基因的本质和表达

自从蓝星Online上线以来，万千世界都在生命每一分秒的绽放中，体现出自然本色的生机。如此美妙绝伦的演绎，自然离不开能够主导生命、表现生命生机的物质～基因。而说到基因，我们都会想到奇异的遗传现象，以及自然界中丰富的物种和群体。毋庸置疑，这些因素都受到了基因的影响。但是，我们真的了解基因吗？基因的本质以及工作原理到底是怎样的？它本身有具备怎样的奥秘？。

第一步就是要搞清楚我们即将要探究的问题。通过上一个单元，也就是遗传因子的发现，可以得知生物体内存在遗传因子，而遗传因子决定着收入的性状，同时遗传因子（也就是基因），是存在于染色体质上的。而在我们的已有经验中，染色体上存在两种物质，包括DNA和蛋白质。那么哪一个是具备遗传特性、能起到性状决定作用的基因呢？这是其一。其二，在过往学习中，我们已经明确了DNA的双螺旋结构以及其构成部分，但尽管在我们知晓这些因素，但是DNA的结构何以为此？如何与其功能相辅相成？DNA的复制又是如何实现的？其三，既然控制生物性状的基因处于DNA上，那么基因与DNA之间到底有什么关系？如果知晓这个问题，那么对基因对其功能表现的方式的探究也是可实现的。

第二步就是要设计实验进行探究。

第一个大问题便是确定遗传物质的对象。对于一个生命体来说，遗传因子具备能够储存大量信息、能够完成自我复制并传给下一代以及结构稳定的性质。这样的性质需要在遗传物质的对象上得到验证。根据已有经验，蛋白质的构成离不开21种氨基酸，而DNA则是由四种不同的脱氧核糖核苷酸构成（核酸的不同源自于核算中碱基的不同）。这样一看，似乎两者都具备成为密码的功能。可是两者都足够稳定吗？类比鸡蛋的加热和高温灭菌原理，可以观察并判断蛋白质在加热之后出现了变性，其结构出现了不可逆转的损坏。但是，DNA虽然也在加热之后出现了结构解体，但是在冷却后，却能很大概率的重新组合。这样的稳定性无疑利于储存信息。当然，仅有稳定一环还不足以证明DNA就是遗传因子，仍然需要根据遗传物质的性质设计实验。

在上世纪的欧洲，一种名为大叶性肺炎的疾病非常流行。科学界逐渐注意到并发现存在的两种不同的肺炎致病菌，分别为R和S型菌。但经过研究，他们发现只有S型肺炎链球菌会让人感染肺炎，R型就没有。原因其实出自两种菌类结构的不同。S型菌拥有一层多糖荚膜，能够产生抗原使得被感染者发病，而R则因为缺少这一层荚膜导致没有致病性，其表膜也更加光滑。对应的特性在小鼠身上也可以得到验证。一位名为格里菲斯的科学家便设计了一组肺炎链球菌实验，他分别给四个小鼠注射R菌、S菌、加热至死的S菌、R菌和加热至死的S菌。前三组实验的结果符合我们的猜想，S型菌有致病性，于是第二种情况中小鼠死了，而第一组没有。注射了死S菌的小鼠也没有死。奇怪的是，在第四组中，小鼠居然离奇的死亡！并且从死鼠体内分离出了活S菌！并且分离后的S菌同样可以感染其他小鼠，具备活性。唉，这就非常奇怪了，注射的是活R菌和加热至死的S菌啊，难道R菌把S菌起死回生了？这个解释也不合理，因为死亡菌类的菌体会分解，没办法进行重组。那到底是怎么回事呢？唯一的解释便是属于S菌的碎片物质借R菌的躯体转变为了S菌。从之前的学习中，我们得知细菌拥有独特的结构～鞭毛。鞭毛会将散落在自身环境周围的遗传物质捕获并送入自身体内。根据这种特性，我们猜想很可能是因为R菌捕获了拥有体现S菌性状的物质因子从而让活R菌变成了活S菌。那么我们该如何判断这种物质是什么呢？

