雙螺旋

DNA 的形狀

DNA 看起來像一個扭曲的梯子：科學家稱之為 雙螺旋。

梯子的兩個長邊被稱為 糖醇-磷酸骨架。它們來自交替的糖分子（脱氧核糖）和磷酸團，將整個結構保持在一起。

梯子的橫梁是最重要的部分。每個橫梁由兩個 碱基 組成。有四個碱基：

- A (腺嘌呤)

- T (胸腺嘧啶)

- C (胞嘧啶)

- G (鸟嘌呤)

這裡有個關鍵規則： A 總是與 T 配對，C 總是與 G 配對。無論在任何物種，這些被稱為 碱基對，而一個碱基加上它的糖和磷酸被稱為 核苷酸。

一段人類 DNA 可能讀作：ATCGGCTAA。如果你知道一邊，你就自動知道另一邊：因為 A 與 T 配對，C 與 G 配對。

誰發現的？

发现 DNA 结构的竞赛

1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发表了 DNA 的结构。1962年，他们因这一成果获得了诺贝尔奖。

但他们无法没有 罗莎琳·富兰克林做到这一点。

Franklin 是一位在倫敦國王學院的傑出化學家。她使用了 X射線晶體學：將 DNA 晶體射以 X射線並閱讀其形成的圖案：以生產出任何人曾經看到過的最清晰的 DNA 結構照片，即 Photo 51。

她的同事 Maurice Wilkins 將 Photo 51 顯示給 Watson，而沒有 Franklin 的知識或許可。Watson 後來寫道，在他看到它的那一刻，雙螺旋結構變得明顯。

Franklin 从未获得过诺贝尔奖。她在1958年去世，年仅37岁：可能是由于她大量的X射线工作：而诺贝尔奖不给已故人士。Watson 和 Crick 在那时几乎没有承认她的貢獻。

如今，科学家们承认，Franklin 的實驗工作是必不可少的。她在她一生中被剝奪了信任，她的故事是一個提醒：科學是由人們完成的：而人們往往不公平。

如何DNA複製自己

复制代码

每当细胞分裂：为了愈合伤口、生长或替换衰老细胞：它必须首先制作一个与原DNA完全相同的副本。这一过程称为 复制。

这就是它是如何工作的：

1. 一个叫做 解旋酶 的酶将双螺旋解开，通过打破碱基对之间的氢键。它实际上是将梯子从中间分开。

2. 另一个叫做 DNA聚合酶 的酶读取每个暴露的链并构建一个新的匹配链，遵循碱基配对规则（A 与 T，C 与 G）。

3. 结果：两个与原始DNA分子完全相同的副本。每个副本都有一个老链和一个新链。

您的身体每秒钟都会做这个操作大约 380万次。并且它几乎每次都做对：DNA聚合酶在每次复制 1亿个碱基时大约会犯一个错误。当它犯错时，其他酶通常会发现并修复错误。

但不是总是。当错误漏过时，它就会变成一个 突变。我们很快会谈到为什么这很重要。

转录与翻译

如何DNA构建事物

DNA不会直接构建你的身体。它通过一个叫做 RNA（核糖核酸）的中间体工作。

这个过程有两个主要步骤：

第1步：转录（DNA → mRNA）

一段DNA（一个 基因）被复制成一个叫做 信息RNA（mRNA）的分子。就像从一个巨大的指令手册上复制了一页一样。原件留在细胞核中；复制品去到工厂楼层。

第2步：翻译（mRNA → 蛋白质）

里泡子是细胞的蛋白质制造机：读取mRNA，三个字母一次。每组三个字母叫做 密码子。每个密码子指定一个 氨基酸。将氨基酸连接成一条 蛋白质链。

例如，密码子AUG编码氨基酸甲硫氮素，并且也表示‘在这里开始构建’。密码子UAA表示‘停止’。

一个基因可能编码成由数百个氨基酸组成的蛋白质。这个蛋白质可能成为消化你的食物的酶，携氧的血红蛋白分子，或者组成你的头发的角蛋白纤维。

一个基因→一个mRNA→一个蛋白质→一个在你的身体中的职责。(这被简化了：现实更复杂，但它捕捉了核心逻辑。)

