双螺旋

DNA 的形状

DNA 看起来像一个扭曲的梯子:科学家称之为 双螺旋。

梯子的两条长边叫做 糖苷酸骨架。它们由交替出现的糖分子(脱氧核糖)和磷酸团组成,并且承载着整个结构。

梯子的横梁部分更重要。每个横梁由两个 碱基 组成。有四种碱基:

- A (腺苷)

- T (胸腺嘧啶)

- C (胞嘧啶)

- G (鸟嘌呤)

这里有一个关键规则: A 总是配对与 T,而 C 总是配对与 G。 在每一种物种中都是如此。这些被称为 碱基对,而一个碱基加上它的糖和磷酸被称为 核苷酸。

一段人类 DNA 可能读作:ATCGGCTAA。如果你知道一边,你就自动知道另一边:因为 A 配对与 T,而 C 配对与 G。

是谁发现的?

发现 DNA 结构的竞赛

1953 年,詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克 发布了 DNA 的结构。1962 年,他们因此获得了诺贝尔奖。

但他们无法没有 罗莎琳·富兰克林。

弗兰克林是伦敦国王学院的一名杰出化学家。她使用了X射线晶体学:向DNA晶体发射X射线并阅读它们形成的图案:以产生照片51,这是任何人看到的DNA结构最清晰的图片。

她的同事莫里斯·威尔金斯没有告知弗兰克林,将照片51展示给华生。华生后来写道,在他看到它的那一刻,双螺旋结构变得明显。

弗兰克林从未获得诺贝尔奖。她于1958年去世,年仅37岁,死因是卵巢癌: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。华生和克里克在当时几乎没有承认她的贡献。

如今,科学家们认识到弗兰克林的实验工作是必不可少的。她在她一生中被剥夺了荣誉,她的故事是一个提醒,科学是由人完成的:而人往往不公平。

DNA如何复制自己

复制代码

在细胞分裂时:为了愈合伤口、生长或替换衰老细胞:必须首先制作DNA的精确副本。这一过程称为复制。

这就是它是如何工作的:

1. 一种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. 另一种叫做DNA聚合酶的酶读取每条暴露的链并构建一条新的匹配链,遵循碱基配对规则(A与T配对,C与G配对)。

3. 结果:两条与原始DNA分子相同的副本。每条副本都有一条旧链和一条新链。

您的身体每秒钟都会做这个操作大约380万次。并且它几乎每次都正确:DNA聚合酶在复制了大约一亿个碱基时才会出现一个错误。当它犯错时,其他酶通常会发现并修复错误。

但并非总是这样。当错误漏过时，它就变成了一个 突变。我们很快会谈到为什么这很重要。

转录与翻译

如何让DNA构建物体

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

这个过程有两个主要步骤：

步骤1：转录（DNA→mRNA）

DNA的一部分（一个 基因）被复制成一个叫做 信息RNA（mRNA）的分子。就像在一个巨大的指令手册上复制了一页。你原来的就安全地保存在细胞核中；复制的则去到工厂楼层。

步骤2：翻译（mRNA→蛋白质）

里泡子：细胞的蛋白质制造机：读取mRNA，每次三个字母为单位。这个三个字母的组合叫做 密码。每个密码指定一个 氨基酸。将氨基酸连接成一个 蛋白质。

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

一个基因可能编码成成百上百个氨基酸的蛋白质。这个蛋白质可能成为消化你的食物的酶，或者在你的血液中运送氧气的血红蛋白分子，或者是组成你的头发的角质纤维。

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，但它捕捉到了核心逻辑。）

当基因突变

当密码改变了会发生什么？

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

有些突变什么也没做：密码仍然编码相同的氨基酸（在遗传密码中有重复性）。这些被称为 静默突变。

一些突变改变一个氨基酸，但蛋白质仍然有效。一些突变改变关键氨基酸，蛋白质就会失效。

有些突变：非常少见：产生的蛋白质比原始蛋白质更有效。

我们为什么各不相同

变异的来源

如果DNA复制本身如此精确，我们为什么不都相同？

遗传变异的三大来源：

1. 突变：随机复制错误、紫外线辐射或化学暴露可以改变DNA的碱基。绝大多数突变是中性。有些是有害的。少数是有益的。

2. 性别生殖：当生物进行性别生殖，每个父母都提供一半的DNA。具体组合是随机的。你与每个父母共享50%的DNA，但你获得的50%是遗传彩票。因此，兄弟姐妹看起来相似但不完全相同。

3. 重组：在形成精子和卵子细胞过程中，染色体物理上与彼此交换部分。这种方式将基因组合打乱，既不是父母中任何一种。

为什么变异重要

遗传变异不是一个缺陷：它是一种生存策略。一个每个个体都具有相同遗传特征的种群是脆弱的。一个疾病就能消灭整个群体，因为没有人具有抵抗力。

但在遗传多样性的种群中，有些个体会拥有那些意外地使他们具有抵抗力的突变。他们生存下来，繁殖，传承了那一抵抗力。这就是自然选择：进化的引擎。

你能想到的每一种适应性：猎豹的速度、仙人掌的水储存、人类的大脑：它们都起源于一次有用的随机突变。

CRISPR与基因编辑

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 & Emmanuelle Charpentier发现，可以将一种细菌防御系统CRISPR-Cas9重编程为在任何精确位置切割DNA。他们在2020年获得了诺贝尔化学奖。

CRISPR就像一对分子剪刀，带有GPS。你给它一个与你想编辑DNA序列相匹配的引导RNA，Cas9蛋白质就会在那个确切位置切割DNA。然后细胞的自然修复机制修复了切口：在这个过程中，你可以在它修复过程中插入一个纠正的基因。

这是一场革命。科学家已经用CRISPR来:

- 在临床试验中治愈了脊椎症疾病，通过编辑患者的血液干细胞

- 创建了传统育种所无法抵抗的农作物

- 开发了肌肉萎缩症、某些癌症和HIV等疾病的潜在治疗方法

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：生下了基因被修改的双胞胎女孩。全球科学界对此表示谴责，认为这是一种鲁莽和过早的行为。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。我们谈论的是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，你可以将唾液倒入一个管道中，了解你对数百种疾病的风险。但是，雇主或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技能等特征选择胚胎？

我们应该编辑人类DNA吗？

你的 turno 讨论

这些问题没有单一正确答案。但有合理的答案和不合理的答案。

一个强有力的论点需要考虑潜在的利益和风险，使用证据，并承认这个问题的复杂性。

你会记住什么？

最后一个思考

你在这个课堂开始时有一个关于猫的问题。

现在你知道答案在四个化学字母的扭曲楼梯中：一个如此优雅的代码，以至于它支配了整个星球的所有生物；一个如此强大的代码，我们只能刚刚开始学习如何重新编写它。

DNA 的科学比以往任何时候都在加速。正在学习这个科目的学生将是决定如何使用它的人。