第4章 基因领域研究的创新信息(1)
基因是具有遗传效应的脱氧核糖核酸片段，也称作遗传因子。它支持着生命的基本性质、结构和功能，储存着一个生命体含有的种族、血型、孕育、生长、凋亡过程的全部信息。生命体的生老病死，旺盛或衰败等一切现象及演绎过程，都与基因相关。基因既反映生命体的物质属性，又反映生命体的信息内容，是构成生命的基础要素之一。本章着重考察国外在基因领域研究取得的成果，概述国外基因领域出现的创新信息。21世纪以来，国外在基因生理方面的研究，主要集中在基因性质、基因结构及功能、基因遗传信息、基因机理等。在基因破译方面的研究，主要集中在微生物基因、植物基因、动物基因和人类基因的破译，以及基因破译技术和设备的发明创造。在基因重组和合成方面的研究，主要集中在提高基因重组的安全性和效率，推出人造染色体，成功合成酵母染色体。在基因种类方面的研究，主要集中在与生命体成长、体貌特征、肿瘤和癌症、心脑血管疾病、神经系统生理及疾病、消化系统疾病、代谢性疾病、传染病等相关的基因。在基因治疗方面的研究，主要集中在基因检测、临床基因治疗，以及基因治疗的载体和技术。
第一节 基因生理方面研究的新成果
一、基因性质研究的新进展
1.古代基因性质研究的新成果
（1）成功提取千年前维京人的DNA。
2008年6月，丹麦哥本哈根大学科学家约尔根·迪星领导的一个研究小组，在美国《公共科学图书馆·遗传学》杂志上发表研究成果称，他们已成功从10具1000年前维京人遗骸中提取脱氧核糖核酸（DNA）进行分析研究。研究人员认为，如果情况属实，这将是一项举世瞩目的成就。此前，很多研究者认为从古代人尸体残骸中提取DNA是不可能的事。
研究人员说，他们在丹麦菲英岛一处墓地发现了1000年前的维京人遗骸。为了防止对古代人DNA造成污染，影响研究效果，科学家们穿着防护外套，在挖出遗骸的同时，迅速从其下颚中取出牙齿并带回实验室。这样，在没有出现任何污染的情况下，提取到古代维京人的DNA。
迪星说：“对维京人DNA的分析中，我们没有发现任何外来DNA的污染，而且，这次研究成果显著，我们发现古代维京人和现代人类一样具有多样性。”此次研究中，迪星和他的同事们对维京人的家族关系和基因变异最感兴趣。
研究报告指出，从古代人残骸中提取的DNA，具有很高的研究价值。通过分析这些DNA样本，可以找出人类基因遗传疾病的起源、发现祖先迁移的方式，还能了解古代人类部落和家庭的组织结构概况。
（2）重建30亿年前基因组化石。
2010年12月，有关媒体报道，化石有助于古生物学家编写自那时起的生命进化史，但要绘制出早于寒武纪的30亿年前的生命图景，还非常困难。因为寒武纪前的软体动物细胞很少留下化石印记，但这些早期的生命却留下了一些微小的化石：DNA。麻省理工学院的生物学家埃里克·阿尔姆和博士生劳伦斯·戴维等人组成一个研究小组，利用现代基因组，在一系列基因进化规则之下，重新构造了这些古老的微生物，并鉴别出许多跟氧气有关的新基因，首次提出可能是氧气的出现导致“太古代大爆发”。
研究发现，直到25亿年前，地球大气中才出现了氧气并逐渐积累，由此在“大氧化事件”中杀死了大量的厌氧生物。“大氧化事件”，可能是细胞生命史中最大的悲剧事件，我们却没有它的任何生物记录。
经过进一步分析显示，利用氧气的基因，直到28亿年前“太古代大爆发”末期才出现，这更为基因化学家所设想的“大氧化事件”增加了证据。
研究人员认为，正是一种有氧光合作用，形成了“大氧化事件”中的氧气，也形成了我们今天所呼吸的氧气。太古代时期电子转移逐渐进化，经过生命历史的几个关键阶段，包括光合作用和呼吸，最终使大量的能量被固定下来，存储在生物圈中。
通过分析与基因有关的金属和分子，以及它们在长期内的演变，戴维和阿尔姆也研究了“太古代大爆发”之后，微生物基因组的进化。他们发现利用氧气的基因，比例越来越大，与铜和钼相关的酶也是如此，这与地质学的进化记录相一致。
（3）发现羊皮纸蕴藏着古代DNA。
