殊环境下的产物。生物体并不依赖于那些司空见惯的反应，只有某些独一无二的过程才能主宰其命运。反应过多将会持续消耗人体能量，而反应过少则会让我们走向衰竭死亡。蛋白质可以完成这一近乎不可能的任务，并且使我们在混乱的化学反应（熵）中得以生存，几乎每项细胞功能（代谢、呼吸、分裂、自卫、废物排泄、分泌、信号传导、生长甚至是细胞死亡）都需要蛋白质参与执行。

米舍通过拧干外科敷料来收集人体脓液，然后将白细胞进行离心得到了结构致密的螺旋状分子链。此外，他在鲑鱼精子中也发现了相同的白色螺旋状化学物质。由于这种分子存在于细胞核中，因此他将其命名为核素（ nuclein）。鉴于该物质呈酸性，所以它后来被改称为核酸（ nucleic acids），但是其细胞功能却始终藏而不露。

到了 20 世纪 20 年代早期，生物化学家对于核酸的结构有了进一步了解。核酸由 DNA 与 RNA（核糖核酸）这对分子“ 表兄弟” 组成。二者的长链中包含有四种碱基，它们沿着细绳般的分子链或者骨架排列。四种碱基向骨架外侧凸起，就像是藤蔓上钻出的绿叶。在 DNA 中，这四片“ 叶子”（或者碱基）分别是腺嘌呤（ A）、鸟嘌呤（ G）、胞嘧啶（ C）和胸腺嘧啶（ T）。而在 RNA 中，胸腺嘧啶被替换成了尿嘧啶（ U），所以其组成为 A、 C、 G、 U 四种碱基。[

生物物理学是学科发展进入新时代的标志，而这个奇特的称谓由生物学与物理学组成。

DNA 双螺旋结构是一个标志性的象征，它与毕达哥拉斯三角形、拉斯科洞穴壁画、吉萨金字塔以及从外太空俯瞰人类居住的蓝色弹珠图像有异曲同工之妙，并且将永久铭刻在人类历史与记忆中。

1953 年 4 月 25 日，沃森与克里克在《自然》（ Nature）杂志上发表了《核酸分子结构：脱氧核糖核酸结构》。同期同期发表的还有一篇由戈斯林与富兰克林撰写的论文，他们为支持双螺旋结构提供了强有力的晶体学证据。而第三篇文章则由威尔金斯完成，他从 DNA 晶体实验中获取的数据进一步印证了该模型的合理性。

当沃森与克里克构建的 DNA 双螺旋模型问世后，基因作为代际神秘信息载体的概念正式终结，同时也意味着遗传学领域从此跨入新纪元。基因作为一种能够编码与存储信息的化学物质或分子，它可以在各种生物体之间传递信息。假如说 20 世纪早期遗传学领域的关键词是“ 遗传信息”，那么到了 20 世纪末期这个关键词可能就变成了“ 遗传密码”。

蛋白质是由 20 种名为氨基酸（甲硫氨酸、甘氨酸、亮氨酸等）的简单化合物串联形成的链状结构。它们与 DNA 的不同之处在于， DNA 链主要以双螺旋形式存在，而蛋白质链则可以扭转形成各种特殊的空间构象，看起来就像是被折叠成特殊形状的电线。这种变形能力可以让蛋白质在细胞中执行不同的功能。它们在肌肉（肌球蛋白）中表现为细长且柔韧的纤维，也可以化身为球形（例如，酶类中的 DNA 聚合酶）然后促进化学反应发生，还能够与产生颜色的化学物质结合，合成眼睛或者花朵内的色素。

布伦纳与雅各布后来发现信使 RNA 与原始 DNA 呈互补关系。当基因的 RNA 拷贝从细胞核转移到细胞质时，其携带的信息将被解码并指导蛋白质合成。信使 RNA 既不是天使也不是恶魔，它只是一个专业的中介。基因生成 RNA 拷贝的过程被称为转录，仿佛它们在以原始语言为模板对单词或句子进行重写。最终基因密码（ ATGGGCC……）被转录为 RNA 密码（ AUGGGCC……）。

