基因是具有遺傳效應(yīng)的脫氧核糖核酸片段，也稱作遺傳因子。它支持著生命的基本性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能，儲存著一個生命體含有的種族、血型、孕育、生長、凋亡過程的全部信息。生命體的生老病死，旺盛或衰敗等一切現(xiàn)象及演繹過程，都與基因相關(guān)。基因既反映生命體的物質(zhì)屬性，又反映生命體的信息內(nèi)容，是構(gòu)成生命的基礎(chǔ)要素之一。本章著重考察國外在基因領(lǐng)域研究取得的成果，概述國外基因領(lǐng)域出現(xiàn)的創(chuàng)新信息。21世紀(jì)以來，國外在基因生理方面的研究，主要集中在基因性質(zhì)、基因結(jié)構(gòu)及功能、基因遺傳信息、基因機(jī)理等。在基因破譯方面的研究，主要集中在微生物基因、植物基因、動物基因和人類基因的破譯，以及基因破譯技術(shù)和設(shè)備的發(fā)明創(chuàng)造。在基因重組和合成方面的研究，主要集中在提高基因重組的安全性和效率，推出人造染色體，成功合成酵母染色體。在基因種類方面的研究，主要集中在與生命體成長、體貌特征、腫瘤和癌癥、心腦血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)生理及疾病、消化系統(tǒng)疾病、代謝性疾病、傳染病等相關(guān)的基因。在基因治療方面的研究，主要集中在基因檢測、臨床基因治療，以及基因治療的載體和技術(shù)。

第一節(jié) 基因生理方面研究的新成果

一、基因性質(zhì)研究的新進(jìn)展

1.古代基因性質(zhì)研究的新成果

（1）成功提取千年前維京人的DNA。

2008年6月，丹麥哥本哈根大學(xué)科學(xué)家約爾根·迪星領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組，在美國《公共科學(xué)圖書館·遺傳學(xué)》雜志上發(fā)表研究成果稱，他們已成功從10具1000年前維京人遺骸中提取脫氧核糖核酸（DNA）進(jìn)行分析研究。研究人員認(rèn)為，如果情況屬實，這將是一項舉世矚目的成就。此前，很多研究者認(rèn)為從古代人尸體殘骸中提取DNA是不可能的事。

研究人員說，他們在丹麥菲英島一處墓地發(fā)現(xiàn)了1000年前的維京人遺骸。為了防止對古代人DNA造成污染，影響研究效果，科學(xué)家們穿著防護(hù)外套，在挖出遺骸的同時，迅速從其下顎中取出牙齒并帶回實驗室。這樣，在沒有出現(xiàn)任何污染的情況下，提取到古代維京人的DNA。

迪星說：“對維京人DNA的分析中，我們沒有發(fā)現(xiàn)任何外來DNA的污染，而且，這次研究成果顯著，我們發(fā)現(xiàn)古代維京人和現(xiàn)代人類一樣具有多樣性。”此次研究中，迪星和他的同事們對維京人的家族關(guān)系和基因變異最感興趣。

研究報告指出，從古代人殘骸中提取的DNA，具有很高的研究價值。通過分析這些DNA樣本，可以找出人類基因遺傳疾病的起源、發(fā)現(xiàn)祖先遷移的方式，還能了解古代人類部落和家庭的組織結(jié)構(gòu)概況。

（2）重建30億年前基因組化石。

2010年12月，有關(guān)媒體報道，化石有助于古生物學(xué)家編寫自那時起的生命進(jìn)化史，但要繪制出早于寒武紀(jì)的30億年前的生命圖景，還非常困難。因為寒武紀(jì)前的軟體動物細(xì)胞很少留下化石印記，但這些早期的生命卻留下了一些微小的化石：DNA。麻省理工學(xué)院的生物學(xué)家埃里克·阿爾姆和博士生勞倫斯·戴維等人組成一個研究小組，利用現(xiàn)代基因組，在一系列基因進(jìn)化規(guī)則之下，重新構(gòu)造了這些古老的微生物，并鑒別出許多跟氧氣有關(guān)的新基因，首次提出可能是氧氣的出現(xiàn)導(dǎo)致“太古代大爆發(fā)”。

研究發(fā)現(xiàn)，直到25億年前，地球大氣中才出現(xiàn)了氧氣并逐漸積累，由此在“大氧化事件”中殺死了大量的厭氧生物。“大氧化事件”，可能是細(xì)胞生命史中最大的悲劇事件，我們卻沒有它的任何生物記錄。

