上海科技在线编者按：
    基因的革命是一场改变人类命运的革命，生物世纪的来临也是不以人们意志为转移的历史必然。面对这一对中国人来讲似乎有些陌生的突然变化，“了解”似乎应该是第一位的事情。我们应该从什么是基因开始，了解人类基因组计划；了解这一成就将会带给我们的各种影响；了解生物技术时代带给我们的各种机遇和问题，理性地加以把握和应对，这是每一个即将进入新世纪的人所应做的。

目录

人类最初是通过黄色和绿色的豌豆感受到基因的存在的，这要归功于孟德尔在他的植物园中的实验；随后，摩尔根用长不过两毫米的黑瓜果蝇得出染色体是携带基因的最佳工员；终于沃森和克里克建立了双螺旋的基因（DNA）模型……　

 1.1 孟德尔和他的黄色绿色的豌豆

 1.2 摩尔根和他的黑腹果蝇
 1.3 沃森、克里克和DNA双螺旋结构模型

1.1　孟德尔和他的黄色绿色的豌豆

　　孟德尔，1822年生于奥地利海赞多夫一个贫穷的农民家庭里。1843年他进布尔诺的修道院当了一名修土。他原本攻读科学学位，但是却没有完成学业，因为他和达尔文、盖尔顿一样，都饱受忧郁症之苦，无法一次就工作好几个月。虽然如此，他始终没有放弃手边的实验，最后终于发现，遗传信息是透过简单规则传递下去，而这个规则就是基因的文法。不过他到了晚年，却受到行政部门的压力，无法继续实验，成为现代科学的先例。于是，遗传研究搁置了将近半个世纪。

　　孟德尔提出一个观念上的突破，他不像生物学界的前辈，只专注于研究特质的遗传，如身高、体重，反而注重推理运算。他也是第一位认真算数学的生物学家，因此才有了伟大的发现。

　　豌豆和其他园艺植物一样，都有所谓的纯种品系（true－breedinsline），在这个品系里，每颗豌豆看起来都一模一样。至于不同品系，就会有不同特质，例如种子外形，有的是圆形的，有的却是皱折的；而种子颜色，可能是黄色或绿色。豌豆还有另一个优势，就是每一株豌豆都有雄性和雌性器官，只要用画笔轻轻一剧，就可以传授雄蕊花粉，让雌蕊受精。即使是同一株植物的雄蕊花粉，也一样可以用这种近似植物乱伦的过程，我们称之为自体受精。

　　孟德尔将黄豌豆的花粉（等于雄性的精细胞），加八绿豌豆花的雌蕊里，结果在下一代豌豆中，发现有趣的事情：下一代的豌豆，并没有如预期般地出现混合的颜色，反而只像父母其中一方，全部都是黄色豌豆。如果两个品系的“血液”真的混合在一起，那么第二代豌豆，应该是黄、绿色的综合色，结果显然没有。

　　实验的第二个步骤，就是让第一代黄豌豆（就是黄豌豆和绿豌豆交配后的下一代）自体受精，用同一株植物的花粉，让雌蕊的卵细胞受精。后来出现令人意想不到的结果：

　　两种原来的颜色，黄色与绿色，同时在下一代豌豆中出现。也就是说，不管导致绿豌豆出现的物质是什么，它的作用都持续发生，尽管中间隔了一代全部都是黄豌豆。这个结果，完全不符合父母的特质会混合在一起的理论，遗传的机制似乎是透过粒子，而不是流体。

　　孟德尔的实验还没有结束，他在每一代豌豆中，都加入一些黄豌豆和绿豌豆。结果发现，第一代豌豆，也就是两个纯种品系交配而成的下一代，全部都是黄色的；到了第二代，也就是第一代黄豌豆自体受精所产生的下一代，黄豌豆和绿豌豆的出现比例是三比一。于是，孟德尔从这个简单的实验结果中，演绎出遗传学的基本规则。

　　他认为，豌豆颜色是由一对因子（也就是后来知道的基因）控制，每株长大的豌豆都有两个控制颜色的因子，一个是来自花粉，另一个则来自卵细胞。在受精时，也就是当花粉碰到卵子时，另一株新植物诞生了，这个新植物体内也有这两个因子，其中豌豆颜色，就是由这两个基因决定。在原始纯种品系中，所有豌豆都带有两个“黄色”或是两个“绿色”基因。在纯种品系间交配后，每个子代，都会产生和他们父母完全相同的新家族。

　　一个纯种品系的花粉，和另一个不同纯种品系的卵子结合后，产生了体内含有不同因子的新植物，这两个因子分别来自父母。在孟德尔的实验中，虽然所有豌豆看起来都是黄色的，但是每株黄豌豆体内，都隐藏一组可以产生绿豌豆的隐性因子。换言之，黄色基因掩盖了绿色基因，于是我们称黄色基因为显性基因（ddrinantgene），绿色基因为隐性基因（recessivegene）。

　　同时拥有这两种基因的植物，会产生两种花粉或卵子。其中一半的花粉或卵子，带有产生绿豌豆的基因指令；另一半的花粉或卵子，则带有产生黄豌豆的基因指令。因此，当两种植物交配的时候，花粉和卵子就有四种不同的基因组合方式：四分之一的受精卵是黄色加黄色，四分之一是绿色加绿色，另外四分之二，也就是一半，是黄色加绿色。

　　孟德尔的实验已经证实，带有黄色基因加绿色基因的植物，长出来的豌豆是黄色的；而黄色加黄色，自然也是长出黄豌豆；只有两个基因都是绿色的植物，才能长出绿豌豆。

　　因此，第二代豌豆的颜色比例，就是三个黄豌豆比一个绿豌豆。孟德尔就是根据他发现的这个比例，发展出遗传的基本规则。

　　孟德尔还利用许多其他不同特质做交叉实验，如花朵颜色、植物高度、豌豆形状等等，结果发现，所有实验结果都符合这个三比一的比例。此外，他还拿一些不同特质的豌豆做配对实验，例如，用生长出黄色而表面平滑豌豆的植物，跟其他会长出绿色而表面有皱折的豌豆交配，结果还是符合他的法则。而且，豌豆颜色的遗传，完全不受形状的遗传影响。于是，他又据此演绎出另一项推论：每一种遗传特质都是受到单一基因的控制，而不是相同基因的不同变化，无论是相同特质的不同形式（如颜色的黄或绿），或者是完全不同的特质（如豌豆的颜色与形状），都是以分离的实质单位做为遗传基础。

　　孟德尔是第一位证明子女并非是由父母综合、平均而成的生物学家，同时他也是证明遗传基于歧异而非基于相似的第一人。

　　从孟德尔以降的生物学家，不断地讨论他的实验结果，并且反复辨证，偶尔还指控他欺诈，因为他的理论实在太契合实际情况。这些生物学家争论，到底孟德尔所谓的因子是什么东西，并且推测，为什么他的发现会长期被人忽略。姑且不论孟德尔理论长年隐讳的原因，他的作品倒是在二十世纪初，同时被好几位培育植物的专家重新挖掘出来，并且很快地发现，孟德尔定律符合几百项的动植物遗传特质。孟德尔能够一举纠正前辈学者多年的谬误，靠得当然是他的天分和好运。毕竟在科学史上，没有任何一门科学的起源，能够像遗传学这样直接追溯到个体，而孟德尔的作品，到现在还是这个庞大学科的基础。

　　孟德尔解决了达尔文在理论上的两难，虽然他们两个人都对此一无所知。无论是控制绿豌豆颜色的基因，或是控制白皮肤的基因，更不管是多稀有的基因，都不会因为出现许多其他基因的复制，而遭到稀释。相反地，这个基因在经过代代相传之后，仍然可以坚持不变，而且只要有机会占到优势，很可能就会蓬勃发展，成为常见的基因。

　　科学家重新发现孟德尔定律后不久，就5！用这些定律来诠释人类遗传型式。当然，生物学家不可能在人类身上，进行繁殖实验，因为需要太久的时间；而是改为依赖过去尝试过的实验，来研究人类性事。他们利用家谱（ftillltree）或系谱（pedigrees），进行研究工作。有些系谱充满想像。十分奇特，竟然追溯到亚当做为他们的祖先。通常遗传学者可以运用的资料，只有少数几代而已。但是实际上，只要有一两代，就可以追溯到好几百年前。

　　人类的第一份系谱出版于1905年，这份系谱显示，挪威的一个小村庄的村民，都有短手掌和短手指的遗传特征，而且家族中有明显的遗传模式，没有任何一代是漏网之鱼。

　　换言之，如果任何人有短手指的遗传特征，他的父母、祖父母，乃至于曾祖父母，每一代直系血亲的长辈中，都至少有一个人拥有相同特征。如果这样的人跟一个没有这种遗传特征的人结婚，那么他们生下来的孩子，大约一半会有这种遗传特征，另外一半则是正常的。如果这些没有受到影响的孩子，又跟正常人结婚，他们的下一代就完全正常，这个遗传特征就会在这个家族的分支中消失。

　　这样的遗传模式，就是我们所说的显性基因遗传，只需要一个基因（就像黄色豌豆的例子），就可以显现其影响。大部分带有短手指特征的孩子，都是正常人与有这种遗传特征者联姻的结果，因此他们体内控制短手指特征的一对基因，分别来自父亲与母亲，一个是正常的，一个是不正常的。因此，他们本身的精子或卵子也有两种形式，一半是正常的，另外一半是不正常的，在他们结婚生子后，至少将有一半的孩子，带有造成短手指特征的基因。于是正常人与有短手指特征者结婚后，生下来的孩子也出现短手指的机率，就是二分之一。至于双方都正常的夫妻，就绝对不可能生出短手指的孩子，因为他们两人都没有这种会造成短手指特征的基因。

　　不过其他的遗传特征，却并非如此直截了当，因为受了隐性基因的影响。隐性基因的遗传，必须从父母亲双方，各遗传一个因子，才能显现其影响。通常父母亲中，只有一方带有一个隐性基因，从外表上看起来完全正常，也不知道他们会生出带有遗传特征的孩子。有时候，他们生下带有遗传特征的孩子，看起来更像是远房亲戚或是先祖，在孟德尔之前，生物学界对于这样的孩子感到相当困扰，不知道他们形成的原因，有时候称他们是“返祖的实例”（thorbacks），有时候又说这是由于“隔代遗传”（atavism）的缘故。不过现在我们都知道，他们只不过是遵循孟德尔定律，刚好从父母亲双方各遗传到一个隐性基因，而他们父母亲则各自只有一个隐性基因。

　　隐性基因遗传最典型的例子，就是白化症（albinism）。在英国，大约几千名儿童中，才会有一个白子。白子的眼睛、头发和皮肤没有任何色素。在英国之外的其他地区，白子的现象则更普遍。在北美印地安人中，白子出现的机率大约是0．67％。根据圣经“以诺书”（theBookofEnoch，这是圣经中一个真伪可疑的章节）记载，诺亚本人也是白化症患者，若果真如此，诺亚的后裔倒没有显示出有这种基因遗传迹象。

　　几乎所有白子的父母亲，肤色都是正常的，他们身上的基因，一定有一个是隐性白子基因，再配上另一个显性而可提供完整色素的基因。白子的父亲的精子中，有一半带有隐性白子基因。如果带有这种隐性基因的精子，和一个带有隐性白子基因的卵子，结合受精，那么这个孩子身上就会有两个隐性基因，因此就成为白子。在这样的婚姻中，生下白子的机率大约是四分之一。但是每次怀孕都一样有四分之一的机率生下白子，并非如有些父母所想的，生了一个白子之后，就一定会连续生下三个正常孩子。

　　其实豌豆的遗传规则，也适用于人类遗传模式。只不过生物学的规则很少如此单纯简单，因此我们对于人类遗传学研究史上，不断发现打破孟德尔遗传定律的例外情况，早就司空见惯。

　　举例来说，基因未必一定是显性或隐性。像某些血型，两种基因都会表现出来，例如同时拥有A型和B型血液基因的人，他的血型就是AB型，两种血型的特征都包含在内。

　　如果更进一步研究到分子遗传，显性和隐性基因的概念，更是要一笔抹煞。我们现在可以轻而易举地指认出，在DNA碱基的排序中，哪里发生了变化。因为两个基因都正常的人，跟一个DNA链正常，而另一个DNAM不正常的人，以及跟两个DNA序列都发生变化的人，是截然不同的。分子生物学让我们可以直接观察基因的行为，而不必像孟德尔那样，凭袭着下一代的遗传情况，来猜测到底是怎么一回事。

　　另外一个让孟德尔大吃一惊的现代生物学研究成果，就是发现一个基因可能控制几种特质。例如，镰状细胞血红素的变异体，就有好几种副作用：带有两个这种变异体的人，可能会出现脑伤、心脏衰竭或骨骼畸型等症状。相反地，有些特质，如身高体重，则是由许多基因共同控制。此外，孟德尔提出的遗传比例，有时也会改变，很可能是因为其中一个基因型（genetroe），或是其他的基因型，是属于致命基因，或是比较占优势。

　　凡此种种，都表示遗传研究已经成为一门复杂的学科。但是，有一些人还是经常使用孟德尔定律，来说明人类和其他生物的遗传现象，而这些遗传看起来都是直截了当的。

　　然而，在生物学界重新挖掘出孟德尔定律后，他们开始期待这些定律，能够解释所有想像得到，以及一些难以想像的家族遗传模式。于是冗长的系谱问世了，这些系谱号称可以说明，坏脾气的突然爆发，都是因为一个显性基因作祟，或是可以解释哪些基因会让人想要出海，那些基因会造成漂泊痛（draPetornania，病理学上称呼逃亡的奴隶）。

　　即使到了今天，还是有人凡事都要求一个简单的解释，只不过他们都不是生物学家罢了！大部分的遗传学家，都曾经因为太过相信孟德尔学说可以解释一切，企图以简御繁，结果吃了不少苦头。

孟德尔当时只是将遗传因子，视为父母传递给子女的遗传单位，并没有细究遗传因子的成分，也没有说明到哪里找这些因子。于是其他科学家开始质疑，这些到底是什么东西？

1.2　摩尔根和他的黑腹果蝇

　　1909年，美国遗传学家摩尔根在寻找繁殖实验的对象时，找到了不起眼的果蝇，他的选择启发了后世的遗传研究。他在黑腹果蝇身上所做的实验，更是绘制人类基因图的第一步。

　　摩尔根（1866－1945年）出生于美国肯塔基州的一个并充满着传说的古老大家庭。他从小爱好收集标本，包括利制的鸟、马卵、蝴蝶、化石等等。他除了担任过布林马尔学院的生物学教师、斯坦福大学的客座教授以外，他一生的学术生涯主要有两个时期：
从1904年到1928年的哥伦比亚时期和1928年到1942年的麻省理工学院时期。

　　果蝇形体小，长度不过两毫米，从葬到幼虫到涌再到成虫，一个同期大约只需10天，每头雌蝇可产卵几百，而且饲养方便，这些都有利于研究工作的进行。果蝇有几千种，摩尔根用作研究材料的果蝇称为黑腹果蝇。它是世界各地到处可见的一种，凡是有水果的地方往往就有它的踪迹。

　　果蝇大部分的遗传特质，都是遵循简单的孟德尔定律运作。但是摩尔根却发现，有些怪异的遗传模式，并不像孟德尔的研究那么清楚。例如，在豌豆的交叉实验中，父母亲哪一方带有绿色或黄色的遗传因子，并不会影响到下一代的颜色变化。也就是说，不管雄绿雌黄或是雄黄雌绿，交配结果都是一样的。但是果蝇的某些遗传特质，却有不同结果。因为某些特定基因，例如让眼睛从红色变成白色的基因，就必须看是来自父亲或是母亲，才能决定对下一代有没有影响。如果白眼父亲和红眼母亲交配，所有后代都是红眼。如果是相反情况，也就是白眼母亲与红眼父亲交配，结果就会木同，他们生的儿子都是白眼，而女儿则全都是红眼。不同性别的双亲带有特定基因，竟然会影响到后代子孙的外貌，连摩尔根自己都大吃一惊！

　　摩尔根知道雄性果蝇和雌性果蝇，在另一方面也有差异。细胞核的染色体都是成双成对的两股黑线，两性的染色体大部分是相似的，其中只有一对性染色体不一样。雌性有两个大的X染色体；而雄性则有一个大的X染色体和一个此外摩尔根还发现，果蝇眼睛的颜色是跟着X染色体遗传的。雄性果蝇身上只有一个X染色体（是从母亲一方遗传来的，父亲提供的是Y染色体），所以看起来都像母亲。

　　而雌性果蝇则有一个从母亲遗传来的X染色体，以及从父亲遗传来的另一个X染色体。于是在白眼雌蝇和红眼雄蝇的交配中，所有雌性后代都有一个带着“白眼”的X染色体，以及另一个“红眼”的X染色体。正如同孟德尔的推测，后代的眼睛颜色会和父母的一方相同，在这个例子中，是红色眼睛。

　　控制眼睛颜色的基因和X染色体，恰好有着相同遗传模式，因此摩尔根推断，控制眼睛颜色的基因，一定就在X染色体上，他把这种遗传模式，称为“伴性遗传”。由于染色体在精子和卵子中的数目，只有在其他细胞中的一半，因此染色体就像孟德尔所假设的因子，是携带基因的最佳工具。

　　同样模式也发生在人类身上。每个人的细胞内都有四十六个染色体，其中四十四个是成双成对的，共有二十二对；但是性染色体X和Y却与众不同。由于Y染色体上基因很少，因此孟德尔的显性与隐性基因理论，不适用于男性。而X染色体上的任何基因，不管在女性身上是隐性或显性，都会在男性身上显现影响力。

　　例如，人类的色有遗传模式，就跟果蝇眼睛颜色的遗传如出一辙。如果色盲男性与正常女性结婚，生下来的孩子都不会受到影响。但是如果色盲女性和正常男性结婚，通常会把色盲遗传给儿子，而不是女儿。因为所有男性的身上，只要有不正常的X染色体，都会显示出其影响力，但是在大部分女性的身上，这个隐性基因会被另一个正常的显性基因遮蔽，因此男孩比女孩容易成为色盲。

　　其他的先天缺陷也有相同的遗传模式，例如杜氏持续性肌肉萎缩症（DUchennmusculardysrOPh），是一种导致肌肉组织萎缩的疾病，病童多半在三岁就出现病征，到了七岁就要在腿上加装支架，十一岁开始坐轮椅，通常都不会活到二十五岁以上。因为导致这种疾病的基因，也是跟性别遗传有关，所以跟色盲一样，也是男孩比较容易罹患这种病。看着自己儿子因为肌肉萎缩而死亡的父母，还得忍受另一番雄心刺骨之痛，因为其他儿子也有二分之一的机会，可能罹患这种遗传性疾病。

　　性联遗传造成两性之间一些有趣的差异。由于女性有两个X染色体，确男性只有一个，因此女性的资讯比男性多。人类对红色的感应，有两种不同接收因子，正因为这个接收因子在X染色体上，因此许多女性都有两种接收因子，各自对光谱上细微差异有不同的敏感度，而男性却只能局限在一个接收因子。所以，就颜色而言，女性比男性能获得更大范围的感官经验。

　　虽然女性可以用不同眼光来看这个世界，但是性联遗传也造成许多潜在问题。通常，任何人只要多了一个像X染色体这么大的染色体，就足以致命，更何况只要一个X染色体上的资讯，就足以造就一个人（至少可以造男人），那么女性又是如何适应两个X染色体呢？这个答案出人意料，女性体内几乎每个细胞的两个X染色体中，一定有一个是关闭的。这个过程最早是由遗传学家莱昂（anrywr）发现的，因此就称为“莱昂化”（LyoniZatbo），最适合说明莱昂化过程的例子就是猫了。花斑家猫（tortoiseshllcat）的斑杂毛色，是由一小撮黄毛和一小撮黑毛混在一起形成的。所有花斑家猫都是母猫，她们是从父母的一方遗传到黑毛基因，然后从另一方遗传到黄毛基因。毛色基因是性联遗传的，因此发育中的小猫，有一半的皮肤细胞，关闭带有黑毛基因的X染色体，而另一半的皮肤细胞则关闭带有黄毛基因的X染色体，结果就变成黑黄两色毛夹杂在一起。至于斑点的大小，就各有不同了。

　　同样情况也发生在人类身上。举例来说，如果一名妇女生了一个先天色盲的儿子，那就表示，她的基因里两个红色接收因子当中，一定有一个正常，另一个不正常。当一道细微红光或绿光，扫瞄过她的网膜时，她辨认颜色的能力，会随着光线扫过不同细胞群而改变，大约有一半的时间，可以清楚地辨别颜色，其他时候，就跟她色盲儿子一样，分不清红光与绿光，这是因为在每个颜色感官细胞中，有不同X染色体被关闭，有时候关掉正常染色体，有时候关掉带有色盲基因的染色体。

　　两性的遗传模式，还有另一个重要差别，是跟粒线体基因有关。当卵子受精的时候，卵细胞内的细胞质，包括粒线体在内，大部分都传送到发育中的胚胎，但是精子却没有粒线体。粒线体的DNA有一套自己的遗传模式，都是从母系遗传，包含了世界母亲的历史，完全不受男性的干扰。英国女王伊丽莎白二世的粒线体DNA，并不是从维多利亚女王（QueenVictoria）遗传来的，而是从与维多利亚女王同时期，但是比较没有名气的卡洛琳（AnneCaroline，1881年去世）遗传来的，这是因为维多利亚女王是伊丽莎白二世的父系祖先。至于一些因为粒线体基因出错，而产生的遗传疾病，如视神经损坏导致的失明，自然也是由母系遗传的。母亲把基因传给儿子和女儿，但是只有女儿会传递到下一代，这种遗传模式跟性联遗传的方式，就有很大差别。

这就是遗传游戏的规则，而其他部分都是分子生物学，比较偏重机械而不是物理。至于基因的真实成分到底是什么？这个问题一直到科学家发现，从一个菌落（bacterialcolony）中，苹取出一种变异物质（transfondllgprincghe），将它送入另一个不同形状，但是相关的菌落中，可以改变后者的形状之后，才找到答案。这个变异物质，就是DNAo人类在很多年以前，就在沾满脓血的绷带上找到DNA，这种实验听起来恶心，不过DNA却是生物学上非常重要的物质。

1.3　沃森、克里克和DNA双螺旋结构模型

　　自摩尔根以来，随着遗传学的进一步发展，人们迫切想要了解基因的功能是否仅限于世代之间遗传信息的传递和表达。基因自身的化学成分是什么？基因是怎样作用于有机体而表达生物性状的？细胞分裂时又是如何实现自我复制……等等。诸如此类问题，从本世纪20年代起，随着对基因的物质结构、生化功能、物理性质和基因作为遗传信息携带者和传递者，作为控制遗传性状的发育单位和突变单位等方面知识的增长而提到解答的日程上来了。

　　一、DNA双螺旋结构发现的前奏

　　1935年，著名理论物理学师玻尔的学生M·德勃留克，从物理学角度探讨了基因的物理性质和其对细胞的作用。他认为，基因之所以世代相传而维持其结构不变，在于染色体象非周期性晶体结构那样，与周围的原子或分子相连结，所以具有相对的稳定性，由于其不同部分排列上的特殊性，就有可能蕴藏着特定的遗传信息。十年后（1945），物理学家薛定愕在《生命是什么》一书中，发挥了德勃留克的观点，指出“……一个活细胞的最重要部分——染色体纤丝——可以恰当地称之为非周期性晶体”，它是“生命物质的载体”解定愕：《生命是什么》上海人民出版社1973年版，第5－6页），他还认为：染色体应是实现个体发育以及表达生物全部性状的“密码正本”、“每套染色体都含有全部密码”（同上书第72页）。染色体上的基因则是一种生物大分子，它发生变化或发生突变，起源于原子的重新排列时形成的同分异构体分子。正是基因这种大分子结构“提供了各种可能的（异构的）排列，在它的一个很小的空间范围内是以体现出一个杂交的‘决定’系统”（同上书第67页），这就是说原子排列上的差异形成了遗传密码。他想到用莫尔斯的点和横符号代表基因活动情况（即表示遗传密码的表达情况）。薛定愕的这些观点在多大程度上影响到遗传学领域，从而引起该领域发生革命性的变化是难以估计的。本世纪30年代以后，德勃留克转到对噬菌体遗传信息传递的研究上面，还有一些人对遗传信息的研究过分集中到蛋白质大分子活动的研究上了，忽视了生化反应中基因的效应，所以有关遗传信息活动的研究在生物物理领域中一时间得不到显著成效。

　　大约与薛定愕《生命是什么伯一书刊出的同时，1944年，细菌学家艾维里及其同事麦克劳德和麦卡蒂等从事于肺炎球菌转化工作的研究。这项工作先前曾由英国医生兼细菌学家格里菲斯研究过（1929），格氏发现把加热杀死过的有毒型细菌（S型）同无毒型细菌（R型）同时注射到老鼠体内，从老鼠血液中只分离出S型细菌，这种情况表明R细菌从S到细菌中得到某种物质，使无毒性的R型细菌转化成为具有有毒性的S型活性细菌。但他不了解转化的机制是什么，所以并不了解自己发现的意义。艾维里等人重新进行这项实验时紧紧抓住主要矛盾，把注意力集中到转化机制上，他们从S血型肺炎球菌中分离出活性的转化因子，进而弄清了这种因子的化学特性，它们是“一种高度聚合，而且宁夏粘滞的DNA钠盐”（艾维里等：树引起肺炎球菌类型转化的物质化学特性的研究》，载《遗传学经典论文选集》，科学出版社1984年版，第107页），这就明确了核酸（至少是脱氧核糖核酸类型的核酸）带有转化和遗传的特性。这种转化因子是使肺炎球菌SJ型起着转化功能的基本单位，可以比喻为一个基因。然而这项发现在正统的细胞遗传学的巨大影响下被冲淡了，并且限于从生化途径探讨基因特性，把注意力只集中于基因怎样控制生物代谢过程的，所以还没有象后来那样确定基因就是DNA生物大分子。

　　到了1951-1952年，海尔希和蔡斯用放射性S标记噬菌体蛋白质中的半优氨酸和甲硫氨酸，用“P标记ENA中的磷酸，再用生P去感染细菌细胞，经分离后发现噬菌体内eP的DNAilliN到寄主细菌内，这表明只有DNA分子与新噬菌体的复制有关，而含有S的蛋白质氨基酸则留在噬菌体空壳内，由此证明DNA是实实在在的遗传物质。

　　如果说上面的研究专门着重研究基因作为遗传物质是遗传信息的承担者和传递者，反映了“信息学派”研究的特点的话，那么，研究基因是如何起作用的，或专门着重研究基因的功能问题，则是生化学派的主要课题，而这两者都是为研究基因的物质结构和生化特性作准备的。

