四、杂谈基因 DNA

用病毒基因灭蚊害

美国科罗拉多州立大学的研究人员首次用基因工程的方法，把一种传播致命疾病的蚊子转变成了一种无害的蚊子。这种蚊子带有克洛斯病毒，它能导致儿童患脑炎。科研人员用该病毒的修改基因来改变病毒，使它失去作用。科研人员还把病毒拼接到信德比兹病毒中（这种病毒可以感染蚊子，但不会引起疾病），一旦病毒进入蚊子细胞，信德比兹病毒就开始产生大量的“反感”RNA。RNA 是基因与由基因缩码的蛋白质中间的纽带。反感 RNA 有一种特殊的结构，它可以抑制 DNA，使之无法产生克洛斯病毒蛋白质。当蚊子后来感染上克洛斯病毒时，反感 RNA 就可以阻止其蛋白质的生成，因此该病毒就无法在蚊子体内繁殖，这些蚊子在其整个成年期（大约 40 多天）内就不会传播疾病了。现在科研人员正在研究用基因手段来对付其它由昆虫传染的流行性疾病。

基因 DNA 芯片——划时代的宇宙新突破

人类史上第一次伟大的革命是以计算机蕊片的诞生为标志，计算机芯片整合进众多的装置中，把人类的智能赋予了她自己的产物，给人们的生产、生活带来了巨大的变化。第一次革命发源于美国加州的硅谷，而另一次革命

——芯片基因将对人类的发展产生更加深远的意义。人们关注诞生“多利羊” 的英国苏格兰时，基因芯片正在美国加州的硅谷悄悄地诞生，基因 DNA 芯片的产生将从根本上改变科学界的面貌以及人类生命的质量。它对人类的重大影响是克隆羊所望尘莫及的。

基因蕊片又叫 DNA 阵列，与我们这个信息时代的主角计算机芯片有着非常相似的地方——高度的集成化，不过芯片上不是半导体晶体管，而是成千上万的网格状密集排列的基因探针。这种蕊片使得科研人员有可能在同一时间内分析大量的基因，就像在快速读取生命的篇章，其威力体现在破遗密码的准确、高效之上。

基因芯片的原理非常简单，它的构造是一块带有涂层的特殊玻璃晶片。研究人员使用专门的机械手，把一系列的 DNA 探针固定在芯片上，控制机械

手的计算机可以自动地为不同的 DNA 探针精确地定位。一块 1cm 见方的基因芯片容纳的 DNA 探针数可达数万个，甚至数十万个，而每个基因探针的面积仅为 40um ×40um。 DNA 探针实际上是一段已知序列的寡核苷酸，它可以结合与其碱基序列相匹配的核苷酸，以此推测被结合的未知 DNA 的碱基序列。为了使基因芯片作 DNA 序列分析，必须先用多聚酶链反应（PCR）将未知的DNA 样本扩增，再用限制性内切酶将样本链切开，并用荧光染料标记，然后将一小滴样本加于芯片上。当未知的 DNA 段和芯片上互补的探针相接触时，通过杂交反应使之结合。经过几小时的杂交反应后，芯片用配有特殊照相机的荧光显微镜记录下探针荧光点的精确位置。一个荧光点表示一段互补的DNA 链已结合了一个特定的寡核苷酸“单词”。计算机程序再利用核苷酸链的重新合成部分将“单词”拼成“句子”，“句子”拼成“段落”，以此破译整个基因的密码。

基因 DNA 芯片的现状和发展令人们惊喜。位于美国加利福尼亚的Affymeerix 公司是目前美国最有影响的基因芯片制造和开发商。该公司于1996 年正式制成第一块基因芯片并投放市场，其发展的速度十分惊人，到目

前已经制造了 20 多种芯片。而对于检查人类的基因组中所有的异常基因，只

需要 10 种芯片就足够了。3 年前该公司生产的指甲大小的芯片可容纳 2 万个DNA 探针，而目前可容纳 6.5 个探针。这样的发展速度预计到下一世纪人类就能解开基因的秘密了。

但是，破译人类基因组的 DNA 序列还只是革命的第一步。这正像人们在学外语的过程中认识了 26 个字母就可以拼读单词一样，但若不知道单词的意思是什么，当然就无法知道句子乃至段落的意思了。因此，要真正实现基因革命还需要弄清楚每个基因的功能，以及它们是如何协调的。这就是基因革命的第二阶段的目标，功能基因组基因的任务。目前，科学家们已经在某些基础课题中开始比较不同人的基因，以鉴别具有某种独特性的正常基因的变异体。数年后，科学家们就能将一定的基因型和人的某种特性联系起来。譬如说和长寿、高智商或者性格内向等联系起来，通过了解不同个体基因的过程，研究人员就可以解开疾病，甚至个性的种种秘密。这个秘密的线索就在基因芯片的网络绚丽多彩的网络图案中。每个人的基因图谱就像它的指纹一样独一无二，但复杂过程却远远高于指纹。

