科学新闻杂志社编著的这本《基因与细胞》是《科学新探索》丛书之一，探索了基因与细胞的前沿科学，从基因与细胞的微观层面解读了生命剧本中的众多故事：鼹鼠为什么不怕酸、细菌如何识别磷、基因可影响安慰剂效应、满月意味着更少的睡眠、低热量食谱未能延长猴子的寿命……

电子工业出版社与美国科学与公众协会（The Society for Science ＆ the Public）及其出版的《科学新闻》杂志（Science News）倾力合作，陆续推出《科学新探索》丛书，科学新闻杂志社编著的《基因与细胞》正是该丛书的第三本书。本书讲述了人类从基因与细胞层面探索生命的故事，以及生物学研究成果在医学领域的成功应用，并呈现了近五年来科学家在鉴别人类与其已灭绝的近亲之间的关系方面取得的巨大的进展。

本书的文章均选自近几年《科学新闻》杂志中尤为精彩、受读者欢迎且值得阅读的文章。《科学新闻》杂志是美国专业、全面、及时的科学新闻来源之一。

I.进化中的遗传秘密：基因的变迁造就了丰富多彩的现代生物

 （Genetic Secrets of Evolution-Gene Variation

 Contributes to the Variety of Existing Creatures）

 鼹鼠为什么不怕酸

 章鱼调节RNA适应水温变化

 水质酸化改变鱼类行为

 酵母可利用错误折叠的蛋白

 育种使西红柿损失了原有的滋味

 北极熊的进化起源

 罕见突变的传递

 实验室大肠杆菌的进化史

 无家可归？

 细菌如何识别磷

 血型的起源

 人类的遗传多样性在近期爆发式增长

 皱手指抓得更牢

 鸽子的冠羽仅源自一个基因

 藻类从借来的基因中受益

 所有的大王乌贼都是一个物种

 乙肝病毒年代久远

 狗可能来源于已经灭绝的狼

 人类与猿类在进化上分离的时间比过去认为的更早

II.隐藏在基因中的行为模式——是什么决定了“规律” 和“习惯”？

 （Behavior Patterns Hidden in Genes-the Cornerstone of

 ‘Laws’ and ‘Habits’）

 吃与睡的平衡

 外向型的蜜蜂拥有不同的基因

 白天麻醉蜜蜂会给它们造成时差

 DNA上的标签可能决定蜜蜂的行为

 基因可能与受教育水平相关

 同步之谜

 采摘之后蔬菜的生物钟会继续工作

 满月意味着更少的睡眠

 鞭毛停摆赋予细菌驾驶能力

 树懒、蛾和藻类，三方互惠共生

 睡眠不足对幼年果蝇大脑不利

 基因可影响安慰剂效应

 细菌的行为开关

III.健康密码——探索疾病的根源和对策

 （Genetic Code of Health-Exploring

 Causes and Therapies of Diseases）

 3.1 长寿之谜

 通过DNA 特征辨别百岁老人

 DNA可能决定死亡时间

 太空旅行延缓衰老

 低热量食谱未能延长猴子的寿命

 禁食激素延长寿命

 端粒长度与死亡风险有关

 吃坚果可以延年益寿

 减少痛觉可能延长寿命

 唾液酸结合免疫球蛋白样凝集素家族（Siglecs）蛋白与物种寿命相关

 3.2 抗击肿瘤

 减轻体重可能降低肿瘤风险

 在肿瘤中捣乱的蛋白

 特定细胞可形成肿瘤

 测定乳腺癌的基因谱

 用磁场杀死肿瘤细胞

 用病毒治疗癌症

 治疗卵巢癌的希望

 知名肿瘤的DNA 已被破解

 可区分大脑和肿瘤的设备

 肿瘤中位于基因之外的突变

 老药物的新作用

 维生素C 可增强化疗药的作用

 促进细胞抵抗肿瘤的新药物

 成群细胞有助于乳腺癌扩散

 精确定位真正的肿瘤突变

 3.3 心脑血管疾病

 异常细胞可预示心脏病风险

 “有益”胆固醇并没有那么好

 非甾体类抗炎药（NSAID）与心脏病风险相关

 修复受损的心脏

 心脏缺陷可能是某些中风的根本原因

 按时吃饭才能吃得健康

 3.4 病毒与疾病

 登革疫苗临床试验结果令人失望

 新型猪流感可能感染人类

 埃博拉病毒可通过空气传播

 流感比疫苗对胎儿的威胁更大

 丙肝药物追踪病人的RNA

 流感病毒通过空气中的颗粒物传播

 对流感的免疫反应在多年后仍可活化

 人体病毒组