　　从生化途径研究基因的功能，出发点在于去认识基因是怎样控制或调节生物代谢问题。或者说，用于研究和确定细胞的核酸大分子与其他分子间的相互作用问题，即确定DNA大分子和蛋白质（酶）之间的相互作用。早在1908年，英国医生儿伽罗德对黑尿症的研究写出了著名的《代谢的先天性缺陷》一文，阐述了这种疾病起因于基因突变所引起的一种酶缺失症，即在正常的生化代谢中间某一点上因基因突变引起尿黑酸氧化酶的缺失，引起代谢故障，从而产生黑尿症。这种事使伽罗德相信：一个基因的变化以某种方式影响到体内代谢时某种特定的化学产物。遗传学家如缀勒、赖特和霍尔丹等人都认为：基因以一定方式控制着生物细胞的代谢过程。后来人们陆续了解到，起着特定催化作用的酶，起到了使前后两个相关分子间的代谢反应达到平衡状态。由于酶催化的特异性，从底物到最后产物，它的代谢途径或经过的步骤，有的达数十种之多。代谢途径中的中间分子产物要由前面的那个酶催化产生，它的反应步骤是单向平衡，其中只要有一个步骤发生问题，就会影响到以后的过程和最后产物。明显的例子是：1936年，遗传学家比德尔和伊费里斯在移植果蝇幼虫眼时发现眼睛颜色色素依照芽体和受体的遗传组成而发生变化，色素分子不仅由移植体的基因来控制，并且还受到色素体在会成途径中得到的外来物的影响，证明了眼睛色素的合成是经过若干个中间产物来实现的，它的合成过程是：

　　前体——v物质——CAs质一一一一色素

　　 vw因Culs因

　　V“和Cn”两种物质决定着眼睛的颜色，如果眼色是朱红色，表示缺少这两种物质之一V”，如果脆色是朱砂色，表示缺少Cn”物质，而Cn“物质是以前体V”为前导体的，即朱砂眼自己不能提供所缺少的Cn”物质，如果两者都缺乏，那么，生化途径就中断，显示出白眼。由此推断：果蝇眼睛颜色的产生经过了由基因控制的若干个步骤，如果其中某个基因发生突变，代谢途径在该处受到抑制，某种性状也因此受到影响。然而，由于果蝇是高等动物，在实验中受显性和隐性基因的相互干扰，影响实验效果，要真正了解基因在控制代谢过程中的作用，还需要有更多更好的实验材料。

　　用什么样的材料才合适呢？比得尔和塔特姆认为，选择的实验材料要有这样的优点：繁殖条件要求简单，可以在人工培养条件下进行大量繁殖；这种材料具有繁殖速度快的有性世代的特点，成体为单倍染色体，突变型都能在表型上出现，突变体易于区别。他们终于在真菌中找到了涟抱霉这种最合适的实验材料。他们借助链抱霉的生化反应去探究基因功能问题，比得尔和塔特姆这样认为：“从生理遗传学观点来看，一个生物体的发育和功能主要是由一个完整的生化反应系统构成的，这些生化反应以某种方式受到某些基因的控制，据推测，这些基因本身就是这个系统的一个部分，它们或者是以酶的方式直接起作用，或者是决定着酶的特异性，从而控制或调节这个系统中的特异反应”（G．W．比得尔等：《链抱霉生物化学反应的遗传控制》，载《遗传学经典论文料，科学出版社1984年版，第2页）。鉴于过去的实验无论对植物的花青式色素、酵母的蔗糖发酵，或者对果蝇眼睛色素变化的研究都因材料上和方法上的局限性，只能选择具有明显表到的个体当实验材料，而对它们的生化反应难以分析和辨认，所以比德尔和塔特姆用链抱霉当作研究对象是十分睿智的。

　　他们制定研究键抱霉的方法是：第一步，用X射线诱发键抱霉突变，并假定哈果菌体必须完成某种化学反应才能在一种特定的培养基中生存下来，那么一个不能完成这种反应的突变体，在这种培养基中显然会死亡……如果在这种培养基中加入这个遗传阻断反应的主要产物突变体就能生长的话，突变体就能保存下来”（同上书第90页）。根据上述假定，他们把用X射线处理过的单抱子培育物，先置于完全培养基中，然后再置于基本培养基中，使一个失掉合成任何一种必须物质能力的菌株，只能生存于含有必须物质的培养基中，而不能生存于缺少必须物质的基本培养基中，形成一个生化突变型菌株。

　　因为它们与正常菌株的生化差别就在于不能合成某种必须物质，所以，下一步的工作则是对形成的抱子作遗传分析，这个过程应用了比较方法，即利用几个不同的突变菌株，在培养基上补足它们各自不同的需要物，分别补加某种氨基酸、维生素或核劳酸……等等，然后作断代培养，以鉴别各该突变菌株生长时必须的某种物质。

　　判断生化代谢发生缺陷的关键是：由菌株从完全培养基到基本培养基中的继代培养来确定的。某菌株需要某种氨基酸，就在基本培养基中添加该种氨基酸，用这种方法鉴别该突变型菌株在合成该种氨基酸时的缺陷，证明它不能完成这一步生化反应。再用这类突变型菌株与野生型菌株杂交，经分离后就显示出团单个基因发生突变，出现了突变的表型。由此可推测一个基因的功能相当于一个特定的酶的作用。基因本身决定酶的特异性，因此也控制或调节着孩过程的特异反应，基因发生突变就导致了酶的突变，或者说，酶的特异性是由基因所包含的某种信息决定的。比德尔和塔特姆据此提出“一个基因一个酶”的假说。这个假说虽然说明了基因在遗传中的作用和功能，但问题是有一些基因指导合成的物质并非是酶，而是象血红蛋白或胰岛素之类的蛋白质。此外，一个基因一个酶的结论亦是归纳推理的产物，前提虽然是真，结论未必也真，因为确实存在这样的事实，一个基因是否只决定一个酶，抑或一个基因可以指导或决定多种酶的产生，或者由若干个基因决定一个酶……如此等等，比德尔和塔特姆的假说是无力解释这些问题的。所以后来有人提出一个基因决定一个多肽的假说。

　　1944年，索勒和霍洛维茨对突变型链抱霉需要依赖精氨酸供给才能存活的代谢反应作了遗传和生化分析，进一步明确了生物细胞内生化合成过程的全貌，证明基因突变与特定的酶的存在或不存在有密切关系。基因决定多肽链氨基酸排列顺序的工作则是在DNA双螺旋结构模型提出后，由美国分子生物学家英格拉姆对镰状红细胞的研究后确定的。

　　建立DNA双螺旋结构的第三个知识来源，则是晶体分子X衍射分析技术的发展和建立有关模型，即结构化学的兴起。特别是从本世纪40年代以来有关蛋白质化学结构模型建立后，进而对基因形态结构（化学结构）所作的研究和分析所得到的启示。主要借助于DNA双螺旋立体化学的最适构型照片和X衍射资料的证据。

　　由于把X衍射晶体技术应用于结晶蛋白质和核酸上，对认识有机大分子的性质和推定它的三维结构起了重要作用。这个工作在30年代就开始了。英国生物化学家阿斯特伯里等人利用X衍射方法取得了有关蛋白质结构的许多资料，并计算出蛋白质中相邻原子间的距离和相邻键的夹角，弄清了键角内各原子呈线形排列的方式，称为p构型。纤维蛋白的原子排列则较为复杂，有效多的折叠或较多致密，称为a构型。到了50年代初，鲍林和考雷等人提出a构型的多肽呈螺旋型，他们制作了许多。构型蛋白质模型，计算了键长和键夹角，单一的多肽链在自身基因之间借助氢键折叠成螺旋型。他们还计算出这种螺旋每圈有3．6个氨基酸，各圈间的距离为5．4A，借助氢键来维持它的形状。鲍林建立蛋白质的a螺旋模型应用了结构化学的规律！他所发现的a螺旋结构不是仅仅依靠研究X衍射图谱，主要方法是探讨了蛋白质大分子内原子间的相互关系，并且建立了一组象玩具似的分子模型，这种模型对了解蛋白质三维结构内在联系及其功能起到十分重要的作用（参见L．D．沃森：《双螺旋》中文版，第29－30页）。大约与鲍林提出蛋白质a螺旋结构模型的同时，伦敦大学金学院的威尔金斯及其同事富兰克林正用X衍射方法进行着DNA的研究，他们拍摄了当时最好的DNA衍射图，积累了大量分析资料，为DNA模型的建立提供了极重要的根据。

　　建立DNA双螺旋模型的第四个知识来源，就是有关DNA本身的历史知识。最早确定DNA物理性质的是豆869年米歇尔提出的“核素”，19世纪末、细胞学家如O．赫特维希和威尔逊等人曾推测染色质的组成成分可能就是核素，赫特维希还推测核素可能承担着性状的传送职能。此后，柯塞尔系统地研究了核酸的分子结构，发现这类分子存在着两类核酸，一为脱氧核糖核酸报pDNA），另一类是核糖核酸（RNA）他把核酸水解，分离出各有四种含氮碱（即腺瞟吟、鸟瞟吟、胞啧啧，以上三种二类核酸都有，此外，DNA还含有胸腺嚷嚷，RNA含有尿陵牌）。19三五年，莱文等人进一步发现核酸里有五个碳原子组成的糖分子（在RNA中为核糖，在DNA中五碳糖缺一个氧原子，称脱氧核糖）。其后，又发现核酸的磷酸组分。于是由一个含氮碱基一个磷酸和一个脱氧核糖共同组成了一个接着酸。莱文等人还对核酸作定量分析，测定四种含氮碱基的克分子数相等，莱文由此推测在一切生物来源的DNA中四种碱基数是等量的，这意味着核酸是由固定和重复排列的核音酸组成，所以不论核酸的来源如何，它们的成分总是相同。根据这种推论，便认为核酸不可能携带极复杂的遗传信息，它们仅仅是简单的线性排列的四核音酸多聚体。莱文的四核音酸说从此成了核酸的生化范式，以致影响到1944年艾维里已明确证实DNA是遗传物质时，人们还不把它看成是遗传物质。

　　1952年，美国生物化学家查哥夫应用理化分析和测量技术证明四种核音酸的含量是不等的，DNA不是由四种核青酸单调重复排列的多聚体，四种碱基在DNA中的相对数量因物种不同而有其特异性，即在不同的物种中DNA含量各不相同。他进一步测定了源晗和啧啧的总的克分子比为1。而腺瞟吟与胸腺喷陡、鸟瞟吟与胞陵牌的充分子量之比也大都是1。这表明DNA四种碱基是两两互补；此外，它们依次作顺序排列，这意味着储存遗传信息的编码。但是，有关DNA传导遗传信息、控制或调节生物的生化反应、表达生物性状、以及实现自我复制等问题，只是在彻底弄清DNA三维结构（基因的具体形态）后才有可能解答。

　　二、DNA双拐旋结构模型的发规

　　模型是人为摹似自然现象物态相似的一种认识方法，它是对自然界宏观客体或微观世界客观对象的模仿。依据客观对象的规模和大小，人们借助有关理论的指导，可以按比例缩小或放大原型的尺寸制造模型，可以间接地研究原型的规律。在生物界用动物等实物模拟人的生理生化或病理过程，以弄清人的生理或病理机制。但是，模拟自然现象的模型无论是缩小或放大，都能近似或比较近似地再现对象实体，符合原型的规律。通过思维设计放大的微观模型，需要严格验证，必须将模型与用理化手段取得的实物图象或用其他方法来检测，以证实模型的确实性。从这个意义上讲，模型是对自然现象的一种人为仿制品。

　　模拟自然现象的模型，它的作用在于：第一，给人以感性直观的明晰性、简洁性的认识。第二，使人们直接研究参与构成模型各种因素及其矛盾关系，找出它在模型中的作用和由此产生的种种效应，并将这种认识应用到原型上，第三，根据这种认识，用来解决原型中出现的种种问题。所以模型在人们认识自然和解决问题过程中起到了中介的作用。

　　任何模型都是解决实际对象中出现的种种问题而制造的，水库模型为求得相似条件下有关因素的各类参数，据此可作为实际设计的参考根据。建立DNA模型时需要考虑这个模型的设计不是单纯地建立它的化学结构，还要考虑它必须具备遗传物质的生物学特性。按照这个要求，这个模型至少要解决这样一些问题：第一、模型要反映出具有携带和传递遗传信息的功能；第二，模型能说明DNA自我复制机制；第三，模型能说明引起生物突变的原因；第四，模型必须符合化学规律，特别是要符合查哥夫规则。总之，这个模型应是实实在在的基因的反映或基因的模式。沃森和克里克正是出于这种认识，提出了DNA双螺旋模型。

　　50年代初，人们已普遍肯定DNA是生物的遗传物质。为搞清楚DNA的机制，需要先弄清楚DNA的化学组成和它的三维结构。这两者对了解基因（DNA）的性质是个关键问题。

　　1951年春天，沃森在那不勒斯参加生物大分子会上看到威尔金斯的DNA结晶体X衍射图象，给他以极深刻的印象，他认定了这张照片将能成为“解决生命奥秘的钥匙”埃森：《双螺旋》，中文版第20页）。这张照片表明DNA是一种可用简单方法来测定的有规则的结构，因为它能结晶。这就解除了沃森原先认为基因有异常不规则结构的思想顾虑。

　　在这之前，美国的鲍林已成功地建立了蛋白质X螺旋结构模型，鲍林建立这个模型时不完全依靠X衍射图谱，他更着重探讨原子间的相互关系，制造了一组分子模型（沃森称它象儿童玩具的模型），然后用X衍射图数据来检验模型的效果，并从理论上证明这两者的一致性。鲍林制造模型的举动引发沃森和克里克也想用同样方法来建立DNA分子结构模型。沃森说：“我们看不出为什么我们不能用同样的方法解决DNA问题！我们只要制作一组分子模型，开始摆弄起来就行了”（同前书第30－31页）。当鲍林建立蛋白质a螺旋模型时，探讨每条蛋白质多肽链都由自身基团间的氢键自主地折叠成螺旋状的情况，他注意到每条氨基酸借助氢键连接起来，并固定在各自的位置上。这个发现至少成为启发沃森等人在探讨DNA分子多维度时的重要方法。

　　沃森和克里克初步设想：因DNA是结晶聚合体，它可能是一种含有许多核音酸并作有规则直线排列的东西，因为DNA的糖和磷酸骨架是非常有规则的，这种情况能最好解释DNA分子结构。可是威尔金斯根据DNA衍射图谱指出：DNA分子直径比一条单一核音酸链直径大，所以DNA分子可能是一个包括有几条绕在一起的多核昔酸链的复杂螺旋。

　　此后，沃森和克里克认识到DNA分子的特异性应是碱基的差别，而它的糖和磷酸都是共同的，核音酸之间的联系只与糖和磷酸相关。于是他们又假设有一种相同的化学键联结着所有的核青酸，它的分子结构表现为糖和磷酸的有规则性和碱基顺序不规则性的混合体（作这样的安排为的是体现基因的多样性）。但克里克认为制作模型先要弄清楚DNA分子核音酸链的数目，从衍射图谱上看，可能是两条、三条或四条多枚着酸链。于是他们设想DNA是以糖和磷酸骨架为中心、多枚苛酸链排列在外面的结构。51年冬天，他们着手建立模型，先把模型搭成几条多孩背酸链围绕着糖和磷酸骨架的形状，并假定多接管酸链之间借助盐键联结起来。理由是盐键的“两价正离子如Mg——可以维系两个或更多的磷酸基团”（同前书第54页）。但是因这个设想在DNAX衍射图中没有看到两价正离子的镁或钙，所以假定镁或钙离子嵌进了糖和磷酸骨架中，他们专门设计了模型中磷酸H图滚形状，制作成由三条多核青酸链纠缠在一起的螺旋模型，并确定沿螺旋轴每隔28A绕一周。他们当时认为这个设计图案和X衍射图谱相符，并且还用富兰克林的定量分析法加以验证，螺旋参数的选择与富兰克林提出的数据相吻合。

　　但是，以糖和磷酸骨架为中心的模型，要把参差不齐的碱基排列和组装在这个骨架上，问题就大了。由于原子堆集过密，组装的结果既不符合化学规律，也构成不了DNA有规则的模型，这个模型是失败的。

　　他们继续通过各种途径，把探讨建立模型的工作再深入一步。沃森转入对TMV（烟草花叶病毒）的研究，这项工作启发他对生物晶体结构的螺旋有对称的想法。他进一步思考查哥夫测定的DNA化学特性（即由直哥夫测定的腺源吟和胸腺晓健、鸟瞟鸣和胞陵牌的充分子量比值都是1，总的瞟岭和喷晚的充分子量的比值也相同），这表明两类不同碱基之间可能是互补配对，他猜测DNA分子结构的基本组成形式就是配对的。当时，和他们相识的化学家格里菲斯曾提到，“基因复制是在互补表面交替形成基础上进行的”（同前书第78页），这个提示意味着遗传学家和物理学家们曾设想过的，基因复制是正本和负本的互补。格里菲斯计算过一个DNA分子碱基的相互吸引力（弱相互作用），计算结果表明：它们是不同类碱基间的相互吸引力，这表明“腺瞟哈和胸腺噙牌的平面应该粘在一起的”（同前书第79页），这种情况也适用于鸟瞟吟和胸腺喷院的互补。这个计算结果给查哥夫提出的不同类碱基配对互补的规则提供了有力佐证。

　　1952年，富兰克林用X射线拍下了DNA分子结构的B型照片，经威尔金斯鉴定，证明只有螺旋结构才能出现交叉形的反射线条，这张照片还可精确确定DNA分子多核音酸链数目。沃森根据B型照片就DNA应是单链、双链、三链或三条以上的核音酸链形成螺旋的事进行苦心推敲。B型照片给他的启示和测得的数据使沃森联想起生物界繁衍配对的现象，预示DNA分子结构也可能是配对成双链的构型。所以他决定要做一个双链的模型。

　　现在需要解决三个问题：第一，DNA碱基是怎样排列的？是有规则排列还是无规则排列？从X衍射图谱来看，螺旋每隔34A重复一次，表示了碱基沿螺旋轴方向完全旋转一周的距离，这个距离表示了螺旋角度最合适的键角角度，它预示着碱基应是有规则的排列。还有，富兰克林曾推测DNA磷酸和糖骨架在外部，碱基在骨架中心。如果碱基是有规则的排列，那么它应该表明每个核音酸糖—磷酸基团都有完全相同的三维结构。但是，碱基是不相同的，连接的多核音酸的碱基顺序也不可能有规则，若把大大小小的碱基拼在一起，外部的糖一磷酸骨架就会变形。这是一个难题，如果不能解决，螺旋模型就建立不起来。

　　第二，多孩着酸又是如何联结在一起的？靠什么力把碱基连接起来？沃森和克里克长久以来未曾考虑过氢键的作用，他们过多地考虑金属离子盐键的作用，在鲍林建立蛋白质a螺旋结构模型和明确指出氢键的连接力作用时，他们仍然在离子键上打转转。然而根据X衍射图，双链碱基间的连接是靠很多不规则的氢键完成的，在理论上，戈兰德和约尔丹提出碱基间能形成相连氢键的理论。这样，才使他们明白碱基上一个或几个氢原子可以移位形成相连的氢键，而正是这种氢键才能把同一个分子中的碱基连接起来。

　　第三，要解决碱基间的键合问题，哪个碱基与哪个碱基键合？这个问题一度把沃森 5队歧途，沃森经过长期思索得不到答案。有一次他无意中画出腺源吟结构时，突然想到同类碱基间可能形成两个氢键，并实现键合。更重要的是他也曾设想过在瞟吟碱与呼唤碱之间可能也形成氢键，并把二者连接起来。这个推测是构成双螺旋结构模型关键的一步。但是，当时他更热衷于设想DNA分子都是由相同碱基的双链构成，每个DNA分子都可能是同类碱基配对的双链，而两条链则是由同类碱基对的氢键将它们连接起来，互相缠绕在一起形成螺旋结构。这个构型按沃森的想法可能说明复制问题，他设想两条链的其中一条可能是合成时另一条的模板，这个模型虽然可解释生物遗传上的若干问题，但是同类配对的方法解决不了不规则的碱基顺序问题。这样做，整个模型由于碱基大小不一，就会显得凹凸不平，而且完全不符合查哥夫的等量规则。由此看来，同类配对的双螺旋结构模型的设想也是行不通的。

　　在此情况下，沃森用纸板制成碱基模型，来回拼凑，移来移去突然发现通过二个氢键维系的一个腺瞟吟同一个胸腺喷晚的形状，竟然同一个鸟漂岭和一个跑呼峻联系的形状相同。这个发现无疑是一个重大突破，但当时他错误选择了碱基的互变异构体（酿醇式），这种结构的碱基间不能形成氢键。美国晶体学家多纳休及时指出了这种错误，并指出通常情况下四种碱基都以酮式结构存在而不是酿醇式结构，后者却因两个碱基间距离过远而无法形成氢键。

　　沃森和克里克吸取了失败教训后，就改进了他们的方法。沃森用硬纸剪成的碱基模型作了多种配对的可能尝试，采用碱基的酮式结构后，发现由二个氢键联系的腺瞟呼和胸腺嘴徒对的形状，和以同样方式维系的鸟瞟吟和胞喷晚对的形状相同，这种互补的联系不仅能形成氢键，还表明DNA螺旋的直径是一样的，这种互补关系还正好说明了查哥夫提出的两类碱对1：1的对等关系。因此，他们认定了DNA接着酸链只有两条。此外，有关X衍射图诺表明，两条链应呈螺旋形的，其直径约为20A，相邻核音酸间的距离是3． 4A，旋转一周（正好十个核音酸）为34A，根据这些情况，他们制成了DNA金属立体模型。沃森和克里克指出：“在这种结构中两条链围绕着一条共同的轴线缠绕，并通过核音酸碱基之间的氢键彼此连接起来……。两条链都是右手旋转的螺旋，但原子在糖一磷主链上的顺序是反方向的，并成对地垂直于螺旋轴线。糖和磷酸基因在外侧，而碱基在内侧（沃森、克里克：《核酸的分子结构》，载《遗传学经典论文选集》，科学出版社1984 年版，第148页），全部结构象沿轴心旋转的梯子，形成了一个特定的螺旋模型。根据计算和分析，这个模型既符合X衍射图谱有关结晶分子的各个数据，又和立体化学的原则一致。沃森和克里克终于建立生命史上具有巨大意义的基因（DNA）模型。人们把这个发现誉为分子生物学新时代的开端。

　　DNA双螺旋结构作为遗传物质，它的生物学特性在以后若干年中陆续得到证实，这种特性具体表现在DNA的功能上。确定DNA的基本功能大致有以下几个方面：第一，它的自我复制机制。沃森和克里克在制作DNA模型时已经想到DNA的自行催化的繁殖机制。由于双螺旋的对称性，它们的互补性质十分明显，当基因增殖时两条链分开，每条链实现自我复制，即各自成为配对物的模板，借助其互补特性形成新的双链，构成了新的DNA 分子链。沃森和克里克掼出：“……我们的脱氧核糖核酸模型实际上是一对样板。这两条样板是彼此互补的。我们假定，在复制之前氢键断裂，两条链解开并彼此分离。然后，每条链都可以作为样板，在其上形成一条新的互补链。这样我们最后得到了两对链，而此前我们仅有一对链，而且在复制过程中，也是严格符合碱基对顺序的”（沃森：《双螺旋》，中文版第155页）。这种复制称半保留复制，即原先的链保留，而后分开来分别到子分子中成为新链的模板。1958年，梅塞尔森和斯塔尔证明DNA的复制确如沃森和克里克所描述的是一种半保留的复制机制。

　　第H，DNA指导蛋白分子的合成。蛋白质是按照DNA分子的结构合成的，所以DNA是蛋白质合成时的模板。它的实现分两个步骤，第一步，DNA先转录到特殊的核酸——信使核糖核酸（InRN）单链上。因为核音酸是专一配对的，信使核糖核酸上的碱基排列顺序同DNA上的碱基排列顺序互补配对，rnLRNA就成为了DNA的“副本”。这就是说InRNA的核音酸排列顺序是DNA核昔酸排列顺序的翻板。每三个核音酸组成一个“密码子”，对应于某一种氨基酸，即三个核音酸决定一个特定的蛋白质氨基酸。第二步，这条InRNA 移到细胞质的核糖体里什RNA），借助既能识别mRNA密码子又能识别氨基酸顺序的转移核糖核酸（tR－NA）单链“翻译”成蛋白质氨基酸。由于每个tRNA都有一个特定的“反密码子”，能认别遗传密码，它的另一端和特定的氨基酸相结合。处在核糖体内的mRNA，由每个特定的tRNA携带着某种氨酸，借助反密码子在mRNA上找到自己的位置，按照mRNA 核音酸排列顺序，把不同的氨基酸排列起来组成多肽（蛋白质或酶）。

　　由此可知，从DNA到蛋白质是一个单向的信息流。沃森在从事DNA结构模型设计时已想到基因指导蛋白棋会成过程，当时，他记下了DNAnRNAn蛋白质这样单向性流动公式，表示遗传信息从DNA传到蛋白质的作用过程。这种遗传信息传递过程称为“中心法则”。后来，梯明等人发现了“反向转录酶”，可指导RNA中的信息转录到DNA上，表明DNA与 RNA之间在少数情况下可以发生逆转。但是，核酸指导蛋白质合成的法则依然是正确的。

　　第三，基因突变的分子基础是DNA核音酸排列顺序发生了变化。早在1949年，鲍林曾推测镰状红细胞贫血症的起因是血红蛋白多肽链内部发生变化所致。1957年，英格拉姆证明镜状红细胞贫血症是因为在血红蛋白分子中的B链上，第六位上的谷氨酸突变成激氨酸造成的，如果追溯组成谷氨酸的密码，它是GAA，突变成绿氨酸后密码子为GUA，其中的A（腺瞟吟）变成了U（尿障院），正是这个碱基发生了突变才引起氨基酸成分的变化，从而5！起了镰状红血球贫血症。以后，人们了解到：通过核音酸碱基的代换，或者通过核音酸碱基的添加或缺失，发生碱基序列的变化，从而引起基因突变，并影响到有机体表型以及有机体生理生化反应等方面的变化。

　　总之，DNA双螺旋结构模型在揭示生命的基本问题上已取得了极其辉煌的成就。由于DNA双螺旋的发现，现在知道：基因就是DNA分子上的多核高酸片段，它决定特定的多肽链氨基酸顺序，即指导蛋白质或酶的合成，是实现基因自我复制和发生突变的基本单位。这样的单位也叫一个“顺反子”，基因就是一个“顺反子”。

随着时代的进展和科学的发展，基因从假定中的“诞生子’和承担专一遗传作用的 “种质”，到孟德尔实验中推导出的遗传因子，再到摩尔银通过果蝇杂交后代中出现的重组频率推导出基因的重组的存在，把基因落实到染色体上作直线排列的领料。但自 DNA双螺旋结构模型建立后，人们终于找到了遗传和发生变异的实在物，找到了生物的遗传和变异的机制。（张乃烈）

走入基因

 2.1 什么是基因
　　　 2.2 染色体是基因的载体
　　　 2.3 DNA是基因的化学实体
　　　 2.4 基因概念的现代理解
　　　 2.5 遗传密码
　　　 2.6 中心法则
　　　 2.7 基因的调控
　　　 2.8 历史的指纹——基因故事
　　　 2.9 克隆——生命的产生有了不同的可能性
　　　 2.10 基因工程——改造生命的创举

2.1　什么是基因

    基因是DNA分子上含特定遗传信息的核育酸序列的总称，是遗传物质的最小功能单位。

　　基因一词是英语“gsne”的音译，是“开始”、“生育”的意思。它源于印欧语系，后变为拉丁语的gM（氏族）以及现代英语中genus（种属）、genius（天才）、genial （生殖）等诸多词汇。1909年，丹麦学者约翰逊提出基因这一名词，用它来指任何一种生物中控制任何遗传性状而其遗传规律又符合于孟德尔定律的遗传因子。

