我們的生命由何決定？基因在各種生命活動中可以說占據了主導，而人類對它的探索，一經開始就從未停止過。

一枚小小的受精卵，發育成四肢健全的人體，擁有獨一無二的容貌，卻又經歷相似的成熟、衰老……我們體內像是有一本詳細的說明書，指導著生命有條不紊地推進。

這部“生命之書”寫在名為DNA的遺傳物質上。DNA，全稱“脫氧核糖核酸”，是由含不同堿基的核苷酸分子排列組合而成的。核苷酸分子最主要的差異部分是堿基。共有4種，分別簡稱為A、T、C、G。其中A與T，C與G總是成對、互補地出現在DNA雙鏈的兩側。堿基的排列順序稱為“序列”。DNA的序列是編碼蛋白質的依據。能編碼出完整蛋白質的序列片段就是 “基因”。如果把DNA比作一座巨大的圖書館，“基因”就相當于其中的一本本書。

圖：配圖來自圖蟲網

一套完整的DNA序列稱為一個“基因組”。人類的基因組由約30.55億個堿基對組成，包含約2.5萬個基因，能指導細胞內的氨基酸組裝成不同功能的蛋白質。例如，紅細胞中的血紅蛋白，能捕獲血液中的氧分子；角蛋白可以彼此緊密連接，形成堅硬的指甲。

每個人體細胞中都有一套近乎完全相同的DNA，但有些基因只在特定器官，或特定的時間段工作。胰島素是能降低血糖的激素，由胰臟內的胰島β細胞分泌。它也是一種蛋白質。當血糖過度升高，血液中的信號分子會通知胰島β細胞，打開DNA雙螺旋結構的一部分，也就是胰島素基因，合成胰島素蛋白。一旦產生了足夠的胰島素，會有其他信號分子來通知胰島β細胞，讓胰島素基因停止工作。這就像你從DNA圖書館里拿了一本胰島素的書，看完了再把它放回去。

人類基因組的相似性高達99.9%，剩余0.1%的差異和環境因素共同造就了每個人獨特的外貌、體質、壽命等等。人的一生中，DNA的序列也會變化。細胞復制過程中的錯誤，紫外線、藥物等的刺激，都可能造成堿基的缺失或位置移動。如果因此導致基因改變，合成出異常的蛋白質，就可能導致疾病。如果有個可供參考的基因組序列，就能從源頭上，研究個體差異和疾病的原因了。

于是，1990年，“人類基因組計劃”正式啟動。它的核心目的就是繪制出人類基因組的完整序列圖，進而研究與生老病死相關的眾多基因的差異和相互關系。第一個人類基因組的發布歷時近13年，耗資超過30億美元，集結了全球多國的努力，中國也參與其中。序列數據在網絡上免費公開，極大推動了全球基因領域的研究和應用。之后，基因測序技術開始飛速發展，測序效率不斷加快。如今，獲得單人基因組序列的成本已降至約1000美元，結果幾天內就能獲取。

其實，2003年獲得的序列圖譜并不完整，只完成了92%。由于技術限制，有一部分未能順利測序。要知道，人體的一套DNA分子如果完全展開，可長達2米，自然塞不進直徑僅幾微米的細胞里。為了節約空間，DNA分子通常纏繞、壓縮成致密的染色體，藏在細胞核中。染色體中部狹窄的 “著絲粒”是細胞分裂時復制后染色體開始分裂的位置；染色體末端的“端粒”，其長度隨著衰老而逐年變短。可是這兩個重要部位的序列都含有大量的重復片段。當年的測序儀效率很低，并且只能讀短短幾百個堿基的序列，再一段段拼起來。就好比玩拼圖，如果拼圖很小，圖案的顏色形狀又非常相似，就很難判斷它們的順序了。經過近20年的探索，在高通量測序儀和能連續讀取幾萬個堿基的測序技術的幫助下，2022年，這缺失已久的8%終于被解鎖了。新版本的人類基因組擴增了約2億個堿基，包括1956個預測基因，為研究疾病和分析人類演變提供了重要的依據。

在未來，基因探索還會給我們帶來什么，它將如何拓展人類生命和認知的極限，沒人知道答案。

參考文獻
1．Nurk S, Koren S, Rhie A, et al. The complete sequence of a human genome[J]. Science, 2022, 376(6588): 44-53.’
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本文為科普中國·星空計劃扶持作品
作者：徐斯佳（京都大學 醫學博士）
審核：陶寧（中科院生物物理所 副研究員）
出品：中國科協科普部
監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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