寻找古代DNA并非易事。例如，风化作用和细菌对化石造成的污染，会使得恢复足够纯度且未受损伤的遗传物质非常困难。2015年1月，英国一个研究小组，在英国皇家学会《哲学学报B卷》网络版上发表研究成果称，他们发现了一种新的古代DNA来源：羊皮纸。从两张分别来自17世纪和18世纪的羊皮纸上获得的遗传物质显示，绵羊为纸张提供了原始材料。同时，在17～18世纪，羊皮纸所在的英国当地所使用的绵羊种类发生了改变：从杂乱的苏格兰高地黑脸绵羊变成笨重的低地品种。
在几个世纪的时间里，人类文明一直依赖山羊、绵羊、猪、牛等，被伸直、晒开和拼凑而成的兽皮，作为“纸张”问题，记录当时发生的事情。此前，试图从羊皮纸上获得DNA的努力不是很成功，但通过利用现代测序技术，研究人员如今能够从羊皮纸上获取丰富的牲畜DNA。
羊皮纸不仅遗传物质丰富，同时作为一份法律文件，它们被细心地保存下来，且通常注有日期。这使得羊皮纸比骨头更容易成为古代DNA的来源。来自羊皮纸的真实遗传物质，并不能阐明人类的演化，但在科学家看来，它能揭示过去700年间的农业历史，并且最终为历史学家提供关于某一特定羊皮纸文件制造地点和时间的信息。
2.基因性质研究的新发现
（1）发现精子具有独特的“基因签名”性质。
2009年8月，美国每日科学网站报道，英国利兹大学大卫·米勒和大卫·埃尔斯博士与布拉德福德大学马丁·布林克沃思博士等人组成的一个研究小组，在英国生物技术及生物科学研究理事会资助下进行研究发现，人类精子具有独特的“基因签名”性质，这对于开启卵子的生育能力和孕育新生命，起到关键作用。这一发现，将对人们更好地了解受孕的奥秘有帮助。
研究人员说，他们发现精子会写下一种“基因签名”，只能被同物种的卵子所识别。精子的“基因签名”好似钥匙，只有被同物种的卵子识别，才能开启受孕之锁。精子的“基因签名”会促进受精活动发生，也能解释一个物种如何发育出独特的基因特征。埃尔斯说，“我们发现哺乳动物精子有‘基因签名’，对卵子的受孕和胚胎的发育至关重要。此前人们并没有发现精子有‘基因签名’，我们认为‘基因签名’存在的时间很久远。”
研究人员认为，假如没有正确的“钥匙”来开启生育能力的“锁”，要么就不能成功受精，要么即使受精，也不会正常发育。人们已经知道人类精子DNA排列组合的紊乱，会导致男性不育症和受孕失败。而且这种“锁钥”机制还有更深一层的意义。它不仅能解释，为什么有些其他方面健康的男性产生的精子却是不育的，也能解释不同的物种是如何进化并保持其特性的。米勒说：“直到现在，医学家们还在努力探究先天性男性不育症。我们的最新研究提供了一种可能的解释，为什么有些精子会存在功能障碍或者不能正常受精。”
如果精子细胞携带的DNA没有受伤，而且伸展开的话，那么实际上它会有一米多长。为了适应精子细胞核的微小空间，精子DNA就必须要紧紧地卷到一起或排列在一起。利兹大学的研究显示，在人类和老鼠的精子中，并不是所有的DNA都按照同样的方式排列。大部分雄性方的DNA是非常紧凑的压缩在一起，同时有些DNA则排列得不那么紧密。
埃尔斯说：“精子细胞中有一种特定的DNA排列方式。而且我们发现，即使在不相关的有生育能力的男性中，这种排列方式也是一样的。这表明这种DNA排列方式与男性生育能力有着直接的关系。”
对精子DNA在空阔的、不太紧密的排列构造下的详细分析显示，这种DNA携带着很多关键信息，这些信息能够激活导致胚胎发育的重要基因。进一步的研究表明，相同的构造存在于几个不相关的捐精者的精子中，更引人注目的是，相似的排列构造存在于老鼠的精子中。
相比于紧密排列的DNA，空阔构造的DNA，或许更容易受到诸如存在于香烟和有些抗癌药物中的破坏性毒素的伤害。正如布林克沃思所说：“这也许意味着，那些可能对精子产生基因损害的东西，对于胚胎发育也有着重大的影响。”
这些发现，还能解释为什么近亲物种繁殖的成功例子会这么少。如果两个物种的“锁”和“钥匙”不相配，无论它们的DNA多么相似，都不会孕育后代。就像马和驴交配，有时候能够产生后代。但是因为精子和卵子无法相配，其胚胎的发育是不正常的，那么其后代几乎都是不育的。