于是格里菲斯又设计了一组体外转化实验。他将S菌破坏并进行多次离心，分离出了多糖、蛋白质、脂质、RNA、DNA，并将其分别置于含有活R菌的培养基中。最后居然仅有以DNA的处理的培养基中出现了S菌。这的确可以说吗DNA就是使R菌完成转化的关键。但离心机所分离的物质纯度一定是100%的吗？会不会存在提纯物质不纯的情况？所以此探究实验需要进行改进。于是，科学家们又设计了一个方案，将S菌打碎，分成五组，并分别加入过量的蛋白酶、脂酶、DNA酶和RNA酶，来破坏对应结构。随后将这些物质分别放入含有活R菌的细菌培养液中。一段时间后，通过对菌类的检测，发现只有加入过DNA酶的培养液中没有出现S型菌。其余实验组都出现了S菌。这进一步说明，DNA是使得R菌稳定转化为S菌的物质。

如果上述实验，我们可以推断出基因就包含于染色体中的DNA。那么有没有更简单直观的方法？有。通过已有知识可以得知蛋白质中包含氮，而遗传物质中包含磷。所以，我们可以使用同位素标记法，分别利用氮35标记蛋白质，利用磷32标记遗传物质，勘查各自的作用。对象我们可以选取以大肠杆菌为食的噬菌体。噬菌体的结构类似病毒，病毒就由一层蛋白质外壳和内在的一段遗传物质构成。具体实验就是将一组标记磷32和一组标记氮35的噬菌体分别加入含有大肠杆菌的培养液中，一段时间后提取大肠杆菌，将蛋白质外壳进行分离，随后进行离心分离，并检测放射性。因为磷32的放射性是高于氮35的，所以在结果中我们可以看到标记了磷32的物质出现在了沉淀物中，而氮35的物质则出现在了上清液中。是这样的原因是因为密度作用，很显然更重的是磷32。在生命体中更重的显然是遗传物质（DNA）。由此我们可以推断出所有的噬菌体DNA都进入了大肠杆菌，通过“吃掉”大肠杆菌的方式产生了新的噬菌体（DNA控制产生了噬菌体的所有性状）。而其蛋白质外壳留在了大肠杆菌外部，所以才会出现在上清液中。由此我们同样可以推断出DNA就是遗传因子。

（但我突然想起这个实验可能仍然具有疑问，因为在这样的实验过程中，蛋白质外并没有进入大肠杆菌。所以，尽管DNA产生了作用，但是你没办法确保蛋白质一定不会起作用。那么我们该如何解释这个问题呢？）

ok，那么接下来我们就来到了第二个大问题，也就是DNA的结构和特性，以及其复制。作为生命，繁殖和自我生长发育都极为关键。DNA的结构会决定其复制方式，同时也会体现DNA的功能。在我们的认知中，DNA结构一般都是双螺旋环绕的双链结构。但是科学家最初是如何发现这一现象的？

上世纪中叶，科学家富兰克林和威尔金斯拍摄了一张源自亚显微结构下的照片，其中呈现出了X形状的结构。基于此，科学家才做出了DNA可能具备交叉构成的因素。同时科学家查戈夫也发现，在细胞遗传物质中，鸟嘌呤和线嘌呤的含量是相同的，胞嘧啶和胸腺嘧啶的含量也是相同的。这说明细胞的碱基构成有着某种对应关系。没错，这就是我们熟知的AT配对，CG配对。而事实上的确是这样的。DNA有两条单链RNA通过脱氧构成，其中的对应碱基形成氢键，磷酸基团之间形成磷酸二酯键，构成了DNA。

