基因科學(xué)中的學(xué)科交叉

1、基因科學(xué)中的學(xué)科交叉這幾年來(lái)，基因科學(xué)獲得了飛速的進(jìn)展，而且隨著基因知識(shí)的普及，人們?cè)絹?lái)越多地認(rèn)識(shí)到 基因科學(xué)與我們的日常生活有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，同時(shí)，可以利用自己的基因知識(shí)來(lái)武裝好 自己?？v觀基因科學(xué)的發(fā)展歷史，在基因科學(xué)逐步取得成就的過(guò)程中離不開(kāi)學(xué)科交叉，相信基因科 學(xué)在未來(lái)的發(fā)展中還會(huì)更平凡地出現(xiàn)學(xué)科交叉。其中，比較著名的案例就是沃森和克里克構(gòu)建的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，最先給他們啟發(fā)的 是威爾金斯在一次在意大利舉辦的生物大分子結(jié)構(gòu)會(huì)議上展示的一張DNA的X射線衍射的 幻燈片，物理學(xué)家出生的克里克對(duì)衍射圖譜的分析十分熟悉，能夠幫助沃森理晶體學(xué)的原理， 而沃森可以幫助克里克理解生物學(xué)的內(nèi)容，

2、他們由DNA衍射圖譜推斷出DNA分子呈螺旋 結(jié)構(gòu)，后來(lái)在得知A與T配對(duì)，C與U配對(duì)后，構(gòu)建了雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，當(dāng)他們吧這個(gè)用 金屬材料制作的模型與拍攝的X射線衍射照片比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩者完全相符。 這就是基因科學(xué)與物理科學(xué)完美結(jié)合的實(shí)例。當(dāng)孟德?tīng)栕鐾愣闺s交試驗(yàn)的時(shí)候，為了研究控制不同性狀的遺傳因子的遺傳規(guī)律的時(shí)候，巧 妙地運(yùn)用了數(shù)學(xué)上的統(tǒng)計(jì)學(xué)，才發(fā)現(xiàn)不同性狀的豌豆種子比例為3:1或9:3:3:1，就這樣，他 總結(jié)出了基因的遺傳定理和自由組合定理，為遺傳學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。近年來(lái)，全世界都在致力于人類基因組測(cè)序，有了人類基因組圖譜，我們就可以了解人類幾 萬(wàn)個(gè)基因的全部檔案，如某個(gè)基因在那條染色體的什么

3、位置，這個(gè)基因的結(jié)構(gòu)怎樣，功能是 什么。這樣一來(lái)，人類對(duì)自身就有比較全面的了解。了解了基因，就能夠找到新的診斷和治 療疾病方法。一個(gè)新生兒出世時(shí)，如果法律允許，父母可以拿到孩子的基因圖組，這張圖， 將記錄著一個(gè)新生命的全部遺傳奧秘。此外，人類基因組研究還會(huì)對(duì)生命科學(xué)其他領(lǐng)域內(nèi)的 研究產(chǎn)生重大影響。近年來(lái)，隨著“人類基因組計(jì)劃”的實(shí)施，生命科學(xué)進(jìn)入了一個(gè)“后基因組”時(shí)代。在這樣 一個(gè)時(shí)代，生命科學(xué)關(guān)注的范圍越來(lái)越廣，涉及的問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，采用的技術(shù)也越來(lái)越先 進(jìn)。這一切使得科學(xué)界興起了一個(gè)潮流數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等非 生物學(xué)科與生命科學(xué)相互交叉的潮流；出現(xiàn)了一批新型的多學(xué)科交叉