　　在孟德尔定律发现之前，人们对生物遗传曾提出了诸多的说法。如普遍流行的融合遗传论就认为双亲的遗传物质在子代中像血液一样混合，被稀释且不能分开，但孟德尔的实验结果则相反，现代隐性基因并不在杂交子一代中消失，它所决定的性状还能在于二代中出现。据此孟德尔提出了“遗传颗粒”学说。20世纪初叶孟德尔理论在许多动植物中得到了进一步的验证。最有代表性的是1910年美国科学家摩尔根发现果蝇的白眼性状的伴性遗传现象，即白眼性状始终在雄性果蝇中出现，第一次把一个特定的基因定位于一条特定的染色体（决定性别的性染色体）上，使遗传学和细胞学终于殊途同归。有人曾对此作了一个形象的比喻：若将孟德尔学说比作是从生物雄壮的交响乐中分解出七个音符，那么摩尔根的染色体遗传理论则不仅证实了六弦琴上六根琴弦的存在，而且证明了这七个音符就是从这只大弦琴上发出来的。

　　孟德尔学说和摩尔根的基因论都把基因看作是一个界限分明的独立遗传单位，甚至到本世纪50年代初人们在对基因的化学本质（核酸）及DNA双螺旋结构有了明确认识后，仍然认为基因是不可分的基本遗传单位，如同当初人们认为分子是物质的基本粒子一样。这种观念直到1957年才得到纠正。 著名遗传学家本泽尔在经过10年艰苦工作，取得了三大发现后提出了全新的基因概念，于是彻底冲破了经典基因不可分的观念。他认为：（1）作为基因的单位，可以精确到单核育酸或碱基水平，称为突变子。（2）作为交换单位，同突变单位一样，仍以单核计酸为基本单位，称为互换子。（3）作为功能单位，基因也是可分的。本泽尔的功劳不仅在于提出了全新的基因概念，而且把“基因”作为一种概念引入到遗传学实验中来了。本泽尔把突变子成互换子像绘制染色体图一样排列在基因图谱上，这是遗传学上一次从宏观到微观的飞跃。

　　1969年，夏皮罗等人从大肠杆菌中分离到乳糖操纵子并使它在离体条件下转录。证实了一个基因可离开染色体而独立发挥作用。1970年，梯明发现了仅以RNA作为遗传物质的逆转录病毒，提示遗传物质不仅仅是DNA，也可以是RNA，从而使中心法则内容得到扩展。

　　时隔20年后的1977年，人们又在猿猴病毒（SV。）和腺病毒（AdV）中发现某些基因中存在内部间隔区，间隔区的顺序与基因所决定的蛋白质序列没有任何关系——这使科学家们大吃一惊。随后，基因的这种可分割、不连续的现象在酵母tRNA基因、果蝇的 n3NA基因、人的胶原蛋白基因中也得到了证实。这样基因的概念中又多了一项新内容：基因结构具有不连续性。因为这是生物界尤其是真核生物中普遍存在的现象，为便于称呼，人们把这种分裂基因中能实现遗传信息表达的部分称为外显子，而不表达部分称作内含子。

　　1980年法国科学家斯洛宁姆斯基在酵母线粒体DNA的研究中证实，一个基因的内含子可能是另一个基因的外显子，也就是说，内含子也可能是具有功能的，剪接酶并没有把它们带到死亡中去，生物界中DNA的所有成员可能没有废料。

　　与基因分裂或不连续性的概念相反的是基因的重叠性。1977年桑格等在噬菌体甲 174DNA中和1978年菲尔斯等在SV40DNA中均发现了几个基因共用同一段DNA序列的情况。

　　虽然这种现象在自然界并不普遍，但至少说明基因确实存在着阅读框架的重叠现象，这体现了生物的“节约”原则。

　　对经典的、近代的以至现代的基因概念的挑战还不止这些。比如，一个基因一个多肽假说，在相当长的时间被证明是正确的，可是近年来发现一些基因绝不产生任何蛋白质或者多肽，而仅产生RNA，各种tRNA、rRNA基因就是这样。因此人们只有加以补充：

　　基因的功能在于决定蛋白质或核酸。但是这仍不能解释一些事实：DNA中确实存在一些片段，它根本不产生任何物质而仅以位置或结构起作用。例如，操纵区和启动区，它仅起识别蛋白质（酶）的作用，由引来开放或关闭它“下属”的活动。而另一些基因，如假基因，眼下甚至还看不出有什么作用。这样就很难从产物上给基因下一个统一的定义。

本世纪对年代末，在大肠杆菌中发现了一种奇特的现象，基因可以在染色体及染色体外的DNA之间往返“飞行”。其实这种基因的跳跃现象在50年代初就被一位女科学家麦克琳托克在研究玉米组织分化现象时发现，只不过她的发现当时并未引起人们的普遍关注而已。随后不久基因跳跃现象又在人的免疫球蛋白基因中得到了证实，这样人们才充分意识到基因的稳定性是相对的。医学家们还进一步设想或许基因的这种不稳定性可能与癌症和传染性疾病也有很大关系。麦克琳托克作为首次发现基因不稳定性的人，于 1983年获得了诺贝尔生理学及医学奖。（赖立辉）

2.2　染色体是基因的载体

　　19世纪后半叶，在细胞学说的启迪下，人们认识到研究细胞的结构和生理，是阐明生命现象（包括生殖和遗传在内）的捷径，此外，随着物理学和化学的发展，当时已有较好的显微镜、切片机和各种化学染料为细胞学的研究提供了十分有利的条件。于是，生物学家相继发现和描述了细胞的有丝分裂和生殖细胞在成熟过程中的减数分裂等。这些发现把人们的注意力集中到染色体上来。早在1882年，德国细胞学家弗鲁门（W· Flermming，1843—1915）在研究细胞分裂时，发现核中有容易染色的部分，并把它称之为染色质。其后，1888年，德国解剖学家沃德耶（W．Waldewr，1836一1921）正式把弗鲁门发现的染色质称之为染色体。从此之后，有关染色体的研究报告层出不穷。人们发现同一物种所有个体的染色体对数是相同的、稳定的，并且在许多生物体同一个核内不同染色体对的大小、形态也有明显的区别，从而提出了染色体的个性和连续性的假设。特别是染色体在细胞分裂过程中的行为更引人注目。它使人们联想到遗传基因的变化和高等动植物在有性生殖过程中染色体的行为是平行的或一致的。比如说，基因的体细胞中是成对的，染色体在体细胞中也是成对的；基因在生殖细胞中是成单的，染色体在生殖细胞中也是成单的；不同对的基因可以在分离过程中自由组合，同源染色体的减数分裂过程中也恰好是随机分配的。就是说，基因的分离和分配，对应于减数分裂期间生殖细胞内染色体的分配和四分体的形成。按此理解，杂种后代（F；）在形成配子时，同源染色体分离，产生了数目相等的两类配子，一类只含基因A，另一类只含基因a，假定所有配子受精的税率相等。这些配子的接将随机结合，那么会产生4种组合；即AA、ZAa 和aa。当A代表显性，a代表隐性时，这就表现为孟德尔的分离定律。这样，孟德尔所发现的遗传定律，就可以从生殖细胞形成期间染色体的行为来理解。正如美国细胞学家萨顿（W．Sutton，1877－1916）在他的《遗传和染色体》（1903年）一文中所概括的：父本和母本的染色体联合成对及它们在减数分裂中的分离构成孟德尔定律的基础。就是说，在雌雄配子形成和受精过程中，染色体的行为与孟德尔遗传因子（即基因）的行为是平行的，只要假定基因是在染色体上，分离定律和自由组合定律的表现就会得到解释。

　　萨顿的概括在当时并没被多数人认同。持不同意见的人认为，基因和染色体的那种相互关系最多不过是彼此同时发生而已，把孟德尔的基因同染色体相提并论显得有点似是而非。美国的生物学家摩尔根呼·H·haap，1866－1945）就持有这种看法。因此他试图用实验来解决这个问题。1910年，他选用果蝇作材料进行性别决定的遗传学实验。一天，他偶然发现在培养瓶里有一只雄果蝇的身上出现了一个细小而明显的变异，即它与通常的红眼果蝇不同，而是具有白眼性状。接着，摩尔根把那只雄果蝇同它的红眼姊妹一起饲养，看看会有什么变化，结果他发现所有的杂种一代都是红眼的。如果将FI近交（指亲缘关系极近的个体之间杂交），那么所产生的马，有红眼的，也有白眼的，它们之间的数量比例是3：1。这个实例表现得如词典型的孟德尔式的基因一样。有趣的是，曼的白眼果蝇全部都是雄性个体。以后的多次交配表明，白眼几乎总是出现在雄性果蝇身上，但偶尔也会出现一只白眼的爆果蝇。这使摩尔根想到，决定红眼和白眼这两种性状的基因很可能总是与决定性别的染色体成分联系在一起的，即可以设想这个白眼基因位于X染色体上，而y染色体上没有它的等位基因。摩尔根把这种伴随着决定性别的染色体而遗传的现象，叫做伴性遗传。伴性遗传的发现，首次把一个特定的基因（如决定果蝇眼睛颜色的基因）和一个特定的染色体以染色体）联系起来，从而用实验证明染色体是基因我本

　　此后，摩尔根还进一步研究了在同一条染色体上的基因的传递规律。他选用黑体残翅（用bV表示）的雄果蝇和灰体长翅（用BV表示）的雌果蝇杂交，得到的Fl全是灰体长翅的。然后他用Fl的雄果蝇和隐性亲本付一回交，按照分离定律和自由组合定律，本应预期得到4种类型的后代，即BV、By、bV和协。但是，实验的结果只有两种类型，即灰体长翅和黑体残翅。摩尔根是这样解释他的实验结果的。他说：如果假定B和V这两个基因在同一条染色体上，b和V这两个基因在相对的另一条染色体上，上述的遗传现象就可以解释得通了。就是说，不同染色体上的基因虽然可以自由组合，但在同一条染色体上的基因（比如B和V，b和V），它们总是在一起，就不能自由组合了。摩尔根把这样的遗传现象，叫基因的连锁。

　　连锁基因是不是完全不能交换呢？实验证明也不是这样，像雄果蝇那样的完全连锁是罕见的。在大多数的情况下，每个基因连锁群并不是永远紧紧地连锁在一起的，相对基因之间有可能出现某些交换。比如说，在上面的试验中，如果不是用FI的雄果蝇而是用FI的雌果蝇与隐性亲本回交，那么就可以得到4种类型的后代，不过交换类型的数目要比预期的少得多。它们的比例是：BV．（0．42），By（0．08），bV（0，08），bvN． 42）。其中交换类伽和bV之间只占16％。因此摩尔根把他的发现叫基因的连锁和互换定律。

　　基因的连锁和互换是生物界普遍存在的现象。并且实验证明，两对性状不管杂交时怎样组合，对于同一连锁群的两个特定基因之间的交换率，总是一个常数或不变的定值。例如，实验测得果蝇的黄体基因和白眼基因的交换率是1．2％，白眼基因和翅脉二裂基因之间的交换率是3．5％，黄体基因和翅脉二裂基因之间的交换率是4．7％。由此可知，黄体基因和白眼基因的交换率加上白眼基因和翅脉二裂基因的交换率，恰恰等于黄体基因和翅脉二裂基因的交换率。也就是说，在同一连锁群内的三个基因之间的交换率，只要知道两个数值，就可以推知第三个数值一定是前者的和或差。如果拿一定的交换值作为长度单位，同时假设两条染色体在它们的任何基因位点之间都可能产生交换，交换值和基因之间的距离成正比例。那么我们画出来的基因分布图将是一条工整的直线。由此可以推知，基因在染色体上是按一定的次序和距离作直线排列的。

摩尔根和他的同事们把杂交研究同细胞学结合起来，以令人信服的实验证明基因存在于细胞染色体上并作有规律的传递，从而建立了染色体遗传理论（或细胞遗传学）。他在1926年发表的《基因论》一书中，对20世纪头30年遗传学发展的巨大成果作了如下的概括：基因论认为个体上的各种性状都起源于生殖质里的成对要素（基因），这些基因相互联合，组成一定数目的连锁群；认为生殖细胞成熟的时候，每一对的两个基因依孟德尔第一定律（分离定律）而被此分离，于是每个生殖细胞只含一组基因；认为不同连锁群里的基因依孟德尔第二定律（自由组合定律）而自由组合；认为两个相对连锁群的基因之间有时候也发生有秩序的交换；并且认为交换率证明了每个连锁群里诺要素的直线排列，也证明了诸要素的相对位置。

2.3　DNA是基因的化学实体

　　细胞遗传学确定了染色体是基因的载体，但是，对于基因的化学本性还是几无所知的。比如，基因究竟是什么化学物质，它在遗传传递中到底如何发生作用？这些问题在摩尔根时代还不能作出确切的回答。但是，摩尔根毕竟触及到了这个问题。他在《基因论》的末尾总结部分，讨论到基因属不属于有机分子一级时，他根据计算基因的大小来估计，认为基因不能当成一个化学分子；基因甚至可能不是一个分子，而是一群非化学性结合的有机物质。然而他并不排除这样的假设：“基因之所以稳定，是因为它代表着一个有机的化学实体。”

　　在寻找基因的化学实体上，细胞化学起着重要的作用。细胞化学的研究表明，染色体作为细胞结构的一个基本组件，它主要是由蛋白质和核酸这两类化学物质组成的。那么遗传物质究竟是蛋白质还是核酸？按照传统的观念，蛋白质作为生命物质的主要成分和一切生命现象的体现者，它不仅普遍存在于生物界参与所有的生命过程，而且它的化学结构也有多样性和可塑性，似乎很适于作遗传物质。然而科学实验部否定了这种看法，确认核酸是遗传物质，蛋白质不过是它的产物。

　　认识到核酸是遗传物质（或基因的化学实体）有一段漫长的历史过程。早在1928年，英国的细菌学家格里菲斯（F．Griffith，1881－1941），用肺炎球菌做实验时发现了一个令人惊异的现象。当他把大量已经杀死的能致病的S型肺炎球菌（外形有荚膜，在培养基上形成的菌落是光滑的），与少量活着的不能致病的R型肺炎球菌（外形无荚膜，在培养基上形成的菌落是粗糙的）混合在一起，注射到试验动物体内的时候，令人惊异地发现这些试验动物都得病死了，并从它们的体内分离出许多S型的肺炎球菌。人们把这种由R型的肺炎球菌转化为S型肺炎球菌的现象，称之为转化现象。为什么会发生这种转化现象呢？当时人们推想一定是S型肺炎球菌的某些物质被R型肺炎球菌吸收了，使它转变为S型肺炎球菌。但是，这是什么样的化学物质？当时还不清楚。

　　1944年，美国的生物化学家艾弗里等做了一个体外实验查明，原来是S型肺炎球菌里的脱氧核糖核酸（简称DNA）这种化学物质在转化现象中起作用。他们先把S型肺炎球菌磨碎用水抽提，发现这种抽提液中有蛋白质、DNA、脂肪和糖类等化合物。然后将抽提液放过培养基（一种人工配制的适合细菌营养要求的混合物）中，并用它来培养R型肺炎球菌，结果发现在培养基里产生S型肺炎球菌。这与格里菲斯所看到的转化现象一样，因此可以考虑在这种抽提液中确实存在着某种促成性状转化的因子。但这种因子是蛋白质，还是DNA，或是其他物质。为了弄个明白，艾弗里等人对这些物质逐一做了研究。当他们从S型肺炎球菌中抽取出提纯的DNA，放到R型肺炎球菌的培养基上时，结果在那里发现了S型肺炎球菌，而用蛋白质或其他物质的抽提液代替DNA时，并没有发生这种现象。当他们在DNA的抽提液里加些蛋白酶时，并不影响实验结果，但若加进DNA酶时，转化现象便消失了。由此可见，不是别的物质，正是DNA在转化舞台上担任着独特的角色——遗传物质的角色。1952年，赫尔希和蔡斯继文弗里等人之后，又做了一个权威性的实验。他们用32P和”S分别标记惯菌体（寄生在细富体内的病毒）的DNA和蛋白质的部分，然后用标记过的农菌体去感染细富，发现当细菌被感染对，噬菌体的DNA进人寄生细胞，而其蛋白质外壳却留在外边，并且进人寄生细胞的DNA能够复制出同原来一样的噬菌体。这个实验进一步确证DNAffiff传物质或基因的化学实体。

　　既然DNA是遗传物质，那么它本身有什么条件可以充当这个角色呢？这就要讲到DNA 的化学组成及其结构了。DNA是核酸的一种。核酸最早是1869年由瑞士的青年化学家米歇尔（F．MieSChr，1844—1895）发现的。他为了想搞清楚细胞核的化学性质，用盐酸处理脓细胞；以稀碱分离出核，经沉淀后分析其中的成分，发现氮和磷的含量特别高。由于这类物质是从细胞核中分离出来的，又都表现为酸性，故人们把它叫做核酸。后来，经过许多科学家的研究，终于搞清楚核酸是由核音酸作为基本单位组成的聚合物。接着酸本身也是比较复杂的化合物，它是由戊糖、碱基和磷酸三个部分组成的。根据组成核酸的核音酸中戊糖种类的不同，可将核酸分成两大类，即核糖核酸（简称RNA）和脱氧核糖核酸（简称DNA）。前者的戊糖部分是核糖。后者是脱氧核糖。除了糖组分不同外，这两类核酸中所含的碱基种类也不完全相同。RNA含腺源哈（用A表示），鸟瞟吟（用G 表示）、胞呼峻（用C表示）和尿晓晚（用U表示）。DNA则含A、G、C、T（胸腺呼陡）而没有U。实际上，DNA和RNA的碱基只有一个不同，即在RNA中T为U所代替。核着酸按 255所含碱基不同，分别叫腺着酸（AMP）或脱氧腺着酸（dAMP）、鸟着酸（GMP）或脱氧鸟昔酸（dGMP）、胞音酸（CMP）或脱氧胞着酸（dCMP）、尿着酸（U’MP）和脱氧胸腺着酸（dTMP）等。这些核音酸是通过脱水绩合作用而成为聚合物的。在核酸分子中，核音酸的排列是有一定顺序的，这种核高酸的线性序列就是核酸的一级结构。虽然组成 DNA或RNA的核音酸只有4种，但是由于它们排列顺序的不同，便可构成核酸分子的多样性。假定一个核酸分子是由100个4种不同核音酸组成的。那么它就可能提供4‘ho这么多种不同的排列顺序。

　　在没有搞清楚DNA的三维结构（或空间结构）之前，要想从其化学本性来说明它的遗传职能，是很困难的。这个问题亟需解决。1953年，沃森（J．D．Wason，1928－）和克里克（F．HCCri吹，1916）应用物理学、化学的新技术和生物学研究的新成果，运用综合的观点，把自己的创造性工作同前人的研究成就结合起来，提出了DNA分子双螺旋结构模型，成功地解决了DNA的三维结构问题。他们认为，DNA是由两条多聚脱氧核音酸链围绕一个中轴旋转而形成像麻花那样的螺旋结构。在这个结构中，磷酸和脱氧核糖组成的主链在外侧，碱基在内侧，两链间的碱基通过氢键相互连接，并且有一定的规律，即A配T，C配G，每对碱基处于同一平面，不同碱基对互相平行，而和中心轴垂直。 —5是DNA分子双螺旋结构模式图。（A）是以骨架形式展示出来的DNA模型。（B）是DNA 的填充空间模型。

　　很明显，这样一个分子模型包含有相当大的生物学意义。它首次为生物的生殖和遗传提供了化学基础。正如沃森和克里克所说的，“DNA双螺旋模型的碱基特异性配对的原则，立即展示出遗传物质可能有的复制机制。”还提出，“倘若得知配对键的一侧碱基的实际顺序，人们就可以写下另一侧的碱基的精确顺序。因此可以说，一条链是另一条的互补链，正是这一特征提示着DNA分子为什么会自我复制。

沃森和克里克的预言，不久（195年）便为梅塞尔松（M．Meseson，1930－）等人的工作所证实。1963年，美国科学家凯恩斯（c劝ms）还用电子显微镜和放射自显影技术相结合的方法，成功地拍摄到大肠杆菌DNA复制过程的图象，从而直接证明沃森和克里克对于DNA复制推测的正确性。

2.4　基因概念的现代理解

　　验明DNA是基因的化学实体并确定它的双螺旋结构和复制机制是划时代的事件，它使经典遗传学的基因概念发生了深刻的变化。按照经典遗传学的理解，基因是抽象的、不可分的遗传单位。而DNA被确定为基因的化学实体之后，基因却是个实实在在的化学分子，基因的概念被定义为DNA的一个有遗传功能的片段，这个片段带有通常为蛋白质和RNA编码的一个遗传信息单位。或者说，基因就是一个具有特定的连续的核音酸线性序列。以噬菌体M％为例，它是由3569个核音酸组成的单链RNA分子（在一些生物中RNA 也可作为遗传物质），共有三个基因，分别负责A蛋白、外壳蛋白和RNA复制酶的合成，称之为A蛋白基因外壳蛋白基因和RNA复制酶基因。现在已经搞清楚，在M％RNA分子的开头有由129个核资酸组成的先导序列，接着依次是A蛋白基因（含1179个核音酸）、外壳蛋白基因（含390个核音酸）和RNA复制酶基因（含1635个核着酸）在A蛋白基因和外壳蛋白基因之间有一个间隔区（含26个核音酸）。在外壳蛋白基因和RNA复制酶基因之间也有一个间隔区（含36个接着酸）。最后是由174个核音酸组成的终未序列。先导序列、终未序列和两个间隔区的核音酸是不表达的，即不能转体为蛋白质。

　　按照上述的现代基因概念，不仅完全可以解释经典遗传学所能解释的一切。而且还能解释经典遗传学所难以解释的一些现象。例如，经典遗传学解释不同性状差异的原因，只能答之以“不同的基因”，而现在却能用DNA或RNA链核着酸顺序如何改变导致产生不同的蛋白质来说明；还有突变不只可解释为基因的变化，而且还可以用DNA链的重排和它的效应来说明；再有经典遗传学不能回答基因为何能一次又一次地复制，而现在却可以用DNA的自体复制功能来说明。此外，从现代遗传学的观点来看，不能互换进一步分割的，或负责突变的DNA的也可能只包括一个核音酸对，所以在功能单位内可以进行互换或发生突变的，有时可能只涉及到功能单位的一个小区段，如血红蛋白的点突变。因此，基因作为功能单位、突变单位和重组单位并不是三位一体的。也就是说，基因作为功能单位，它指的是一个具有特定的连续的核音酸序列，而突变可以是其中的一个或者几个核音酸对，并不一定是整个基因。至于交换，在一个基因组（指生殖细胞中的染色体数目）中的任何两对核音酸之间，都是有可能发生遗传物质的交换或者重组的。因此，基因不是不可分的而是可分的。

　　除此之外，实验还证明基因是可以移动的，这种移动不限于传统的等位基因之间的交换，而还可以在同一条染色体不同区段和不同染色体之间的非同源区段移动。早在40 年代，美国遗传学家麦克林托克在研究玉米籽粒颜色的高频变异时，就已注意到了基因可以移动的现象。她在研究过程中发现，玉米籽粒的颜色很不稳定，有时籽粒上会出现一些斑斑点点。为什么会有这种现象？她提出了一个全新的概念来解释，认为遗传基因是可以移动的。她把这种可移动的基因叫做控制因子或转座子（现在多称跳跃基因）。这些跳跃基因能在玉米不同的染色体上从一个位点转移到另一个位点，有时像一个新奇的生物学开关一样，开动或关闭基因。比如说，当玉米染色体上产生紫色的基因gy附近插入一个跳跃基因DS时，它即以一定的速率关闭ffi，使其籽粒不能产生紫色而成黄色。当DS从Xi附近跳开后，Xi的抑制便解除，随即恢复紫色。DS也可爱另一个跳跃基因AC的作用。当AC离DS不远时，它可阻止DS的作用，同样可以解除DS对to的抑制。如果DS跳到离AC很远的地方时，或者AC本身跳开后，则DS即不受AC的作用，DS又对to起抑制作用。这些跳跃基因跳动得如此之快，以致使得受它们控制的颜色基因时开时关，于是玉米粒粒上便出现斑斑点点。由此可见，跳跃基因与传统的基因概念不同，它本身虽不表达某种性状，但却可以引起颇为广泛的遗传效应。尽管麦克林托克的这一发现是很了不起的。但却没有引起当时人们的关注。

　　大约过了20年，美国的梅勒米（Malaxnv）、德国的焦敦（Johdan）和英国的夏皮罗（Shapiro）等人分别用分子生物学方法，在微生物遗传学的研究中，也发现了类似当年麦克林托克所提到的转座子时，跳跃基因的概念才为人们所普遍接受。跳跃基因的概念，使人们认识到功能上相关的各个基因，并不一定以紧密连锁的形式存在，它们可以分散在不同染色体或者同一染色体的不同部位上，因此极大地丰富和发展了现代基因概念。

　　此外，近半个世纪的遗传学研究表明，除了核基因外，还有校外基因，即存在细胞质里面的基因。例如，细胞质中的某些细胞器，像质体、线粒体和叶绿体等就含有各自的DNA。这些DNA的作用与细胞核内的染色体基因很相似，于是人们把它们叫做核外基因。受核外基因控制的遗传，它的表现与核遗传不同。人们通常把它叫做细胞质遗传。细胞质遗传与核遗传的差异，首先表现在它总是表现为母系遗传。所谓母系遗传指的是用具有相对性状的亲本杂交，不论正交或反交，其FI总是表现母本性状的遗传方式。这是因为卵细胞含有大量的细胞质，而精子所含的细胞质却很少。特别是精子在受精过程中，进入卵细胞的主要是细胞核。因此，受精卵的细胞质就主要来自卵细胞了。所以细胞质遗传总是表现为母系遗传。其次，细胞质遗传杂种后代的遗传行为不符合经典遗传学的三个基本规律，即既无一定的分离比例，也不存在自由组合和连锁与互换的关系。这是由于在细胞分裂过程中，细胞质不像核染色体那样进行有规律的分离和组合。细胞质里的基因复制后的细胞分裂时，不是平均地而是随机地分配到子细胞中去的。细胞质遗传现象的发现，扩大了核遗传的概念。实验证明，有许多生物的某些性状（如草履虫的放毒与否）是由核内基因与核外基因共同决定的，如草展虫释放毒素的核外基因，也要有相应的核内基因的存在才具有复制、增殖和传递的功能。

关于基因怎样发生作用的问题，遗传学家曾为此而感到困惑不解，但生物化学的进展却使人们顿开茅塞，认识到基因的作用可能与酶有关。因为在生物体内所有的生物化学过程都必须有酶的参与，在酶的催化下进行的，如果缺少某种酶一定的生物化学反应就不能进行，如没有淀粉酶，淀粉在生物体内就不易分解等。由此遗传学家猜想到基因对性状发育的控制，也很可能是通过酶的作用来实现的。40年代，美国遗传学家比德尔（G·W·Beach，1913－）和塔特姆（E·L·TatUm，1909－1975）以红色面色霉这种微生物为材料，进行一系列的生化遗传学实验，查明在红色面色霉的生物合成中，每一阶段均受到某一基因的支配，当这个基因因突变而不活动时，则中断了这种酶反应。例如当控制合成精氨酸的基因发生突变对，这一品系的红色面包零就不能合成精氨酸，说明在生物合成过程中酸的反应是受基因支配的。根据这个事实，比德尔和塔特姆在1946年提出了“一个基因一个酶”的理论，把基因与酶的关系作为基因怎样发生作用中的一个关键性论点鲜明地提出来了，但它却没有去探索基因的化学本性和基因究竟怎样导向酶的形成这样一些重大的问题。不过50年代分子生物学诞生之后，对这些问题的研究就有了答案或新的进展。