一旦科学家们确立了基因的正常图谱，并且开始寻找和疾病有关的异常基因，那时基因芯片将会对人类作出划时代的贡献。目前的研究表明，人类的大多数疾病都可以在基因水平上，不仅是单基因的水平上，而是多基因的水平上阐明发病的机制。例如在癌症研究中使用基因芯片，科研人员可以跟踪细胞的迅速分裂时期的基因变化，去寻找哪些基因的作用失去了控制，或者哪个基因停止了工作，引起了肿瘤的发生，于是可以研制出特定的药物抑制肿瘤触发基因，或者抑制其产生的蛋白质，由此扼杀癌细胞，使患者康复。

我们有信心这样说，基因芯片大规模地应用于科研和临床，为生物医学的发展、为人类文明进步作出贡献的日子已经不远了。

基因 DNA 计算机

了解了基因芯片的发展，可能大家会对如何使用芯片会提出疑问，那么让我们回头看看计算机的又一次革命——DNA 计算机。

在 1946 年世界上出现第一台计算机以来，计算机技术便有了突飞猛进的发展。现在计算机已经到了第五代，而第五代计算机的研制却停滞了。一种

新的、有代表社会性的“生命物’”——DNA 计算机应运而生。

如果将 DNA 计算机与普通计算机加以比较，普通计算机以 0 和 1 表示信息，DNA 计算机以 DNA 的单元为信息；普通计算机引导电子穿越特定的路径而完成运算，而 DNA 计算机必须合成特定排列顺序的 DNA 分子序列，然后让它们在试管中发生极快的化学反应，最后制造出分子的排列顺序才为计算结果；普通计算机对于有 n 个变量的 SAT 程序而言，必须搜索 2■个可能的答案，因此随变量的增加，所需时间成倍地增加，一台计算机就不能完成了。DNA 计算机一支试管能容 260 股 DNA，就如同千千万万台计算机并联，超过了人类在硅世界中所梦想的情形。而且 DNA 内碱基可配对翻译成电脑使用的二进制数字，这种结合能够解决不少计算机方面的问题。

更重要的是，在理论上 DNA 计算机甚至可以编写程序，如同人脑一样。可见，DNA 计算机有生物活性，可以自我复制，自我结合。与其说它们是机器，还不如说它们是一种特殊形式的生命。专家们预言，DNA 计算机的实现还需要一个漫长的过程。但这个过程是人类正走向终极目标的过程，它的成功之日也就是人类彻底改变自身之时。

会自杀的土豆

最近，德国科学家已研制成功一种通过基因控制生产出来的土豆。这种土豆细胞在受到病毒感染后会自杀。这不仅能抑制像土豆晚育病那样的流行病的蔓延，而且对保护其它农作物的安全具有极其重要的作用。

研究人员在土豆未受病毒感染时，把具有破坏性的基因植于其中，而且还植入一种起特殊控制作用的蛋白质（这种蛋白质能够抵消少量巴内斯蛋白质的作用）。所以，只有当一种病源体开始袭击土豆时，才会产生充分的巴内斯蛋白质，使那些起特殊控制作用的蛋白质失去作用，从而促使受病毒感染的细胞死亡。研究人员确认这种基因对于土豆抑制病毒感染很起作用。不仅如此，他们还认为，它也可能对其它农作物起作用。从理论上讲，把这种系统应用于人们所感兴趣的所有农作物应该是可能的。其关健是改变把病毒与巴内斯蛋白质的产生联系起来的特征标签，以便使它适用于对应的农作物。

如果我们可以使土豆内受到病毒感染的细胞自杀，从而使其它作物受到保护的活，那么，我们就不需要使用大量的农药了。

解开基因奥秘的新途径

本世纪一个极其重要的生物学工程已经完成了。在过去的 7 年中，欧洲、

北美和日本的 96 个实验室的 400 名研究人员经过艰苦努力，破译了啤酒酵母细胞的构造和工作所需的完整指令集内数百万计的 DNA“字母”。啤酒酵母不是第一基因组被测定的有机物，但是，它却是第一个基因组被测定的细胞核的复合有机物。

遗传学家们所庆幸的是，接照真核细胞的标准，酸母基因组很小，只含有约 6000 个基因和 1200 万个 DNA 碱基对。而相比之下，人类则需要约 7 万

个基因和 30 亿个碱基，所以遗传学家们在实验中非常喜欢用酵母的基因组作为有机物的试验样本。科学家们知道，酵母基因组的生化表现特性优于其他任何植物、动物或真菌细胞，可以随意地添加基因或剔除基因，这使对特定基因功能的研究变得更加容易。