4、的研究機(jī)構(gòu)，如美國(guó)斯 坦福大學(xué)的BioX中心。同時(shí)，在這個(gè)過(guò)程中誕生了許多新的交叉學(xué)科。無(wú)獨(dú)有偶，這種非生物學(xué)與生物學(xué)交叉的潮流在上個(gè)世紀(jì)初也出現(xiàn)過(guò)。19世紀(jì)末到20世紀(jì) 初，物理學(xué)和化學(xué)有了很大的發(fā)展和完善。那時(shí)的科學(xué)家相信，自然界存在著統(tǒng)一的規(guī)律， 一切事物都應(yīng)該遵循，生命也不例外。在這些物理學(xué)家和化學(xué)家的眼里，生命和非生命一樣， 都可以通過(guò)物理學(xué)和化學(xué)的定律來(lái)研究和解釋；生物體不存在什么不能被還原為物理化學(xué)描 述的屬性或特征。1940 年代，奧地利物理學(xué)家薛定諤寫下了生命是什么一書，從物理學(xué)的角度對(duì)生命現(xiàn) 象進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。今天生命科學(xué)中的許多重要概念如“遺傳密碼”，就是在那本書中首次

5、 提出的。在那段時(shí)間里，許多著名物理學(xué)家、化學(xué)家和數(shù)學(xué)家紛紛轉(zhuǎn)入生命科學(xué)研究領(lǐng)域， 如美國(guó)化學(xué)家鮑林和物理學(xué)家德?tīng)柌紖慰恕＿@種不同學(xué)科的交叉融合結(jié)出了許多碩果，其中 最重要的也許是德?tīng)柌紖慰说膶W(xué)生沃森和英國(guó)晶體學(xué)家克里克在1953年提出的DNA雙螺 旋模型。從此生命科學(xué)由過(guò)去的描述性學(xué)科轉(zhuǎn)變成為實(shí)驗(yàn)科學(xué)，并形成了許多新的分支學(xué)科。 比較兩次圍繞著生命科學(xué)興起的多學(xué)科交叉潮流，可以看到許多相似之處，也可以發(fā)現(xiàn)明顯 的不同。也許一個(gè)最重要的區(qū)別，便體現(xiàn)在對(duì)新興學(xué)科的命名上。在前基因組時(shí)代，圍繞生 命科學(xué)的交叉學(xué)科是以表示數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等學(xué)科的名詞作為詞干X”，結(jié)合上一個(gè)代表 生命的前綴bio 而

6、成，即BioX。而在后基因組時(shí)代誕生的新學(xué)科，則是以生物學(xué)作為詞 干，以其他非生物學(xué)科作為形容詞來(lái)組成一個(gè)復(fù)合名詞，即X-Biology。在科學(xué)家認(rèn)識(shí)發(fā)展的基礎(chǔ)上，在20 世紀(jì)末又一次興起了與生命科學(xué)相關(guān)的多學(xué)科交叉的潮 流。但這一次唱主角的不再是物理學(xué)或化學(xué)，而是生物學(xué)。一種新的命名方式隨即出現(xiàn)，即 “X Biology”“biology”成了詞干，而其他學(xué)科都成了“形容詞”。這一表達(dá)方式一方面強(qiáng)調(diào)生命是一個(gè)特定的研究對(duì)象，不再是物理學(xué)或化學(xué)等學(xué)科的附屬 品；另一方面，它也強(qiáng)調(diào)了非生命學(xué)科對(duì)生命科學(xué)研究的重要性。當(dāng)前的生物學(xué)研究越來(lái)越 定量化，需要的技術(shù)也越來(lái)越復(fù)雜。由于新技術(shù)的引進(jìn)常常會(huì)帶

