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DNA:童年创伤,竟然真的能锁在基因里?

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早已死透的细菌,竟然能把活着的同类拖下了地狱。这是科学界一场著名的借尸还魂。


离奇夺舍

英国医生格里菲斯手里有两种肺炎菌:致病的强毒菌,和无害的弱毒菌。

格里菲斯按照实验步骤将加热杀死的致病强毒菌与活着,但人畜无害的弱毒菌混在一起,注入小鼠体内。

不久,小鼠突然离奇暴毙!更诡异的是,格里菲斯从小鼠尸体里掏出的,竟是活生生的致病强毒菌!

原本无害的活菌被早已死透的死菌完美夺舍,且毒性还能代代相传!

也就是说,一定有某种物质,带着遗传信息,从死菌身上转移了过去。


可这种物质到底是什么?在当时的科学家心里,遗传这么复杂的事,只可能是结构复杂的蛋白质干的。

而解开这场悬案的关键,是一群结构简单的噬菌体,它可以侵噬细菌,外部是蛋白质组成的衣壳,内里是DNA。

科学家用放射性同位素,为噬菌体和蛋白质和DNA分别打上标记。接着用被标记的噬菌体去感染大肠杆菌,随着厨房搅拌机高速运转,掀起飓风,万物剥离甩飞。

平静下来后,在细菌体内,亮起的是被标记的噬菌体 DNA!正是这段钻入体内的 DNA,霸占了宿主的生命工厂,反手指引大肠杆菌,复制出全新的噬菌体!

但这 DNA……到底长啥样啊?


生命图纸

呐,这就是DNA的第一张照片。罗莎琳德·富兰克林拍摄的第51号照片。


沃森和克里克拼出了它的完整结构,它像是两条链拧成的旋转楼梯。扶手是磷酸和脱氧核糖,踏板则是四种碱基A、T、C、G(A- 腺嘌呤,T-胸腺嘧啶,C-胞嘧啶,G-鸟嘌呤)。

这四种碱基两两配对——A 对 T,C 对 G,而它们的排列顺序,就是写尽一切生命特征的遗传密码。


而DNA通常收束在细胞最核心的地方,在人类体内,它被锁在细胞核里的,在细菌内,它直接盘踞在细胞中央。


现在,我们终于能看清,那桩细菌夺舍案,在微观世界里究竟是怎么发生的。

被高温烧死的强毒菌,躯壳彻底崩解,但它体内顽强的 DNA 并未随之消亡,而是断成一段段游离的碎片。

当无害的弱毒菌路过这片遗迹时,它竟然主动开辟细胞膜通道,把这段外源 DNA 碎片一口吞进了肚子里。

紧接着,这段外来代码被缝进了弱毒菌自己的 DNA 链条中,成了它基因组的一部分。

一场夺舍,就此启动。

第一步:复制

当细菌要分裂、扩增,DNA 双链就在解旋酶的作用下,解开成两条单链。

负责合成新链条的核心成员DNA 聚合酶推进,它以旧链为模板抓取新碱基,将这段DNA代码复刻成一模一样的两份,传给下一代。

但仅靠复制 DNA 还不足以显露毒性,还需要把DNA代码变成真正的致病武器。


第二步:转录

负责抄写指令的 RNA 聚合酶正式登场,它准确定位到 DNA 上,负责合成致病荚膜的基因,快速进行抄录,生成一张单链的临时施工单——信使 RNA(mRNA)。


第三步:翻译

这张施工单,信使RNA来到生产车间——细胞质。核糖体每解读出一组指令,转运RNA就拉着对应的氨基酸零件进场,根据碱基互补配对原则,零件被快速串成长链,经过折叠组装,制造出关键的荚膜合成酶。

在这种酶的催化下,弱毒菌终于穿上了致命的荚膜彻底变身为新的剧毒杀手!