人类基因组计划解读

 3.1 何为人类基因组
　　　 3.2 人类基因组计划进程
　　　 3.3 四张图：物理图、转录图、遗传图、序列图
　　　 3.4 基因组工业的前景
　　　 3.5 基因大战
　　　 3.6 1％，中国的测序任务及其意义
　　　 3.7 基因组测序完成以后

3.1　何为人类基因组

　　人类基因组是人类的遗传物质（其化学本质是脱氧核糖核酸，简称DNA），包含所有的基因序列及非基因序列。人类基因位于染色体上，有三类，它们分别编码为蛋白质、转运核糖核酸和核糖体核糖核酸，其中编码为蛋白质的基因大约有10万个，它们在表现各种生理作用和生命现象中起决定性作用，是最重要的一类基因。

　　现在已经知道，人类的生老病死、喜怒哀乐，甚至生态环境和生物进化等都与基因密切相关。所以，著名的诺贝尔生理学与医学奖获得者杜伯克曾说：“人类的DNA序列是人类的真谛，这个世界上发生的一切事情都与这一序列息息相关，包括癌症在内的人类疾病的发生都与基因直接或间接有关…”

　　现在的基因概念更加具体了，它是DNA分子中一段能表现生理功能的序列。由于基因与人类生活和生存关系最为密切，出于人类对自身的关心，对人类基因的研究和应用始终成为基因研究的中心，特别在医学领域。临床医生经常会遇到这样的情况：在某些家族中徘徊着某种疾病的“幽灵”，使这些家族内部一代一代发生着某种相同的疾病。现已清楚，这个“幽灵”就是致病的基因。致病基因是由正常基因经变异而形成的。由于此类疾病具有明显的遗传性，故称为遗传病。现已发现由致病基因引起的遗传病有 6000余种，它们也称单基因病，因为主要的致病“幽灵”——致病基因只有一个。阐明单基因遗传病的基因原理是基因研究的重大突破。随后，人们很快明白，实际上人类所有的疾病都是基因病，除上述单基因病外，还有多基因病，如恶性肿瘤、心脑血管病、精神神经性疾病、糖尿病、风湿病、免疫性疾病等等，另外还有获得性疾病，由清原微生物侵入人体所致，如艾滋病、乙型肝炎、结核病等等。更重要的是，科学家发现，不论单基因病还是多基因病，在发病过程中实际上都涉及很多基因的作用，只是被涉及基因的作用有主有次，有前有后。这一发现使科学家在基因研究的观念上发生了根本性变化，认为欲搞清任何一种疾病发生发展的机理或某种健康状态的机理，必须从基因组层面上搞清涉及疾病或健康状态的所有基因的变化规律，而不只是研究某个基民由此孕育出人类基因组计划这一伟大的科学工程。科学家认为，人类基因组计划是与曼哈顿原子计划、阿波罗登月计划并称的人类科学史上的重大工程。该计划于1990年首先在美国启动，后有德、日、英、法、中等国的科学家先后正式加入。

　　人类基因组计划的产生与“肿瘤计划”的搁浅是分不开的。美国从70年代起启动了 “肿瘤计划”，但是，不惜血本的投入换来的是令人失望的结果。人们渐渐认识到，包括癌症在内的各种人类疾病都与基因直接或间接相关。测出基因的碱基序列，则是基因研究的基础。这时，科学家们面临两种选择：要么“零敲碎打”地从人类基因组中分离和研究出几个肿瘤基因，要么对人类基因组进行全测序。1986年3月，杜伯克在美国《科学》杂志上发表了一篇题为《癌症研究的转折点：测序人类基因组》的文章，这篇短文后来被称为人类基因组计划的“标书”。杜伯克说，正确的选择是对人类基因组进行全测序，这样大的项目也应当由世界各国的科学家携手完成。

　　杜伯克以高瞻远瞩的眼光提出的“人类基因组计划”，在世界范围内产生巨大反响。由于人类基因组计划规模太大，在美国，引起了广泛的争论，有人说，人类基因组计划是用纳税人的钱开玩花，30亿减基对是30亿美圆排出来的等等。当时，连现在用的测序仪还没有出世。因此有人说，应该先搞小的基因组，比如细菌、果蝇；或者搞经济价值大的像猪、羊等。

　　再者，在人类基因组计划出现的时候，其他计划，比如肿瘤计划、克隆计划、基因表达、神经活动的研究等都面临突破，因此很有可能成为科技的“花魁”。但是在激烈的辩论中，人类基因组计划不断完善，决策部门不断考虑各方意见，最后认为人类基因组计划是最重要的。因为人是最重要的，社会对人也最关切。人类在进化和与疾病作斗争的过程中，对自身的遗传变异和疾病有了较大的积累，也为研究自身提供了材料；人类基因组问题解决了，可以直接运用于解决其他生物基因组问题；另外，从人类基因组计划获得的经济价值最大。

美国政府为了使普遍民众了解人类基因组计划，印发了不少小册子，诸如《人类基因组计划有多大人阿解我们的基因》。使人类基因组计划成为美国历史上规模最大参与人数最多的科学普及工作。人类基因组计划的目标也经过反复讨论，数易其稿，最终对每一部分都有定质、定量、定时的具体目标。

3.2　人类基因组计划进程

　　1984年12月，美国犹他大学的魏特受美国能源部的委托，主持讨论了DNA重组技术及测定人类整个基因组DNA序列的意义。1985年6月，美国能源部提出“人类基因组计划” 的初步草案。1986年6月，在新墨西哥州讨论了人类基因组计划的可行性，随后美国能源部宣布这个草案。在纽约冷泉港讨论会上，诺贝尔奖金获得者吉尔伯特以及伯格主持了“人类基因组计划”的专家会议。1987年初，美国能源部与国家医学研究院为人类基因组计划下拨了启动经费550万美元。1987年总额年1．66亿美元。

　　1987年，美国开始筹建“人类基因组计划”实验室。1989年，美国成立“国家人类基因组研究中心’，诺贝尔奖金得主、DNA分子双螺旋结构模型的提出者詹姆斯·沃森担任第一任主任。

　　1990年，美国国会批准美国的“人类基因组计划”在10月1日正式启动。其总体规划是准备在15年内至少投入30亿美元，进行对人类的基因组分析。

　　1993年，美国对这一计划做了修订，主要内容包括：人类基因组的基因图的构建与序列分析；人类基因的鉴定；基因组研究技术的建立；人类基因组研究的模式生物；信息系统的建立。这其中的最重要的任务就是人类基因组的基因图构建与序列分析。最重要的是这样几张图：遗传图、物理图、序列图，最优先考虑、必须保质保量完成的是 DNA序列图。

　　除了美国以外，世界其他国家也开始了基因测序工作。值得注意的是英国。1989年 2月，英国开始了人类基因组计划。它提出全国协调、资源集中的任务。全国有关的实验室统一从“英国人类基因组资源中心’获得免费实验技术和实验材料服务。自1993年开始，伦敦的桑格中心成为全世界最大的测序中心，它独立完成了人类基因组30％以上的测序任务。

　　法国对人类基因组计划的贡献在3％左右。它的“国家人类基因组计划”于1990年启动，由科学研究部委托国家科学医学科学院制定。1983年年底，诺贝尔奖金获得者道赛特以自己的奖金建立了人类多态性研究中心。法国民众至少捐助了5000万美元。人类多态性研究中心和相关机构为基因组研究，尤其是第一代物理图与遗传图的构建做出了不可磨灭的贡献。

　　日本对人类基因组测序的贡献占了7％。是在美国的推动下于1990年开始的。此外，加拿大、丹麦、以色列、瑞典、芬兰、挪威、澳大利亚、新加坡、前苏联和东德也都开始了不同规模、各有特色的人类基因组研究。

　　中国的人类基因组计划于1993年开始，成为国家自然科学基金委员会、国家高技术计划、和国家重点基础研究计划共同资助的“重大项目”。由著名遗传学家组成了这个项目的顾问委员会，由中青年科学家组成学术专家委员会；还有一个“中国人基因多样性委员会”和“社会、法律、伦理委员会”，另有一个秘书处负责国际联络、国内协调与日常事务。

我国是一个人口大国，占世界人口总数的22％，而且还是多民族的群体。我国丰富的人群遗传资源是研究人类基因多样性、人类进化和人类相关疾病基因的宝贵材料。据中国人类基因组计划南方组首席科学家陈竺院士介绍：“根据我国的实际情况，中国的人类基因组计划初期目标主要是充分利用我国丰富的遗传资源，进行基因多样性和疾病基因识别的研究。在过去的几年中，中国组织了一批高水平的医学一中心和遗传学领域内的国家和部门重点实验室，建立了全国性的遗传资源收集和保存网络，引进和建立了包括遗传和物理作图、大规模DNA测序、基因定位、克隆、突变检测和生物信息学等在内的较完整的基因组研究体系。也获得一批重要的研究成果。在基因多样性领域，建立了多民族人群的DNA样品库，对中国南、北30个民族和人群的遗传关系进行了研究，并与世界15个参考人群进行了比较，研究结果显示，中国人群可以分为南、北两个大组，两者之间有明显的基因融汇；东亚人群可能起源于东南亚，而东亚现代智人与其他各大洲现代人群都起源于10－20万年前“走出非洲”（通过对现代各人种间线粒体DNA的研究，各国人种都有较亲缘的关系，国外的一些科学家认为，所有现代人类的祖先，都是 13－20万年前才走出非洲，遍布世界）的群体。另一方面，疾病基因的研究也取得实质性的进展，克隆出遗传性高频耳聋的致病基因，定位了若干单基因疾病的染色体位点。在白血病和某些实体肿瘤相关基因的结构、功能研究方面。取得一批具有国际影响的成果。近年来，在多基因疾病的定位方面也取得初步成功。此外，一些实验室在人类功能基因研究方面也实现了突破，已经获得来自血德一免疫。神经一内分泌、心血管系统以及肝脏的Egy10万多条，克隆了1000条以上的新基因的全长tiDNA。”

3.3　四张图：物理图、转录图、遗传图、序列图

　　“人类基因组计划”是解读人的基因组上的所有基因，共分析24个染色体DNA分子中的四种碱基对。30亿个碱基对是一个很长的序列，为了更好地搞清这个长序列，需要有其他辅助工作配合。在“人类基因组计划”中，分为两个阶段：DNA序列图以前的计划和DNA序列图计划。序列图以前的计划包括物理图、转录图、遗传图。

　　人类基因组的物理图有两个要素：一是序列，二是位置。在如此长的序列中，物理图就像地图一样标明各个序列的路标。通过分子杂交的办法，利用DNA双链互补特点，一个DNA片段杂交在这个位置，“说明这个位置的结构与它相似，就是这个位置的标记，这是以序列作为标记的位置。”

　　物理图还有更重要的作用，有了前面标志的序列位置，就可以将克隆的DNA片段，一个一个接起来。据中国人类基因组计划负责人杨焕明教授说：“如果两个克隆的DNA 片段，都含有某一路标的序列，就说明这两个片段的一部分是重叠的。我们整个基因组的DNA就是由这些相互重叠的DNA片段全部覆盖。换言之，这些DNA片段，就是我们人类基因组这一区域的代表，这些片段的克隆就是我们研究这一区域的实验材料。”

　　物理图的绘制需要用遗传工程的手段来解决，对年代以来遗传工程所产生的技术，在制作物理图时被利用上了。其中最主要的是克隆技术和分子剪刀。

　　克隆技术简单说就是不经过亲代的交配，以一个个体的自身为模板复制一个自我的过程。DNA的分子克隆以生物体的细胞为载体，随着细胞的克隆自身也克隆出来。现在使用的技术是DNA片段克隆，就是说，在塑料试管里，克隆出长几百个乃至几十万个碱基对的片段，这是基因工程的基本技术。

　　做DNA片段克隆需要一种“载体”，最早人们采用质粒作为DNA片段的载体，它把一段段DNA拼接起来，实现自我复制。后来，又有了病毒载体、酵母载体和细菌载体。有的运载量大，有的功能稳定，有的制造容易。使DNA片段的复制手段多样化了。

　　基因剪接是基因工程最基本的一种手段，长长的DNA分子是一条条键，最短的第22 号染色体也有3000万个孩着酸。如何把他们剪开呢？这就要用分子剪刀了。这种剪刀就是酶。它能把DNA从内部切开并能识别特殊的序列。

　　剪刀有两种，一种是万能的，在任何地方都能剪，另外一种是只能在特殊的地方剪开，这种剪刀叫做限制性内切酶。现在已经发现的内切酶已经有300多种。有趣的是不同的内切酸切开的链子刀口不同。在两条链子组成的DNA中，有的内功酸能把片段的切口仅成平头，有的切成换头，易于重新级结。

　　除了剪开DNA分子的酶，还有级结DNA分子的酶。有了这些工具，就可以进行基因剪接了。

　　人类基因组计划要完成的另外一个图谱就是转录图。我们说在人类大约有7一周万个基因。但这么多基因中，只有1％一5％的基因是指导蛋白质编码的。因为各种生命的现象都是通过蛋白质来表现和实现自己的功能的。因此，抓住了这些能编码蛋白质的 DNA，就大致抓住了人类的基因，这就是转录图所要做的事情。

　　人的每个细胞里所有的DNA决定将近10万个基因，那么在每一种组织的细胞中，只有10％的DNA能表达。

　　转录是表达的第一阶段，DNA转录后，成为只有一根键的RNA，这个RNA携带信息，所以他被称为mRNARNA根据遗传密码决定蛋白质。因此抓住这些携带信息的mRNA就成为重要任务。可以说，转录图是基因图的雏形。

　　在人类基因组计划中，DNA片段的部分序列，被称为可表达的标签序列，到目前为止，在国际合作的人类基因组计划中，这些dJNA片段已经被发现了160万，这160万个经过分析和剪接，至少已经代表了上万个不同基因的部分DNA序列。

　　由于转录图中的这些基因是有表达功能的基因。再者，转录本身是有组织与时间特异性的，它来源于已知的某一生育阶段的某一组织，因此可以给制出在正常条件下基因表达的数目、种类及结构、功能的信息。将来还可以了解不同组织在不同水平、不同表达、不同时间内的表达，这样有了正常和异常的转录图，就可以在此基础上构建基因表达谱了。

　　由于这种转录的DNA，可以为DNA序列鉴定哪些部分是编码DNA提供可靠的信息，而且这是序列分析中效益最高、收获最快的方案，再者，它本身就有经济价值，可以为基因诊断或基因克隆作为工具，因此转录图的构建和从川队片段的分高竞争是十分剧烈。美国私人公司在这方面提出共达40多万个dZNIA片段的专利申请。

　　遗传图是根据经典遗传学的原理，结合现代分子生物学的进展，以现象来追踪本质的重要工具。

　　经典遗传学的精髓是遗传分析，在基因和表现之间发现遗传的联系。经过基因组的分析，人们发现一个基因一定在基因组中有其位点，这个位点至少有两个等位基因，一个是正常的，一个是不正常的。如果这个不正常的基因不表达，这个人还是正常的，仅仅是一个携带者。这个位点和全部基因组的遗传标记存在着距离问题，如果位点接近，就会发生交换，距离较远的，交换的频率就高。科学家采用一个遗传标记，来检查家系中这个遗传标记的位点是否与致病位点发生交换。靠物理图就可以在这个遗传标志的相应距离找到这个基因。虽然疾病的原因很复杂，但是利用遗传图就可能分离到这个基因。

　　因此，在遗传图中，家系是一个重要分析对象。序列中的差异就成为最好的“遗传标记。”

　　物理图、转录图和遗传图都是序列前计划，这些图的绘制，都是为人类基因组的序列图作准备，只有序列图完成了，才能将人群内序列的差异，作为密度最高的遗传标记来完善遗传图，因此序列图是人类基因组计划中的最重要部分。

　　中国参加人类基因组计划的科学家在《生命大解密》一书中详细讲解了人类基因组序列图的绘制工作是如何进行的：

　　人类基因组DNA序列图的绘制工作，可以做这样的比喻：假说人们只穿4种颜色的衣服，红、黄、白、黑，“人类基因组计划”就相当于把世界上30亿人所穿的衣服都搞清楚，而且注明位置顺序，如所在的国家、城市、街道、楼房、房间。人类基因组DNA序列图的绘制，是在上述3张图的基础上，采用了“分而胜之”的“克隆到克隆”的策略。

　　科学家用已在代表人类基因组中不同区域定好位置的标记，即遗传图的“遗传标记”和物理图的“物理标记”，来找到对应的人类基因组“DNA大片段的克隆”。这些克隆都已知道是相互重叠的。再分别用机器测定每一个克隆的DNA顺序，再把它们按照相互重叠的“相邻片段群”装搭起来。

　　为了测定这些大片DNA克隆的序列，要将这些DNA克隆按遗传图与物理图的标记，确定在基因组中，切成1一2000核音酸长的小片段，再“装”到一种质粒“载体”上，送进细菌中克隆，大规模地培养细菌，再从细菌中提取这些“克隆’的DNA。在我国的 “北京中心’，工作人员每天要制备5000一1万个克隆的DNA作为测序“模板”。这些 DNA要质量上很纯，数量上准确，还不能相互混杂。

　　模板制备好了，就要进行测序。一第一步是“测序反应”。现在使用的方法是“酶终止法”。简单地说，是以要测的DNA为模板，重新合成一条新链，分别用不同颜色的荧光物质标记上。这样，如果一段序列的一个位点上是A，就将代表A的劳火物质标记在 A的后面，由此类推。这样就形成了长度相差一个核着酸的新的DNA链，而结尾一位则可以荣火的颜色来决定是：或地或T、或动或G。

　　测序反应做好后，第二步是上‘咱动测序议’分析。现在的机器主要有两类，一类是“凝胶电泳”，另一类为“毛细管电泳”，它们都能将长度仅相差一个碱基的DNA片段—一分开，由于不同的片段尾巴的核着酸已标有不同颜色的荧光染料，可以很直观地读出A、T、C、G的序列。

　　这些“序列”通过电脑加工、检查质量，再用一些特殊的电脑程序，将相互重叠的序列装搭起来。要确定每一位置的核音酸，至少要测定5一10次。如果中间有“空洞”，还要将这些“空洞”用各种技术“补”起来，最后形成一个大片段克隆的完整序列。这些序列片段再根据“相邻片段群”的信息装搭起来，就组合成了一个染色体区域，一个染色体完整序列。

现代的基因组技术是分子生物学、遗传学、遗传工程技术、生物信息学的综合。由于整个生命科学已进入“以序列为基础的时代”，大规模基因组测序、组装与分析技术已成为生物产业最重要的“龙头”、上游技术，这是一个国家的国力、技术能力、新的科研型企业的管理能力、人的素质的最集中的表现。”

3.4　基因组工业的前景

　　一个基因的克隆，就能形成一个基因的产业，这不是天方夜谭。大多数外国医药公司，都在向基因方面投入巨资，而且规模扩张非常快。比如一个肥胖病的基因转让费就要1．4亿美元。

　　由于人类基因组计划，已经形成了一个人类基因组工业。到了这个阶段，高等生物被用来作为生物反应器。这些生物的基因组很复杂，如果把外来的遗传工程基因放进去，他们会产生免疫反映，排斥外来基因。但是外来基因与本身基因组的基因之间会产生相互作用，外来基因的产物蛋白质也可能会影响这个生物的很多反应。因为在生物发生器中的某些基因需要高度表达，这就必须了解这个生物反应器的整个基因组，了解基因与基因之间的关系，因此产生了基因组产业。

　　基因组工业最成型的技术中有转基因技术。比如用牛。羊、猪当作生物反应器，来生产人的红细胞促生素。用鸡生产人的血清白蛋白。这是把人的血清白蛋白基因的结构部分接到鸡的血清蛋白上，使原来鸡蛋的血清蛋白大部分变成人的血清蛋白。这样能生产人的血清蛋白的鸡自然比普通的鸡高出许多。

　　转基因技术还可以把牛变成转基因牛，可以用它来生产出和人奶相同的牛奶，也可以生产出红细胞生长素。目前全世界所用的红细胞生长素只有几公斤，但是一头转基因牛年产就能达到柳一肥公斤。目前转基因的牛羊已经从奶里提取出了几种人的基因产物。

　　转基因技术还可以生产出人的器官。在医学史上，20世纪的突出进展就是器官移植技术。随着外科技术和免疫技术的发展，现在人类可以进行各种各样的器官移植。比如角膜、肾、心脏、肝。备用的人体器官成为紧缺商品，世界上数以万计的人等待着器官移植。在这种情况下，科学家想出了把人的器官转移到另一种动物身上的办法。让它长出人的器官。最早用猪来进行这种生产，因为猪和人类在进化上是近亲，猪的心和肾和人的心、肾的构造差不多。大小差不多，而且生长期只有10个月。过去说人蠢是猪心，现在转基因的猪心要被用来进行人的器官移植了。当然要真正做到这一点，还要解决异种心脏的排斥问题，必须把猪的心脏也换成人的，不要把猪的心脏发育、功能有关的基因也换成人的。

　　在植物方面，转基因的各类水果、粮食已经出现，美国已经搞了“食品基因组”，一方面要把动植物的基因组搞清楚；二是在此基础上，寻找出新的种质，也就是说，要找出新的基因资源。人类在20世纪开始的绿色革命，目的是寻找新的物种来生产足够多的粮食养活全人类，现在的食物基因组计划，将使人吃得更好。并解决人口增长、农业资源相对缺乏、生态环境恶化，彻底改变农场的定义。

　　在今年五月份北京高科技讨论会生物科学的讨论中，有科学家用形象的画面展示出未来鱼类生产的前景，在北京郊区的几百公顷的土地上建立的养渔场，采用基因技术，可以使它满足全北京市上千万人口的吃鱼问题。

　　随着人类基因组计划的发展，也使得原先技术发展方向不明的生物芯片技术得到了新的动力，在为人类基因组计划服务的过程中，它为自身的发展开辟了广阔的前景。克隆技术是在前两年得到突破性进展的生物技术，英国科学家克隆出第一头羊，以后又有其他动物被克隆出来。华裔科学家杨向中说；“克隆技术对下一个世纪生活方方面面的影响，在医药、卫生，因此，在美国有人把生物技术和原子能技术相提并论。但克隆技术一方面给人类带来利益，另一方面是恐怖。中国人关心的是克隆出来的人在辈分上怎么算，西方人关心的是克隆人和上帝作对。克隆技术是可以复制出一组动物、植物和微生物的技术。原来我们插下一根树枝就可以成活，这是一种克隆。在人类，同卵双生也是一种克隆，因为遗传信息是一样的。克隆在自然界本来就存在，直到1997年，英国出现了多利羊，大家对克隆才有所了解，成为家喻户晓的动物。对动物克隆研究来说是一个福音。”

　　杨向中还说：几年前，提出2003年，我们人类身上有多少基因，基因图谱，基因的定位就会实现。几个月之前，科学家就人类基因组的工作进展神速，克林顿说今年年底，人类基因组的定位将要完成，但就在几周之内，美国的一个公司宣称人类所有基因的测序几周之内将被定位，我们知道基因的位置虽然很重要，但是更重要的是这些基因是干什么用的。克隆技术将在研究基因的功能方面发挥重要作用。研究可以治病的基因。

　　珍稀动物保护组织来信祝贺科学从动物皮肤细胞克隆，为珍稀动物保护带来好消息。

　　现在不管你是赞成克隆还是反对克隆，将来克隆肯定要影响到人类生活的方方面面。

　　人类基因组计划以后还要带动其他生物基因组计划的发展，比如中国已经开展的水稻基因组计划，由于人和所有动物、植物、微生物都是远亲近成，人类基因组计划在研究人类这一最高级、最巨大、最复杂的生物基因组的一整套策略、技术，都可以用来研究所有其他生物的基因组。

　　也正因为如此，生物革命的发展，改变了生物资源的存在形态。原先要搞到一个品质好的生物品种，比如良种牛，或者某种珍贵植物，需要出口或走私。现在则用DNA技术与基因分析、克隆技术将这头好牛，或者珍贵植物的DNA克隆出来就行了。只要把这些牛测个序，或者只测量和长肉有关的相关区域，就可以通过互联网传回国。到目前为止，我国的一些生物资源就这样无声无息地流失掉了。

基因组测序技术，将个体的生物资源升级为DNA资源和基因组信息资源。对每一个民族的生物资源保护与开发，都是一种新的挑战。

3.5　基因大战

　　由于基因巨大的经济利益，它立刻引来了许多贪婪的目光。人类基因组计划巨大的经济价值，使得在人类基因组研究进程中，有过两次逆流，几乎彻底倾覆了人类基因组的研究计划。但是由于坚持人类基因组计划精神的主流科学家的正义态度，使得人类基因组计划在斗争中不断加速，演出了一场主流科学家和私营公司之间的激烈竞争。

　　人类基因组计划的第一仗就是专利战争。专利对近代科学的发展起过巨大的促进作用，这是对科学家知识产权的保护，也保证了公众对发明的了解和运用。但是，人类基因组为每个人所共同拥有，不是哪一个人的专利，因此著名人类遗传学家福格尔谴责 “基因专利”是全人类的一场噩梦。

　　由于基因研究投入巨大，克隆一个疾病基因就要投入上亿美元。其潜在的商业利润也惊人，按照有投入就有回报的商业逻辑，对功能明确的基因有人申请专利，但是更有人对功能尚不明确的基因也要实行专利。现在已经颁布了1200个人类基因的专利，已经造成了既成事实。只能在转让费和专利期限上讨论问题。

　　因为人类基因是有限的，发现一个就少一个，因此，基因资源的争夺是残酷的争夺。

　　失败者只有用别人的专利进行生产。而没有专利，就无权进行生产。

　　如果基因序列也被允许专利，其后果是严重的。信息垄断所导致的结果，只能是几家大公司主宰，谁要是享用这些信息，都要向他申请许可。

　　在人类基因组计划的进程中，发生过两次逆流。这两次逆流都与新的测序仪的发明有关。我们知道，人类基因组计划测序开始时，连测序机都没有，到了1992年，PE公司推出新的测序仪ABI373，一次能读出几百个核着酸序列，这样就可以大规模地分析EST。

　　因此，美国国家医学研究院的一个科学家便申请专利，而且得到了前任院长的支持。

　　1991年，美国国家医学科学院递交了第一个EST的专利申请。这一举措立刻遭到美国主流科学家的反对。在强大的压力下，专利申请被撤消。但是美国的一家公司“史必公司” 却用巨资支持这位科学家与世界基因组组织的科学家作对。由此出现了两大阵营。在道义论争的同时，史必公司凭借其经济实力与世界基因组组织的科学家对抗。他们在投入巨资加速专利的生产，并且建立起自己的EST数据库，与公众数据库抗衡，并且几次领先。同时在一些第三世界国家建立生产EST的分实验室。