7、來(lái)研究上巨大的突破，所以 目前這些新興的交叉學(xué)科，其核心是從技術(shù)的層面引入非生物學(xué)學(xué)科。例如，過(guò)去的遺傳學(xué) 研究依賴于對(duì)單個(gè)基因突變的分析，而今天的化學(xué)遺傳學(xué)，則試圖利用組合化學(xué)產(chǎn)生的巨量 小分子化合物去研究基因的功能。這門學(xué)科的創(chuàng)始人之一、美國(guó)哈佛大學(xué)教授斯耐伯曾這樣 說(shuō)過(guò)：“我們的目標(biāo)是為每一個(gè)基因找到相應(yīng)的小分子化合物，用它們來(lái)分析細(xì)胞和有機(jī)體 的功能.有意思的是，在這一次生命科學(xué)與其他學(xué)科交叉的潮流中，許多重要角色都是從事生命科學(xué) 的研究人員。他們推動(dòng)了生命科學(xué)的進(jìn)步，也深切感受到了 20世紀(jì)實(shí)驗(yàn)生物科學(xué)的局限性。 正如美國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)、生物學(xué)家阿爾伯特在一篇評(píng)述文章中所說(shuō)：“對(duì)控制生命

8、系統(tǒng)的熱力 學(xué)和動(dòng)力學(xué)因子的深刻理解，以及把化學(xué)和物理學(xué)的最新發(fā)展作為恰當(dāng)工具的能力，將是成 功的關(guān)鍵。 ”由此可以斷言，這兩種對(duì)生命科學(xué)相關(guān)的交叉學(xué)科的命名方式，體現(xiàn)出了人們對(duì)生命現(xiàn)象的 不同理解，也體現(xiàn)出了對(duì)研究生命的方法的不同要求。作為一個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，我深知基因科學(xué)的發(fā)展越來(lái)越離不開(kāi)計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在努力打好計(jì) 算機(jī)的基礎(chǔ)，如果將來(lái)能都從事基因科學(xué)這一行業(yè)，一定會(huì)大有幫助。三 肥胖基因與人類健康基因又稱為遺傳因子，是DNA （脫氧核糖核酸）分子上的具有遺傳信息的特定核苷酸序列 的總稱，是具有遺傳效應(yīng)的DNA分子片段。是編碼蛋白質(zhì)或RNA等具有特定功能產(chǎn)物的 遺傳信息的基本單位。一般來(lái)說(shuō)，

9、基因都是通過(guò)編碼蛋白質(zhì)或RNA來(lái)表現(xiàn)遺傳信息的，這 種表現(xiàn)成為性狀，基因通過(guò)自我復(fù)制把特定的遺傳信息傳遞給下一代，使后代出現(xiàn)與親本相 類似的形狀?；蚴怯羞z傳效應(yīng)的DNA片段，有著特定的遺傳效應(yīng)，我們知道，一個(gè)DNA分子的基 本骨架是由脫氧核苷酸和磷酸交替連接而成的，骨架內(nèi)側(cè)4 種堿基的排列順序卻是可變的， 因此構(gòu)成了 DNA分子的多樣性，而堿基的特定排列順序，又構(gòu)成了每一個(gè)DNA分子的特 異性，而DNA分子的多樣性和特異性正是生物多樣性和特異性的基礎(chǔ)，而基因就是分布在 DNA 分子上的有遺傳效應(yīng)的片段。那么，基因到底是如何起作用的呢？一般來(lái)說(shuō)，性狀的形成離不開(kāi)蛋白質(zhì)（特別是酶）的作用，可想而

10、知，基因是通過(guò)指導(dǎo) 蛋白質(zhì)的合成來(lái)控制性狀，這一過(guò)程就稱為基因的表達(dá)。在DNA和蛋白質(zhì)之間還有一種物質(zhì)充當(dāng)信使，它就是RNA。RNA 一般是單鏈，而且比 DNA短，因此能夠順利通過(guò)核孔，把遺傳信息傳遞到細(xì)胞質(zhì)中。首先，DNA雙鏈解開(kāi)，其 中的堿基暴露出來(lái)，游離的核糖核苷酸（RNA基本單位）隨機(jī)地和這些堿基碰撞，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則以氫鍵結(jié)合，這樣，在RNA聚合酶的作用 下，游離的堿基漸漸合成信使RNA,之后RNA從DNA鏈上釋放出來(lái)，DNA又恢復(fù)雙鏈。 接著，通過(guò)核孔進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，游離在細(xì)胞質(zhì)中的各種氨基酸，以RNA為模板在核糖體上 合成具有一定氨基酸序列的蛋白質(zhì)。從上述可以看出，基因通過(guò)控制

