双螺旋

DNA的形状

DNA看起来像一个扭曲的梯子：科学家将这种形状称为双螺旋。

梯子的两条长边被称为糖-磷酸骨架。它们由交替的糖分子（脱氧核糖）和磷酸基团组成，并将整个结构固定在一起。

梯子的横档是重要的部分。每个横档由两个配对的碱基组成。有四种碱基：

- A（腺嘌呤）

- T（胸腺嘧啶）

- C（胞嘧啶）

- G (鸟嘌呤)

Here is the critical rule: A always pairs with T, & C always pairs with G. Always. In every species. These are called base pairs, & a single base plus its sugar & phosphate is called a nucleotide.

A stretch of human DNA might read: ATCGGCTAA. If you know one side, you automatically know the other: because A pairs with T, and C pairs with G.

Who Discovered It?

The Race to Discover DNA's Structure

In 1953, James Watson & Francis Crick published the structure of DNA. They won the Nobel Prize for it in 1962.

But they could not have done it without Rosalind Franklin.

Franklin was a brilliant chemist at King's College London. She used X-ray crystallography: firing X-rays at DNA crystals and reading the patterns they made: to produce Photo 51, the clearest image of DNA's structure anyone had ever seen.

她的同事莫里斯·威尔金斯在富兰克林不知情或未经许可的情况下，将Photo 51展示给了沃森。沃森后来写道，当他看到这张照片时，双螺旋结构变得显而易见。

富兰克林从未获得诺贝尔奖。她于1958年因卵巢癌去世，享年37岁：这可能与她长期从事X射线工作有关：而诺贝尔奖不授予已故者。沃森和克里克当时几乎没有承认她的贡献。

如今，科学家们认识到富兰克林的实验工作至关重要。她在生前被剥夺了应得的荣誉，她的故事提醒我们，科学是由人完成的：而人并不总是公平的。

DNA 如何复制自身

复制密码

每当细胞分裂时——无论是为了愈合伤口、生长，还是替换衰老细胞——它都必须首先精确复制其全部 DNA。这个过程称为 复制。

以下是具体过程：

1. 一种名为 解旋酶 的酶通过断开碱基对之间的氢键来解开双螺旋结构。它实际上是将梯子从中间分开。

2. 另一种酶称为 DNA 聚合酶，它会读取每条暴露的链，并按照碱基配对规则（A 与 T、C 与 G）构建一条新的互补链。

3. 结果：得到两个与原始 DNA 分子完全相同的拷贝。每个拷贝都包含一条旧链和一条新链。

你的身体大约每秒进行 3.8 百万次 这样的复制。并且几乎每次都能正确完成：DNA 聚合酶大约每复制十亿个碱基才会出现一次错误。当它确实出错时，其他酶通常会发现并修复这个错误。

但并非总是如此。当错误未被发现时，它就会成为一个 突变。我们很快会讨论为什么这很重要。

转录和翻译

DNA 如何构建事物

DNA 并不直接构建你的身体。它通过一种称为 RNA（核糖核酸）的中间物来工作。

这个过程有两个主要步骤：

步骤 1：转录（DNA → mRNA）

DNA 的一个片段（一个基因）被复制成一种叫做信使 RNA（mRNA）的分子。可以把它想象成从一本庞大的操作手册中复印一页。原件安全地保存在细胞核中；复印件则被送到“工厂车间”。