当基因突变

当代码发生变化时会发生什么？

一个 突变 是指DNA序列的任何变化。这可能是单个碱基被另一个碱基替换，或者是碱基被删除，或者是额外的碱基插入。

有些突变什么也没做：密码子仍然编码相同的氨基酸（有内在遗传密码的冗余）。这些被称为 静默突变。

有些突變會改變一個胺基酸，但蛋白質仍然正常工作。有些突變會改變關鍵的胺基酸，蛋白質就會失效。

有些突變：非常罕見：產生比原始蛋白質更好地工作的蛋白質。

我們為什麼都不同

從何而來

如果DNA複製本身如此精確，為什麼我們不都是一模一樣的？

遺傳變異的三大來源：

1. 突變：隨機複製錯誤、紫外線輻射或化學暴露可能會改變DNA的碱基。絕大多數突變都是中性。有些是有害的。少數是有益的。

2. 性繁殖：當生物性繁殖時，每個親代都提供一半的DNA。特定的組合是隨機的。您與每個親代共享50%的DNA，但您得到的那50%是基於遺傳彩票。這就是為什麼兄弟姐妹看起來相似但不完全相同。

3. 重組：在形成精子和卵子的過程中，染色體在物理上與彼此交換部分。這種方式將基因組合在父母中都沒有的方式進行混合。

為什麼變異重要

遺傳變異不是一個缺陷：它是一種生存策略。一個在每個個體都是遺傳上一致的族群是脆弱的。一個疾病就能夠消滅整個群體，因為沒有任何人有抵抗力。

但在遺傳多樣性的族群中，某些個體會發現自己有突變，恰好使他們具有抵抗力。這些個體生存，繁殖，並將該抵抗力傳承下去。這就是自然選擇：進化的引擎。

你能想到的每一种适应：猞猁的速度，仙人掌的水储存，人类的大脑：都是起初随机发生的突变，幸运地具有一定用处。

CRISPR和基因编辑

重写生命的代码

在过去的几十亿年里，DNA发生变化是通过随机突变和自然选择来实现的。

2012年，这种情况发生了。

Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier发现，一个称为CRISPR-Cas9的细菌防御系统可以重新编程，用于在任何精确的位置切割DNA。他们在2020年获得了诺贝尔化学奖。

CRISPR就像一个具有GPS的分子剪刀。你给它一个匹配你想要编辑DNA序列的引导RNA，Cas9蛋白质就会在那个确切的位置切割DNA。然后细胞自身的修复机制修复了切口：你可以在它修复过程中插入一个校正的基因。

这是一场革命。科学家已经用CRISPR来：

- 在临床试验中治愈了脊髓灰质炎症患者，通过编辑患者的血干细胞

- 通过开发抗病虫的作物而不使用传统育种方法

- 开发潜在的肌肉萎缩症、某些癌症和HIV的治疗方法

但是，CRISPR也引发了巨大的伦理问题。

2018年，一位中国科学家He Jiankui宣布，他已经用CRISPR编辑了人类胚胎的DNA：生下了基因经过修改的双胞胎女孩。全球科学界对此表示谴责，认为这是在白日梦。He被判处有期徒刑三年。

核心的困境：编辑胚胎的DNA会改变结果的人的每个细胞，并且这些变化会传递给他们的子女，子女的子女。我们正在谈论永久地改变人类基因库。

基因测试也引发了自己的问题。今天，你可以在一管管子里吐唾液，了解你对几百种疾病的风险。但是，雇主和保险公司是否应该有权访问这些信息？父母是否应该能够根据智力或运动能力等特征选择胚胎？

我们应该编辑人类DNA吗？

你輪到辯論了

對這些問題沒有單一正確答案。但有合理的答案和不合理的答案。

一個強有力的辯論考慮了潛在的好處和風險，使用證據，並承認這個問題的複雜性。

你會記住什麼？

再次思考

你在這堂課開始時提出了關於貓的問題。

現在你知道答案就藏在四個化學字母組成的扭曲梯子中：一個如此優雅的編碼，遍布全地球的所有生命；一個如此強大的力量，人類才剛開始學會如何修改它。

DNA 的科學研究比人類歷史上任何時期都要快。正在學習這門課題的學生們將是決定如何使用它的人。