生物信息始终以某种原始的方式在生命体系中有条不紊地流动：其中 DNA 经过转录形成 RNA，然后 RNA 通过翻译合成蛋白质，蛋白质，并且最终由蛋白质构建结构并且执行功能，从而让基因展现出无穷无尽的生命力。

基因调控（蛋白质控制基因的启动与终止）的作用在于，它可以让细胞的遗传信息在原有拷贝的基础上变得更加丰富多彩。

每个基因组中都含有允许自身复制的蛋白质密码。由于 DNA 复制过程错综复杂，因此为其调控提供了关键节点。当然 DNA 复制也可在其他信号或调节分子的调控下启动或终止，例如年龄或细胞的营养状态，并确保细胞在准备分裂时才进行 DNA 复制。

双螺旋结构充分展示了碱基配对原则的重要性，成功解决了遗传生理学中的三大难题。这些互为镜像的化学物质使得基因可以根据正常拷贝进行重建。而碱基配对原则就是确保遗传信息准确性与稳定性的基础。“

基因组之间的共性可以解释亲代与子代的相似性，而基因突变与基因重组则能解释它们之间的差异性。对于家庭成员来说，他们不仅共享相似的社交文化网络，而且还拥有功能相仿的活性基因。

在有性生殖过程中，生物体的信息以压缩形式进入单个细胞，然后这个细胞又可以重新演化为生物体。摩尔根意识到，基因解决了遗传信息的传递问题，可是由此又产生了生物体的发育问题。因此这种单个细胞必须能够携带构建生物体的完整指令（也就是基因）。那么基因到底如何指导单个细胞再次成为完整的生物体呢？

细胞是组成生物体的基本单元，而它们会接受遗传指令的统一调控。生命起源实际上是基因潜移默化的过程。

科学家们很快就在人类癌症中发现了某些调节细胞死亡的基因。此外正常人类细胞同样拥有这种控制程序性死亡的凋亡基因。许多凋亡基因的历史非常久远，它们的结构和功能与在线虫和果蝇体内发现的死亡基因相类似。

自 20 世纪 60 年代以来，微生物学家一直致力于从细菌中提纯出用在试管里操纵 DNA 的酶类。细菌细胞，或者说任何细胞都要通过自身的“ 工具箱” 来操纵 DNA：在细胞分裂、修复损伤基因或者基因在染色体之间发生交叉互换的过程中，均需要用酶去复制基因或者填充损伤造成的缺口。

实际上，所有细胞都有用来修复损伤 DNA 的连接酶与聚合酶，但是 DNA 切割酶在大多数细胞中并不能随心所欲地发挥作用。然而对于细菌与病毒来说，它们总是颠沛流离地行走在生命边缘。它们赖以生存的资源极其匮乏，而生物体生长又非常迅猛，这导致生存竞争异常激烈，因此它们拥有功能强大的切割酶来保护自己不受损伤。这些 DNA 切割酶就像锋利的弹簧刀，可以将入侵者的 DNA 切断，并且启动自身宿主免疫进行攻击。

胰岛素是蛋白质纯化工作的重大成果，它本身是一种参与血糖调节的激素，当其被注射到糖尿病患儿体内便可以迅速扭转这种致命的糖代谢疾病。直到 20 世纪 20 年代末期，礼来制药公司（ Eli Lilly）仅能从大量源自牛与猪胰腺的裂解液中生产出几克胰岛素。