那么DNA是如何进行复制的？在一百多年前的时代中主要存在两种主流观点，分别是半保留复制和全保留复制。如何理解呢？如果一个亲本细胞要分裂为两个子代细胞，必须须要保证遗传物质数量的相同。那么子代的遗传物质本身必定源于亲本。但是，亲本对于自己的两个孩子所分配的遗传物质的性质相同吗？亲本的分裂伴随遗传物质的复制，那么新复制的那一部分遗传物质到底给了谁？亲本自己的遗传物质给了谁？在半保留复制观点中认为，所产生的两个子代各自含有一条亲本的遗传物质，而在全保留复制观点中，一个子代具备亲本的所有遗传物质，而另一个子代则具备亲本所有新复制的遗传物质。如果不能清楚这一点，将会对后面的生命科学研究形成极大的阻碍。

那么科学家将会如何设计实验来探究细胞遗传物质的复制方式？很显然，最重要的一点就是区分亲本原有的遗传物质和新复制的遗传物质。所以，科学家会使用到同位素荧光标记法来区分。沃森和克里克选择了氮的同位素（DNA中包含氮元素），而实验对象则是大肠杆菌。科学家先将遗传物质中含有氮15的大肠杆菌放入含有氮14同位素的氯化铵培养液中培育。这样一来，如果大肠杆菌要进行复制，就先要索取环境中的物质材料作为自身结构的材料。如果两个子代细胞中的遗传物质都是一条含有氮15一条含有氮14的DNA链条，那么就可以证明细胞是半保留复制。如果子代细胞一个仅含有氮15一个仅含有氮14，就可以确定细胞是全保留复制。

那么科学家该如何从子代细胞中验证这一结果呢？显然这样的验证离不开同位素的区别。氮15相较于氮14多一个中子，所以其密度会大于氮14。很显然最好的方法就是离心分离。先任取将分裂产生第一代的细胞中的遗传物质进行提取，随后进行离心分离，产生的结果中（试管），居然包含两条深色的物质分层。这表明F1子代细胞中同时含有具备氮14和氮15的遗传物质。那么另一个细胞绝对是同样的结果，因为两者都源于一个亲本。经过这样的推理，可以基本确定DNA的复制便是半保留复制。

那么DNA究竟有着怎样的复制过程？这就关系到DNA的复制需要什么。我们在先前已经简单提到过DNA拥有四种脱氧和核苷酸，其端头的碱基可以形成氢键进行配对（腺嘌呤A对应胞嘧啶T，鸟嘌呤G对应胸腺嘧啶C）。所以是我们的生命一定会根据这一配对原则来进行这件事情。那么生命会依靠什么为模板进行配对复制？毫无疑问就是亲本的双链，注意这里是分开后的状态。然后复制当然也离不开旧材料的运用，生命会将细胞中游离的四种脱氧核糖核苷酸进行配对，完成这一过程的就是我们体内的打工人～蛋白酶。而只要一说到工作，肯定离不开ATP能量的供给。

完成条件之后便开始复制。从先前的结论中，得知DNA的复制是半保留复制，则子代细胞中一定包含亲本的其中一条链。为了实现这样的目的，以及完成碱基配对的复制，就需要将亲本DNA中一对对应碱基之间的氢键破坏，让双链独立存在。完成这一过程的酶就叫做解旋酶，顾名思义，就是“解开螺旋”。如此，便能形成其他蛋白酶的工作位点～～复制叉。

ok，那么大家认为接下来是不是负责复制的聚合酶登场呢？其实不然。在DNA的结构中我们得知其双链的方向是不同的，我们可以类比数学中的平行相反向量，其原因就出自DNA单链的构成，与五碳糖自身的碳位点以及磷酸二酯键的形成密不可分。一条就是5‘3’，而一条就是3‘5’。如此的结构，对于打工人聚合酶来说，他只能从3号碳的位点开始进行复制。但是，这显然没有对应碱基的配对参与，没有任何意义。尽管我们的身体很清楚A与T对应，C与G对应，但如果要完成复制，就需要一个起始点。这就是引物。这段引物其实就是一段RNA链条，由引物酶合成。作为特殊的聚合酶，它具备直接配对并形成碱基氢键的能力，可以给主要工作者聚合酶一个模版。引物酶与聚合酶都负责dna复制，但其工作有本质不同。这点是生物书上没有讲到的，一会我们会讲述到另一个生物书遗漏的知识点。