　　国际基因组组织的科学家也以最快的速度分离EST，使公共基因库的EST序列日益增多，而且将测出的序列尽快上网，造成公开的既成事实。同时靠法律手段、舆论工具、道义力量据理力争。

　　在专利申请上，也是一波三折。美国专利商标署1997年曾经考虑给IISI’颁发专利。

　　舆论大哗。美国国家医学研究院强烈表示反对。1994年，美国国家医学研究院在撤回将近7000个EST的专利申请对，明确表明，对功能与实用意义不明确的不完整或完整的基因序列申请，不符合公众健康与科学的最大利益。对专利商标署的EST的实用价值的定义，进行全面抵制，认为这将会给科学家能否尽早享用序列信息带来问题。

　　世界基因组组织强烈要求专利商标署撤回Egr专利的决定。美国的一些科学家与史必公司决裂。所有序列一经测出，立即公开，公共数据库的扩增速度保持正常。

　　1998年，随着新的测序工具的出现，出现了第二次逆流。5月三叉口，PE公司推出了新一代的“毛细管测序义’，使测序的工作提高了许多倍，自动化程序也高级得多。

　　但是这家公司首先将300台机器自己使用，并且投资3亿美元，让原来那位美国国家医学研究院的科学家专门成立了赛来拉公司，号称要在3年内用新的方法完成人类基因组计划的全部序列。他们说，他们只要几百个基因的专利，但是在发布的时间上和对序列的垄断上他们采取拖延的态度。他们拒绝在24小时内公布所有数据，表示要把数据分析完了，选择出最重要的基因为自己所用，然后对这些选择出的基因索价年使用费至少为 500万美元。

　　国际基因组组织的科学家奋起抵制这一做法。他们认为，赛来拉公司的新策略所用的基因装配，用的是全球科学家几十年心血的遗传图、物理图，他们免费从国际公开数据库中得到这些信息，本身就不公平。再者，如果国际基因组计划就此流产。10年的心血将付之东流，许多人才会流向赛来拉公司。他们将在这个领域内肆意妄为。因此，他们一方面是计划得以继续，向政府申请经费，加速研究，与赛来拉公司竞争。

　　据美国《时代周刊》的一次民意调查， 72％的民众不赞成几个公司“自己出钱”，完成人类基因组测序并专利重要基因，美国国会经过多次激烈辩论，听取了主流科学家的意见，保证了对HGP的继续支持。

　　值得注意的是，曾蓄意破坏HGP，孤立美国主持正义科学家的PE公司，专门派出各种身份的人，到有意参与“人类基因组计划”的发展中国家游说，也同样到过中国。说什么“即使全球合作，也都斗不过我们公司”，“参加测序，等于白花钱”，“数据反正是白用的，干嘛还花钱参加”……居然真影响了一些国家的决策者。

　　争论还在继续，1999年9月1日，在“人类基因组计划”有关“工作框架图”的最后一次策略会议的前两天，“赛里拉”居然宣布自己已完成人类基因组测序的印％，它的股票一日暴涨切美元，上升幅达四．5％。实际上他们的数据，是目前难以装塔的原始数据，离“工作框架图”相差甚远。但从另一方面，却反映了民众对人类基因组数据潜在价值的认同。

　　尽管“人类基因组计划”的所有资助者、所有参与的实验室，都一致同意并许诺： “人类基因组计划”的数据，应该“平等、免费”分享，并签订了“百慕大原则”：所有数据都应在24小时内公布，但“赛里拉”等公司肯定不会就此罢休，因为，“人类基因组计划”的科学意义与经济意义实在太重大了，争持不会停止。

　　人类基因分离与研究的最终价值是人类疾病的预测、诊断与治疗；基因功能的鉴定，关键是与疾病等表型的联系，这就决定了基因分离一应用这两头都需要与疾病挂钩。

　　疾病家系、人群、患者的遗传材料，成了具有科学、经济意义的基因资源。而拥有这一资源的发展中国家，成了争夺基因的“狩猎场”。

　　印度科学家首先挺身而出，给印度政府施加压力，要求以行政措施保护印度的基因资源。我国基因资源外流情况，比起印度，有过之而无不及。

　　据《今日生物世界》报道，美国西夸纳公司已取得中国一个很大的哮喘家系，随后多次宣扬这一家系的价值，以配合宣传他们的工作。中国这一家系的外流，国内学术界至今仍蒙在鼓里。

　　要说基因资源，中国是首富。一是中国的人多，病也最多；二是中国人几代同堂，没有天灾人祸不动窝，少数族群多生活在偏远的大山里，形成的家系最多最纯。一些基因资源掠夺者把目光投向了中国。

　　据美国权威的《科学》杂志1996年报道：哈佛大学“群体遗传学计划”，要在中国研究包括糖尿病、高血压、肥胖症、早发心脏病、关节炎、精神分裂症与传染病在内的几乎所有“文明病”。这一计划要用2000万中国人的血样及DNA样本，因为中国可提供廉价研究材料；巨大的人口可以使科学有鉴定功效细微的基因。这一计划要通过6个中国医学中心，而这些中心（不管刚挂牌，或还没有挂牌）的正主任则是美国这一项目的负责人，他们声称将扩大经费，而多个药物公司赞助的筛选600万中国人以研究哮喘基因的项目已经上马。

　　中国预防医学科学院与美国BMI等公司合作，以研究“膳食、生活方式和慢性消耗性疾病的关系”为题，在我国收集血样与有关流行病学方面的资料，计划采集50万人的血样与所有个体的体检、临床数据。此协议写道：“本项工作产生的全部知识产权全部归BMI所有，包括版权、专利。商标注册。”中方明确声明：“本项目所涉及的知识产权将为BMI所有。”为了吸引投资者和遵循国际商业惯例，此点必须在协议中清楚地表明。由于在这一商业活动中，中方并未投资，因此在知识产权方面不可能要求平等。

　　印度政府正计划通过立法，来限制外国研究者与药物公司获取该国的生物资源。如果没有“国家生物多样性管理委员会”批准，将具商业价值与生物资源有关的标本、数据输入国外，将受严厉惩罚，处以5年的监禁或3万美金罚金。

　　冰岛国会为制止掠夺遗传资源的“生物海盗”，反对“直升飞机式研究”或“取了血样便跑”的研究，立法制止人类组织样品出口。外国公司要想以冰岛人群进行研究，只能在该国国内进行，或保证让冰岛“免费”享受所有研究成果。

　　美国政府通过外交途径，转告外国政府：美国人在美国以外采集人类基因资源，并没有得到美国政府的批准与资助，只是个人行为。

　　联合国教科文组织于1995年成立了“国际生物伦理委员会”。经3年讨论，反复修改，起草了《关于人类基因组与人类权利的国际宣言》，简称《人类基因组宣言人1997 年三三月五三日，经“联合国教科文组织”第二十九届会议通过。1998年11月27日又经 “联合国大会”批准，成为名副其实的国际文件。

　　《人类基因组宣言》是历史上第一个有关科学研究的宣言。它的发表，充分反应了 “人类基因组计划”可能对科学、经济、伦理、法律及社会方方面面的影响，以及就这些问题讨论的迫切性与严肃性。《植言》被比拟为1948年《人权国际宣言》与《纽伦堡法典》，其宗旨是保护人类的基因组。

　　《人类基因组宣言》有4条基本原则：人类的尊严与平等，科学家的研究自由，人类和谐，国际合作。

　　为保护发展中国家的权益，《人类基因组宣言》在历史上第一次提出与发展中国家进行国际合作、“南北合作四大原则”。由于本书（指《生命大解密》）作者授权解释与此有关的条文，因此特别强调这一部分。

　　1．全面解释人类基因组研究的风险与利益，防止滥用。人类基因组的研究是把 “双刃剑”，由于科学认识暂时的局限性以及对技术的渴望，发展中国家的决策者与民众有可能忽视风险，在立法方面滞后。因此，决不允许以“帮助发展”、“技术领先” 的名义，在发展中国家进行在发达国家不允许的实验，转嫁风险，把发展中国家作为 “侏罗纪公园”的实验场。

　　2．以提高发展中国家进行人类生物学与遗传学研究能力为宗旨。考虑到发展中国家的特殊问题与需要。特别是解决他们的研究能力，不能搞假合作、真掠夺特殊人群与患者的遗传材料。

　　对于发展中国家，提供特殊材料，是一个民族对科学发展的贡献，不能“将物自居” 拒绝国际合作，而耽误这一疾病的研究。“资源换技术”，在迫切需要技术的时候是可以考虑的。但国际间的合作，要考虑是否有助于提高本国的研究能力。本国的科研人员，有对自己的资源进行开发、利用的优先权。

　　在发展中国家取得资源，一定要服从该国该地的有关法律与管理法规。特别要尊重 “知情同意”的权利，不能利用当地人民对科学暂时的不了解，以任何名义、手段，甚至与地方当局合作，从当事人那里骗取遗传材料。

　　3．国际合作应有利于发展中国家对科学技术成果的分享。由于历史原因、经济能力的限制，发展中国家对人类基因组研究没有投入，在研究规模与速度上比不上发达国家，甚至至今还没有参与，但人类基因组是全人类基因遗产与财产，因此，这绝不能影响发展中国家分享“人类基因组计划”成果的权利。只有这样，才能促进全人类的和睦和整体进步。

　　4．促进发展中国家与发达国家自由交换科学知识与信息。科学家相互自由交换科学知识与数据，是科学发展的根本保证，也是科研与应用的基本保证，由于人类基因组信息对全人类的重要性，更突出了自由交流的意义，保证不扩大发达国家与发展中国家在科学上的差距。

《人类基因组宣言》事关全球各国，影响千秋万代。因此，“联合国”要求所有成员国采取措施，通过各种手段，向民众、特别是科学决策者传播《宣言》的原则条文，提高整个社会对基因研究中可能涉及人类尊严的关切程度，促进这些原则的实施。

3.6　1％，中国的测序任务及其意义

　　中国在国际人类基因组计划中承担了1％，这是人类3号染色体短臂上的一个约30MB 区域的测序任务，该区域占整个人类基因组的1％。说起这个计划的实施，没有人能比参与这项工作的中国科学家更有发言权，现在就看看他们对这件事情的全面描述：

　　中国参不参与序列图绘制的国际合作，已讨论了10年。如果认同人类DNA序列图是 “重中之重”，关系到21世纪我国生命科学与生物产业的基础建设，不参与序列图绘制，这一步拉开了，将眼巴巴地使我国永远失去参与的机会。

　　苦头我们已开始吃了，如对虾病毒基因组测定忍痛让人。一步被动，势必长期被动，全局被动，耽误国是。历史将证明，中国建立大规模的基因组序列图构建系统，只是时间的问题。越晚，我们民族付出的代价就越大。不做，就是我们的失职。历史将要追究所有人的责任，包括讨论中持不同意见的双方。因此，我国的决策部门，所有相关的研究人员，一直在沉重地、痛苦地思考这个问题。

　　最终中科院遗传所的“人类基因组中心”（简称北京中心）于1998年8月4日开张。

　　1999年2月决定搞大规模基因组测序，4月预运行，以创造加入“国际测序俱乐部”的条件。7月7H在国际人类基因组测序协作组登记，申请加人“国际测序俱乐部”。

　　1999年9月三日。在伦敦举行的第五次人类基因组测序战略会议上，作为新的成员，北京中心与已为人类基因组做出的卓越贡献的万个中心一起讨论战略，商议标准，界定区域，分析面临的问题，一起分享喜忧。占世界人口20％的中国，负责测定人类因基组序列的1％。

　　“国际测序俱乐部”听取了北京中心关于实验室面积。设计规划、设备类型及实际运行情况的数据统计；人员组成及素质、技术培训与实际运作等方面的情况介绍，以及依据设备、试剂、人员的实际投入与产出等所有数据做出的详尽预算。北京中心自信地宣布：保证中国科学院及其遗传所。中国中央政府及其他有关部门、地方政府和其他各种来源及中国民众对这一项目的财政支持，全额经费绝对能及时到位。

　　滴水穿崖，非一日之功。北京中心的关键设备运行情况与国际同行并驾齐驱，令人信服地说明中心人员已掌握全部的技术关键与细节，以及世界级中心的管理与动作。北京中心自豪地展示了自己测定的难度最大，投入最大，意外最多，准确率最高的区段，以及已递交的4个片段628Kb数据。这些数据，已使中国成为递交人类DNA序列数据最多的6个国家之一。北京中心对与国际同行同步，即在2000年春求完成“包干”区域的测序充满信心，并保证—半以上的序列达到“终围”的质量标准。

　　北京中心动最后表示：在研究过前四次“战略”会议文件的基础上，保证俗守HGP 精神，特别是有关数据的即时公布与免费分享的原则。北京中心还重申反对人类基因组基本信息专利的立场，保证不保留任何数据，不申请类似的专利。

　　由于中国注册较晚，原定会议程序并未列入。为中国代表能及时与会，北京中心几位国际顾问四处联系，出谋划策。主要负责人最后通过越洋电话，当即决定邀请中国代表与会，各国代表纷纷祝贺。会场上数位代表或以旧交之了解，或以目睹之事实称赞中国的进步。HGP精神感人至深。在国内，基因组学界的前辈们谆谆教导，有关领导语重心长：“志在必得”兄弟院所真诚合作，地方政府鼎立支持，同仁同道倾囊相助。

　　截至1999年2月13日，北京中心已投入了28万余个测序反应，已完成申报投入50万个反应的一半以上，累计测定了110Mb的序列，相当于把这一区域测了3次。按国际标准，已递交国际数据库16．SMb的一致性序列，已完成了“工作框架图”的55％。2000年春求完成“工作框架图”完全有把握。国家人类基因组北方与南方中心也参与了这一项目。

　　除了完成“工作框架图”的任务外，北京中心已建立了完成单个BAC的序列组装的能力，已完成组装并递交了6个完整的BAC的DNA序列，合计长度的0．gMb。并建立了将几个BAC的序列组装成一个连续片段的能力，能将10个BAC克隆序列组装成三．IMb的大片段。另外，建立了数据分析与基因鉴定的能力。24小时内，在内部网络中完成全部数据的初步分析。

　　“1％项目”尽管还会有争议，但它的意义，已逐步显示：

　　1、显示了中国领导人与决策者的高瞻远瞩与英明果断。

　　中国参与国际“人类基因组计划”，正如国际同行与海外留学生所说的，充分显示了我国新一代领导人与决策者，对全球科技格局的了解和参与国际合作重大课题的新思维与新策略。中科院以1000万人民币的投入，创造了又一个“中国第一”，成为中国的 HGP中最具影响与实际产出最明确的主要部分。而我国以500万美元的投入，进入五强国历时10年、总投资达又亿美元的HGP行列。这种在关键时刻所表现的远见卓识、决策的果断与经费到位的快速，都是前所未有的。

　　2．改变了国际人类基因组研究的格局，提高了人类基因国际合作的形象，受到了国际同行，特别是参与“人类基因组计划”的各个中心以及发展中国家的欢迎和称颂。

　　国际合作、公众支持的“人类基因组计划”已历时10年，一直受到美国私人公司的挑战。国际“人类基因组计划”负责人一直希望提高国际合作的形象，而由于‘人类基因组计划”投入巨大、技术复杂，使英、美、日、德、法之外的其他国家，望而却步，采取了“你成我拿，你干我看”的观望态度。多数国家，特别是发展中国家，一方面基于HGP对人类本身的认识与生物产业发展之攸关，在道义上力争共享人类基因组序列信息的权利；一方面由于不能直接参与而没有实际的发言权。

　　正在这个时候，中国的参与，无疑受到国际“人类基因组计划”团体与发展中国家的一致欢迎。真正参与并分担实际任务的其他15个中心的负责人，无不致电致信表示欢迎，至诚之心溢于言表。

　　在联合国教科文组织“国际生物伦理委员会’第六次会议上，我国委员，本书（指《生命大解密》）作者之一的杨焕明先生，作为发展中国家惟一真正参与“人类基因组计划”的代表，深感地位的改变：国际“人类基因组计划”负责人，希望我国代表多为 HGP精神呼吁；发展中国家又希望我国能在“人类基因组计划”中多为他们争取权益。

　　“人类基因组计划”接近完成，各个国家讨论“人类基因组计划”的层次已达到国家最高领导人，我们这一地位将更加令人注目。

　　3．“1％项目”，使我国理所当然地分享“人类基因组计划”的全部成果与数据、资源与技术，拥有有关事务的发言权。

　　国际“人类基因组计划”的宗旨是全球合作的跨国项目。不参与，就不能直接获得资源与技术；不参与，就不可能有发言权；不参与，就随时有失去分享数据的危险。

　　北京中心数次派人员直接到美国最大、自动化程度最高、生物信息学最为先进的中心参观学习。所到之处，无不受到主要负责人亲自接待，具体介绍5一6个小时，并帮助培训掌握最核心的技术。我们测序的所有BAC克隆，都来自国际标准化文库，所有的BAC 信息都是由他们免费提供的。

　　国际“人类基因组计划”所受到的挑战，带来了我国在“人类基因组计划”有无发言权的问题。如这次与美国私人公司“赛里拉”的谈判，事关世界各国能否继续分享人类基因组序列信息的大局。国际人类基因组中心的负责人向我们通报了情况并诚言：我们向您许诺，没有经过您参加的会议的七寸论，我们不会做出任何决定。如果没有“丑项卧’，这种情况是不可想象的。

　　4．建立了我国自己的、接近世界水平的基因组研究实力。

　　通过参与而分享了国际人类基因组的资源与技术，我国在短短的6个月内，走过了别人积累10年的历程，缩短了可直接比较的差距。中国科学院遗传研究所人类基因组中心日产数据ZMb，相当于世界上最强的两个中心在1993年的年产量。我们已建立了一支训练有素的能打硬仗的队伍，建立了有自己特点的全套系列与技术，积累了世界级大规模中心的运作管理经验，奠定了进一步发展的坚实基础。

　　我国信息产业的上游——软件与硬件，已受制于人，我们民族已在为此付出代价。

　　资源基因已成为一个国家发展的战略资源。争夺这一资源的“世界大战”已经打响。

　　2000年1月13日，企图垄断基因组信息的赛里拉公司宣布：在中国的台湾与上海同时登陆。在台湾，他们得到了政界首要的支援，计划投资一亿美元。在上海，他们收购了原先以。‘“测序服务”注册的外资公司Gewt的95％的股份。赛里拉公司的头头公开声称：得到中国富甲天下的动物、植物与人类的遗传的多样性资源，是赛里拉公司扩大国际商务与基因组信息的基础。无疑，赛里拉公司此举是有“远见”的：一方面，以掌握了中国丰富的生物资源为宣传，直逼坚持“平等分享”原则的国际“人类基因组计划”；另一方面，以雄厚的资本：一期投资3亿美元，现股票市场估价为80亿美元，与强大的技术实力：拥有300台毛细管测序仪，号称“天下第三”的超大型计算机，妄图实际控制中国的生物资源的梦想。

　　中国的信息产业已失“源头”又缺实力，正在走以市场换技术求发展的路子，我国的生物产业，再也不能重蹈“以资源换技术”的覆辙。

　　通过“1％项目”，我们已完全具备与赛里拉等公司，在速度与成本上的竞争能力。

　　“1％项目”已成为对付“赛里拉”掠取我国生物资源的桥头堡。

　　建立我国的基因组测序的强大实力，与“赛里拉”等公司抗争，是保护、发展、利用我国丰富的生物资源的重要前提。由于参与了“人类基因组计划”，随着“1％项目” 的完成，我们与“赛里拉”的抗争，不但不会影响我国的开放形象，相反，会进一步增进国际同行的理解与信任。

“1％”为21世纪的中国生物产业带来了光明和希望；历史将证明“1％”在中国科技史上的意义。（见杨焕明等着《生命大解密》）

3.7　基因组测序完成以后

　　一、功能基因组学

　　当前，随着结构基因组学向染色体完成序列图的目标顺利进展，以揭示基因组的功能及调控机制为目标的功能基因组学已提上议事日程。美国HGP（人类基因组计划） 1998一2003年的新目标，除了完成基因组全序列测定之外，还有人类DNA序列变异，全长d3NA克隆、发展全基因组水平功能分析的技术、模式生物体等属于功能基因组学范畴的内容。一般认为功能基因组研究包括的核心科学问题有：基因组的多样性；基因组的表达及其时、空调节；模式生物基因组研究等。还应指出，生物信息学也是对功能基因组学数据进行储存、分析和发掘的基本手段。

　　1．基因组多样性的研究

　　人类是一个具有多态性的群体。不同群体和个体在生物学性状以及在对疾病的易感性航性上的差别，反映了进化过程中基因组与内、外环境相互作用的结果。开展人类基因组多样性的系统研究、无论对于了解人类的起源、进化和迁徙，还是对于生物医学均会产生重大的影响。已知人类基因组DNA序列中最常见的变异形式是SNP，在全基因组中估计有3—10X10个。与罕见的单碱基变异所不同的是，SNP等位位点的频率应等于或高于1％。当SNP位于基因的编码序列中即称为cSNP。若CSNP引起蛋白质重要部位氨基酸的变异，可导致其功能改变；位于基因调控序列中的SNP则可能影响基因表达的剂量。故这两种SNP的生物学意义更为显著，是基因组中决定人类表型多样性的核心信息。另一方面，SNP因连锁不平衡（LD）所形成的单倍型，也可用于关联研究来确定与之连锁的生物学性状相关序列。目前，已发展了多种自动化和批量化检测SNP的技术，其应用范围十分广泛，包括连锁分析与基因定位；疾病的关联研究；多基因疾病的基因定位；个体识别和亲子鉴定，发病机理的研究；以及研究生物进化，生物间相互关系等。前曾述及，edera的人类基因组测序计划包括了SNP。针对此种情况，1999年国际上10家大药厂与三家研究机构建立了SNP协作组，以后又吸引信息技术产业的数家大公司参与，对24 个来自世界不同群体的个体，进行SN’P的随机筛选，计划到2001年获得30万个SNP，其中半数得到定位，从而将整个基因组分隔为5－50Kb长度的LD片段。目前，该计划进展顺利，所发现的SNP在人群中测试的成功率为94％，已有41，200个SNP向公共领域公布。

　　值得指出，目前已发现的大多数SNP属于全球人群中随机频率较高的变异，因而也就是人类进化早期阶段（约如一20万年前“走出非洲”的时刻）的“老”的SNP（约占全部SNP的85％），这些SNP的to程度较低。已知不同人群间的SNP频率可以有相当大的差别，某些SNP甚而呈现群体专一性（两者相加约占全部SNP的15％），选择这些更为 “年轻”的、具有群体特异性的SNP，可能更适合基于LD的关联分析。

　　在基因组多样性研究方面，一个近年备受医学界和制药工业界关注的新领域是药物基因组学（Phmmpcs）。药物的疗效和副作用受到机体多种因素的影响，尤其是药物代谢酶、转运体、受体和其他药物靶点蛋白，而编码这些蛋白的基因在不同个体间又存在着遗传多态性，其基本形式也是SNPo药物基因组学就是要阐明个体间在药物代谢和效应方面发生差别的遗传基础，促进新药的发现，并根据个体的遗传背景来优化药物治疗方案，亦即“个体化治疗”。这一研究同时也能使某些药物找到合适的治疗人群。

　　2．基因组的表达调控和蛋白产物的功能

　　基因转录表达港及其调控的研究

　　一个细胞的转录表达水平能够精确而特异地反映其类型、发育阶段以及反应状态，是功能基因组学的主要研究内容之一。为了能够全面而不是孤立地评价全部基因的表达，需要建立全新的工具系统，其定量敏感度应达到1个拷贝／细胞，定性敏感度应能够区分剪接方式，还须达到检测单个细胞的能力。近年来发展的DNA芯片以及微量RNA探针制备技术已基本达到了这些目标。目前，应用DNA芯片或（：：ury微阵列技术检测基因组表达谱的主要瓶颈，已经是如何设计新的软件和算法，对生物芯片所产生的大量信息在生化通路和调控网络的水平进行分析和整合。

　　蛋白质表达及其功能的大规模研究（蛋白质组学，Pro－t——i。）

　　蛋白质组学研究的定义是在生命体或细胞的整体水平研究蛋白质的表达和修饰状态。

　　目前一般使用的技术路线，是提取细胞的蛋白质，利用标准化的双向凝胶电泳分离后，用质谱仪对各个蛋白点进行分析，根据多肽的特征分析并与蛋白质数据库进行比较，鉴别蛋白质的类型和检测其修饰状态（如磷酸化和糖基化）。为此，已发展了一些新的仪器系统如MALto－’Thrvrt（时间飞行质谱）或，feet］＂iC8pny（电子喷射）。此外，也有人在设计和制作各种蛋白生物芯片。蛋白质组的另外一个重要工作内容是建立蛋白质相互作用的系统目录，目前较常用的手段是格式化、规模化的酵母双杂交体系。

　　3 模式生物体作为功能基因组学工具

　　比较基因组研究

　　如前所述，在人类基因组的研究中，模式生物体的研究占有极其重要的地位。模式生物体的基因组结构相对简单，但是它们的核心细胞过程和生化通路在很大程度上是保守的。通过比较和鉴别进化不同阶段生物体的基因组信息，将进一步加深对人类基因组结构和功能的了解。如表是所承，从整体上看，随着进化程度的从低到高，即从原核生物到真核生物、单细胞生物到多细胞生物、节肢动物到哺乳类，基因组的信息含量由小到大，基因数量由少到多，平均基因长度由IKb到30Kbo其中，基因的平均长度可能是基因组功能复杂度最重要的指标。例如，线虫作为仅三，000个细胞的动物，有约18，000 个基因，而果蝇的细胞数要多十倍以上，却只有13，600个基因，仅从基因数目上看很难理解这种“倒置”现象，但是，按每个基因的平均长度，则线虫为5．3Kb，而果蝇为 10Kb。

　　功能缺失突变和转基因的研究

　　识别基因功能最有效的方法可能是观察基因表达被阻断后在细胞和整体所产生的表型变化。在这方面，基因剔除术（t）模式生物体成为特别有用的工具。目前，国际上已实现了对酵母所有基因的缺失突变体构建。随着线虫和果蝇基因组测序的完成，也可对这两种生物展开类似的研究。小鼠作为哺乳类中代表性的模式生物，在功能基因组学研究中占有特殊的地位。到2000年3月17日为止，已产生的小鼠基因剔除或其它突变模型已达到2，282种。近年来发展的条件化基因剔除术，已可达到对任何基因在不同发育阶段和不同器官、组织的选择性剔除。除了用同源重组技术制造基因剔除生物，也可用化学诱变剂或插入突变方法随机诱导模式生物体的基因突变，对产生表型变化者利用快速基因定位法识别致病基因。例如，德国科学家率先应用突变诱导剂ENU对斑马鱼和小鼠胚胎干细胞（ES细胞）进行大规模随机致突变和表型筛查，取得了很大成功。德国还建立了在小鼠巴细胞水平进行随机插入突变的合作网络。此外，近来也有人利用组合化学方法尝试针对蛋白质的化学“剔除”试剂，用来激活或失活各种蛋白质。

　　上述的功能缺失突变分析手段固然十分重要，但也存在着若干限制因素。如许多基因在剔除后并未产生明显的表型改变，可能是这些基因的功能为别的基因所代偿。因此，在模式生物引入基因的高表达，观察对调控网络的影响，也是研究基因功能的重要手段之一。

