四、解读天书
DNA分子结构已表明它足以担当遗传信息携带者的角色，但是还必须探明它传递这些信息的机理。1958年，克里克又提出了遗传信息的传递学说——中心法则，从而把DNA结构、信息传递和生物性状表现联系在一起。他认为遗传信息可以从核酸传递到核酸，也可以从核酸传递给蛋白质，但不能从蛋白质传递给核酸。遗传信息传递的过程是：亲本把DNA先复制一份，复制方式是半保留复制，即把组成DNA的两条链解开，然后分别以两条DNA链为模板，通过碱基配对，合成两个新的DNA分子，这样合成的每个DNA分子中都含有一条亲代的DNA链。这两个各含一新一旧的双链DNA分子再通过细胞分裂平均分配到两个子代细胞中去，子代按照这个遗传信息进行生长发育，就表现出亲代的性状，从而保持了亲代与子代之间遗传性状的稳定性。DNA的复制过程及机理，已由经过放射性同位素标记的细胞分裂过程得到可靠的验证，并且有人在1963年用电子显微镜和放射自显影相结合的方法成功地得到了大肠埃希氏菌（大肠杆菌）DNA半保留复制过程的图像。基因表现为具体生物性状的过程，称为基因表达。而生物性状的主要体现者是蛋白质，所以基因表达的实质就是基因控制的蛋白质的合成过程。基因的表达过程，即是遗传信息的传递过程：DNA—RNA—蛋白质（中心法则）。
至于RNA如何翻译成蛋白质的过程则涉及遗传密码的破译工作。遗传密码子的具体设想是由伽莫夫（G.Gamov，1904—1968，俄裔美国物理学家和天文学家）在沃森和克里克提出的DAN分子结构模型的基础上提出的。他根据排列组合计算认为，两个碱基组成的密码子太少，四种碱基组成的密码子又太多，而三联体密码子比较合适。从这里他进一步推论，一种氨基酸可能有不止一个密码子。他的基本观点后来都被实验完全证实了。实验表明，密码子确实是以三联体核苷酸的形式代表着20种不同的氨基酸，而且是由一个固定点开始，朝着一个方向一个挨一个地读下去，如果中间一个核苷酸发生了增或减的误差，以下的密码就都会发生变化。遗传密码的破译工作在1961—1966年间完成，20种氨基酸的密码子都已找到，即四种不同碱基组成的64种三联体的排列方式分别对应20种氨基酸（大多数氨基酸有几个三联体对应，如CCU、CCA、CCG三个密码子都代表脯氨酸）。这样，由核酸翻译而来的氨基酸种类、数量、排列次序及蛋白质空间结构的不同，造就了丰富多彩的生物种类。理论上，人类可利用基因的表达机制，即DNA分子中A、G、C、T的排列顺序决定了mRNA上的碱基排列顺序，mRNA上的碱基排列顺序又直接控制着蛋白质的氨基酸顺序，从而有目的地改变三联体的组分和排列，进而改变由它翻译来的蛋白质中氨基酸的种类和数量，也即改变生物的性状表现，以达到人类改良生物性状的目的。这实际上就是基因工程研究的领域。
DNA是遗传物质，蛋白质是生命的表现者。DNA双螺旋结构的发现、中心法则的提出、遗传密码的破译、基因表达调控以及信号传导机制的研究，为基因工程的诞生和“人类基因组计划”的提出和实施奠定了理论基础。尽管20世纪70年代对人类基因组的研究就已经开始，但当时的研究规模很小，技术也相对落后。80年代初，分子生物学特别是DNA克隆、测序技术有了较大发展，生物学和医学的研究领域渴望有新的突破。此外，基因表达研究技术日趋完善，人类高级神经活动研究取得了新的成果，蛋白质的结构功能研究初露端倪。由于这些技术领域的迅猛发展，在世界范围内对一些科研课题提出了不少宏伟的计划，如“肿瘤计划”“、脑的10年计划”“、遗传工程计划”“、讯号传导计划”“、蛋白质计划”等，这些计划均取得了一些成绩，但是由于受到无法克服的根本限制，都未能达到目标。这些限制都与基因有关。1945年“，曼哈顿工程”的成功使美国在日本的广岛和长崎各投掷了一颗原子弹，这两颗原子弹不仅造成数十万平民的死亡，而且使大量幸存者遭到大剂量的核辐射。核辐射可以破坏DNA的结构，因而造成基因的突变。为了研究核辐射对人类的影响，美国国会责成原子能委员会，也就是现在的美国能源部（DOE）的前身，开始了长达数十年的核辐射对人类基因突变作用的研究。从理论上计算，受过辐射影响的人的突变频率应该比对照组高出3倍。但当时的技术没有能够检测到1.2万名核辐射受害者所生儿童的基因突变。要检测出这样的突变率需要分析受害者大量的DNA序列，按照当时的DNA分析技术这是根本做不到的。结果是，受害者明明已经表现出突变性状，但却检测不出DNA结构的变异比对照组有什么显著差异。