话说回来，有了引物，我们熟悉的聚合酶才开始工作。它会将细胞核中游离的四种脱氧核苷酸进行配对复制。复制过程和解旋过程是同时进行的，新合成的子链也在不断进行延伸。合成后，新链便会因为5号位点和3号位点的结合的特殊结构而进行螺旋化，形成我们熟悉的螺旋双链结构。

好，ok，那么解开的两条子链的配对复制过程相同吗？很显然是不同的。昨天老师对此解释过，DNA双链中的每一条单链方向是不同的。在我们认知中已经存在的复制方式（顺着一个方向进行配对），其实仅仅存在于前导链上。什么是前导链呢？唉，其实就是从5‘到3’的复制，但注意，这条是新复制的。复制的模版，也就是亲本链条的方向是3‘到5’的（图片）。与这条前导链对应的就是后随链。与前导链相反，其方向是3‘5’，而对应的亲本模版方向则是5‘3’。那么两者的复制方式存在什么差别呢？很好理解，以引物酶来说，在前导链上，它只需要合成一段RNA便能休息，将剩下的工作交给聚合酶。而在反向的子链上，引物酶需要不停的合成RNA，使得聚合酶得以在这些RNA的基础上不断合成冈崎片段。而且，这些RNA虽然是配对嵌入的，但并非构成DNA的主要成分！冈崎片段才是真正的实物。所以在新的DNA复制完成后，还需要一种名为核算外切酶的打工人把这些RNA剔除，聚合酶再根据碱基配对把空缺填补。这就是区别于前导链连续复制的半不连续复制。值得一提的是，反方向子链的复制速度完全不逊于正方向的。我们的细胞之所以会采取这样的复制方式，是因为细胞想要尽可能的减少能量的损耗而实现遗传复制。这点我们会在后面的学习中进一步深究。

最后，就像大家所认为的，整个复制过程就结束了……吗？大家应该记得聚合酶在不同时刻合成的DNA片段间的磷酸二酯键，依旧没有连在一起，这不利于其稳定性。所以最后还需要一个收尾的角色，叫做DNA连接酶。如此，在修补缺口之后，便形成了连续完整的双链。那么接下来，细胞就准备开始我们熟悉的有丝分裂了。

但我依旧还想提一个点：其实，正是因为存在前导链和后随链这样的不同复制方式，所以我们的生命是有限的。两者怎么关联呢？星星老师可能在上学期讲到过，但我想借这个机会在重申一下。从刚才我的论述中，可以得知后随链的复制方式是半不连续复制，过程就是一段引物RNA和一段冈崎片段的进行方式。而我也讲到在DNA复制工作完毕之后，核算外切酶会把引物全部切掉，然后聚合酶在填补空缺。但是但是，我们仍然要记得，我们生命运行的底层逻辑是，DNA是从5‘向3’进行复制的。所以，于后随链来说，最后一段引物RNA就是在这一段新复制的单链DNA的最开头。这一段RNA必定会被掐掉，因为不是生命遗传物质的主成分。但是在掐掉后，开端已经没有引物来协助聚合酶填补这一段只有一头的空缺了！所以，我们的遗传物质便丢失了一部分。久而久之，换来的就是细胞遗传物质的耗损缺失，在身体表征上出现肌体功能障碍。这就是一步步走近死亡的过程。

现在，我们终于阶段性完成了对这位熟悉的陌生人进行了全方位的了解。从种种原理中都可以发现生命的奇特和精密。生命会想如何最大化的利用能量，会想到凭借什么样的物质完成密码储存，会尽可能的完成自己的使命。很多想象是什么在主导他们。或许这不是主导，而是其本色。这些充满生机的小家伙，本能的完成生物性任务，却能够缔造出更为形而上的世界。我们可以为之赞叹，也可以从中学习，让我们自己成为生命本身，书写一段传奇。