　　二、疾病的基因组学

　　1.是从“定位克隆”到“定位候选基因”

　　HGP的直接始动因素是要解决包括肿瘤在内的人类疾病的分子遗传学问题，因此与人类健康密切相关。另一方面，6千多种单基因遗传病和多种大面积危害人群健康的多基因疾病（如肿瘤、心血管病、代谢性疾病、神经一精神类疾病、免疫性疾病等）的致病基因和相关基因，代表了具有一定生物学允余性的所有人类基因中，结构和功能完整性至关重要的那一部分。因此，疾病基因的定位、克隆和鉴定，是HGP各种竞争中居于核心的部分，也是HGP启动以来在社会上显示度最大的成就。

　　80年代之前，绝大多数人类遗传性疾病的生化基础未知，无法用表型一蛋白质…基因的传统途径进行研究。在HGP的遗传和物理作图带动下，出现了“定位克隆”的全新思路，导致了包括囊性纤维化、享廷顿舞蹈病、遗传性结肠癌、乳腺癌等一大批重要疾病基因的发现，为这些疾病的基因诊断和未来的基因治疗奠定了基础。随着人类基因组序列工作草图的问世，所有人类基因很快就会被精确地定位于染色体的各个区域。因此，一旦某个疾病位点被定位，即可从局部的序列图中进选出结构、功能相关的基因进行分析，这就是“定位候选基因”的策略。

　　2．多基因病

　　当前，多基因疾病已成为疾病基因组学研究的重点，多基因疾病木遵循孟德尔遗传表型一基因型的规律，难以用一般的家系遗传连锁分析取得突破。过去数年中，已发展了受累同胞对分析、关联研究和连锁不平衡（LD）分析、基于家系背景的连锁不平衡分析（尤其是家系传递巧变锁不平衡分析，transmission／disapilibriumtesst，TDT）等多种方法，结合MS和SNP等高度多态性标志的应用，对家系和人群进行疾病相关位点在基因组中的定位。一般认为，隔离人群或较均一的人群可能是进行多基因性状定位研究较理想的群体，已知多基因疾病是由多个微效基因的累加作用和某些环境因子作用所致，估计参与多基因疾病发病原理的基因可达3－20个，这些基因的SNP及其特定组合可能是造成疾病易感性最重要的原因。因此，选择相对隔离人群，对疾病相关调节通路的候选基因或通过基因组定位所限定的候选基因进行SNP的关联研究，可能是多基因疾病发病原理取得突破的希望所在。

　　3．疾病相关基因的网络概念

　　从生物大分子互作和网络调控的结构模式来研究和分析疾病基因的作用，是当前疾病基因组学研究的另一个特点。即使是在单基因疾病，基本的分子发病学原理也是由于疾病基因蛋白产物结构一功能的缺损或改变，阻碍或干扰了在特定生化通路中的生物大分子相互作用；而多基因疾病发生和发展更是多基因或多通路间平衡失调的结果。这样一种认识突破了以往“一个基因一种清’的模式，既能更深入透彻地了解疾病病理生理过程及其影响因素，又为利用调节网络设计药物或基因治疗提供了新的思路。

　　4．基因组信息与环境的相互作用

绝大多数人类疾病是基因组信息与环境因子相互作用的结果。1997年美国提出了环境基因组学计划（EGP），其目的是要了解环境对人类疾病的影响和意义。由于人类遗传的多态性，不同个体对环境致病因素的易感性也有差异。针对与环境中物理、化学或生物因素发生相互作用蛋白的编码基因（如DNA修复机制、氧化一还原反应及病毒受体蛋白等），识别其基因组多样性和结构一功能关系，将有助于发现特定环境因子致病的风险人群，并制定相应的预防措施和环境保护策略。（陈竺：人类基因组研究现状及发展》）

意义与机会

　　　 4.1 医学领域的革命
　　　 4.2 基因探明人类老化原因，长命千岁不是梦
　　　 4.3 对农业的根本性影响
　　　 4.4 畜牧业的革命性变革
　　　 4.5 世界的全面重塑

4.1　医学领域的革命

　　人类基因组计划的确立，最重要的意义是在于加深我们对人类自身的认识，从而提高我们的生存质量。它的直接体现就是医学领域的革命。这些革命都包括哪些内容呢？

　　一基因诊断、检测和生物芯片

　　随着人类基因组计划的不断推进，用不了几年，人们将看到一份描述人类自身的说明书，它是一本完整地讲述人体构造和运转情况的指南，届时危害人类健康的5000多种遗传病以及与遗传密切相关的癌症、心血管疾病、关节炎、糖尿病、高血压、精神病等，都可以得到早期诊断和治疗。另外，一个新生儿出世时，如果法律允许，他的父母愿意的话，可以拿到孩子的基因组图。这张图，将记录一个生命的全部奥秘和隐私。它不但能显露出这个孩子成年后，是不是一个色盲，大概长多高，会不会秃顶、发胖，还可准确地告诉艾母：是什么病，会在什么时候可能要这孩子的命。

　　据基因专家杨焕明讲，将来，测一个人的全部基因序列不那么昂贵时，看病就方便多了。把人的基因图记录在一个光盘上，诊断时，医生先打开光盘，首先检查几个可能的“候选基因”，并把重要区域、重要基因、重要位点搞清楚；再看着需要注意什么，因为基因组的“情况”不同，某种药物有人用就灵验，有人用就不灵验，甚至会有生命危险，针对个体差异，医生开出“特效药”就行了。

　　利用基因技术筛查各种遗传病症也已经或将要实施。

　　DNA芯片是一项革命性的新技术。医生将利用DNA芯片对某人的基因组编排进行扫描，得到他或她的各项具体遗传资料，它对人的未来的精神和身体健康状况的检测评估可请一清H楚。DNA芯片是把上千个不同的DNA片段放在硅芯片上。这种芯片上标记着遗传差异，可为医生整理和分析个体的现有疾病和潜在疾病提供有价值的线索。

　　目前已有的筛查实验项目，包括乳腺癌、唐氏综合征。亨廷顿舞蹈症、脆性X综合征、囊性纤维化、GM神经节着脂贮积症变异型B（旧译家族性增性痴呆）、高歌氏病以及镜状细胞贫血等等。

　　对于治儿的基因检测现在也已经可以进行。

　　虽然在受孕前挑选基因的困难度极高，目前不太可能做到，但是，成功受孕后，要知道受精卵的基因组合结果，却是很容易办到的。只要在怀孕三个月左右，抽取羊水或极微量检体细胞，进行DNA分析或染色体形状与特征分析即可判断。

　　目前已有许多产前检验及先天性遗传疾病的常规检验，在各大医院及诊所实施，如地中海型贫血、镰刀形红血球疾病缩检、苯酮尿症、戴萨克斯症等等。可以预知的是随着对疾病基因的了解愈多，产前筛检的项目会更完整，无法治愈的先天性残疾人口会愈来愈少。

　　基因研究、检测的一个重要工具就是生物芯片。生物芯片的运用可以说是生物科学的一次革命。关于这个问题，请看我们对清华大学生物芯片研究中心主任程京博士的采访：

　　生物芯片研究中心在清华大学生命科学研究中心的楼上，这是一个相对封闭的单元，由微电子、生物、化学和材料几个学科的科学家组成的小组在这里紧张地工作。

　　在主任的办公室里，程京博士向我们介绍了生物芯片的有关情况。他说：“简单地说，生物芯片是一些器件，这些器件很小很轻，上面可以放上很多的生物分子，可以把生物分子排成阵列放上去进行分析。有了各种类型的生物芯片以后，再加上过去20年其他方面做的工作，像泵、阀门，加热冷却器件和一些分析器件，就可以做一些集成，把我们原来要占几层楼的生物实验室集成到一个很小的器件上去，对人和生物的样品进行分析。生物芯片本身分析对象不是电讯号，我们可以把微电子技术与生物技术结合起来，在电脑上分析这些信息。”

　　听了他的介绍，我们好奇地请求他能否让我们看一看生物芯片，他从柜子里拿出一个精致的小企，盒子里放着拇指大小不同类型的生物芯片，形状有些像我们熟悉的CPU 芯片，但是有些是玻璃制的，他说：“从生物芯片来看，有主动式和被动式两种类型。被动式生物芯片仅仅是一个小型的实验平台，没有电路等装置，不能做比较高级的复杂的分析工作，是一个简单的由大到小的器件。主动式生物芯片则是除了采样以外，而且能做比较复杂的分析工作，主动式生物芯片和被动式生物芯片在材料上有所不同，由于材料科学在过去几十年的进步以及在微电子技术方面的技术成熟，因此现在的生物芯片大多是用硅作芯片的片基，只有一些是玻璃做的。”

　　他拿起一个玻璃制的芯片，说：“这是一个玻璃制成的体外受精生物芯片，我们看到玻璃上刻有很多回路，有直角的，有弯角的，在上面放很多精子，在一个特定位置放一个卵子在显微镜下，可以看到精子的活动特点，精子直行，在活动到直角刻痕的时候不会拐弯，就死在那里，而在弯曲处可以挣扎通过。在这个“马拉松”似的长途跋涉中，精子活动也有分工，有打掩护的，有冲锋的，这些都是我们原来不知道的现象，经过这个被动式的生物芯片的取样观察分析以后，我们对生命的形成有了更深的认识”。

　　我们原先的印象是生物芯片将以往许多庞大的生化分析设备缩小，对此程京博士进一步介绍说：‘确实，生物芯片技术可以把生命科学研究中许多不连续的分析过程，比如样品制备、化学反应和分离检测，移植到芯片中使其连续化和微型化。原来这些各自分离的分析设备要占用很多层楼。在分析速度成千上万倍提高的同时，所需样品的量也成千上万倍减少。生物芯片的一个好处是它的兼容性，它不像有的生物仪器和分析仪器，一次只能做一种分析，除此以外别无他用。生物芯片是一个平台，没有太多歧视性，它是开放的。另外，生物芯片的设计都是并行设计，可以同时做很多事情，不像原来有的仪器一次只能完成一项测试，它可以一次进行多个测试，取得成千上万的数据。从量的关系上来看，生物芯片从宏观世界进入到微观世界，在微米、纳米级的线路上，将原来的生物实验装置很慢的生物分析处理过程，加速到只有几秒钟的过程。”

　　那么这个过程是如何集成到一个芯片上去的？程京博士说：“这个问题比较复杂，不是一两句话可以说清楚的。”他拿起一片被称为“主动式”的生物芯片说：“在这片生物芯片上，硅基上布排着电路，然后通过焊接工艺封装。”在这块芯片的外面还套着一个塑料器件，他解释说“因为生物芯片分析的是液体的生物样品，因此在生物芯片外面还套有一个流体通道，流体由光学系统进行检测，形成一个完整的回路。这个流体通道是一次性使用的。”

　　“如果我们观察一个生理检测的生物芯片，就可以发现上面有很多点，在显微镜下可以看见一个个方阵，有进口和出口。生物样品经过这些节点时，就可以得出很多信息。”

　　谈到生物芯片的第二次“硅革命”时，程京博士认为生物芯片所用的材料是很广泛的，如同电子计算机开始也并不是硅基，只是由于半导体材料的发展，人们对娃的认识加深了，用得多了，硅才成为电子集成电路的主要载体。

　　程京博士指着这一盒生物芯片说：“在这些生物芯片中，有些是研究用的，有些是医学检测用的。有的芯片可以将肿瘤细胞分离出来，这样对肿瘤的诊断和疾病的诊断，可以一次拿到很多分析结果”。

　　“作研究用的芯片，我们可以称为“锅碗瓢盆”，以前一般是从国外进口，不仅价格贵，而且由于在美国需求量大，他们优先考虑本国的需求。而这些东西我们自己完全能做出来，我认为工具性的东西如果依赖于别人，在一些情况下会受制于人。再者我们如果靠别人的信息做研究，但是别人产生的信息依赖的是自己的工具。

　　“在疾病诊断生物芯片上，清华大学已经用自己的专利在美国成立公司，这是一个产业化过程，靠我们自己的专利，产品的附加值很大”。

　　我们从最近的报道中知道生物芯片主要是实验手段上的革命，程京博士为我们展示了生物芯片的广阔应用前景。生物芯片对人类的好处首先是医学上的，他说：‘将来我们甚至可以有一些很小的‘傻瓜型”分析仪，可以携带在身上，携带者按说明书的指示自己取样，这个分析仪就可以告诉你身体出了什么问题，然后通过因特网将这些数据传送给医生，这样就不必到医院里检查了，这样的话，有可能将来医院的检验科将会消失。再过几年，我们就可以实现远程诊断和治疗。如果解决了生物兼容性问题，将来可以将生物芯片植入人体，通过芯片了解人们的身体健康状况，变现在的治疗医学为将来的预防医学。这是生物芯片对医学的贡献。”

　　程京博士在美国读过犯罪诊断学，他说：“生物芯片在犯罪诊断学上用途也很广泛，现在犯罪取样都是在现场取样带回实验室分析，这种取样方式很容易出错，一是取样带回去的过程中可能搞错，另外在回实验室的途中可能污染，导致分析结果出错，用生物芯片的仪器可以在现场随时进行分析，尽快取得结果。”

　　“生物芯片在国防上的用途也很多，美国在90年代初对伊拉克发动战争以后，士兵中出现了一些生理症状，开始不明显，后来越来越强，他们称为海湾综合症。美国对此很重视，投入巨资研究生物武器的预防，在战争中，你不可能将生物实验室搬到战场，如果能有这样一个小东西，可以对战场上的空气、水、和大量生物进行检测，就可以得出结论，采取措施，否则一旦进入污染区就来不及了。另外，在战场上对残骸的鉴定也需要生物芯片技术，在第二次世界大战期间和后来的战争中，都有大量的士兵遗骸需要鉴定，需要向家属有所交代。原来采用的方法都是血样鉴定。但是战场上血肉模糊，非常容易出错。用生物芯片技术就可以解决这些问题。”

　　去年中国的宇宙飞船“神舟”道游太空以后，空间科学院曾邀请程京参观过这艘飞船，狭小的太空白给他留下很深的印象。他说：“生物芯片技术在空间科学上用途也很广泛。太空实验受到载重的影响，太空仓都设计得很小，不可能把在太空进行科学实验所需要的分析仪器全部带上去，只能在返回回收以后进行分析，这样的成本是很高的。如果采用生物芯片技术，可以在太空进行分析研究工作，成本开销少，研究效果也非常好”。

　　程京博士最关心的还是药品检测生物芯片。他说：“中医药是老祖宗传下来的宝贝，我们自己用得很有效，但是就是进入不了国际市场，问题出在我们达不到国外的检测要求，比如在美国的国家检测局有很多要求要一项一项回答清楚，他们也知道中医有效，但是西医是实验科学，中医是实践科学。我们的中药要进入世界市场，就要达到这些要求，我们国家也提出中医药的现代化。可是中医是一个复杂的系统，甚至连制药时的火候都很严格。我们现在用生物芯片来看，可以得到许多重要数据，一次就可以得到成千上万的信息，这样就可以建立起量化分析的概念。”

　　“不仅中药有这种需要，西药也有这种需要。在合成化学出来以后，人们可以合成数不清的合成物，必须能快速地将它们筛选出来，认清那些是可以开发的，因为我们国家也在开发新药。另外，过去有很多成药被“枪毙”了，这些药一开始临床使用时还很好，在分批实验时，在十人组、百人组还没有问题，到万人组时可能就会有问题，一定的群体会对这种药的反应很大，在人类基因组计划研究出来之前，人们也搞不清原因，只能废除不用。有了生物芯片以后，我们就可以把这个群体分离出来，说明这种药对绝大多数人有效，可以不废除。比如将来每个人可以有一张卡片，里面存储他的药物信息，一剧卡就可以知道他对哪些药有反应。这样困人给药，从药品生产的前期和后期，市场都很大，而且造福人类，这就是药品经济学。生物芯片将会在其中起了巨大作用”。

　　在美国留学的时候，程京博士看过一部科幻电影，里面有一个医生，手里拿着一个手电筒一样的东西对着病人照射，病人的身体和生理数据就这样全部都收集在电脑里。虽然科幻带有幻想成分，仍然是有一定科学依据的。他认为，这个情景生物芯片将来能实现。

　　程京博士告诉我们，生物芯片技术到今天已经经历了三个时期，最早是70年代英国伦敦帝国理工大学的一位教授在日本做博士后的时候，对一个色谱进行分析时产生了的想法，当时就是想从密度上对分子分析设备进行缩小，这是一个简单的由大到小的过程。到了80年代末，前苏联国家科学院生物研究所所长采用完全不同的思路，用一块玻璃板，通过组合的方式，把分析对象分成一段段的序列。到了90年代，出现了组合化学的概念，在美国硅谷有一群科学家商议，可以通过芯片技术把肽链合成出来，在芯片上一段段生长，在生产过程中采用了修改过的光化学技术，这样的组合就比俄国人在玻璃板上的做法集成度更高。后来他们又想到为什么不能把微电子技术结合进来，将各种各样的分析过程加以整合，从而随心所欲地控制分析过程。现在的生物芯片都是按并行的路子在做，目的在于应用。

　　在首届工程院讨论会上，有不少研究基因组计划的科学家谈基因研究与生物芯片，还专门提出了基因芯片的概念，我们就此询问了生物芯片和人类基因组计划的关系，程京博士说：“可以说基因组研究的需求大大推动了生物芯片技术的发展。在基因组计划之前，生物芯片技术就有了，但是由于需求不明，进展不快。到了90年代初出现了技术瓶颈，当时不知道生物芯片出来以后会怎么样。1995年以后局面开始明朗，在开始的时候，基因组计划和生物芯片关系不大。但是人类基因组计划不是我们的最终目标，基因组计划研究清楚遗传的结构以后，还有一个如何应用的问题，我们必须知道基因组的功能是什么，这就是后基因时代，在这个时代需要行之有效的技术手段来分析这些基因，这个时候生物芯片的优势就突显出来了，可以说是生物芯片大展宏图的时候。另外，人类基因组研究只是一方面，世界上的生物体太多了，除了人类基因组计划以外，还有水稻基因组，这是中国基因研究的一个重点，其他生物的基因组研究可以说无穷无尽。生物芯片的产生和使用，使得研究工具突飞猛进。如果说基因组研究是一座宝藏，生物芯片就好比功能强大的采掘机，而且在这个领域中，谁先发现新的基因，谁就拥有了知识产权，就能因此获得巨大的利润。”

　　至于生物芯片产生以后带给基础科学的研究课题，程京博士说：“生物芯片从大到小以后，很多规律也就变了，原来的宏观理论到了微观层面也就不再适用。现在做生物芯片是先制造出来用了再说，将来在基础研究上有大量工作要做。去年我到加州理工大学了解到美国政府为此投入了几十个亿，准备在20年内取得一些定律性的成果。”

　　程京博士1997年从美国回国的时候，正是生物芯片研究的鼎盛期。“现在想起来，可能回来得早了一点。在美国作博士后，每年必须要出三个专利，但是这个专利你只有发明权。我想专利的发明也不是时时都有的，发明一个就少一个，与其给别人做，不如回来自己做，都是我们中国的嘛！而且在美国专利保护意识很强，有些人仅仅有个想法也保护，而且是‘宇宙性的保护’，有些专利在我国根本不予通过的，他们也保护起来。我们国家的专利制度就很严格，和欧洲比较相似。我在美国的时候就有了回国做的想法，也联系一批志同道合的人，在我们这个中心里，有不少都是辞去美国的工作回来做事的人。开始各种条件没完善，也许水平有一点往下掉，但是过了一段时间水平又会提上去，因为这批人的水平和素质在那里。”

　　生物芯片技术现在在世界的发展情况如何呢？程京博士说：“现在世界生物芯片的发展格局还不是很明朗，很多投资公司像撒豆子一样投资，因为他们也不知道真理在谁的手中。至于中国国内，现在有20多家在研究，像复旦大学等等，大概搞生物芯片的公司有4．5家。”

　　“我们清华的这个研究中心一开始就没有把目标定在国内，我们觉得在国内争没意思，我们应该在国际上竞争。最近我们在美国创办了一家公司，用我们清华的专利技术，前景很好。”

　　程京博士从美国回来以后不久，国家科委就在香山召开过一次会议，这次会议与以往的科学规划会议有所不同，中国驻美使馆科技处要求国家科委注意研究生物芯片技术，所以准备时间非常短。程京博士说，在那次会上，许多老科学家都是第一次听他们这些小青年说生物芯片。国家科委也专门立下研究项目。“这次朱总理听讲座的时候，朱丽兰部长说科委很早就关注生物芯片技术。朱总理开玩笑，关注是关注了，就是动静不够大。”程京博士说，目前国家准备成立国家级的生物芯片研究中心。

　　对生物芯片研究和开发国家应该采取何种政策，程京博士说，首先是人才，美国在生物芯片上投资已有30多亿美元。台湾是花钱买技术。我们应该采取不同的做法，因为有了人才，就有了技术和专利，而人才在世界上是公开的。

　　现在这个过程中工艺非常重要，因为工艺是国家技术能力的基础部分，如果工艺成本太高，就不值得推广，实现不了产业化。这也是我们公司面向国际的一个原因。

　　二基因药物治疗

　　利用基因技术制造的药物和疫苗已经使全世界2．7亿人受益。这是美国生物技术产业组织近日发表的调查报告的估计。虽然第一个医药生物技术产品问世还不到20年，但成果是令人吃惊的。

　　生物技术这个年轻产业所取得的进展表明，它在开发治疗心脏病、早老性痴呆症、帕金森氏病和癌症等疾病的药物和手段方面具有很大潜力。迄今投放市场的生物技术药物和疫苗已接近100种，还有350多种处在最后的临床实验阶段。

　　现在，许多常规药物已经被基因剪接药物所取代。在治疗美国的340万糖尿病患者方面，遗传工程方法生产的人胰岛素完全取代了从牛和猪身上提取的天然胰岛素。每年有20万肾透析的病人使用AInpo公司生产的红细胞生成素。这种基因剪接产品，能刺激红细胞的生长，减少输血的风险。Genetech公司生产的组织纤溶酶原激活物（dZx），能溶解血栓。AVOnex 公司和Betasern公司生产的p一干扰素，已被用来治疗多发性硬化病。肺原酶（DNase）也已经用来治疗囊性纤维化病人的肺淤血。

　　遗传工程药物领域的研究人员说，上述遗传工程药物仅仅是将展现在我们面前的许许多多希望的开端。一些遗传工作实验室的科学家正在用新方法改变某些携带人类致死性病原体的昆虫的遗传性状，使它们变成无害的传染媒介。美国变态反应与传染病研究所的研究人员用遗传工程方法改变蚊子的遗传性状，使它们没有能力传播严重疾病。

　　科学家们声称，他们正在进行的动物模型研究，可以为治愈某些长期以来被认为是不治之症的疾病提供新的希望。1997年5月，约翰斯·霍普金斯大学几位博士李世进（Se－JinLee），劳勒（AnnM．lawer）和麦克弗伦（AlexandreMW——）的报告称，他们发现了一个调控小鼠肌肉生长的基因。位于MetaMmphiX公司希望，这项研究将为治疗某些肌肉性疾病加肌营养不良，以及由艾滋病和癌症引起的肌肉萎缩提供新的希望。

　　更令人震惊的是，1997年5月，日本的一个研究小组报道，他们已经成功地把人类染色体整条移植进小鼠的遗传密码。这一突破性成果意味着将来可以用无性繁殖和遗传工程来大批量地生产动物，并用这些动物制作数量不受限的医药产品如人类抗体等。在高浓度的情况下。这些抗体可能使肿瘤萎缩，杀灭病毒和细菌。

　　还有人考虑，可以利用操纵生命的功夫，来改造生物体如细菌、酵母菌成动，植物细胞等，把人们期望的基因密码加入，然后大量培育这些改造过的活体细胞，使其源源不断地生产我们需要的物质。用这种方式所制造出来的产品会随着人类“基因组”被解构、掌握得愈彻底，而会有愈来愈多的产品问世。

　　低等生物的细菌细胞，毕竟与人类细胞不同，由“基因工作细菌”制造出来的药物，尚需经繁复的再加工程序，除去有害的杂质，包括可能的毒素、病毒或菌体，与分子构造的重整等，才有可能成为商品。否则，椰果这类基因工程产品不慎含有致死或致癌成分，应用在强制性疫苗接种用途的制剂对，后果就不堪设想。

　　因此，也有人考虑直接把动物体细胞进行改造，并且加以大量培育，此种把动物细胞直接当作“活体制药工厂”有其极具吸引力的优点，如安全、蛋白质结构与功能可以保证，后段加工程序较容易控制等，可是成本高昂及培养基质原料来源（如血浆）不易获得等，也是很大的问题。

　　另外，也可以利用动物体直接当制药工厂，譬如说，可以把一些人类需要的特定化合物的基因，注入牛或羊的乳腺细胞中，如荷尔蒙、凝血因子，细胞素等，让动物体在分泌乳汁时，也可以同时生产我们要的东西，那么只要把那杯牛洋奶喝下，就可以顺便把治疗的药物吸收进去。

　　三、器官复制与再生

　　由于基因，制作人体组织和器官成为可能。

　　利用自己的细胞复制一到全新的器官，来移植替换因疾病或意外事件所造成的已濒临损坏的器官，对人类是一讲益事，据英国巴斯大学科学家发展出矛头青蛙胚胎的基因改造技术，仅留下有需要的特定部位，加上心脏及血液循系统，创造出无头青蛙。此一技术如继续发展下去，不难想象终有一天，科学家可以利用人工子宫中的胎盘，培育出心脏、肾脏、肝脏等人体器官。由于复制出的器官基因组和细胞所有主完全相同，因此应不会有移植时白血球的排斥问题。器官复制事实上可以想成比较正面的“选择性的复制”而其前提是必须知道细胞如何掌理分化程序，如此我们才能正确地开启基因开关，并关掉不需要动作的部分，让细胞照我们设定的途径，制造出我们需要的器官。

　　利用器官复制技术已经给很多人解除了痛苦。一位历岁男孩因60％以上的体表烧伤而收入加利福尼亚大学在圣迭戈的医院，烧伤科的医生们用AdvancedTssuAiences公司在实验室里培养和生长的皮肤覆盖患者的烧伤部位，治疗47天后患者痊愈出院。

　　研究人员希望超越器官移植的思维，进入器官制作时代，并且已经开始研究制作心脏瓣膜、乳房、耳朵、软骨。鼻子以及身体的其他部件。对这一新领域贡献最大的两位科学家兰格（Rdritbog。）和瓦坎蒂（JMphp．Vndi）博士说：“我们的想法不是简单的移植而是要制作器官。”据里夫金介绍，他们第一次携手合作是在1984年，当对瓦坎蒂是哈佛大学医学院的外科医生，兰格是麻省理工学院的化学工程师。这项技术的理论比较简单，其过程瓦坎蒂和兰格阐释如下：“研究人员用计算机辅助设计和制造方法，把一定形状的塑料放入模拟将定组织或器官结构的精密构架床。模拟的构架用化学物处理以帮助细胞动连和增殖，然后“种人’细胞。当细胞分裂和组合时，塑料降解，最后只留下动附的组织。这种新的永久性组织即可为病人植用。”