 抗流感的免疫反应特性取决于基因

 3.5 免疫系统相关疾病

 快餐与哮喘风险相关

 治疗过敏性哮喘的潜在靶蛋白

 基因可影响人体共生的微生物种类

 免疫系统也有日常节律

 抑制小鼠的自身免疫病

 用分泌胶原的细胞治疗脓毒症

 环境对免疫系统有重大影响

 早期暴露可预防花生过敏

 3.6 微生物与健康

 肠道菌群可能对动脉产生影响

 治疗疟疾的候选药物

 抗感染的关键时刻

 微生物可抑制肠炎

 疟疾疫苗早期试验取得成功

 小狗带回家的尘土可能使婴儿的免疫系统受益

 人类消化道微生物多样性较低

 3.7 遗传印记与基因治疗

 基因治疗可帮助血友病患者

 同卵双胞胎在母体内已有所不同

 新技术可使唐氏综合征染色体失活

 基因治疗的安全性获得改进

 DNA上的化学标签

 DNA 可预测干预治疗能否成功

 3.8 移植和再生

 听觉细胞的再生

 小鼠干细胞可分化成有活力的卵细胞

 使用新鲜细胞重建肾脏

 人体克隆技术进展为个体化医疗带来新希望

 用干细胞制造的小型肝脏

 实验室制造出类似小型人类大脑的结构

 肾移植排斥反应测试

 促进肌肉再生的物质

 催产素可促进老年小鼠的肌肉修复

 缩小版的人类肠道能在小鼠体内生长

 3.9 热量与健康

 燃烧脂肪

 对糖尿病患者而言瘦并不总是有利的

 婴儿早期接触的食物影响糖尿病风险

 早产与孕前的饮食相关

IV.基因工程技术的杰作

 （Masterpieces of Genetic

 Engineering Technology）

 六个胚胎融合而来的猴子

 成年女性也许能补充卵子

 编译精子遗传蓝图

 DNA交换可以避免罕见遗传病

 心脏指示器

 第一条人工合成的酵母染色体

 DNA折叠的艺术

人类设计的有机体越来越接近于真实生物了。科学家已经组装出了一条全新版本的酵母染色体。这是第一条组装起来的真核生物合成染色体，它同样可以在细胞核中储存遗传物质。

以前有其他团队曾经合成过细菌染色体，但这是设计合成真核生物的第一步。

约翰霍普金斯大学的科研人员，包括几名本科生，在2014年5月3日出版的《科学》杂志上发表了这项成果。这条合成的染色体是基于酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的3号染色体，但并不是完全复制。

在创建合成版本时科研人员摒弃了一些染色体上的多余部分。这些部分包括基因内部的DNA片段（被称为内含子），编码蛋白组装分子（被称为转运RNA）的基因，靠近染色体末端的重复区域，跳跃基因（或转座子）的遗传物质残留，它们能够复制并移动到基因组的其他部分。他们同时赋予合成染色体一个竞争系统，能够对染色体的遗传信息重新洗牌，从而产生拥有新特征的生物。

完成后的染色体有272 871个碱基对，远小于起始酵母染色体的316 617个碱基对。碱基对是：ONA携带信息的化学单元。

酵母遗传学家杰夫·伯克(JefBoeke)说，“我们正在进行的工作从本质上讲是在对类固醇进行遗传设计。”他目前就职于纽约大学，在约翰·霍普金斯大学工作时他帮助起始了这个项目。

伯克和同事们成立了一个叫作“建造一个基因组”的本科生小组来辅助合成工作。学生们先从酵母3号染色体上每次复制60到79碱基对长度的单链DNA，然后把它们拼接成750个碱基对的建造单元，其他小组成员再把这些单元继续拼接在一起形成长约2000到4000碱基对的“小砖”。

接下来科研人员让酵母接手完成后续工作。酵母细胞是同源重组的大师，能够根据DNA配对信息交换外源遗传物质。在11个实验构成的系列实验中，科研人员平均每次向酵母中导入12种合成的DNA“小砖”。酵母根据合成DNA“小砖”和内源染色体DNA的匹配部分进行交换重组，最终创造出完全由设计而来的染色体。利用与酵母构建过程相同的程序，也可以构建其他真核物种，如人、果蝇、小鼠或者植物的染色体。

合成的3号染色体缺少了大约14％的碱基，这削弱了酵母的竞争能力，但是工作人员发现在20种不同的环境下携带合成染色体的酵母细胞都可以和天然酵母生长状况一致。只有一种情况下，当生长环境中含有高浓度的山梨糖醇时，携带合成染色体的酵母细胞生长有轻微劣势。