研究小组相信，相同的基因性质和运行机制，一定还在人类进化过程中发挥过重要作用。在人类早先的历史中，穴居人与现代人类共存了几千年。不排除曾发生过这两个相似物种间的交配行为，但在我们的DNA中没有发现这些行为遗留的痕迹。假如可能孕育了后代的话，那么或者他们没能存活太久，或者即使他们存活了，也不能再繁衍后代。
（2）发现人类或携带145种其他生物基因。
2015年3月，英国剑桥大学生物学家阿拉斯泰尔·克里斯普领导，他的同事为主要成员的研究小组，在《基因组生物学》杂志网络版上发表论文称，一个人从细胞内的遗传物质来说，并不是完整意义上的人。每个人可能都携带了多达145个基因，而这些基因有的来自细菌、其他单细胞生物体，以及病毒，并把人类基因组当作了自己的家。
这一结论来自一项新的研究，它提供了迄今为止最广泛的证据，表明在生物的进化历史中，来自生命其他分支的基因最终成为动物细胞的一部分。
克里斯普说：“这一发现，意味着生命之树，并不是由完美的分支世系构成的一棵一成不变的大树。而事实上，它更像那些亚马逊绞杀植物无花果的一种，所有的根系都纠缠与交错在一起。”
研究人员已经知道水平基因转移，即除了亲代向子代遗传之外的遗传信息在生物体之间的流动，在细菌和其他简单的真核生物中是司空见惯的常事。例如，这一过程，使得生物体能够迅速共享一组耐抗生素基因，从而适应一种抗生素。
克里斯普研究小组，分析了来自40种不同动物的基因组序列，其范围从果蝇和蛔虫到斑马鱼、大猩猩和人类。对于基因组中的每一个基因，研究人员都搜索了已有的数据库，以便在其他动物之间，以及非动物之间找出最近的匹配基因，其范围包括植物、真菌、细菌和病毒。当一种动物的基因，更加密切地匹配一种非动物基因，而非其他任何动物基因时，研究人员便会展开更进一步的研究，利用计算方法，确定初始数据库搜索是否曾错过了一些东西。总的来看，研究人员最终确定了数百种似乎从细菌、古生菌、真菌、其他微生物和植物转移给动物的基因。
（3）研究表明身藏变异基因并不表示不健康。
2014年5月，荷兰阿姆斯特丹大学医学中心临床遗传学系汉妮·霍斯戴吉主持，来自荷兰和美国研究人员组成的一个研究小组，在《基因组研究》杂志上发表论文称，他们在一名115岁老年妇女的血液细胞中，检测到有400多个基因变异，这表明这些位点发生的突变，在她整个寿命中大部分是无害的。
研究人员说，以往人们认为，基因突变通常与疾病如癌症有关，却很少有人知道健康人体也会发生基因突变。他们的研究告诉人们，身体中存在一些变异基因，并不一定表示就是不健康状态。
研究人员表示，我们的血液是由骨髓里的造血干细胞不断补充的，这些造血干细胞分化生成各种血细胞，包括白血细胞。但细胞分化也容易出错，包括血细胞在内的各种细胞分化频率越高，就可能积累越多的基因突变。比如，人们在急性骨髓性白血病患者的细胞中也发现数百个突变，但还不清楚健康的白血细胞是否也能容纳突变。
在新研究中，科学家对这位超百岁老年妇女的白血细胞进行了全基因组测序，以确定在其一生中，健康白血细胞中发生的基因突变是否积累下来。结果她白血细胞的基因突变超过了400个，而在她脑中没有发现突变。血液和脑是人在出生以后还会有细胞分化的两个部位。这些突变称为体细胞突变，因为它们不会传给后代，身体可以容忍它们而不会引起疾病。检测显示，这些突变都是无害的。非进化保留位点主要位于基因组的非编码区，以往认为与疾病无关，包括那些容易发生突变的位点，如甲基化胞嘧啶DNA碱基和溶剂可及的DNA延伸，以往被认为属于“垃圾区”。
这一重要发现，或许暗示了人类寿命的极限。霍斯戴吉说：“我们发现在她死亡的时候，她的外周血只有两个活跃的、彼此相关的造血干细胞，而我们估计大约有1300个同时活跃的干细胞。这让我们非常吃惊。”
研究人员还检查了她的白细胞端粒的长度，发现其大大短于其他组织的端粒长度。端粒是染色体末端的重复序列，是保证染色体的精确复制、维持染色体长度及稳定性的功能性结构。出生以后，随着细胞的每一次分化，端粒逐渐缩短。