作为遗传学领域的新技术，基因测序与基因克隆随即被用于基因与基因组新特征的鉴定。而这些技术应用的首个重大发现与动物基因和动物病毒的独特功能有关。

在沃森看来，生物学是一门横跨传统与现代领域的新兴科学。传统学派由博物学家、分类学家、解剖学家以及生态学家组成，他们仍然专注于动物分类以及对生物解剖学与生理学特征进行定性描述。而“ 现代” 生物学家则与之完全不同，他们开始研究分子与基因在生物体内的作用。当传统学派还在讲授生物多样性与变异时，现代学派已经在讨论通用编码、共同机理以及“ 中心法则” 了。[

基因克隆与基因测序让生物学发生了天翻地覆的变化。如果把实验生物学比作“ 现代音乐” 的话，那么基因就是它的指挥、管弦乐队、类韵副歌、首席乐器以及总谱。

作为罗马的生育、性与欲望之神，维纳斯并非经过自然孕育降生，而是由凯卢斯（ Caelus）掉入海中的生殖器溅起的泡沫形成的。

悉阿西洛马会议的亮点之二在于促成了科学与公众交流的机制。当年爱因斯坦与齐拉特的信件曾经作为秘密被刻意隐藏起来；与之相反的是，阿西洛马会议则尝试在主流媒体上公开有关基因克隆的担忧。

综上所述，阿西洛马会议恰好成为这些重要成果的展示舞台。这次盛会不仅是遗传学突飞猛进的庆典，同时还在激烈的交锋中提出了评价标准与预警机制。而科学界将阿西洛马会议视为遗传学迈向新时代的标志。

胰腺合成的某种因子一定可以调节血糖，胰腺功能障碍则会导致糖尿病。后来人们发现血糖调节因子就是一种激素，它实际上是由朗格汉斯鉴定的“ 岛状细胞” 分泌进入血液的一种蛋白质。这种激素先是被命名为导素（ isletin），随后被改胰岛素（ insulin），其字面意思就是“ 岛蛋白”。

1978 年 9 月，就在戈德尔于试管中合成胰岛素的两周后，基因泰克开始为重组胰岛素申请专利。但是公司从开始就面临着一系列前所未有的法律难题。自 1952 年起，《美国专利法》规定可以在四个不同的领域授予专利：方法（ methods）、机器（ machines）、产品（ manufactured materials）与组合物（ compositions of matter），而律师则喜欢将该分类称为“ 4M 分类”。

1982 年 10 月 26 日，美国专利及商标局（ US Patent and Trademark Office）授予基因泰克使用重组 DNA 技术的专利，允许公司利用上述技术在微生物体内合成诸如胰岛素或生长抑素这类蛋白质。

蛋白质是生物世界的枢纽，它们是细胞反应的推动者、阻断者、策划者、调控者、守卫者以及操作者。它们就是大多数药物寻求开启或关闭的分子开关。

1982 年，基因泰克开始生产人类生长激素（ HGH），并且用于治疗特定类型的侏儒症。 1986 年，该公司的生物学家克隆出 α 干扰素，这是一种可以有效治疗血液肿瘤的免疫蛋白。 1987 年，基因泰克成功制备了重组组织型纤溶酶原激活剂（ TPA），这是一种用于治疗中风或者心脏病的溶栓剂。 1990 年，该公司开始利用基因重组技术制备疫苗，并且将乙型肝炎疫苗作为首个研究目标。 1990 年 12 月，罗氏制药出资 21 亿美元收购了基因泰克公司的大部分股权，

突变体或突变本身并不能直接反映躯体疾病或者功能紊乱的信息。疾病是个体遗传因素与所处环境之间失衡导致的特定缺陷，其中涉及个体突变、周边环境、生存目标以及成功终点。最终导致疾病的不是突变，而是众多因素之间的错配。

如果说《蜘蛛侠》与《神奇四侠》让变种人超级英雄的形象展现在美国民众的面前，那么 1963 年 9 月出版的漫画《 X 战警》（ X- Men）则使变种人的故事占据了人们的精神世界。《 X 战警》与之前的漫画不同，它的主要情节是变种人与普通人类之间的矛盾冲突。