1984年12月9～13日，受美国能源部和国际预防环境诱变剂以及致癌剂委员会的委托，犹他大学的怀特（R.White）在美国犹他州的阿尔塔组织召开了一个小型学术会议。参加会议的有美国能源部的官员史密斯（D.Smith）以及DNA分析方面的学者共计19人。这次会议的主要目的就是研讨有没有新的方法可以非常有效地检测出人类基因的突变。在5天的会议期间，与会者交流了自己在DNA结构分析方面的研究进展，并对在DNA水平上检测可遗传变异的方法和途径进行了讨论。当会议结束时，与会者已经达成默契，解决这个问题的最好办法是对受害者及其后代的全基因组序列进行测定，要做到这一点，必须首先测定出人类基因组全序列的参考文本。1985年5月，美国能源部在美国加利福尼亚州的圣克鲁兹召开了又一次会议，会上第一次认真提出了测定人类基因组全序列的动议，由此形成了美国能源部的“人类基因组计划”草案。
1986年3月，在美国新墨西哥州的圣菲又进一步讨论了这个计划的可行性。1986年3月，诺贝尔奖获得者杜尔贝克在《科学》杂志上发表了题为《癌症研究的转折点——人类基因组的全序列分析》的短文，文章回顾了70年代以来癌症研究的进展，人们认识到包括癌症在内的人类疾病的发生大都与基因有直接或间接的关系。同时，他指出，不能继续用零敲碎打的方法来了解人类的基因，而应当从整体上研究和分析整个人类基因组及其序列。他指出：“这样的工作是任何一个实验室都难以承担的，至少应该成为国家级的项目。它的意义可以与征服宇宙的创举相媲美。我们应该以征服宇宙的气魄来进行这一宏伟的计划。”“更加引人关注的是使这一计划成为国际性的课题，DNA序列是人类的真谛，这里发生的一切都与之息息相关。”分析人类基因组的全序列，的确是一个大胆的设想。
1986年5月，当史密斯作为美国能源部人类基因组计划的负责人，在冷泉港会议上宣布这项计划时，会场上一片哗然。尽管有包括三位诺贝尔奖获得者（Walk Gilbert，Paul Berg，James Watson）在内的资深生物学家坚决支持这项计划，但仍遭到许多生物学家特别是年轻的生物学家的反对。这些生物学家反对的原因不仅涉及计划的内容本身，而且涉及该计划可能对现行生物学研究的影响以及计划的管理方式等。就这项计划本身的原因来说，反对者认为，当时的作图和测序技术能力与计划目标之间存在着显著的差距，因此对该计划的可行性表示怀疑；另外，若没有与其他较易进行实验操作的模式生物的基因信息的比较研究，人类基因组全序列所含的信息的绝大多数将是无解的，因此，将计划仅限制在人的基因组是不够的。就对生物学的影响来说，一些反对者担心，国家拨出30亿美元作为“人类基因组计划”一个课题的资助，势必会削弱对生物科学、医学和其他基础性研究的资助，这样会使大批依靠自由选题、单独申请研究基金的科学家得不到足够的经费，从而失去了或减少了在各个学科领域里竞争、拼搏、一展身手的机会，将影响个人的研究，影响生物科学和医学的全面发展。就管理方式来说，反对者认为，能源部很少资助有关重组DNA的研究项目，缺少全面了解遗传学发展动态的资深科学家和管理人员，并且能源部的领导人一直是物理学家，因而由DOE来组织和管理这项计划必然使生物学家从属于物理学家。另外，该计划涉及的许多伦理的、法律的和社会的问题也令一些科学家忧心忡忡。在冷泉港的这场争论很快引起美国国家科学院生物学部基础生物学科学委员会的重视。［5］