經(jīng)過進(jìn)一步分析顯示，利用氧氣的基因，直到28億年前“太古代大爆發(fā)”末期才出現(xiàn)，這更為基因化學(xué)家所設(shè)想的“大氧化事件”增加了證據(jù)。

研究人員認(rèn)為，正是一種有氧光合作用，形成了“大氧化事件”中的氧氣，也形成了我們今天所呼吸的氧氣。太古代時期電子轉(zhuǎn)移逐漸進(jìn)化，經(jīng)過生命歷史的幾個關(guān)鍵階段，包括光合作用和呼吸，最終使大量的能量被固定下來，存儲在生物圈中。

通過分析與基因有關(guān)的金屬和分子，以及它們在長期內(nèi)的演變，戴維和阿爾姆也研究了“太古代大爆發(fā)”之后，微生物基因組的進(jìn)化。他們發(fā)現(xiàn)利用氧氣的基因，比例越來越大，與銅和鉬相關(guān)的酶也是如此，這與地質(zhì)學(xué)的進(jìn)化記錄相一致。

（3）發(fā)現(xiàn)羊皮紙?zhí)N藏著古代DNA。

尋找古代DNA并非易事。例如，風(fēng)化作用和細(xì)菌對化石造成的污染，會使得恢復(fù)足夠純度且未受損傷的遺傳物質(zhì)非常困難。2015年1月，英國一個研究小組，在英國皇家學(xué)會《哲學(xué)學(xué)報B卷》網(wǎng)絡(luò)版上發(fā)表研究成果稱，他們發(fā)現(xiàn)了一種新的古代DNA來源：羊皮紙。從兩張分別來自17世紀(jì)和18世紀(jì)的羊皮紙上獲得的遺傳物質(zhì)顯示，綿羊為紙張?zhí)峁┝嗽疾牧稀Ｍ瑫r，在17～18世紀(jì)，羊皮紙所在的英國當(dāng)?shù)厮褂玫木d羊種類發(fā)生了改變：從雜亂的蘇格蘭高地黑臉綿羊變成笨重的低地品種。

在幾個世紀(jì)的時間里，人類文明一直依賴山羊、綿羊、豬、牛等，被伸直、曬開和拼湊而成的獸皮，作為“紙張”問題，記錄當(dāng)時發(fā)生的事情。此前，試圖從羊皮紙上獲得DNA的努力不是很成功，但通過利用現(xiàn)代測序技術(shù)，研究人員如今能夠從羊皮紙上獲取豐富的牲畜DNA。

羊皮紙不僅遺傳物質(zhì)豐富，同時作為一份法律文件，它們被細(xì)心地保存下來，且通常注有日期。這使得羊皮紙比骨頭更容易成為古代DNA的來源。來自羊皮紙的真實遺傳物質(zhì)，并不能闡明人類的演化，但在科學(xué)家看來，它能揭示過去700年間的農(nóng)業(yè)歷史，并且最終為歷史學(xué)家提供關(guān)于某一特定羊皮紙文件制造地點(diǎn)和時間的信息。

2.基因性質(zhì)研究的新發(fā)現(xiàn)

（1）發(fā)現(xiàn)精子具有獨(dú)特的“基因簽名”性質(zhì)。

2009年8月，美國每日科學(xué)網(wǎng)站報道，英國利茲大學(xué)大衛(wèi)·米勒和大衛(wèi)·埃爾斯博士與布拉德福德大學(xué)馬丁·布林克沃思博士等人組成的一個研究小組，在英國生物技術(shù)及生物科學(xué)研究理事會資助下進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，人類精子具有獨(dú)特的“基因簽名”性質(zhì)，這對于開啟卵子的生育能力和孕育新生命，起到關(guān)鍵作用。這一發(fā)現(xiàn)，將對人們更好地了解受孕的奧秘有幫助。

研究人員說，他們發(fā)現(xiàn)精子會寫下一種“基因簽名”，只能被同物種的卵子所識別。精子的“基因簽名”好似鑰匙，只有被同物種的卵子識別，才能開啟受孕之鎖。精子的“基因簽名”會促進(jìn)受精活動發(fā)生，也能解釋一個物種如何發(fā)育出獨(dú)特的基因特征。埃爾斯說，“我們發(fā)現(xiàn)哺乳動物精子有‘基因簽名’，對卵子的受孕和胚胎的發(fā)育至關(guān)重要。此前人們并沒有發(fā)現(xiàn)精子有‘基因簽名’，我們認(rèn)為‘基因簽名’存在的時間很久遠(yuǎn)。”