所谓夺舍,从来不是什么灵魂附体,杀得死细菌的躯壳,却杀不死写在 DNA 里的指令。

这就是生命的终极法则: 无论是微小的细菌,还是复杂的人类,生命运转的底层逻辑完全一致。

DNA,就是跨越生死、贯穿数十亿年演化,掌控着世间万物生老病死与繁衍传承的蓝图。


脆弱的DNA

在紫外线、代谢废物和辐射的轰击下,你体内每个细胞的 DNA 每天会被划坏上万次。

但你依然健康,因为细胞内时刻运转着一套极其精准的 DNA 修复机制。一旦识别到损伤或错误的碱基,特定的酶会精准切除坏损片段。随后,DNA 聚合酶会以标准图纸重新填补。

既然DNA每天都如此高频维护与读取,那么后天的某种经历,是不是也会在上面留下某种记录?

答案是,会。最常见的一招叫甲基化。

在大鼠实验中,被母鼠冷落的幼鼠,其大脑深处经历一场重塑,细胞在它们负责安抚焦虑的基因上贴上了一道甲基化学基团,作为封条它挡住了转录工具,让原本能够抗压的基因无法表达,导致幼鼠成年后,终生处于高度焦虑的状态。

童年的创伤,有可能会成为刻在DNA里的一道疤痕,可能是永久的,悄然伴随一个人的一生。

你看,我们不仅被写好的基因决定,也会被我们经历过的一切塑造。


尾声

当我们把视角拉到几十亿年的尺度,在这场演化里,个体,到底算什么?

你的肉身只有几十年寿命,终会衰老、腐烂、消失;可你体内这套代码,已经不间断地复制、穿越了数十亿年,

这么看,人类的肉身,不过是 DNA 为了实现自我复制、适应环境而搭建的一台载体,吃饭、求偶、拼命活下去的每一个冲动,都是这套代码为了自我延续, 对你下达的指令。

可是,虽然DNA 驱动我们去掠夺生存资源,人类却创造了道德、同理心与无私的奉献;虽然DNA 驱动我们趋利避害,人类却会为了毫无血缘关系的陌生人挺身而出。

如果人的一生,本质上只是 DNA 延续自己的一具容器,那么我们追求的爱、意义与美,算不算这具容器,对它亿万年本能的一次叛逆?


[1]EKUNDAYO B, BLEICHERT F. Origins of DNA replication[J]. PLOS Genetics, 2019, 15(9): e1008320.

[2]Ferry, G. (2019). The structure of DNA. Nature, 575(7781), 35–36.

[3]BĘBENEK A, ZIUZIA-GRACZYK I. Fidelity of DNA replication—a matter of proofreading[J]. Current Genetics, 2018, 64(5): 985-996.

[4]LIU D, FREDERIKSEN J H, LIBERTI S E, et al. Human DNA polymerase delta double-mutant D316A;E318A interferes with DNA mismatch repair in vitro[J]. Nucleic Acids Research, 2017, 45(16): 9427-9440.

[5]KRIEGER L M, ILIAKIS G. Wenn Stränge reißen – Wege der DNA-Doppelstrangbruch-Reparatur[J]. BIOspektrum, 2017, 23(5): 502-505.

[6]STRAUSS B S. Why Is DNA Double Stranded? The Discovery of DNA Excision Repair Mechanisms[J]. Genetics, 2018, 209(2): 357-366.

制片人:雒芊芊 | 制片助理:Catherine Chen

总导演:郑明键 | 分集编导:骆沁真

文案:祝文意 | 剪辑制作:骆沁真 陈薇

声音制作:林得力 王鹰

出品:天桥脑科学研究院大圆镜工作室

本文摘录自“大圆镜科普”生物教材系列





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天桥脑科学研究院旗下科学媒体,旨在以科学追问为纽带,深入探究人工智能与人类智能相互融合与促进,不断探索科学的边界。欢迎评论区留言,或后台留言“社群”即可加入社群与我们互动。

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Chen Institute与华山医院、上海市精神卫生中心设立了应用神经技术前沿实验室、人工智能与精神健康前沿实验室;与加州理工学院合作成立了加州理工天桥神经科学研究院。

Chen Institute建成了支持脑科学和人工智能领域研究的生态系统,项目遍布欧美、亚洲和大洋洲,包括、、、科研型临床医生奖励计划、、科普视频媒体「大圆镜科普」等。

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