步骤 2：翻译（mRNA → 蛋白质）

核糖体：细胞的蛋白质制造机器，逐个读取 mRNA 上的三个字母。每三个字母组成一个密码子。每个密码子对应一个氨基酸。把氨基酸连接起来就形成了蛋白质。

例如，密码子 AUG 编码氨基酸甲硫氨酸，同时也发出“从这里开始合成”的信号。密码子 UAA 则发出“停止”的信号。

一个基因可能编码一个含有数百个氨基酸的蛋白质。该蛋白质可能成为消化食物的酶、携带血液中氧气的血红蛋白分子，或构成头发的角蛋白纤维。

一个基因 → 一条 mRNA → 一个蛋白质 → 身体中的一项功能。（这是一种简化描述：现实情况更为复杂：但它抓住了核心逻辑。）

当基因发生突变时

当代码发生变化时会怎样？

突变是指 DNA 序列的任何改变。它可能是一个碱基被替换为另一个碱基、一个碱基被删除，或插入额外的碱基。

有些突变不会产生任何影响：密码子仍然编码相同的氨基酸（遗传密码中存在冗余）。这些被称为沉默突变。

有些突变会改变一个氨基酸，但蛋白质仍能正常工作。有些突变会改变一个关键氨基酸，导致蛋白质功能丧失。

还有些突变：非常罕见：会产生一个比原始蛋白质功能更好的蛋白质。

我们为何各不相同

变异的来源

如果DNA复制如此精确，为什么我们不是完全相同的？

遗传变异的三种主要来源：

1. 突变：随机复制错误、紫外线辐射或化学物质暴露都可能改变DNA中的碱基。大多数突变是中性的。有些是有害的。少数是有益的。

2. 有性生殖：当生物进行有性生殖时，每个亲本贡献一半的DNA。具体组合是随机的。你与每个亲本共享50%的DNA，但你获得的是哪50%取决于遗传彩票。这就是为什么兄弟姐妹看起来相似但并不完全相同。

3. 重组：在卵细胞和精子细胞形成过程中，染色体之间会发生物理性的片段交换。这种交换以父母双方都不曾拥有的方式重新组合基因。

为什么变异很重要

遗传变异并非缺陷，而是生存策略。一个基因完全相同的种群非常脆弱。一种疾病就可能消灭整个群体，因为没有人具有抗性。

但在遗传多样化的种群中，某些个体可能携带恰好能使它们产生抗性的突变。它们得以生存、繁殖，并将抗性传递下去。这就是自然选择：进化的动力。

你能想到的每一种适应性特征——猎豹的速度、仙人掌的储水能力、人类的大脑——都始于一个恰好有用的随机突变。

CRISPR与基因编辑

重写生命的密码

数十亿年来，DNA的变化发生得很缓慢：通过随机突变和自然选择。

这一切在2012年发生了改变。

Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier发现，细菌的防御系统CRISPR-Cas9可以被重新编程，在任何精确的位置切割DNA。她们因此获得了2020年的诺贝尔化学奖。

CRISPR就像带有GPS的分子剪刀。你给它一个与目标DNA序列匹配的引导RNA，Cas9蛋白就会在那个精确位置切割DNA。然后细胞自身的修复机制会修复这个切口：你可以在修复过程中插入一个修正的基因。

这是革命性的。科学家们已经用CRISPR：

- 通过编辑患者的造血干细胞，在临床试验中治愈了镰状细胞病

- 创造出无需传统育种的抗病作物

- 开发出针对肌肉萎缩症、某些癌症和HIV的潜在治疗方法

但 CRISPR 也引发了巨大的伦理问题。

2018 年，一位名叫贺建奎的中国科学家宣布，他已使用 CRISPR 技术编辑了人类胚胎的 DNA：一对双胞胎女孩因此出生时基因已被修改。全球科学界谴责此举鲁莽且不成熟。贺建奎被判处三年有期徒刑。

核心困境在于：编辑胚胎的 DNA 会改变这个人体内所有细胞，而这些改变会遗传给他们的子女，以及子孙后代。我们正在讨论永久性地改变人类基因库。

基因检测 本身也引发了诸多问题。如今，你可以吐一口唾液到试管中，就能获知数百种疾病的风险。但雇主或保险公司是否应该获取这些信息？父母是否可以根据智力或运动能力等特征来选择胚胎？

我们应该编辑人类 DNA 吗？

轮到你来论证

这些问题没有单一的正确答案。但存在有理有据的答案，也存在缺乏依据的答案。

强有力的论证会同时考虑潜在的益处与风险，使用证据，并承认问题的复杂性。

你会记住什么？

最后的思考

你以一个关于猫的问题开启了这节课。

现在你知道，答案存在于一个由四种化学字母组成的扭曲梯子中：这个代码如此优雅，以至于它驱动着地球上每一种生物；它又如此强大，以至于我们才刚刚开始学习如何改写它。

DNA 科学的发展速度超过了人类历史上的任何时期。现在正在学习这些材料的学生，将成为决定如何使用它的那一代人。