早在 1910 年，英国优生学家悉尼· 韦布（ Sidney Webb）就已经在不断强调“ 干预，干预，再干预”，但是直到 60 多年后，随着人工流产得到法律认可以及遗传分析科学的逐渐发展，新型优生学作为一种脱胎换骨的遗传“ 干预” 手段才步入正轨。

科学的严谨性能够保证现代优生学不被纳粹优生学的邪恶理论污染。人们在评估基因型的时候将采取严格的科学标准，从而确保整个过程不受来自政府的干扰或命令。同时每一个步骤都要为自主选择留有余地，并且承诺产前检查与人工流产等优生选择完全出自个人意愿。

遗传学发展的关键在于概念转变，其间历经了从统计性状到遗传单位以及从基因到 DNA 的变迁。如今博特斯坦同样也实现了重要的概念转变，他将染色体描绘成遗传生物特征的人类基因分布图。

亨廷顿病家族患者体内的重复序列数量将逐代增多，其结果就是致病基因将出现 50 个或 60 个重复序列（就像那个出现拼写错误的孩子，还在不停在 Mississippi 中添加 s）。随着致病基因中的重复序列数目与日俱增，亨廷顿病患者的症状将会逐渐加重，同时其家族成员的起病年龄也出现低龄化趋势。研究人员在委内瑞拉甚至发现了年仅 12 岁的患者，其中某些患者携带的亨廷顿基因含有 70 个或 80 个重复序列。

从 20 世纪 70 年代中期到 80 年代中期，遗传学领域已经见证了许多概念的诞生，其中就包括基因克隆、基因定位、断裂基因、基因工程以及基因调控新模式，但是在规模层面并没有发生任何根本性的改变。在过去 10 年间，科学家已经完成了成百上千个基因的分离与测序，并且可以根据它们的功能特点对其进行克隆，然而反映细胞生物全基因组的综合目录尚未完成。

大多数常见的人类疾病并非由单基因突变引起。它们不仅是遗传病，更是基因组病：这些疾病涉及多个基因并且影响到整个人类基因组，而它们才是决定患病风险的重中之重。我们无法通过研究单一基因的作用来理解上述疾病的本质，只能通过分析多个独立基因之间的相互关系来进行诊断或预测。众所周知，癌症是典型的基因组病。

正常细胞可以通过四种机制发生致癌突变。首先，突变可能源自环境危害，例如吸烟、紫外线或者 X 射线，它们均能攻击 DNA 并改变其化学结构。其次，细胞在分裂过程中产生的自发错误将导致导致突变（每次 DNA 在进行胞内复制时都有可能会出现小概率错误，例如，碱基 A 可能会转变为碱基 T， G 或 C）。第三，癌基因可以遗传自父母，从而导致遗传性癌症综合征，例如具有家族遗传特点的视网膜母细胞瘤与乳腺癌。第四，病毒是专业的基因载体，它可以携带基因进入细胞并且在微生物世界内完成基因互换。最终，上述四种原因将导致相同的病理过程—— 控制细胞生长的遗传通路出现异常活化或者失活，最终导致细胞分裂失去正常调节并且开始恶性增殖，而这也就是癌细胞的与众不同之处。

精神分裂症是一种复杂的多基因病，它涉及多种基因的突变且临床表现扑朔迷离，同时潜在的环境因素或者随机触发器也会对疾病产生影响。就像癌症以及其他多基因病一样，通过单次单基因分析根本无法揭示精神分裂症的奥秘。

尽管人类基因组由许多基因组成，但是其结构大部分为非编码序列组成。这种存在于基因之间的序列被称为基因间 DNA，它就像是连接加拿大小镇之间绵延不绝的高速公路。对于基因间 DNA 与内含子来说，它们就是编码序列之间的间隔序列与间插序列，本身并不编码任何蛋白质信息。[ 1] 某些 DNA 序列所包含的信息可以决定基因表达的时间与空间，它们负责编码基因调控开关的启动与终止，而其他序列所编码的功能尚不得而知。