研究人員認(rèn)為，假如沒有正確的“鑰匙”來開啟生育能力的“鎖”，要么就不能成功受精，要么即使受精，也不會正常發(fā)育。人們已經(jīng)知道人類精子DNA排列組合的紊亂，會導(dǎo)致男性不育癥和受孕失敗。而且這種“鎖鑰”機(jī)制還有更深一層的意義。它不僅能解釋，為什么有些其他方面健康的男性產(chǎn)生的精子卻是不育的，也能解釋不同的物種是如何進(jìn)化并保持其特性的。米勒說：“直到現(xiàn)在，醫(yī)學(xué)家們還在努力探究先天性男性不育癥。我們的最新研究提供了一種可能的解釋，為什么有些精子會存在功能障礙或者不能正常受精。”

如果精子細(xì)胞攜帶的DNA沒有受傷，而且伸展開的話，那么實際上它會有一米多長。為了適應(yīng)精子細(xì)胞核的微小空間，精子DNA就必須要緊緊地卷到一起或排列在一起。利茲大學(xué)的研究顯示，在人類和老鼠的精子中，并不是所有的DNA都按照同樣的方式排列。大部分雄性方的DNA是非常緊湊的壓縮在一起，同時有些DNA則排列得不那么緊密。

埃爾斯說：“精子細(xì)胞中有一種特定的DNA排列方式。而且我們發(fā)現(xiàn)，即使在不相關(guān)的有生育能力的男性中，這種排列方式也是一樣的。這表明這種DNA排列方式與男性生育能力有著直接的關(guān)系。”

對精子DNA在空闊的、不太緊密的排列構(gòu)造下的詳細(xì)分析顯示，這種DNA攜帶著很多關(guān)鍵信息，這些信息能夠激活導(dǎo)致胚胎發(fā)育的重要基因。進(jìn)一步的研究表明，相同的構(gòu)造存在于幾個不相關(guān)的捐精者的精子中，更引人注目的是，相似的排列構(gòu)造存在于老鼠的精子中。

相比于緊密排列的DNA，空闊構(gòu)造的DNA，或許更容易受到諸如存在于香煙和有些抗癌藥物中的破壞性毒素的傷害。正如布林克沃思所說：“這也許意味著，那些可能對精子產(chǎn)生基因損害的東西，對于胚胎發(fā)育也有著重大的影響。”

這些發(fā)現(xiàn)，還能解釋為什么近親物種繁殖的成功例子會這么少。如果兩個物種的“鎖”和“鑰匙”不相配，無論它們的DNA多么相似，都不會孕育后代。就像馬和驢交配，有時候能夠產(chǎn)生后代。但是因為精子和卵子無法相配，其胚胎的發(fā)育是不正常的，那么其后代幾乎都是不育的。

研究小組相信，相同的基因性質(zhì)和運(yùn)行機(jī)制，一定還在人類進(jìn)化過程中發(fā)揮過重要作用。在人類早先的歷史中，穴居人與現(xiàn)代人類共存了幾千年。不排除曾發(fā)生過這兩個相似物種間的交配行為，但在我們的DNA中沒有發(fā)現(xiàn)這些行為遺留的痕跡。假如可能孕育了后代的話，那么或者他們沒能存活太久，或者即使他們存活了，也不能再繁衍后代。

（2）發(fā)現(xiàn)人類或攜帶145種其他生物基因。

2015年3月，英國劍橋大學(xué)生物學(xué)家阿拉斯泰爾·克里斯普領(lǐng)導(dǎo)，他的同事為主要成員的研究小組，在《基因組生物學(xué)》雜志網(wǎng)絡(luò)版上發(fā)表論文稱，一個人從細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)來說，并不是完整意義上的人。每個人可能都攜帶了多達(dá)145個基因，而這些基因有的來自細(xì)菌、其他單細(xì)胞生物體，以及病毒，并把人類基因組當(dāng)作了自己的家。

這一結(jié)論來自一項新的研究，它提供了迄今為止最廣泛的證據(jù)，表明在生物的進(jìn)化歷史中，來自生命其他分支的基因最終成為動物細(xì)胞的一部分。