对酵母基因的测试又揭示出一大片尚待开发的未知领域。目前，生物学家们对 40％的已知基因的功能毫无线索。在这些神秘的基因中，半数是类似

果蝇、老鼠或其他有机物体含有的 DNA 基因，另有半数从未见过。学者们将后者称为“孤儿基因”，因为谁也不知道这些基因究竟属于哪些基因家族。由于无从查起，所以这些基因研究起来非常困难，但研究这些基因也并非不可能，有几家实验室正在直接通过酵母细胞剔除“孤儿基因”，然后观察酵母以及后代有何反应或变化。今后，世界各地的科学家们要把 1000 多个未知基因从酵母细胞中逐一剔除，分别检查每一基因被剔除后对该酵母细胞后代的生长与繁殖能力的影响。研究人员还要监测这些基因在酵母细胞的生存期间内何时制造蛋白质。以及蛋白质归于细胞内何处。

经过这一初步的筛选和甄别，遗传学家们就能对这些基因大略地加以分类。这种初步分类为研究酵母生化特性的各专门实验室今后的研究并确定各个基因的确切功能创造了条件。

剔除试验加深了对基因学界一大迷团的理解。新的试验证实，许多基因对细胞的健康生存来说是多余的。研究人员已了解到，只有约 1/4 的基因对细胞是不可缺少的；若将其剔除，就会使有机体死亡。美国斯坦福大学的维多利亚·史密斯、帕特里克·布郎和戴维·菠茨坦因运用他们称之为“遗传脚印”的一种敏感性显著的新技术，发现大多数非致命性的基因被剔除后对酵母细胞不产生明显的影响。该研究小组用一种能在基因组周围移动的、叫做“跳跃基因”的特殊基因，随机地摧毁酵母中的个别基因，然后对所有受伤或未受伤的酵母细胞加以培养，使得较为健康的细胞试样超过受过伤害的细胞试样。观察结果表明，丧失了重要基因的酵母很快从培养液中消失，而损害细胞生长率的剔除部，即使数量很少，也在数次增殖的过程中逐渐消失。这为研究人员提供了每个基因对酵母生长的重要性的参数。

有了可供选择研究的完整的基因组序列，遗传学家就能对控制基因的全部调节进行研究。这部分 DNA 对于理解基因组如何控制细胞的构成和工作非常关键，因为它们就是基因的开关，其触发信号来自基因组的其它部分、细胞的其它部分以及细胞以外。具有相似调节序列而调节序列同时启动基因开关的基因，可能是通过一条代谢途径相连的。越来越多的生物学家开始把注意力转向利用计算机来进行他们的研究工作。法国巴黎帕斯特研究所的安东尼·丹泌利用计算机，对已经测序的大肠杆菌的基因进行研究，取得了一些成果。

迄今为止，遗传学家们已经为各种不同的细茵以及酵母完成了完整的测序。而细菌和酵母代表了生命树上三大主干的两支。美国伊利诺大学的进化学家卡尔·伍斯不久就要发表的 Methenococcus jannaschii 完整的基因组序列，将成为生命树第三支中首次测定的完整基因组。通过对这些不同有机数序列数据库的比较，伍斯希望能推导出当生命树刚刚是一粒种子时，哪些基因是这些有机物的共同祖先，从而找到有机物的性质，以及地球上最早的生命形态。伍斯说：“生物学要成为一门完整的科学，就必须对地球上生命起源的问题作出解释。”

尽管完整的解开酵母基因组序列有希望解答生物进化、基因调节以及人类疾病等方面的一系列问题，但它还无助于解释有关蠕虫等复合有机体的重要难题。例如，基因是如何帮助组织细胞进入多细胞体，控制大脑和高级神经系统的基因指令的性质，等等。要解释这些问题，研究人员还要等待对微小线虫基因组序列和人类基因组序列的完全测序之后。

从这个意义上说，由酵母基组完全测序而触发的这场“淘金热”，只是

将来基因组研究更加狂热的一个先兆。这些基因组将成为我们留给后人的重要科学遗产。

设计我们的命题

科学家们相信，器官再生将由于基因绘制和细胞发育方面的发现而成为可能。西雅图一家公司现在把一个完整的 DNA 储存于一个玻璃容器内。储存多久？可能几千万年。韦恩州立大学的遗传学家戈连伯格声称：他已经使一个有 2000 万年之久的古代木兰花叶的 DNA 复生。这一例中，DNA 是大自然设计的。将来我们的后代可能偶然发现我们的遗迹，并发现我们自己设计的DNA。

了解了基因 DNA 之后，让我们把视野扩大一点，从小小的基因 DNA 转到它的寄生体——细胞中来看一看。