TIGR 应用的测序法是先将基因组粉碎，接着对基因片段进行随机测序，最后再根据重复序列组装基因组。而人类基因组计划采取的测序法更为循规蹈矩，他们将基因组片段组装并排列成物理图谱（确定“ 谁挨着谁”），先是确定克隆片段的身份与重叠部分，然后再依次对克隆片段进行测序。

鲁宾曾经说过：“ 我们从果蝇基因组研究中获得了启示，生物体的基因数量与其复杂性并不成正比。人类基因组…… 很可能就是果蝇基因组的放大版…… 此类复杂特征的进化轨迹从本质上讲是一个循序渐进的过程，而这些交互作用的结果起源于结构相似基因在时空上的隔离。”

人类基因组由 3 088 286 401 个碱基对组成（该数字前后出入不大，而最新的估算结果是 32 亿个碱基对）。 ·假如将人类基因组比作以标准字体印刷的图书，那么该书的内容将仅由 ATGC 这四个字母循环往复组成：…… AGCTTGCAGGGG…… 它们会按照碱基配对的原则无限延伸下去，而本书的页数也将达到 150 万页以上，是《大英百科全书》的 66 倍。 ·人体大多数细胞具有 23 对（ 46 条）染色体。

人类基因组共编码大约 20 687 个基因，其数量仅比蠕虫多 1 796 个，比玉米少 12 000 个，比水稻或小麦少 25 000 个。当然“ 人类” 与“ 早餐谷物” 之间的区别不在于基因数量多少，而在于其细胞内部基因网络的复杂性。

基因在基因组中所占的比例非常小。基因组序列的绝大部分（ 98%）是由大量散布在基因之间（基因间 DNA）或者基因内部（内含子）的 DNA 片段组成。这些长段的间插 DNA 序列并不编码 RNA 或蛋白质：它们存在于基因组中的意义可能与调控基因表达有关，

人类基因组中包含有数量庞大的“ 基因家族”，这些基因在结构与功能上具有相似性，它们紧密排列在一起形成基因簇。某些染色体上 200 个密切相关的基因可以形成基因岛，它们可以编码“ 同源基因” 家族成员，并且在决定胚胎的命运、身份与结构、体节形成以及器官分化中起着重要作用。

遗传密码的作用机制一目了然： DNA 经转录后生成 RNA，随后 RNA 通过翻译来合成蛋白质，同时 DNA 中的三个连续碱基对可以对应蛋白质中的某个氨基酸。相比之下，基因组密码的作用机制十分复杂—— 附着在基因上的调控序列携带有决定基因表达的时空信息。我们并不了解某些基因位于基因组特定位点的原因，也不清楚基因间 DNA 片段如何调控基因的生理功能。

1988 年，美国国家研究理事会（ NRC）在一份关于基因组计划的文件中对其未来做出了重要预测：“ DNA 序列编码不仅决定了学习、语言与记忆等智力要素，它们还构成了人类社会的文明基础。除此之外，这些序列还可以编码众多致病或增加疾病易感性的突变与变异，并且让人类在漫长的历史中饱受苦难的折磨。”

威尔逊意识到该技术不仅可以分析家族成员之间的差异，而且还适用于整个生物界种群的研究。我们可以根据基因变异来绘制亲缘关系图，然后通过基因多样性来判定谁是物种中最古老的种群：部落成员的基因多样性越高，这个部落的历史也就越久。

现代人的祖先似乎均生活在地球上一处非常狭小的区域里，其具体位置就在撒哈拉沙漠以南地区的某个地方。现代人出现于距今约 10 万至 20 万年前，随后他们向北部与东部迁徙并在中东、欧洲、亚洲与美洲定居下来。费尔德曼写道：“ 人类越是远离非洲大陆，其基因变异就会越少。这种模式与源出非洲的理论相吻合，即首批现代人大约在 10 万年前离开非洲，他们以跳跃的方式分布到世界各地。