　　波士顿的Oreqenesis公司夸口，他们只需要从包皮上取下几个细胞，就可“制造出 16000平方米的皮肤”。类似于OrganogenS的其他公司的实验也证明，功能性器官可在聚合物构架内由几个细胞培养生成。按照兰格和瓦坎蒂的说法：“细胞非常善于组织自身的再生，能在三维立体培养中使用相同的细胞外信号相互联系，指导器官在子宫内的发育。”

　　美国密执安大学的化学工程师穆尼DavidMoohey）和卡罗来纳医学中心的马丁（JamesMartin）博士，正在从事实验室培养妇女乳房的研究。他们希望不久就可以向三维立体的乳房架内种植乳房细胞，然后植入妇女胸部。这些制作的细胞将在构架中生长，直到生长成一个新的活乳房。

　　美国各地的研究人员，还在从事用人的细胞制作人类肺、心、肝和胰腺等器官的各种实验。在波士顿儿童医院，哈佛医学院组织工程系主任奥陶洛（AnthonyAtala）博士，在玻璃培养瓶里培养人的脖既。他的研究小组从一位10岁男性患儿身上取得膀胱细胞，植入三维立体结构的塑料构架内，让这些细胞在实验器皿中按照设定的构架生长。奥陶洛的这项研究，已经获准进行临床试验，然后，把这个实验室培养长成的膀胱移植进那位年轻病人的体内，创造第一例组织工程器官人体移植手术。细胞生长所用的构架最终将会被病人体内的酶所破坏，只遗留下有正常生理功能的人类膀胱。除此之外，奥陶格的研究队伍，还进行着实验室里培养人肾脏的工作。这一领域里的研究人员们预计，到 2020年，将有95％的人体部件可以用实验室里生长的器官置换。

　　兰格和瓦坎蒂说，在21世纪，用遗传工程手段制作的活组织结构将取代用塑料和金属制造的骨和关节假肢。“这些活体植人物，”研究人员声称，“将与周围组织衔接无缝，排瞻癫染和戴假肢的诸多烦恼不便。”研究人员已经在实验室里用聚合物结构来制作鼻子和耳朵，并已把它们移植到动物身上。科学家们预测，更复杂的人体部件如手、臂等等，也可以根据病人的不同需要在聚合物构架里生长制作。最后的障碍“是神经组织无法再生”。至今还没有人能够培养人类神经细胞。但是，这个领域的大多数科学家都有信心，将在不久的将来跨越这一障碍。

　　“器官再生”与“器官复制”是不一样的，器官复制是在个体外复制，制成后再移植回来，需要动繁杂的外科手术，成本及风险都比较高。“器官再生”系在自体内发生，如同某些低等动物如蛛源，断了四肢或尾部还可以再生回来。但高等动物却没有这个能力，人体大多数的细胞由于高度分化的结果，只能执行某一特定功能，因此不再具有分裂增生的能力。虽然这些不同细胞都含有全套相同的基因组，但除了须扮演的特定功能部分开启外，其余都是开关状态。

　　一个人如果因为意外丧失手足、眼睛，“再生”将能弥补这个遗憾。如果我们能够全盘了解细胞分化的程序，并有办法去控制，如果失去一个眼球，是不是可以启动眼睛周围的细胞开始分化、生长，重新获得一个与原来完全一模一样且功能齐全的新眼球呢？这都是未来生命科学家可以着力的地方。

　　四、基因改良

　　基金疗法最终会用在改良上。

　　据科学家介绍，人类所有的疾病在某种意义上都是基因病，“病不病”的可能性，在孩子出生前就已绘在基因的蓝图上了，因此，父母可以在孩子出生前，要求通过遗传分析进行风险预测，因此生个健康、聪明的宝宝不难。通过基因技术，使每个个体都能够健康和聪明，这就是一种基因改良。

　　现在很多医生相信，肥胖是病，并且对健康有重大威胁。要起流行时尚，第一要素就是要苗条。过重多半是不运动加上过食所致，1／3的美国人过重。中国肥胖的人也与日俱增，如果能在基因里安排快速新陈代谢的因子，保持身材苗条将会容易很多。

　　这实际上也是一种基因改良。关于防止肥胖，科学家的研究已经有了重要的发现。

　　美国科学家发现，改变储存脂肪的基因可以防止肥胖。美国新泽西州医学和牙科研究大学的科学家们在老鼠身上进行了6个月的试验，发现一种遗传基因能够生产储存脂肪的新细胞。对这种基因进行干预使之变异后，老鼠即使吃高脂食物也不会增加体重。

　　有的科学家曾担心，储存脂肪的细胞一旦政变，脂肪可能会聚集在肝上。但是，科学家们在对老鼠进行试验时没有发现这种副作用，并确信对人的试验可以取得同样效果。科学家们最近将开始对人进行试验，如果能用药物改变造成肥胖的基因，就可以彻底解决肥胖问题。

　　基因改良从技术上来讲似乎已不是什么大问题了，但人们对基因改良的认识却还不尽一致。

　　从生物学的角度看，基因没有好坏之分，没有高低贵贱之别。一个人长得如何，身体的状况如何，都是大自然千百万年演进的结果，也没有好坏之分，没有高低贵贱之别，在这一点上我们坚决反对种族歧视、基因歧视。主张尊重、平等和宽容。。

　　但是，整个人类不对人体的差别做价值判断，却无法阻止个体对之作价值判断。无法无视个体在其价判断基础上的生命追求，包括对外貌、智力、心理的选择与希图。特别是现在这样一种价值多元化与商业利益无所不在的时代。

　　对于这一点伦理学家和生物学家的想法是一致的。伦理学家帕伦斯说：“若以为允许用在治疗上，不许用在外表改良上，那就大错特错。”

　　生物学家也认为：“基因改良一定会发生。国会不会通过法律，不准体治疗秀头。”

　　对这个问题有些学者表现得过于敏感和过于绝对化。有的社会伦理学家担心，基因治疗会减少人类文化的多样性？比如，梵离有非常严重的精神病，假设我们在梵局还未出生时就发现他有精神病的基因，而将他流产，就不会有梵高了；如果梵离出生后作了基因治疗，那么，基因治疗后的梵高也许会考大学、读研究生，但他还是那个取得了非凡的绘画成就的梵高吗？

　　是的，我承认残疾人和精神病人也有很高的价值，我们应当尊重他们，理解他们，并对他们对人类的贡献表示敬意。不能用优劣对他们的生存状态进行价值判定。但是，我们同样应当理解这些疾病给他们带来的痛苦，无论是从精神上还是在肉体上，我想，这些也是他们不愿如此的。我喜欢凡高的绘画，欣赏他的人格、情操，但我绝不愿意为了欣赏到这些画而赞同医生有能力从基因水平上治疗、避免他的精神病而放弃这种努力。

　　人类文化的多样性并不能以我们自觉地使一部分人的肉体与精神痛苦为代价，如果这样的话是否有些过于残忍了呢？我们固然不能说有残疾是劣生，但我们不妨们心自问，我们哪个人愿意身体有残疾呢？由于我们人类的无能为力，有的人身体有了残疾，这是一件不幸的事。做为残疾者本人要接受这个事实，不消沉，不悲观，努力抗争，全社会的人应当鼓励他们，尊重他们，平等地对待他们。但当由于科技的发展，人类有条件避免残疾的发生的时候，我们为什么不能消灭残疾，让每个人都健康自如地象正常人一样的生活观？

　　我想，拥有健康的身体是每个人的最基本的愿望，人类的一切发展都应当落脚在个体的健康发展上，这是我们思考问题的一个出发点。

　　遗传学从艺术上学到两个主要观念，一是自然并不完美，二是人有能力有义务导自然于完美，导人类于完美。实际上绝对的完美是不存在的，而且完美的标准也是不统一的。如何解决这个问题？我想，一方面是科学的引导；一方面将这种判断、选择的权力交给每一个个体，由个体自身去依据自己的认识理解去选择。实际上现在人们已经在这样做了，只不过是通过外科手术。象隆鼻、割双眼皮、丰唇、隆乳、拉皮、丰额，特别是减肥。当每个人都能自我感觉到外表优美、健壮从而带来内心的愉悦和自信时，我们的人类是不是会变得更和谐更美好呢？

总之，对基因改良的意义、价值，不要因噎废食，而是要科学地引导，去弊取利。

4.2　基因探明人类老化原因，长命千岁不是梦

　　英国政府负责协调基因研究工作的科学家说，随着人类在基因密码研究方面的进展，死亡也受到科学的挑战。这位科学家预言，人类寿命很可能在不久的将来被大大延长，而且具有达到1200岁的潜力。国家人类基因组北方中心负责人顾军博士说，可以说，人体的疾病都与基因有关。比如一些人到中年会秃顶，年老舍得糖尿病，这都与基因有关。

　　记录着人体奥秘的基因密码公布后，人就变成了一个“透明”体，医学家可以预测出何时会得疾病，得什么病，由哪些基因致病，从而用基因诊治，人的寿命由此会大为延长。人类基因组博士张猛说，不少科学家认为人的寿命与细胞的周期分裂有关，而基因研究可以计算出细胞的寿命，从而为人体“算命”提供科学依据。

　　一项最新发表在美国《科学》杂志上的研究发现：有60种基因与人的衰老有关。

　　看来，人类千百年来探求长寿的努力都没有抓住问题的根本，都没有从基因的层面上探求长寿之道。那么基因与人的寿命到底是一种什么关系，为什么说抓住了基因就算掌握了长寿的秘诀，圆了人类几千年的梦想，人类又是如何探索基因与寿命的关系的呢？

　　我们来看着哈默和柯鲁蓝的介绍。

　　一般人认为，如果父母亲都长寿，那么子女也较可能长寿。许多科学实验证实，长寿可能和遗传有关。1934年，在约翰霍普金斯医学院一项破天荒的研究中，两位姓波尔（Peax ＆R．W．Pear）的科学家，访查了一群九十岁以上的人，证明他们的祖先多半很长寿。四十年之后，该校新一代的科学家继续追逐这群人的子女，发现他们也都很长寿。

　　究竟遗传与长寿有什么样的关系？最好的例证来自一个双胞胎实验。针对1870至 1900年出生的2872名丹麦双胞胎所作的调查发现，同卵双胞胎的死亡年龄比异卵双胞胎接近，显示出基因的影响。不过影响并不很强：长寿的遗传性在男性约为26％，女性约为23％，而决定人能活多久的变数，大部分是在于看来毫不相关的个人因素而非家族因素。就是这还算普遍的长寿遗传性，也可能分布在很多不同的基因上。有庞大的数字不禁令人却步，尤其第一手资料又那么少（自有遗传学以来才只有几个世代而已）。

　　但有些人依然不畏困难，想要找出衰老的基因。1976年，罗斯（MIChaeR·ROSe）在英国瑟克斯大学作遗传研究生的时候，开始在牛乳瓶中培养他的“家族”。他在瓶中装满营养物质，放了两百双受精的雌果蝇进去。五周后，果蝇已到达生育期的尽头，罗斯收集了依然健康且有生殖力的果蝇的卵，养育新的一代。再过五周，他又收集了最长寿果蝇的卵，不断重复这样的过程，每一次都选择最长寿果蝇的子孙。果然如他所预期的，新一代的果蝇都活得比上一代的稍微长久。

　　如今罗斯已经培育出百万双果蝇，而且这些果蝇还在继续繁殖，经过长寿的筛选。罗斯现在有加州大学厄文分校五十名研究助理协助他作这个研究，目前他所培育的果蝇寿命已经是祖先的两倍，而且还在持续增加。如果他们是人类，寿命就已经达140岁了。罗斯称这些寿命长达120天的果蝇为“马撒拉果蝇”（Methuselah）。马撒拉是圣经中一位寿星的名字，他活了969岁。

　　罗斯的实验说明了两个重点。第一，基因在衰老的过程中举足轻重，长寿的果蝇并不是因为医药进步、保健制度或是汽车安全带而延长寿命的，他们和其他果蝇的不同只在于基因，而且罗斯是以培养而非干预的方式“自然”生成的；第二，衰老基因的数量必然非常庞大，如果只是少数几个基因，那么罗斯的实验老早就可以结束了，因为只需几个世代就可以选择出最优良的基因。罗斯依然在培育长寿的果蝇，意味着依然还有许多尚未找出的衰老基因库，而要找出这些基因，必须先了解衰老基因如何运作。

　　艾默瑞大学医学院的华勒斯博士（Dr·haWallace）曾展示细胞老化的幻灯片。24 岁时的细胞在幻灯片上不但紧绷，而且展现了完好的色带。33岁时，色带依然清楚，但边线已经开始模糊了。随着年岁增加，色带开始松坠退化，在最后一张94岁的幻灯片中，可以看到原先的色带已经完全消失，只剩下一片朦胧。这些幻灯片展现了年岁如何侵蚀了包含在拉线作的DNA。我们以16569个碱基的粒线体基因组展开生命，但随着我们老化，细胞分裂，总有错误、省略和删除。而由于失去的DNA不能取代，因此人到了观岁，就几乎没有任何基因组能保持原封不动了。

　　众所周知，复印过多遍的文件很难阅读，人类的衰老也有着相同的道理，细胞在经过多次复制之后便很难准确地识别它的基因，这也导致了和年龄有关的疾病的发生，如：乳腺癌、骨质疏松症、老年痴呆症等。

　　就象被弄污的复印件，劣质的基因在复制过程中会出现错误，也就是说，衰老的细胞丧失了精确复制自身的能力，就如同癌细胞不能停止繁殖一样。衰老曾被认为是由于细胞停止分裂所造成，新的研究发现衰老是由于细胞的再造过程中失去质量控制所致。

　　一项受试者包括一个7岁、一个9岁、两个37岁、三个90岁以上人，以及两个分别为 8岁和9岁的患有早衰疾病的孩子的研究，通过DNA显微排列技术，科学家发现在较老的人体细胞中有1％的基因已经发生了改变。而一种罕见的基因失调导致早衰孩子的过早衰老。如果接下来的研究可以确认这一组基因确实影响人的衰老，也许阻止这种基因作用的药物将被研究出来，而人类将不会对衰老有过多的担心。

　　失去DNA是另一种更普遍的退化过程——氧化——的迹象。每一个人体细胞每天都使用约一兆分子的氧气，但并非所有的氧气都是好的。含有自由基这种未配对电子的氧气，是人体内最活泼也最具破坏性的毒素。由于自由基多带一个负电，因此会胡乱把自己依附在多种不同的分子上，它们攻击DNA、蛋白质和脂质，造成皮肤上的老人斑，也破坏细胞的修复和再生。

　　氧气和金属结合时，称作生锈，而当由氧气生成的自由基攻击人体细胞时，就称作老化。我们赖以维生的呼吸，其实也使我们的身体生锈，因此等于屠杀自己。我们年轻健康的时候，细胞能够修复和取代自由基所造成的破坏，但当氧气攻击修复和取代的机制时，我们的细胞新陈代谢和造成突变的DNA（包括导致癌症者）就容易受损。

　　氧化的老化理论可以预言：促进自由基产生和破坏的基因，会加速老化，而阻止自由基或增进细胞保护自己能力的基因，就能延长寿命。学者已经在一种非常不可能的生物身上测试这种理论：一种小虫。

　　这种以细菌为食的圆虫只有一毫米长，是雌雄同体，亦即可以自行授精，只活九天。

　　它的基因至少有四成和人类相同，而它短暂的生命也可以极度压缩的形式，反映出人类的寿命。这种虫在衰老的过程中，最先是丧失生殖力，接着动作逐渐延缓，保证自己不受氧化伤害的能力也衰退，DNA中累积了错误和改变，尤其是在拉线体DNA上，接着死亡到来。如果细心培育，可以产生一群超级小虫，能够有五倍于一般的寿命，相当于人类活到350年左右。这是借着结合数种和衰老有关的不同基因而达到的。

　　第一个延长寿命的突变，在名为“年龄一”（ge－1）的基因中发现。这个基因的突变异种寿命是正常圆虫的两倍，而且在年轻时期和其他国立一样健康活泼，繁殖力强。这种变种老化时，不论丧失行动能力的速度或是粗线体DNA突变的累积，都比其他的虫慢得多。

　　科学家想要了解，这些虫得以长寿是否因“年龄一”基因们免受自由基之害，因此让这些虫暴露在高密度的氧气或是制造自由基的化学物质中。变种虫的确在几方面表现得比一般虫子更强健，他们更能抵抗自由基、热度及紫外线（制造自由基）。变种的细胞促进两种酵素的最：过氧化氨酶和过氧化物歧化酶（sUperokidedisrnutase，即 S3D），而这两种酵素能够把有毒的自由基转为较温和的分子。因此，拥有“年龄一” 基因的虫，的确更能抗氧化。

　　另一种变异也减缓了这种虫的生理时钟。拥有这种称作“时钟”基因的虫，发育较一般的虫慢，生活的步调也较慢。他们的一切都放慢速度：胚胎的发育延迟了，细胞的分化得花更长的时间，动作和游泳步调侵吞吞，甚至排便也放慢了速度，死亡亦然。他们的寿命增加了一半以上，仿佛这些虫生活在时间减缓的另一个世界。对于这种延长的寿命，一种可能的解释是基因减少了自由基的累积，或是增加了分解毒素的酷素累积。

　　甚至正常的虫对生命的步调，都比人类有更高的控制力。在遣送旱灾或饥荒时，虫子可以整优进入冬眠期，等情况改善再恢复正常生活。某些基因突变促进了这种冬眠的状态，使寿功鹏，在冬眠期，虫子不吃不动（也不会累积由自由基而来的损害），但依然存活。学者让冬眠期长和生理时钟慢的虫杂交，培育出寿命长达一般央五倍的虫子，破了纪录。

　　在虫子中所发现的延长寿命基因很重要，因为它们和氧化压力相关，这是和造成人类衰老相同的机制。

　　科学家们不光研究虫子，还研究老鼠。欧洲肿瘤研究所的科学家说，通过实验表明，只要去除一种控制细胞修复功能的基因，就可以使普通老鼠的寿命延长。

　　进行该项研究的负责人佩利奇说，科学家早已发现，在衰老过程中，细胞会因氧化反应而受损。在过去的实验中，研究人员发现了一种控制po6SHC蛋白的基因，它就如同一个电源开关一样，当它接通时，P66SHC蛋白就可以及时修复受损细胞，反之，则受损细胞死亡。他解释说，去除这种基因，P66SHC蛋白便可经常处于“接通状态”，使因氧化而受损的细胞迅速获得修复。他说，他和他的研究人员培育出的去除这种基因的老鼠，其平均寿命较一般老鼠高出另％。

　　通过以上的介绍，我们知道人类在探索长寿的道路上已经迈出了决定性的一步，不同的试验、研究，已经从多个角度对寿命与基因的关系做了有很高价值的发现。人类寿命的大幅度延长已经不是遥不可及的事了，个体的长生千岁不再是梦想。

　　但是，人活得越长就一定越好吗？人类的新陈代谢是自然的规律，也是历史的规律。

人不光是生物学意义上的个体，还是人类社会的一员，还要从全人类种族社会的角度看问题。这一点科学家已有所体悟。基因学家杨焕明说：要不了多少年，人便可以根据 “基因图”调整自己的生活方式，使自己处于最佳的生命环境中，这样活150岁不成问题。现在，科学家已经可以拨动人体的生物钟，如果“生物钟”问题攻克了，人可以活到500岁。当然，科学的发展要有利于人类的进步，人类过于追求长寿，对人类本身没有好处。所以，科学家还要负起人类的整体责任，有的事不可以做。

4.3　对农业的根本性影响

　　基因工程技术在农业上已经产生或即将产生根本性的影响。

　　基因技术可以在以下方面发挥作用：

　　1．改善农作物对抗恶劣环境的能力

　　·抗恶劣环境——如抗霜害、耐旱、耐热、耐碱的新品种。

　　·抗病害——如抗菌、抗虫、抗杀草剂的基因工程新品种。

　　2．提升农作物的品质与产量

　　·耐储运及后熟控制——如若茄、香蕉等浆果类产品之品质提升及成熟度控制。

　　·含“补药”的农产品——米饭也可当“药”吃，萝卜可以当“人参”卖等，未来这些都不再只是梦想。

　　据《日经产业新闻》报道，日本农业生物资源研究所成功地将玉米的光合酶的基因植入水稻细胞中，从而为培育生长快、产量高的“超级精”提供了可能。

　　玉米中有三种与光合作用有关的酶，即“PEPC”。“PPDK”和“NADpoME”，光合作用要比水稻强，能够在瘠薄的土地上生长。该研究所用转基因技术把玉米的这三种酶的基因分别植入水稻细胞中去，培育出了三种转基因水稻新品种。室内栽培的结果表明，这些新稻种的光合作用大大高于一般水稻。

　　从理论上说，玉米的光合酶能够提高玉米对二氧化碳的利用率，增加它的淀粉含量，而且还能够使其有效地利用土壤中的水分和氮肥，提高产量。

　　该所计划把玉米的上述三种光合酶的基因同时植入水稻中，以培育光合作用更强、生长快和产量高的“超级稻”。

　　美国科学家最近还分离出一种能够加速植物生长的基因，这一成果对于提高作物产量和作物育种具有重要意义。

　　据美国《科学》杂志报道，这种名为FT的新基因是由美国加利福尼亚州萨克尔研究所的生物学教授德勒夫·威格尔等人识别并分离出来的。威格尔研究小组利用遗传工程方法对一种名叫拟南芬的植物进行改造，插入了这种新的基因，结果培育出了含有ry基因的拟南芥种子。

　　科学家发现，FT基因含有的一种蛋白与另一种拟南芥蛋白TFLI极其相似，而TFLI基因对于植物开花过程起阻碍作用。如果加强ry基因的表达就能使植物提早开花，反过来如果加强TFLI基因的功能就会推迟植物的开花时间。威格尔说，他们已经把ry基因插入烟草植物里，提早了烟草的开花期。

　　威格尔研究小组还发现，与早先发现的导致植物提早开花的LEAF基因相比，基因FT 不仅仅可以提早植物的开花期，还可以加速植物枝叶的生长和发育。该小组计划利用这种基因来培育转基因水稻。

　　除了提高农作物的性能，加快生产速度，利用基因技术还可以消灭害虫。

　　英国科学家用转基因技术培育出一种果蝇，其雌性后代因具有基因缺陷将无法生存。这种方法可望用于消灭果蝇和其它侵害农作物或传染疾病的害虫。

　　美国《科学》杂志发表报告称，英国牛津大学和曼彻斯特大学的科学家在果蝇体内设置了一个“基因开关”。它对雄性果蝇没有影响，但会在雌性果蝇体内起作用。具有这种基因的雌性果蝇，必须从食物中摄取足量的四环素，否则就会无法消化吸收食物营养，最终导致免疫机能失调而死亡。

　　科学家说，如果将这种转基因雄性果蝇大量投放到自然界中，它们与野生雌性果蝇交配后，产生的雌性后代将遗传这种致命基因，难以存活。经过一定时间，野生果蝇的数量就会显著减少。科学家正在研究用这种方法消灭地中海果蝇和传染黄热病的伊政。

　　由于一般只有雌性害虫会对农作物和人畜产生较大危害，向自然环境中投放大量雄性转基因害虫，并不会加重虫害。

　　1996，美国佛罗里达州释放出第一只遗传工程昆虫——捕食螨。佛罗里达大学的研究人员希望这种螨能捕食损害费和其他作物的螨类。加利福尼亚大学的科学家们，则把一个致死基因导入红棉铃虫，一种引起棉田每年损失上百万美元的鳞翅目毛虫。这种致死基因在棉铃虫的子代开始激活，在其损害棉花、交配和繁殖之前的早幼棉铃虫阶段就被杀死。这个项目的研究人员托马斯·米勒（ThomasMiller）和琅洛坎（JohnP。 lmpin）希望把这种遗传Xi程棉铃臾幼虫大量培育为成虫，然后把它们释放到环境中与野生型棉铃虫蛾交配，其后代都将因为携带致死基因而大批死亡。这是一种新的虫害控制方法。

　　基因技术在农业方面潜力巨大。据介绍，在农业方面，生物工程产品趋于部分取代由石油化工方法制造的农用化学物。科学家们正忙于设计研制新粮食品种。这些新品种可以直接从空气中吸取氮，而不是像现在的庄稼这样需要施用化肥。还有一些正在进行的实验，探索把某一种系的理想遗传性状转入另一种系，以提高植物的营养价值、产量和质量。科学家们正在用有除草剂抗性、帮助抵御病毒和虫害，以及适合干旱或盐碱环境的基因进行试验，所有这些都是为了提高和加速农产品进入市场的流程。

　　1996年，第一批进行基因剪接的、以商业为目的的粮食作物开始种植。在美国亚拉巴马州棉花池中，有3／4以上是遗传工程的抗虫害品种。1997年，美国的遗传大豆的种植面积超过300万公顷，遗传工程玉米的种植面积也超过了140万公顷。化学和农业公司希望在今后5年时间里，在绝大多数农田里种上经过基因剪接的农作物。

　　有几家生物技术公司正在组织培养这一新的研究领域里探索，目标是到21世纪时能把更多的农业生产转移到室内。20世纪既年代后期，位于美国加利福尼亚州的一家生物技术公司L吸困划办cs（现已倒闭）宣布，他们在实验室里用植物细胞培养方法，成功生产出了香子兰。香子兰是美国最受欢迎的一种香料，在美国销售的冰淇淋中有1石是香草冰淇淋。但是，香子兰生产成本昂贵，它必须人工授粉，并要求在采集和加工的过程中格外小心。现在，科研人员应用基因剪接技术，通过分离基因和解译产生香草昧的代谢途径，使香子兰可以在细菌培养精内生长，在实验室里大量生产香于兰，而不再需要豆荚、苗木和土壤，也不需要农民来栽培和收获。

　　研究人员用组织培养方法在实验室里成功生产出了相橘和柠檬的囊泡。一些工业分析家相信，在不久的将来，橘汁将可以直接在大培养缸里“生长”，不需要再去种植橘树。美国农业部的科学家，已经把松散的棉花细胞浸在含营养液的培养缸里让其生长。因为这种是无菌条件下生长的，没有微生物污染，故可以直接用来制作无菌棉纱。

　　已故的罗戈夫（MdrtinH·R明献和罗林斯（StaphenL·Rawins）是前美国农业部的生物学家和科研管理者，他们预见将来会以农田和工厂相结合的方式来进行农业生产。农田里种植终年不断的生物量（b——）农作物，收获后用酶把它们转化成为糖溶液，然后把这些糖溶液用管道输送到城市的生产工厂。它们将被用作营养来源，以便通过组织培养大量生产浆（pulp）。这类浆可以根据需要重组或制作成为不同的结构和形状，以模拟传统“土地生长”形式的农作物。按照罗林斯的说法，这是一种新型的农作物生产工厂，将进行高度自动化生产，只需要很少的工人。

　　英国一家证券公司的罗伯特·弗莱明认为，基因工程将会使种子成为今后有利可图、有发展前途的生意。由于看到了这一转移的来临，大型的化学公司，如英格兰的皇家化学实业公司，英荷壳牌集团，美国的蒙桑托公司，瑞士的桑多兹公司，法国的罗纳一普朗公司，已经在过去的十年中花费了100亿美国购买种子公司。

　　利用基因转移可以提高小麦产量。据赵学漱先生介绍，我国著名育种家李振声用禾本科草和小麦杂交，使有益基因转移。经筛选后，培育出新的小麦品种，具有高产且抗病的特点。此小麦品种已在我国西北地区推广，效果很好，每年产量得到很大提高。