加州拉霍亚克雷格·文特尔研究所(J.Craig VenterInstitute in La Jolla， Calif)的合成生物学家菲利普·韦曼(Philip weyman)说，“（携带合成染色体的）酵母细胞可以正常生长这一发现非常令人振奋。”目前科研人员正在逐步分析整条染色体，研究哪些部分真正重要，以及哪些部分缺失细胞可以容忍。这部分研究才是最有趣的，但同时也是最困难的。韦曼表示，“合成染色体只是万里长征第一步。”

3号染色体只是酵母16条染色体中的一条，伯克和他的同事们计划合成所有16条酵母染色体。伯克表示希望在3到5年内能够得到全合成的酵母基因组。

他并不奢望所有经过修饰的合成染色体都能像3号合成染色体一样正常行使功能，创造出有缺陷的酵母也很有意义，能够了解构建精简基因组的规则。

“我们准备好了接受失败，”伯克说，“我们以为我们对生物学懂得很多，但我们肯定还不知道所有的事。”他说，合成染色体可能会损害酵母进化出的适应性，或者导致无法产生可育的酵母，这些结果可以告诉科研人员染色体如何进化，并给出关于真核生命对基因组最低要求的线索。

这项工作还有其他方面的应用前景。伯克说，构建合成酵母染色体的方法同样可以用于改造微生物，让制药和化学公司可以更高效地生产化合物。

P235-237

人体是数十亿细胞包裹着数万亿细胞构成的一个整体。细胞们受到基因的支配，这些DNA片段给身体提供各种指令，包括骨骼和大脑的构建、心脏的跳动、将食物转化为能量、抵御疾病侵袭、甚至（至少在某种程度上）决定我们的外貌和人生观。基因是遗传的单位，而细胞是生命的单位，这两个基本概念是现代生物学的基石。当生物学家探索生长发育、物种进化、生物间的相互作用等科学问题时，他们常常能在基因和细胞层面找到答案。此外，当机体患病或遭受损伤而无法正常工作时，也是基因和细胞出了问题，并且能在这二者中找到解决之道。

“细胞”这个词已有几个世纪的历史。20世纪60年代，英国博物学家罗伯特·胡克（Robert Hooke）用早期的显微镜观察了死亡的植物组织之后，发明了这个词。在接下来的几个世纪中，科学家陆续鉴别出细胞的不同部分，检测了不同类型细胞的可变性，并且探索了细胞分裂、死亡等相关活动的生物分子信号。“基因”这个词则要年轻得多，但它的发明仍可追溯到20世纪初。丹麦植物学家威廉·约翰逊（Wilhelm Johannsen）使用这个词来代表格里哥·孟德尔（Gregor Mendel）在著名的豌豆实验中所描述的不连续的遗传单位。当时，这还是一个很抽象的概念，但现在科学家对基因的认识已经清晰很多。主要的研究进展包括，在20世纪50年代破解了DNA的双螺旋结构，以及在21世纪来临时解析了人类基因组这部完整的“生命说明书”。

对进化生物学家而言，基因就是一座金矿。目前已完全破解了包括多种细菌、狗、鸡、黑猩猩及海鞘等超过150种生物的基因组。另外也对许多其他物种的DNA进行了一定程度的研究。在物种内或物种间进行比较，有助于增进我们对生物进化树的理解。本书中的研究内容涵盖过去5年的时间，这段时期，科学家在鉴别人类与其已灭绝的近亲之间的关系方面取得了巨大的进展。此外，在其他动物中也有可喜的发现：现在的北极熊家系可追踪至一种爱尔兰的棕熊；各地的大王乌贼都属于同一个物种；某些鸽子的花哨冠羽都源于一个基因突变。这些只是生命剧本中众多故事的冰山一角。

然而，基因并不只反映了我们的过去。它们亦会驱动今天及未来发生在我们身上的事情。在基因和细胞中，能够找到机体衰老的线索。例如，一项近期研究发现控制炎性反应的基因与长寿有关。此外，癌细胞实际上来自我们自身，关键基因的突变使正常细胞失控。不属于人类的基因和细胞对我们的生命也有巨大影响。新研究发现，微生物组——即人体内或体表寄居的单细胞生物的总称——在健康和疾病中发挥了实质性的作用。现在能上头条的那些严重疾病（如埃博拉、禽流感等）有许多都是病毒引起的，在某种意义上，病毒就是在细胞外四处旅行的基因。因此，科学家从基因和细胞中寻求疾病治疗方法并不是什么令人惊讶的事。培育新的细胞和编辑基因是最热门的两种抵御疾病的方法。

现在，我们对基因和细胞都非常熟悉，因此这两个概念听起来都十分直白甚至简单。但是，这两个基本单位是地球上所有已知生物的基础，并且构成了生物界的全部复杂性。

美国《科学新闻》杂志社（Science News）

2016年9月