“ 细胞器”，也就相当于细胞内的迷你器官。我们曾经在前面提到，人类的 23 对染色体（大约包含 21 000 个基因）均位于细胞核内，但是携带有独立微型基因组的线粒体却位于细胞质中。

胚胎线粒体全部源自母系的现象具有重要意义。无论男性还是女性，所有人类的线粒体只能从母亲那里继承，而线粒体来源又可以追溯至她们的母亲，并且沿袭着某条绵延不绝的血脉延伸至无限遥远的过去。（

对现代人类来说，每个人的线粒体谱系均可以追溯至某位女性。而作为我们这个物种的母系祖先，她应该生活在距今 20 万年前的非洲大地。尽管其亲缘关系与生活在博茨瓦纳或纳米比亚的桑族女性最为接近，但是我们并不知道她到底长什么样子。

特曼意识到其测量结果在儿童生长发育阶段会受到年龄的影响，因此他提出了一种全新的度量方法来量化分年龄智力。如果某人的“ 心理年龄” 与他（她）生理年龄相一致，那么其智商就被定义为 100。如果心理年龄小于生理年龄，那么其智商就小于 100；如果心理年龄大于生理年龄，那么其智商就大于 100。

到了 20 世纪 40 年代早期，这些测试已经成为美国文化不可或缺的一部分。智商测试被广泛用于求职排名、学生择校以及特工招募。在 20 世纪 50 年代，美国人通常会把他们的 IQ 值写在简历上，并且会为应聘工作提交某项智力测试的结果，甚至还可能根据测试结果来选择配偶。

研究结果显示， IQ 确实符合这种遗传模式。例如，共同生活的父母与子女的 IQ 相关系数降至 0. 42，分开生活的父母与子女的相关系数则暴跌至 0. 22。无论 IQ 测试的结果是什么， IQ 只是一种可遗传的因素，它将受到多基因与环境修饰作用的影响，也就是说 IQ 是先天与后天因素相互融合的结果。总体来说， IQ 测试中真正的变量并不是智力，而是受试者的天赋、自尊、自我以及焦虑。

生理性别指的是男性与女性身体的解剖和生理特征。社会性别的概念较为复杂，它是个体所扮演的精神、社会与文化角色。性别认同是个体对于性别的自我认识（女性或男性，两者均不是，或介于二者之间）。

按照遗传学的逻辑，上述现象反映出某种奇特的悖论。作为人类最复杂的性状之一，性别不大可能由多个基因编码。然而对于某个隐藏在 Y 染色体上的单个基因来说，它却有可能成为决定雄性的主控因子。[

对于那些女性斯威尔综合征患者来说，细胞内的 Y 染色体确实阻碍了某些女性解剖结构的发育。其中较为突出的问题就包括乳房与卵巢发育异常，而这将导致女性患者体内的雌激素处于较低水平。但是她们不仅完全没有感到任何生理方面的异常，同时大部分解剖特征也与正常女性完全相同：

女性斯威尔综合征患者并不是“ 具有女性外表的男性”，她们实际上是携带男性染色体的女性（其中仅有一个基因不同）。 SRY 基因突变的个体不仅在身体结构上与正常女性相差无几，更为重要的是她们拥有成为完整女性的意识。

2005 年，某个来自哥伦比亚大学的团队对这些病例进行了分析，他们通过纵向研究确认了“ 遗传学男性”（即出生时具有 XY 染色体的儿童）的事实。由于他们的生殖器解剖结构往往发育不良，因此这些“ 遗传学男性” 的社会性别在出生时就被认定为女性。

