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。它们由交替的糖分子(脱氧核糖)和磷酸组成,并且它们把整个结构托起。

梯子的横梁才是关键部分。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总是与T配对,而C总是与G配对。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。

一段人类的DNA可能是:ATCGGCTAA。如果你知道一边,你就自动知道另一边:因为A与T配对,C与G配对。

谁发现了它?

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,他们因此工作获得了诺贝尔奖。

但他们没有 罗莎琳·富兰克林 的帮助是无法完成这个任务的。

弗兰克林是伦敦国王学院的杰出化学家。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：以产生任何人曾经看到的最清晰的DNA结构图片Photo 51。

她的同事莫里斯·威尔金斯在弗兰克林不知情或未获授权的情况下向沃森展示了Photo 51。后来，沃森写道，看到它的那一刻，双螺旋结构变得明显。

弗兰克林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的人颁发。沃森和克里克在当时几乎未承认她的贡献。

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：科学是由人做出的：而人往往不公平。

如何复制DNA

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时：它必须首先制作一份与原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. 一个名为螺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. 另一个酶名为DNA聚合酶读取每一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3800万次。而且它几乎每次都做对：DNA聚合酶在复制了几十亿个碱基的情况下，错误率为1/十亿。它犯错时，其他酶通常会发现并纠正错误。

但并非总是这样。当错误漏掉时，它就会变成一个 突变。我们稍后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：

第一步：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。就像在一个巨大的说明书上复制了一页一样。原件留在细胞核中；复制件则去到工厂楼层。

第二步：翻译（mRNA → 蛋白质）

ribosome：细胞的蛋白质制造机：读取mRNA，每次读三个字母。这个三个字母的组合叫做 密码子。每个密码子指定一个 氨基酸。将氨基酸连接成一条链，就得到了 蛋白质。

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，成为你的血液中携带氧气的血红蛋白分子，或者成为组成你的头发的角蛋白纤维。

一个基因→一个mRNA→一个蛋白质→身体中的一个职责。（这是一种简化的描述；现实更复杂，但它捕捉到了核心逻辑。）

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。这可能是一个碱基被另一个碱基替换，也可能是碱基被删除，或者是额外的碱基插入。

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

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

有些突变：非常少见：会产生比原始蛋白质更有效的蛋白质。

我们为什么各不相同

变异的来源

如果DNA复制本身那么精确，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，每个父母都提供了50%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%是遗传彩票的结果。这就是为什么兄弟姐妹看起来相似但不完全相同的原因。

3. 重组：在形成精子和卵子细胞的过程中，染色体会以物理方式与其他染色体交换部分。这将以一种父母都没有的方式打乱基因组合。

为什么变异重要

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

但是在一个遗传多样性的种群中，一些个体会具有那些偶然使他们具有抵抗力的突变。他们生存，繁殖，并将这种抵抗力传递给下一代。这就是 自然选择：进化的引擎。

你能想到的任何适应性：猎豹的速度、仙人掌的水储存、人类的大脑：它们都起源于一次偶然发生的有益变异。

CRISPR和基因编辑

重写生命的代码

在过去的几十亿年里, DNA 的变化是缓慢的:通过随机突变和自然选择。

这在2012年发生了改变。

Jennifer Doudna & Emmanuelle Charpentier 发现,一种称为 CRISPR-Cas9 的细菌防御系统可以被重新编程,以便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 就像是一对分子剪刀,带有GPS。你给它一个与你想编辑的 DNA 序列匹配的引导 RNA,然后 Cas9 蛋白质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:在修复过程中,你可以在它那里插入一个更正的基因。

这是一场革命。科学家们已经使用 CRISPR 来:

- 治疗了克隆病症的临床试验中,通过编辑病人的血液干细胞

- 通过传统育种创造了抵抗疾病的作物

- 开发了肌肉萎缩症、某些癌症和 HIV 的潜在治疗

但 CRISPR 同时也引发了巨大的伦理问题。

2018年,一位中国科学家名为 He Jiankui 宣布他已经使用 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 将改变所得人的每个细胞,并且这些变化将传递给他们的子女,并传递给子女的子女。我们正在谈论永久地改变人类基因池。

基因检测 也引发了自己的问题。今天你可以将一口唾液倒入一个管子,并了解你患病的风险。但是,应聘者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能力等特征选择胚胎?

我们应该编辑人类 DNA 吗?

你的 turno 论述

对于这些问题，没有单一的正确答案。但有合理的答案和不合理的答案。

一个强有力的论述既考虑了潜在的利益，也考虑了风险，使用证据，并承认这个问题的复杂性。

你会记住什么？

最后一想

你在开始这个课程时有一个关于猫的问题。

现在你知道答案存在一个扭曲的四个化学字母的阶梯：一个如此优雅的代码，它支配着整个地球上的所有生命，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以更快的速度发展。正在学习这个科目的学生将是决定如何使用它的人。