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什么是基因?基因的前世今生

浏览:122 发表时间:2020-06-30 09:59:12

俗话说“龙生龙,凤生凤,老鼠的儿子会打洞”,为什么龙能生龙,而生不出竹马牛羊,这是因为龙的体内有一份蓝图,有一张菜谱,凭借这张蓝图就能打造出龙的样子,凭借这张菜谱就能传承出龙的味道,这份蓝图,这张菜谱就是基因。

不懂基因是什么?一篇文章带你看懂基因的前世今生

遗传

那么这张蓝图或者这张菜谱到底是什么呢?

让我们一起拨开历史的迷雾,穿越时间和空间的限制,来看看我们是如何一步步找到这张描绘我们自身信息的藏宝图的。

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藏宝图

很久之前我们就发现老子英雄儿好汉,孩子总有地方长得像父母。凡事要刨根问底,我们体内有五脏六腑,再往小了讲,有各种细胞,再往小说有各类分子,这些东西我们早就知道了,但是藏宝图到底在哪里?到底长什么样子呢?

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王祖蓝的复制黏贴

时间回到1854年,这一年是清咸丰4年,第一次鸦片战争已经结束,第二次鸦片战争尚未开始,这一年奥地利帝国的一个小伙子孟德尔对豌豆的遗传产生了浓厚的兴趣,他作为上帝的信徒,开始在修道院的后花园做起了试验。开始研究黄豌豆和绿豌豆杂交应该出现什么豌豆,高个子豌豆和矮个子豌豆的结合后代是什么样子,光滑的豌豆和邹巴巴的豌豆的结晶应该是光滑还是皱巴巴等问题,最后统计不同后代的性状(颜色,高矮等),得出结论:生物的性状是由遗传因子决定的,并且这种遗传因子是成对出现的,具体说来,成对的遗传因子有一个话语权更大,比如说遗传因子A控制高个子,a控制矮个子,那么只有在A遗传因子不存在的条件下,也就是aa的情况下个体才会长得矮。

虽然孟德尔通过观察和统计学方法得出了成对遗传因子的结论,但是遗传因子毕竟只是个逻辑的产物,他并不知道遗传因子是个啥。遗传因子在哪里,遗传因子又长什么样子都是未知数。

1882年,德国生物学家弗来明发现动物细胞内的染色体,并且发现染色体在细胞有丝分裂的不同时期呈现不同的状态(下图为有丝分裂过程)。次年,比利时的生物学家范·贝尔登发现了生殖细胞在分裂的过程中染色体的数目减少一半,而在受精后又恢复正常。那么问题来了,染色体似乎和遗传有关系,但是这和孟德尔发现的基因又有什么关系呢?染色体会不会就是基因呢?但是显然是不对的,人体性状有那么多,高的,矮的,胖的,瘦的,单眼皮,黄皮肤等等等等,但是染色体只有23对,所以不可能。

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暗绿色为细胞,红色的为染色体,亮绿色是纺锤丝

1903年,萨顿提出的染色体遗传理论,我们终于认识到染色体是基因的载体,基因就位于染色体上,那么基因在染色体上是怎么摆放的呢?

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人体内染色体,左为雄性,又为雌性

1909年,也就是慈禧太后归天的第二年,遗传学历史上另一位大佬摩尔根以果蝇为实验对象,以显微镜观察和统计学的计算方法,最终判定基因就在染色体上,并且以直线排列,除此之外他还探明了基因的一系列遗传变异规律(如连锁互换等)。孟德尔和摩尔根的发现合称遗传学三大定律。这个时期我们对基因的认知仍然有局限性,当时认为基因是染色体上重组,突变的最小单位,不可再分割。

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黑色为染色体模式图,每一个白色的的线为基因,基因在染色体上线性排列

目前为止,藏宝图的位置更近了一步,藏宝图就位于染色体上,但是染色体上有核酸,有蛋白质,有糖类等,究竟哪一个才是藏宝图呢?

1930年到1950年之间,科学家设计了一系列实验来探索上面提到的三种物质哪种才是真正藏宝图使用的材料。格里菲斯的肺炎双球菌试验和赫尔希等的噬菌体感染细菌试验都非常巧妙的证明核酸才是生物遗传所必须的材料,缺少了核酸生物的性状就不能传给下一代。

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肺炎双球菌转化试验

但是核酸究竟是何许人也,长什么样子能有这么大的本事,能保证人的性状准确无误的传给下一代而不出错呢?

时间来到1953年,这一年,年轻的沃森和克里克在国际权威期刊发表了仅仅两页的论文,揭示了脱氧核糖核酸DNA的双螺旋结构,至此,我们终于找到了藏宝图,从此遗传学的研究进入了分子阶段。

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DNA双螺旋结构

1957年,本泽尔以T4噬菌体为材料,在DNA分子水平上研究基因内部的精细结构,提出了顺反子概念。顺反子是1个遗传功能单位,1个顺反子决定1条多肽链。能产生1条多肽链的是1个顺反子,顺反子也就是基因的同义词。这时候我们才了解基因不是突变的最小单位,重组也不是最小单位,突变擦拭基因的最小单位,也就是我们现在所熟知的碱基。

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某基因序列

至此,历经100多年,几代科学家不断学习不断积累,我们终于在细胞的深处找到了藏宝图所在的位置,也看到了藏宝图的内容,不过这内容犹如二进制代码是一堆01的组合一样,藏宝图里只有ATCG四中字符(如上图),怎么解开其中的奥妙又是另一个个精彩的故事了,直到今日,尽管人类基因组计划已经完成将近20年了,基因测序的成本也越来越低,但是这份藏宝图还有太多的内容是我们不知道的。

最后让我们站在细胞的角度,来欣赏下这幅藏宝图在细胞中位置示意图。

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从细胞到DNA

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