SRY 基因以某种开/ 关的形式掌控了性别决定。启动 SRY 基因可以让动物在解剖与生理上表现为雄性，而关闭 SRY 基因会使它们在解剖与生理上表现为雌性。

贝利发现男同性恋者的性取向并不完全取决于基因。包括家庭、朋友、学校、宗教信仰以及社会结构在内的各种因素都可以对性行为产生明显影响。

经过将近 10 年的艰苦努力后，遗传学家并没有发现“ 同性恋基因”，只是找到了“ 同性恋基因的位置”。虽然该位置上的某些基因的确与性行为调控有关，但是迄今尚未有哪个基因被证实与同性恋直接相关。例如，对于某个位于 Xq28 区域的基因来说，它可以编码一种调节睾酮受体的蛋白质，而睾酮受体是众所周知的性行为中介物质。

多巴胺是一种神经递质，它可以在大脑神经元之间传递化学信号，特别是涉及大脑对“ 奖赏” 的识别。众所周知，多巴胺是人体内最为强大的神经化学信号之一：如果我们对大鼠脑中的多巴胺应答奖赏中枢进行电刺激，那么实验动物将会因为拒绝进食与饮水死亡。

20 世纪 80 年代以来的 30 年里，心理学家与遗传学家一直致力于同卵双胞胎的研究，他们尝试着对于某些细微差异进行分类与测量，希望能够解释成长于相同环境下同卵双胞胎之间迥然不同的命运。然而所有试图在现实中找到可供测量的系统化差异的努力均以失败告终：尽管这些双胞胎的成长环境（家庭、学校、营养、知识、文化以及朋友圈）毫无二致，但是他们之间的差异有如天壤之别。

20 世纪 90 年代，研究人员发现冬日饥荒幸存者的孙辈也存在较高的肥胖症与心脏病发病率。不知什么原因，突如其来的饥荒不仅对于经历浩劫的幸存者基因产生了影响，而且这些遗传信息还传递到了他们的孙辈。

研究显示，双胞胎对于随机事件（创伤、感染与冲动）、乐曲旋律以及街头美味（巴黎的玛德琳蛋糕）的反应千差万别。而这些事件可以让他们体内的基因“ 启动” 或者“ 关闭”，并且逐渐在基因序列中留下表观遗传标记。[

当这些精子与卵子结合孕育出子孙后代时，它们形成的胚胎也可能携带有此类标记，以至于在冬日饥荒过去数十年后，代谢性改变依然铭刻在他们的基因组内。综上所述，历史记忆就是按照这种模式转化成为细胞记忆的。

基因组与表观基因组存在的意义在于，它们可以跨越细胞与世代的时空来传承相似性与历史记忆。而基因突变、基因重组与记忆消除则可以拮抗这些力量，并且推进差异、变化、畸形、天赋与再造的产生，同时在继往开来的过程中为更加辉煌的明天开辟崭新的道路。

经过岁月漫长的磨砺后， DNA 这种物质终于肩负起遗传信息原版拷贝的重任。虽然 DNA 由 RNA 演化而来，但是它很快就替代 RNA 成为基因的载体，并且在生命系统中发挥着至关重要的作用。[

干细胞是一种特殊的细胞，它可以分为两种类型。在某些条件下，它能够分化成为其他功能细胞，例如神经细胞或皮肤细胞。同时，它还能进行自我更新，也就是说，干细胞能够产生更多的干细胞，进而再分化形成器官所需的功能细胞。干细胞就像是一位拥有子代、孙代、曾孙代的祖辈，它能够产生一代又一代的细胞，并且从不会失去自身的繁殖能力。而它就是组织或器官得以再生的最终源泉。

其实胚胎干细胞真正的强大之处在于其分化能力：胚胎干细胞与 DNA、基因以及病毒都具有二元性，而正是这种内在的属性使得胚胎干细胞成为潜在的生物学工具。胚胎干细胞在组织培养基中的表现与其他类型的细胞没什么两样。它们不仅可以在培养皿中生长，也能够在冻融之后恢复活力。这些细胞可以在液体培养基中繁殖数代，并且在其基因组中进行插入基因或切除基因的操作也相对容易。