11、酶的合成來(lái)控制代謝過(guò)程，進(jìn)而控制生物體的性狀，而 且基因還能通過(guò)控制蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)直接控制生物體的形狀。有時(shí)候，形狀還與外界環(huán)境有關(guān)， 實(shí)際上性狀是由基因和環(huán)境共同作用的產(chǎn)物。人類大約存在上萬(wàn)個(gè)基因，這些基因日日夜夜都在按照自己的信息忠實(shí)地讓主人表現(xiàn)出 來(lái)，還有一些在受內(nèi)外因素刺激后發(fā)生變異。一般來(lái)說(shuō)，基因的遺傳遵循分離定律和自由組合定律。正常的體細(xì)胞有 23 對(duì) 46 條染色體，而產(chǎn)生的下一代遺傳物質(zhì)卻沒(méi)有增多，那么在 46 條染色體的細(xì)胞結(jié)合之前肯定經(jīng)過(guò)一次染色體減半的過(guò)程，這一過(guò)程叫做減數(shù)分裂。孟德?tīng)?先生在做過(guò)大量的豌豆雜交試驗(yàn)和精確的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)后得出結(jié)論，就是今天所說(shuō)的兩大遺傳定 律，在

12、生殖細(xì)胞產(chǎn)生配子時(shí)，同源染色體上的等位基因分離，非同源染色體上的非等位基因 自由組合。的確，進(jìn)行有性生殖的生物在產(chǎn)生成熟生殖細(xì)胞時(shí)，進(jìn)行染色體數(shù)目減半的細(xì)胞 分裂。這一過(guò)程叫做減數(shù)分裂，在減數(shù)分裂中，染色體只復(fù)制一次，而細(xì)胞分裂兩次。減數(shù) 分裂的結(jié)果是，成熟生殖細(xì)胞中的染色體數(shù)目比原始生殖細(xì)胞的少一半。以上說(shuō)過(guò)生物體的性狀主要是由基因控制的，基因能通過(guò)控制蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)直接控制生 物體的形狀或是通過(guò)控制酶的結(jié)果來(lái)控制性狀，實(shí)際上，基因與性狀并不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系， 有多因一效（多個(gè)基因同時(shí)控制一種形狀）和一因多效（一個(gè)基因同時(shí)控制多種形狀）的現(xiàn) 象出現(xiàn)。人類體內(nèi)有成千上萬(wàn)個(gè)基因，都在共同協(xié)作，使人

13、體能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在這里只舉一個(gè) 基因的例子。肥胖基因，又叫FTO,是指，它們所編碼蛋白質(zhì)是一種食欲與能量平衡調(diào)節(jié)途徑的組成 部分，而這種途徑的失衡直接或者間接導(dǎo)致體脂肪的積累和體重增加。今年春季，當(dāng)?shù)谝粋€(gè) 隱藏在肥胖癥背后的關(guān)鍵基因被發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家們無(wú)不感到歡欣鼓舞。然而不久他們便搔起 了頭皮。沒(méi)有人甚至包括發(fā)現(xiàn)這種基因的糖尿病專家一知道這種名為FTO的基因到 底是如何工作的。如今，一個(gè)研究小組向著破譯FTO蛋白質(zhì)令人發(fā)胖的原因邁出了關(guān)鍵一 _lB 步。FTO 的發(fā)現(xiàn)源于對(duì) 2 型糖尿病相關(guān)基因的搜索，但研究人員很快便意識(shí)到，它所扮演 的真正角色與肥胖癥直接相關(guān)。盡管科學(xué)家一直認(rèn)為遺傳因素可能是