　　我国还首创将人工合成的抗菌肽体基因，以农杆菌为载体导入水稻细胞里，得到六种抗白叶枯病细菌病害的株系。导入抗菌肽基因的水稻，其抗细胞能力可以代代相传。

　　英国《自然》杂志，英国广播公司，英国《每日电讯报》等于1997年2月报道了我国旅英国工作的罗达博士在世界上首次发现了一种控制花形状的基因。高等植物花的形状大致分为规则型和不规则型两种。常见的喇叭花属于典型的规则型，兰花则属于不规则型。科学家们认为不规则型花是由规则型的花经过千百万年的进化形成的。高等植物花型的研究对揭开植物进化之谜具有重要意义。

　　罗达博士在过去10年中对金鱼草进行了研究，发现金鱼革中一对称为CYC和DICH的基因对花形状的形成起着关键的作用。当它们发挥作用时，金鱼等的花就发育成不规则型；当它们发生变异而无法发挥作用时，金鱼草的花就发育成规则型。

　　罗达博士在实验中利用一种称为“转座子”的跳跃基因”这种基因在活动时可以插入到金鱼草的基因中，使插入部分的金鱼草基因失去活力。罗达博士和他的同事们用这种方法培育了8万株金鱼草，从中筛选出了花形状变异为规则型的植株。通过分析跳跃基因插入金鱼草基因的位置，他们终于发现了这一对控制花形状形成的基因。

花形状基因的研究对生物技术和生物基础理论均具有重要意义，它可以揭示基因如何控制生物发育，以及植物主体形成基本结构的分子机理。同时，这一研究还具有非常重要的商业应用价值，利用它可望培育出许多形状独特的珍奇花卉。

4.4　畜牧业的革命性变革

　　伴随着农业正在出现的许多变化，畜牧业也发生着革命性变革。研究人员正在开发具备提高食品产量特点的遗传工程“超级动物”。他们还在创造一种转基因动物，这种动物可以用来作为生产医药产品的“化学工厂”，也可以为人类器官移植提供原料。澳大利亚阿德莱德大学的科学家们，已经开发出一个遗传工程新品种猪。与普通猪相比，饲养这个新品种的效率要高30％，并且可以提前7周上市销售。澳大利亚联邦科学与工业组织已开始生产遗传工程绵羊。这种绵羊也比普通绵羊的生长速度快30％。目前，他们给这种绵羊导人另一种基因，以提高羊毛的生长速度。

　　在美国威斯康星大学，科学家们通过改变孵化雌火鸡的基因提高火鸡的产蛋量。与非孵化雌火鸡相比，孵化雌火鸡产蛋量要少是人一1／3，在一般鸡群中其比例接近20％。由于“孵化影响产量并使成本增加”，研究人员急于制止雌火鸡的“孵化天性”。生物学家通过控制生成催乳激素基因，限制了雌火鸡的正常“孵化天性”。这种新型遗传工程火鸡不再表现出孵化这一母性本能，从而使产蛋量增加。

　　畜牧业方面的许多前沿研究出现在“制药”这一新领域。研究人员把禽和畜类转变成“生物工厂”、生产药物。医用产品和营养补充剂。1996年4月，＆斑叽mTharlsgen －ics公司宣布，一只携带BR－96抗体生成基因的转基因山羊出生，取名格雷斯（GraCe）。BR－96抗体是由施贵宝公司研制开发的一种单克隆抗体，可以运送共轭的抗癌药物。预期到格雷斯1岁时，它可以生产4千克多实验用抗癌药物。而GenZyrn公司也正在准备试验一种可以生产抗凝血药物——凝血酶的转基因山羊。还有一些类似于 Genz的公司，也希望将来能用转基因制药动物作为药物生产工厂，其费用只有化学生产工厂的一半。规外见公司总裁指出，该公司新建的造价1000美元的生产治疗高歇氏病药物的工厂，不久可能会被12只山羊所取代。顺便说一句，格雷斯目前的身价高达100万美元，是有史以来最贵的山羊。

　　1997年2月，位于美国弗吉尼亚洲的PPL制药公司宣布，一头名叫罗西（RO8ie）的转基因牛犊诞生。这头奶牛的如中含有为人体提供必要氨基酸的人a一乳蛋白，从而可以绝不能吮奶的早产婴儿提供丰富的营养。美国科罗拉多州博尔德的＆m的增即公司，也制造出了能生产血红蛋白的转基因猪。

　　1997年2月22日，这种新的制药技术又朝商业用途迈进了一大步。52岁的苏格兰胚胎学家威尔马特门anWimu）等宣布，他们成功地克隆了历史上第一只哺乳动物——只名叫“多利”（Dell）的绵羊。威尔马特把成年羊体细胞的DNA“装入”正常绵羊卵细胞以取代卵细胞的DNA，把这种卵置于体外培养，然后移入另一只母羊的子宫。‘步利” 的诞生是新兴生物技术时代的一个里程碑。它使人们有可能大规模生产精确拷贝的哺乳动物，这些拷贝的动物与其原版毫无二致。

　　在宣布“多利”的诞生不久，威尔马特与美国PPL制药公司坎贝尔（KeithCampbell）博士领导的科研小组合作，又成功地克隆出第二只名叫波利（Poly）的绵羊。这只绵羊的生物密码中含有一个改造过的人类基因。研究人员在胎羊细胞中加入了一个人类基因，让细胞在实验平皿中生长，然后再用增强的细胞克隆出绵羊。这项实验甚至让有些通常出言谨慎的科学家大为吃惊。正如美国普林斯顿大学的分子遗传学家西尔弗（I－ eeSilver）博士说：“‘多利’之后，尽管每个人都期待着这将会发生，但都认为它会是5一10年以后的事情。”

　　以往，人们只是可以根据精确的数量定义标准，有目标和高效地把无生命的物质和能量转化成物品。当遗传操作与克隆技术结合之后，科学家可以定量地衡量标准、可预测性和效率，根据需求制造并大批量生产各种动物。农业、制药和化学公司计划大量订制和克隆动物，用作生产各种药物和医用产品的化学工厂。肉食加工业也对克隆技术发生兴趣。如果能够按照精确的肥一瘦比例标准大批量生产，将有助于实施严格的质量控制，而这在过去都是不可能的事情。

从克隆动物那里还可以大量获取人类器官移植所需的器官。大批量生产精确的动物复制品，使生物工业所特有的质量控制得以实现，这是外源性器官移植成为生物技术世纪的一项主要商业的必要前提。生物技术公司如Nextran和Alexam等，正在把人类基因导人动物胚胎的种系内，以使动物的器官更好地与人类基因组匹配，减少发生异体排斥的可能性。Nextran 公司已经在进行用转基因猪的肝脏帮助治疗急性肝衰竭的临床1斯实验，病人同时也在等待会适的人的器官供体。这种体外治疗方法是把猪的肝脏放入容器并置于床边，医生通过病人的腿部静脉将血液系入猪的肝脏，然后经颈静脉把血液再泵回到病人体内。据Nextran公司总裁马文·米勒（MarvnMiler）估计，这种转基因猪肝脏的商业价值每个高达1．8万美元。在美国每年就有10万以上的病人因不能及时获得人类器官而死亡，所以外源性器官的商业市场非常大。华尔街的投资公司SalOInohaere 估计，到2010年，全世界将有45万人受益于外源性器官移植。新兴的器官工业的市场价值可能会超过激亿美元。（参见里夫金：《生物技术世纪》）

4.5　世界的全面重塑

　　基因技术除了在医药医疗领域、农业畜牧业领域产生革命性的变革外，还在林业、能源、环境、采矿等许多行业产生重大影响。它对人类的生活产生了广泛的影响，在某种程度上解除了我们的一些恐惧和忧虑，解决了许多曾经困扰我们的问题。

　　在林业领域，人们在寻找可以导人树种的基因，使得树木能速生、抗病，更适合冷、热及干旱。据报道，Calgene公司分离到一种控制植物纤维素形成的酶的基因，希望通过增加这种酶来创造出细胞壁中纤维素含量高的树种，为纸浆和造纸工业发明一种更加有利可图的“摇钱树”。

　　在能源领域，利用基因技术，人们尝试用可再生的资源来代替传统的已经日趋减少的煤、石油和天然气。譬如，用从糖和粮食中提取的乙醇来用做机动车所用的动力燃料，这一前景是鼓舞人心的。因为，粮食和糖不象石油，是可以再生的，似乎是取之不尽的，这就为解决人类迟早要发生的能源危机开辟了新路。

　　在清洁环境中生物技术也提供了优良的工具。人们的思路是，用生物体特别是微生物清除或治理有害的环境污染物。据介绍，研究人员正在用遗传工程霉菌、细菌和藻类等作为“生物吸收”系统，来捕获包括汞、铜、锅、铀和铅等在内的污染金属和放射性元素。

　　在采矿业，人们已经开发了新的微生物来替代来炼矿石的机器和矿工。对于用常规方法难以提炼的粗矿石，微生物将提供更经济的粗练和加工方法…

以基因为基础的生物技术对我们生活的影响是全面的，有些技术刚刚开始运用，有些还只是一种可能性。不管怎样，基因诺给我们的前景是诱人的，特别是在财富的创造方面，都给人们提供了巨大的机会。这是下一章的主题…

基因--财富计划

　　　 5.1 我们即将跨入生物经济的时代
　　　 5.2 基因是生物技术世纪的“绿色黄金”

5.1　我们即将跨入生物经济的时代

　　人类社会在度过了长达数十万年狩猎采集经济之后，进入到1万年左右的农业经济时代。英国于18世纪60年代最先进入了工业经济，而美国在20世纪50年代率先走完了工业经济的历史进程，走上了信息经济的道路。据专家分析，这一经济形态的“寿命”为 75年至80年，在21世纪20年代渐渐失去活力。届时，人类将准备迎接下一个经济时代：生物经济。2020年，“生物”将取代“信息”。

　　事实上，我们已经跨入了生物经济的门槛。早在1953年，克里克和沃森鉴定出DNA 双螺旋结构，就揭开了生物经济的序幕。

　　里夫金说：历史上的伟大经济变革，总是发生在多种技术和社会力量聚结，并创造出一种新的“运作构架”之时。现已有7股力量构成了生物技术世纪的运作构架。这股力量的聚结，就构成了一个新的经济时代的框架。

　　首先，分离、识别和重组基因的能力使建造基因库成为可能，并有史以来第一次把它们作为未来经济活动的主要资源。重组DNA技术和其他的生物技术，又使科学家和生物技术公司得以根据特定的经济需要去寻找、操纵和开发遗传资源。

　　第二，由于基因、细胞株、用遗传工程方法创建的组织、器官和生物体，以及用来改造它们的工艺皆可以获得专利，所以开发这类新资源已被引入市场以获得商业利益。

　　第三，商业与贸易的国际化，使得用实验室遗传育种这类人工生产的、旨在取代自然进化路线的生物工业二次“创世纪”，来重新播种地球生物留成为可能。全球生命科学产业已经开始对地球上许许多多的生物资源产生前所未有的影响。在新兴的生物技术市场上，从农业到医药等生命科学的各个领域，正在大型“生命’公司的伞盖之下结为一体。

　　第四，人类基因组大约10万个基因的作图与测序，遗传筛查的新突破，包括DNA芯片和体细胞基因治疗等，以及指日可待的人类卵、精子和胚胎细胞的遗传工程，都为全面改变人类种系和一个商业驱动的优生社会的诞生铺平了道路。

　　第五，大量以人类行为为遗传基础的新的科学研究，偏倚自然而轻视教化的新社会生物学，都为广泛接受新生物技术提供了一个文化环境。

　　第六，计算机为构成生物技术经济的遗传信息的管理和交流提供了工具。世界各地的研究人员都在使用计算机来破译、调取、分类和组织遗传信息，创造着一个新的用于生物工业时代的遗传资本储存库。计算机技术和遗传技术正融为一体，创造着一个新的强有力的技术实在。

　　第七，有关进化的新的宇宙观，新技术和新的世界经济与自然并不矛盾的观点，开始向新达尔文阵营挑战。新的观点认为，我们用来重组经济和社会的新思想其实是自然本身的原理和实践的推广延伸，因而是合乎清理的。这些思想为生物技术世纪提供了合法的框架。

　　生物技术世纪带来了一种新资源，一整套改造人类和自然的新技术，新的刺激贸易的商业保护形式，通过国际贸易市场在全球重新播种人工育种的产物，新的优生科学，新的社会学，组织和管理遗传水平上的经济活动的新的交流工具，新的宇宙观等。总之，基因，生物技术，生命专利，全球生命科学产业，人类基因的筛查和修补，新的文化思潮，计算机，以及进化论的修订等等，正开始重塑我们的世界。

　　里夫金认为，新的遗传工程革命的核心是效率与速度。自然的生产与循环已不足以满足改善不断增加的人口的生活水平之需要。为了补偿自然的缓慢步伐，必须发现新的方式去设计制作微生物、动物和植物的遗传蓝图，把它们加速转化成为有价值的商业产品。设计制作的遗传蓝图可以使树木更快地生长成材；加工遗传指令可以把当地畜牧品种改造成为迅速生长的“超级动物”；重新设计粮食作物的遗传信息，可以提高粮食产量。美国政府（现已解散的）技术评估办公室的一项研究表明，生物工程“能在改善生物系统的速度、效率和生产力等方面发挥主要作用”。我们的最终目标，是用远远超越自然生长规律的速度来生产生物材料，以可与工业时代相匹敌的增长曲线把它们转化成为经济资源。

　　或许一些历史学学者可能会争辩说，人类早在以农业为生活方式的新石器时代早期就已经开始关心提高生物资源的质量和生长速度。即使如此，我们仍有理由相信，遗传工程不是简单的从程度上而是从性质上改变生物资源，从观念上改变和重新组织我们与生物界的关系，虽然遗传工程背后的动因可追溯到远古时代，但技术本身却有着许多崭新的性质。为了进一步理解这一点，我们必须鉴别传统的修修补补手工技术与现代遗传工程之间的区别。

　　人类对动物和植物进行驯养、繁殖和杂交已有1万多年的历史。但是，在这类实践的漫长历程中，自然界生物物种的界限一直约束和限制着人类的所作所为。尽管大自然偶尔允许我们跨越生物物种界限，但这种越界行为总是受到严格的限制。动物的杂种通常是不孕的（如骡子），而植物的杂种并非真正的纯育。正如著名的园艺学家伯班克（Lu山erBllrbank）以及他的许许多多先驱者们所领悟的那样，当在生物体或生物物种水平上进行各种改良工作时，受到了某些内在因素的限制。

　　遗传工程超越了所有生物物种界限的限制。它对生物体的加工制作不是在物种水平而是在基因水平上，作业单位已不再是生物体而是基因，由此而带来的意义是十分深远和广泛的。

　　首先，当我们跨越自然的生物交配界限重组遗传性状时，整个关于物种是具有独特性质并可分别辨认的实体这一概念，就成了一种过时的主张。以下3个例子说明了遗传 Xi程正在使我们与自然的关系发生引人注目的变化。

　　1983年，宾夕法尼亚大学兽医学院的布里斯特（RforBrinster），把人保生长素基因引入小鼠胚胎并使其得以表达，从而使小鼠的生长速度和体积都两倍于其他小鼠。这些“超级小鼠”还把其人促生长秦基因传递给了它们的后代。其中有一个种系的小鼠，在经济若干代的传递之后，至今仍然存活并继续有人促生长素基因的表达。这个人类基因已经被永久地装配进这些动物的遗传结构。

　　1984年，英格兰的科学家把绵羊和山羊的胚胎细胞融合，并将其植入代孕动物，从而使代孕动物生产出绵羊山羊嵌合体。在人类历史上，这是首次把两种完全无血缘关系的动物物种成功地“融合”。

　　1986年，科学家们把分离到的萤火虫发光基因，引人烟草植物的遗传密码，烟草的叶子因此而发光。

　　这样的成果即使用最尖端的常规育种技术也无法取得。但是在生物技术实验室里，各种基因的重组几乎都是可能的。新的遗传技术使我们得以越过自然界限，组合遗传材料，把所有的生命转化为可制作的化学材料。这种全新的生物制作方式，改变着我们与自然的关系。我们开始从化学家的角度来看待生命，生物体不再博得我们的关注或尊重。我们对自然的看法及兴趣愈来愈多地着眼于构成生物体的遗传蓝图的数以千计的化学组成。

　　我们掌握了识别、储存和操作生物体化学蓝图的新能力，就会在自然界中扮演新的角色。自开天辟地以来，我们是第一批制作生命的工程师。我们开始重新编制生物体的遗体密码，以适应文化和经济的种种需要或欲望。我们承担起了二次“创世纪”的使命。这是一个合成造物的世纪，旨在满足高效率和生产力的要求。

　　面对着在我们身边发生的生物技术革命，面对着即将到来的生物技术世界，中国没有别的选择，不能等待，不能避让，更不能错过。只能迎接，只能抓紧，只能奋力追赶时代的步伐。

　　据介绍，目前，全世界正在花费数以亿计美元的经费，用于寻找标记和识别生物圈中各种生物的基因及其功能，已经收集了大量的植物、动物和人类的遗传信息，并储存在基因数据库内，作为即将来临的生物技术世纪的主要原始资源。

　　生物技术的开路先锋是数百家新型生物工程企业，象地俯en，Oreqenesls， Genzpoe，Calg6ne，Mmp和Myriad公司，它们在为历史上第二次最伟大的技术革命开拓道路。几十家大型跨国公司包括Du Pout，NOVartiS，Up－john，Monsanto，Eli Lilly， Robin and has 和M Chenucal等也投入大量资金进行生物技术方面的研究。

　　据介绍，几乎每一个生命科学领域，都在紧张地制定开发方针。从长计议地更新设备、招募人员等，都在紧锣密鼓地进行，目的是为了抢先把新的遗传商品引入经济，使文明社会准备品尝生物技术时代的第一批成果。

　　仅在美国，现在就已经有1300家生物技术公司，年总收入达130亿美元，雇员超过 10万人。所有这些，仅是这场经济和技术革命的头10年中所取得的进展，而这场革命还要持续几个世纪。诺贝尔化学奖得主，美国赖斯大学的柯尔（Roben F．CurD曾向他的许多科学界同事宣布：“20世纪是物理学和化学世纪，而21世纪无疑将是生物学世纪。” 新的生物技术实际上已然在重塑每一个领域。

　　中国的政府和企业一定要意识到这样一种转变，以超前的意识发展中国的生物经济。

尽管中国的资金没有人家多，人均自然资源也比人家少，但中国受过专业训练的人多，智力资源多，这是我们发展生物经济的优势。

5.2　基因是生物技术世纪的“绿色黄金”

　　随着改造生命的技术日益成熟，人类基因组解读得更彻底，各种前瞻性科技都在朝着生物技术产品的方向江集。

　　“基因”潜藏无限的商机与利益。某些药厂已成功地使用重组基因工程技术，制造高价药物，如治疗侏儒症的人类生长激素（hGH）、治疗贫血症的红血球生成素（EPO）、用来急救心脏病发作的人类组织胞浆素原活化剂（tPA）与治疗糖尿病的胰岛素等，这几种药物就创造出年销售额130亿美金（1995年全美估算值）的市场价值。

　　基因就是金钱。基因就是财富。基因是新的财富之源。

　　基因是生物制药产业的源头、生长点和制高点，源于基因的技术拓展将是对世纪制药企业开发新品的基础。随着“人类基因组计划”的进展，已兴起并将兴起更多的基因组产业，其前景要比彩电、冰箱、汽车甚至电脑大得多。比尔·盖茨说，下一个创造出更大财富的人将出现在基因领域。

　　目前，世界上各大制药、化工和农业公司都在积极地进行改组、合并和建立新联盟，以通过基因相关的研究和开发加强自己的竞争实力。美国所有的医药公司，都往这上投资。西夸克治疗公司一宣布克隆到了哮喘病基因，股票一下涨了好多倍。美国的家长们，为了让自己的矮孩子长高，就给孩子注射一种生长素的基因药，一年要花5万美元，连续5年。

　　靠基因获取财富，还可举两个小例子。据介绍，多年以前，科学家们发现了一种生长在墨西哥南部山林中的稀有多年生玉米品系。在3块很小的土地上，只长着数千棵这种多年生玉米品系，发现这个品系时农民和伐木工们正准备用推土机把它们推平。后来发现这一新的玉米品系，可以抗御枯叶真菌。枯叶真菌曾是美国玉米的严重灾害，农民当年的损失过20亿美元。遗传学家和育种公司的专家们估计，这种新发现的抗枯叶真菌品系的商业价值，每年可达数十亿美元。

　　在马达加斯加热带雨林中发现的玫瑰色长春花，是基因公司潜在商业利润的另一个生动例子。几年前，研究人员发现了一种有独特遗传性状的稀有长春花植物，可以作为药物用来治疗某些癌症。Eli Lilly制药公司把它开发成为药物，正在获取巨大的利润 ——仅在1993年销售额就达1．6亿美元。

　　除了以基因技术为基础进行生产加工能获取财富以外，获取有关的专利也是一个重要的源泉。

　　获得某种特殊细胞系或基因的专利或者使用权，很可能会在将来得到很大的商业回报。AMGE公司，1997年曾转让一个与神经中枢疾病有关的基因，净赚3．92亿美元。洛克菲勒大学，因为申请了一个肥胖病基因专利，迄今已有1．4亿美元进账。

　　记者马克分析道：基因产业的基础是基因资源，基因是有限的，发现一个少一个，谁先发现谁都可以申报专利，后来者要想使用就得交纳高昂的专利使用费。正如金银铜铁石油煤炭的价值不同，基因的价值也不同。有的基因决定人的高矮胖瘦英俊丑陋，有的决定人的生老病死性格气质，谁申报了经济价值大的基因专利，比如抗艾滋病的基因，他接下来要考虑的问题就是如何花钱了。

　　CELERA公司有着狮子的力量和民狗的贪婪，它甚至想把人类基因组序列图也申请专利，这种剥夺他人探矿权的企图自始至终遭到了各国政府和主流科学界的强烈抵制，参与人类基因组计划的科学家采用完成一批公布一批的办法，使CELERA公司无法申请专利。为与CELERA抗衡，人类基因组计划的完成时间从2005年提前到了2001年6月。

　　但基因的最终发现仍是可以争取专利的，CEIJZRA与其它跨国公司已经争分夺秒地投入到了基因专利大战中。

　　据里夫金介绍：最近几年来，企业争先恐后申请人类基因组专利，呈现出强劲上涨的势头，很大程度上是因为人们正在迅速测定和绘制构成人类基因组的大约10万个基因。

　　往往是刚刚完成基因测序，“发现者”马上申请专利，甚至经常是在尚不知道基因的功能或作用之前，就忙着申请专利。1991年，NIH人类基因组研究计划当时的一位课题负责人文特尔（卜Ctalg Venter）辞去政府职务，加盟一个由风险投资者投资7000多万美元的基因组公司。与此同时，文特尔和他的同事们申请了2000多个人脑基因的专利。从事人类基因组计划的许多研究人员，对此十分震惊和忿署，指责文特尔企图从由美国纳税人出资的研究成果中获取经济利益。其中有些科学家愤怒的原因，是因为文特尔在根本不知道这些基因的功能之前就匆忙申请专利。诺贝尔奖金得主、DNA双螺旋结构的发现者之一、美国人类基因组计划前领导人沃森（James Watson）博士，称这是“十足的精神错乱”。但是，文特尔、其他许多科学家和基因组公司，仍然在继续热中地追求自己的目标，尽可能多地申请人类基因组专利。预期在不到10年的时间里，遗赠给我们人类的大约10万个基因，将全部受到专利的保护，成为制药、化学。农业和生物技术公司的独有知识产权。给专利拥有者带来巨大的财富。

　　谈到基因与财富，就不能不谈到股票。

　　在美国，当第一家遗传工程企业的股票上市时，投资者蜂拥而上争相购买。 Gentech公司有100万股的股票以每股35美元的价格上市，股市开盘的20分钟之内，股票就猛涨到了每股89美元。到下午股市收盘时，这个初出茅庐的生物技术公司，就集资了 3600万美元，资产评估达到了5．32亿美元。令人震惊的是，这家公司并无一种产品上市。有位市场分析专家说：“我已经在（美林投资公司）工作了22年，还从来没有见过这种事情发生。”

　　1998年5月刚刚成立的Celera公司，就是与人类基因组计划竞争并数据领先的基因公司，股价已经超过了微软，这确实值得人们关注。

　　由于科学家宣告人类基因密码草图已完成，数十家新创基因工程公司目前正在积极开发基因的各项功能，并试图趁着这股“基因热”上市筹资。目前，华尔街已掀起一股基因公司公开发行股票的热潮。

　　今年以来，已有8家生物科技或与基因相关的企业正式挂牌，股价表现不赖。另有多达17家基因公司预定今年内上市。据纽约投资调查公司统计，迄今上市的8家基因工程公司共筹资8．4亿美元，目前股价均在发行价之上，而且走势稳健，让承销商为之振奋。这些基因公司的企业家和华尔街股票承销券商，运用的正是叨年代初期生物科技公司和前两年网络公司上市筹资的老套路：抓住股市热点，乘势出击。

　　中国的股市受这种重大利好的刺激，“基因板块”也有不俗的涨幅。人们都在想着网络股的神话，希望基因生物股票能够续写“网络神话”。究竟能否续写，我们看看胡鹏先生的观点：

　　应该承认，今天的生物产业无论是在发展速度和规模上，还是给人的信心上都不能与信息产业相比。人类基因组计划对普通老百姓的影响也远不及互联网，就如同70年代的互联网无法与当时遍布全球的电网和铁路相比一样。

　　但是，就在上个月，纳斯达克指数一周内惨跌25％，全球震惊，也促使人们对爆炸式发展的互联网市场中的泡沫进行反思。正当网络股缩水，进人阵痛式的调整阶段时，生物股稳步上升。

　　仍以塞莱拉公司为例，以一己之力与国际人类基因组计划作对，微软、亚马逊等公司恐怕只能叹为观止。这也就难怪，尽管克林顿和布莱尔呼吁公开基因组信息的讲话后塞莱拉公司股票一度严重受挫，但不久即告上扬，其市值更是初创时的数十倍。

　　有人说，人类基因组计划是生命科学的“圣杯”，是生物技术在21世纪起飞的跑道。

　　基因组计划得到的仅是遗传序列，但却是全面寻找有价值的遗传信息的前提。中科院遗传所人类基因组中心副主任于军教授的比方再确切不过了：“我们的测序工作就是在编一部字典，是在为以后写文章服务。”从“识字”到“写文章”的距离究竟有多远，实在很难说。但生物学家们确信，有了“字典”，加上他们的创造力，定会佳作迭出，用不了多少年，生物产业必会成为新经济新的代言人。

　　有人说，网络并不产生财富，它只是节省财富，未来的生物产业则可以创造出真正的财富。

　　信息产业和生物产业无疑都是高科技的产物，但就创造财富而言，可以说前者“节流”后者“开源”。从这个意义上讲，生物学家完全可以谱写出更精彩的“生物神话”。

　　今天的基因组计划将如何改变我们的未来？生物学家如何谱写新版的“网络神话”？

　　范特教授说的一句话是最好的答案：“破译基因组密码的意义就如同在刚发现电的那个时代，没有人能想像出个人电脑一样。”