实际上，如果基因修饰的胚胎干细胞最终在成年小鼠体内生成了精子与卵子，那么基因就可以在小鼠代际传递，这样也就实现了遗传物质的垂直传递。

这种具有强大变革能力的技术为生物界带来了一个全新的概念：它们就是转基因（也就是跨越基因的意思）动物。到了 20 世纪 90 年代早期，为了揭开基因功能的奥秘，世界各地的实验室已经创建出数以百计的转基因小鼠模型。

展望未来，基因治疗终将成为临床上可以信赖的治疗手段。它将摆脱初期试验质量低劣的阴霾，并且会从“ 过度科研的前车之鉴” 中汲取失败的教训。但是基因治疗想要获得突破尚需经过艰苦努力，而我们为此至少要等待 10 年的光景。

在第二个要素中，定向基因改造（“ 写入基因组”）显然已经在基因治疗的禁令下停滞不前。但是对于第一个要素来说，根据基因预测未来命运（“ 读取基因组”）却得到了学术界的广泛支持。

医学界经过几十年的认真总结发现，乳腺癌可以分为散发性与家族性两大类。散发性乳腺癌见于没有任何家族史的女性，但是家族性乳腺癌可以在几代人中发生。

预计到 2020 年末，基因突变的排列组合将被用于预测人类表型、疾病与命运的变化。尽管某些疾病可能永远也不适合进行基因检测，但是也许在某些重症精神分裂症或心脏病、高外显率的家族性癌症中，只需要通过少数基因突变的排列组合就可以进行预测。

该技术在经过某些改进后，也可以对受精前的卵母细胞（减数分裂后形成卵细胞）进行基因检测。而这项技术被正式命名为胚胎植入前遗传学诊断（ PGD， Preimplantation Genetic Diagnosis）。从道德角度来考量， PGD 要实现的目标似乎高不可攀。如果在选择性移植“ 矫正” 胚胎的同时将其他胚胎冷冻保存，那么就无须使用流产来解决胎儿选择的问题。 PGD 既发挥了积极优生学的长处，又回避了消极优生学的短板，这样就可以避免胎儿死亡。

病毒在进化中形成了入侵并杀死细菌的遗传机制，与此同时细菌也会调兵遣将予以回击。杜德娜非常清楚：“ 病毒感染就像一颗定时炸弹，细菌必须在自身被摧毁之前那短暂的几分钟里拆除爆炸装置。”

精子与卵子先是在体外完成受精过程，然后早期胚胎再被移植到女性体内，而这些步骤几乎不会引发争议。上述方法不仅是实现生殖细胞基因治疗的捷径，同时也成为发展超人类主义的后门：胚胎干细胞向生殖细胞转化为外源基因导入人类生殖细胞提供了便利。

2009 年，在经历了联邦政府对于胚胎干细胞研究的长期限制后，奥巴马政府宣布解除对分离新型胚胎干细胞的禁令。但即使有了这些新的规定，美国国立卫生研究院依然明令禁止进行以下两种人类胚胎干细胞研究：第一，科学家们不得将这类细胞导入人体或动物体内并使其发育成为活体胚胎；第二，禁止在“在“ 可能传递到生殖细胞（例如精子或卵子）” 的情况下对于胚胎干细胞基因组进行修饰。

有报道称四支中国科研团队正在尝试将永久性突变导入至人类胚胎中。等到本书出版的时候，如果首例人类胚胎基因组靶向修饰的实验已经完成，那么我将丝毫不会感到讶异。世界上第一位“ 后基因组” 人类或许马上就要诞生了。

在 21 世纪开始的前 10 年，我们开始学习使用另外一种语言来讲述因果，然后以此来构建某种全新的自我流行病学：我们开始从基因与基因组的角度来描述疾病、身份、亲缘、气质以及偏好，并且最终运用上述理论来诠释命运与选择。