14、造成肥胖癥的重要原 因，但相關(guān)基因的敲定卻困難重重。在這項(xiàng)發(fā)表在科學(xué)雜志上的研究中，研究人員對(duì)大 約 39000 人進(jìn)行了采樣分析，斷定攜帶一種 FTO 變異的兩個(gè)副本的人，其體重增加了約3 公斤，這是關(guān)于一種常見(jiàn)肥胖癥基因的第一個(gè)清晰例證。然而隨后的研究工作卻使科學(xué)家遭 遇了瓶頸，即FTO究竟干了什么以及它的運(yùn)行機(jī)制到底是什么？為了回答這些問(wèn)題，由幾家英國(guó)研究機(jī)構(gòu)組成的科研小組分別對(duì)FTO進(jìn)行了不同側(cè)重的研 究。其中劍橋大學(xué)的遺傳學(xué)家Stephen ORahilly和他的同事嘗試了解FTO蛋白質(zhì)對(duì)于動(dòng)物 是如何作用的。研究人員在實(shí)驗(yàn)室小鼠體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，其大腦下丘腦用來(lái)幫助調(diào)節(jié)機(jī)體的能 量平衡中的

15、FTO含量非常高。與對(duì)照組的小鼠相比，下丘腦中FTO減少60%的小鼠往 往會(huì)拒絕進(jìn)食。這意味著，F(xiàn)TO在食欲的控制中可能扮演了一個(gè)重要角色。 而牛津大學(xué)的科學(xué)家則將這項(xiàng)研究又向前推進(jìn)了一步對(duì) FTO 蛋白質(zhì)的基因序列進(jìn)行了 研究。結(jié)果顯示，這種蛋白質(zhì)的作用更接近于酶，能夠通過(guò)去除一個(gè)甲基修復(fù)脫氧核糖核酸 （DNA）。更多的研究證明，F(xiàn)TO蛋白質(zhì)能夠使DNA脫甲基化。但是這項(xiàng)研究的主持人之一、 牛津大學(xué)的酶學(xué)專家Christopher Schofield承認(rèn)，依然有一些缺失的環(huán)節(jié)沒(méi)有搞清被FTO酶脫甲基的到底是什么基因或基因組，以及這一過(guò)程如何對(duì)肥胖癥造成影響。美國(guó)研究人員說(shuō)，劇烈體育運(yùn)動(dòng)有助于

16、保持體重，甚至對(duì)肥胖基因攜帶者也有效。 研究人員說(shuō)，對(duì)一組阿米什人進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)：攜帶肥胖基因但積極參加體育鍛煉的人， 他們的體重與非肥胖基因攜帶者一樣。馬里蘭大學(xué)的索倫斯尼特克說(shuō)：“當(dāng)我們研究最為積極參加體育鍛煉的阿米什人時(shí)，突 然就覺(jué)得基因沒(méi)有產(chǎn)生影響?！毖芯砍晒麑⒖窃趦?nèi)科學(xué)文獻(xiàn)上。研究結(jié)果表明：體育鍛煉可以克服肥胖基因的影響，這個(gè)發(fā)現(xiàn)或許能為相關(guān)辯論提供依 據(jù)，即：究竟是改變飲食結(jié)構(gòu)還是體育鍛煉才能最有效地控制肥胖。研究人員著重對(duì)蘭開(kāi)斯特縣的704 名舊規(guī)阿米什人進(jìn)行了研究。這個(gè)宗教派別的人通常 不開(kāi)車，居所也不用電。斯尼特克說(shuō)，這些人分別從事不同程度的體育鍛煉，其中有些農(nóng)民 仍然使用馬拉犁耕地，而另外一些人則從事比較常見(jiàn)的工作，包括在工廠工作。斯尼特克與邁阿密大學(xué)的埃瓦德尼蘭佩紹德希望通過(guò)研究得出結(jié)論，看看在這些人當(dāng) 中體育運(yùn)動(dòng)是否能夠彌補(bǔ)肥胖基因造成的影響。歐洲裔的人一半以上攜帶這種