克里斯普說：“這一發(fā)現(xiàn)，意味著生命之樹，并不是由完美的分支世系構(gòu)成的一棵一成不變的大樹。而事實上，它更像那些亞馬遜絞殺植物無花果的一種，所有的根系都糾纏與交錯在一起。”

研究人員已經(jīng)知道水平基因轉(zhuǎn)移，即除了親代向子代遺傳之外的遺傳信息在生物體之間的流動，在細(xì)菌和其他簡單的真核生物中是司空見慣的常事。例如，這一過程，使得生物體能夠迅速共享一組耐抗生素基因，從而適應(yīng)一種抗生素。

克里斯普研究小組，分析了來自40種不同動物的基因組序列，其范圍從果蠅和蛔蟲到斑馬魚、大猩猩和人類。對于基因組中的每一個基因，研究人員都搜索了已有的數(shù)據(jù)庫，以便在其他動物之間，以及非動物之間找出最近的匹配基因，其范圍包括植物、真菌、細(xì)菌和病毒。當(dāng)一種動物的基因，更加密切地匹配一種非動物基因，而非其他任何動物基因時，研究人員便會展開更進(jìn)一步的研究，利用計算方法，確定初始數(shù)據(jù)庫搜索是否曾錯過了一些東西。總的來看，研究人員最終確定了數(shù)百種似乎從細(xì)菌、古生菌、真菌、其他微生物和植物轉(zhuǎn)移給動物的基因。

（3）研究表明身藏變異基因并不表示不健康。

2014年5月，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)醫(yī)學(xué)中心臨床遺傳學(xué)系漢妮·霍斯戴吉主持，來自荷蘭和美國研究人員組成的一個研究小組，在《基因組研究》雜志上發(fā)表論文稱，他們在一名115歲老年婦女的血液細(xì)胞中，檢測到有400多個基因變異，這表明這些位點(diǎn)發(fā)生的突變，在她整個壽命中大部分是無害的。

研究人員說，以往人們認(rèn)為，基因突變通常與疾病如癌癥有關(guān)，卻很少有人知道健康人體也會發(fā)生基因突變。他們的研究告訴人們，身體中存在一些變異基因，并不一定表示就是不健康狀態(tài)。

研究人員表示，我們的血液是由骨髓里的造血干細(xì)胞不斷補(bǔ)充的，這些造血干細(xì)胞分化生成各種血細(xì)胞，包括白血細(xì)胞。但細(xì)胞分化也容易出錯，包括血細(xì)胞在內(nèi)的各種細(xì)胞分化頻率越高，就可能積累越多的基因突變。比如，人們在急性骨髓性白血病患者的細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)數(shù)百個突變，但還不清楚健康的白血細(xì)胞是否也能容納突變。

在新研究中，科學(xué)家對這位超百歲老年婦女的白血細(xì)胞進(jìn)行了全基因組測序，以確定在其一生中，健康白血細(xì)胞中發(fā)生的基因突變是否積累下來。結(jié)果她白血細(xì)胞的基因突變超過了400個，而在她腦中沒有發(fā)現(xiàn)突變。血液和腦是人在出生以后還會有細(xì)胞分化的兩個部位。這些突變稱為體細(xì)胞突變，因為它們不會傳給后代，身體可以容忍它們而不會引起疾病。檢測顯示，這些突變都是無害的。非進(jìn)化保留位點(diǎn)主要位于基因組的非編碼區(qū)，以往認(rèn)為與疾病無關(guān)，包括那些容易發(fā)生突變的位點(diǎn)，如甲基化胞嘧啶DNA堿基和溶劑可及的DNA延伸，以往被認(rèn)為屬于“垃圾區(qū)”。

這一重要發(fā)現(xiàn)，或許暗示了人類壽命的極限。霍斯戴吉說：“我們發(fā)現(xiàn)在她死亡的時候，她的外周血只有兩個活躍的、彼此相關(guān)的造血干細(xì)胞，而我們估計大約有1300個同時活躍的干細(xì)胞。這讓我們非常吃驚。”

研究人員還檢查了她的白細(xì)胞端粒的長度，發(fā)現(xiàn)其大大短于其他組織的端粒長度。端粒是染色體末端的重復(fù)序列，是保證染色體的精確復(fù)制、維持染色體長度及穩(wěn)定性的功能性結(jié)構(gòu)。出生以后，隨著細(xì)胞的每一次分化，端粒逐漸縮短。