在8月份的一次会议上，成立了一个隶属于国家科学研究委员会（National Research Council，简称NRC）的专家小组，小组由15人构成，任务是起草一份有关“人类基因组计划”的专题报告。经过14个月的努力，该小组完成了题为《人类基因组的作图和测序》的专题报告。该报告考虑了冷泉港会议上的反对意见，对原计划进行了修改。与此同时，美国国会能源和商业委员会下属的技术评估办公室（Office of Technology Assessment，简称OTA）也对该计划进行了专题研究，就实施该计划的科学和医学价值、所需经费的规模和通过什么机构拨款资助、如何协调政府各部门和私人组织机构之间的工作，以及如何在开展国际合作的同时还能确保美国在生物技术上的竞争优势等，撰写了一份专题报告。虽然对写作该报告的要求是不要有倾向性意见，要如实反映情况供国会考虑，但该报告给人的信息是“：人类基因组计划”势在必行，而且时机已经成熟。这时美国国家卫生研究院（NIH）也开始考虑人类基因组测序的问题。过去，NIH对该计划并不积极支持，很大程度上是由于NIH已习惯于资助那些对特定科学假说进行检验的小型研究项目，而对实验设备或数据处理方面的项目缺乏热情。另外，NIH还未曾支持过大科学的研究项目，支持大科学项目是DOE的特长。但要真正实施人类基因组计划，NIH的参与是必不可少的，因为NIH资助着这项计划的主要用户，即绝大多数的人类遗传学、分子生物学和细胞生物学的科学家。1988年10月，DOE和NIH签署了一项谅解备忘录，以协调双方在人类基因组测序方面的工作。这样，经过美国能源部、美国科学院、美国国会和美国国家卫生研究院分别组成的专家小组的反复调查论证和辩论，终于于1988年美国能源部和国家卫生研究院率先在美国开展“人类基因组计划”，并得到国会的批准，由政府资助。鉴于人类基因组计划的研究是一个国际性的课题，需要国际合作，不久又成立了一个机构——人类基因组织（Human Genome Organization）。1989年，美国成立“国家人类基因组研究中心”，沃森出任第一任主任。1990年10月，国际“人类基因组计划”正式启动，预计15年完成。美国国家卫生研究院和能源部联合发表了“人类基因组计划”的最初5年目标（1990—1995年）。
“人类基因组计划”先后共有美、英、日、法、德、中六国参加，其中美国承担了全部任务的54%，英国33%，日本7%，法国2.8%，德国2.2%，中国于1999年9月获准加入人类基因组计划，并承担了1%的测序任务。“全球合作、免费共享”的人类基因组计划精神已成为自然科学史上国际合作的楷模，是人类文明史上最伟大的科学创举之一。生命科学也由此开始了以DNA序列为基础、以生物信息学为导向的新纪元。(www.daowen.com)
人类基因组计划工作取得了举世瞩目的进展，2000年6月26日，美国国家人类基因组研究所所长弗朗西斯·柯林斯和美国塞莱拉公司的董事长兼首席科学家文特尔联合宣布人类基因组工作草图绘制成功。2001年又公布了人类基因组图谱及初步分析结果。在这以后，对基因组的研究，从结构的研究转入了功能的研究。人类基因组计划的进展，对未来生命科学研究的思想和方法论也带来了革命性的改变。人们将从基因组和比较生物基因组的水平，而不是从孤立的单基因水平，来重新探讨和认识生物的进化、遗传、发育，生物和环境，脑功能等重要生物学问题。人类基因组计划对带动和促进生物产业和生命科学的发展是显而易见的，它着眼于基因组的整体理论、策略、技术，前所未有地加快了人的新基因发现及其功能研究的速度。人类基因组计划对人类社会的影响将波及每一个人，将会对现有的法律、道德、伦理甚至生活方式都带来冲击和思考。这是人类历史上任何事件都无法比拟的。
由200万个碱基组成的脑膜炎奈瑟氏球菌的DNA全序列
注释：
［1］徐勇主编.新编世界史话（下册）.天津：天津科学技术出版社，2008：134
［2］王鸿生著.世界科学技术史.北京：人民大学出版社，2008：226
［3］王楠楠编著.诺贝尔奖的故事.哈尔滨：哈尔滨出版社，2007：111-112
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