你的 DNA 在偷偷崩溃与重建
21:08 Share

你可能已经知道我和团队正在创作《寻觅自然》的第四季第四季有两个选题就是《生命密码》和《恐龙灭绝》什么是《生命密码》那就是基因嘛现在《生命密码》这部电影已经进入到了最后阶段了这段时间中我接触到的关于生命科学的知识比我过去的好几年还要多

那这些知识接触的越多我就越发的感慨生命远比我们想象的要复杂的多的多很有可能一个新的生物学发现就会颠覆我们的以往认知这种颠覆越多那就说明啊我们对这个学科的底层逻辑了解的越少今天我就来给大家详细说说我最近看到的一条这样的科技新闻

我们几乎人人都知道人体是由细胞组成的而且我们都知道人体内的细胞那是多到数不胜数但是可能很多人都没有想过这个数不胜数到底是个什么概念到底有多少细胞呢其实这是有答案的成年人体内大约有 40 万亿个细胞这相当于全球人口总数的 5000 倍

几乎每一个细胞中都含有一套由 30 亿对碱基构成的 DNA 分子

每一次细胞发生分裂的时候,这些碱基就会被完整地复制一次。在我们的一生中,有些稳定的细胞,比如神经元细胞和心肌细胞,它们一旦成熟就几乎不再分裂了。但是另外一些细胞,比如我们皮肤上的表皮细胞和肠道里的上皮细胞,它们只需要几天就会更新一代。

这样平均算起来,在我们人的一生中,体内细胞会分裂超过 400 万亿一次,这也意味着我们人体内的 DNA 也会被复制同样的次数。研究表明,DNA 在复制过程中,大约每 10 亿个碱基就会出现一次复制错误。

这是一个极低的出错概率但是在这个巨大的复制次数的基数下在我们人的一生中也要平均出现大约 40 万次的基因突变这就是我们的年龄与癌症的发病率是成症相关的原因所在

DNA 分子在自我复制的过程中靠的是 DNA 聚合酶而 DNA 聚合酶的准确率其实并不算很高它工作的过程中大约 10 万到 100 万个碱基就会产生一个错误如果按照这个出错率计算的话那么每个细胞完成一次分裂就会产生上千个基因突变

不过好在 DNA 聚合酶本身具有校正机制细胞也拥有一套完整的错配修复系统这才让我们的 DNA 分子的复制出错率降低到十亿分之一这个水准这些修复机制呢就像是城市里的维修队一样日夜不停地修复着各种各样的错误

最近科学家们又发现了这支维修队中的一个关键成员这一发现可能会颠覆我们对癌症治疗的认知

怎么回事呢 2024 年底德国维尔兹堡大学的科学家们在著名的期刊《基因与发育》上发表了一项重要的研究他们发现有一种被命名为 NIT1 的常恋非编码 RNA 在 DNA 的损伤修复过程中起到了重要的作用好了这里出现了一个术语就是常恋非编码 RNA 那么它是什么东西呢我们先来讲什么是 RNA 啊

假设你正在图书馆里看书突然看到一页对你很重要的内容于是你就掏出手机把这一页拍照拍下来带走我们可以把图书馆里的每一本书看作是一个 DNA 分子里面记录着构建和维护我们身体所需要的所有的信息那么 RNA 就像是从书本上复制出来的一个单页它们负责把一段重要的信息传递出去

大多数 RNA 都会被用来制造蛋白质这类 RNA 就像是一张生产用的图纸但是有一些 RNA 呢比如说我们刚刚提到的那个 NIT1 它的功能就不是图纸而是有着其他特殊的任务科学家们就把这类 RNA 就叫做非编码 RNA 我每次念 RNA 都特别的痛苦我觉得特别的绕口真的比所有的绕口令加起来还要难读啊

在过去很长的一段时间中科学家们都认为 DNA 中只有那些能够编码蛋白质的部分才是最重要的而那些不能编码蛋白质的部分就被他们称为垃圾 DNA 这种观点在 20 世纪 70 年代和 80 年代是非常流行的当时的科学家们估计人类的基因组中大约只有 2%的 DNA 是用来编码蛋白质的而剩下的 98%都被认为是垃圾 DNA

但关于这 98%的垃圾科学家们又主要分成了两派观点其中一部分科学家们认为这些不能编码蛋白质的 DNA 的片段是完全无用的纯粹是演化过程中产生的废物

因为它不影响我们的生存所以就被保留了下来另外一部分科学家则认为这些不能编码蛋白质的 DNA 很可能起到了稀释有效编码让 DNA 减少变异带来的伤害的作用这就好比假如我是一个特别粗心的人我每次出门都一定会丢一个手机掉

那我就想到了一个办法我一出门就带上一个真手机和 99 个假手机这样的话我的真手机丢失的可能性就大大降低了反正要丢一个嘛那还不如丢一个假的

但不管怎么说这些 DNA 片段没有任何实际功能这个已经成为科学界的主流认知然而随着科学技术的进步尤其是人类基因组计划的完成科学家们就开始重新审视这些所谓的垃圾 DNA

科学家们在深入研究后就发现这些所谓的垃圾 DNA 实际上有着非常重要的功能它们不会直接制造蛋白质但是它们却参与了调控基因表达维持染色体结构等等非常关键的生物过程 2003 年人类基因组计划完成后科学家们发现人类基因组中只有约 2 万个蛋白质编码基因远远少于之前预测的 10 万个

这个发现就让科学家们更加关注非编码区域的功能随后的研究还表明大量的非编码 DNA 也会被转录成 RNA

那么这些 RNA 到底有什么用处就成了科学家们非常关注的一件事情于是人类基因组计划的发起人之一美国的国立卫生院就进一步发起了 ENCODE 项目这个 ENCODE 项目的主要目标就是全面的描绘出人类基因组中所有功能性的 DNA 的序列而不仅仅是那些编码蛋白质的部分了

2012 年 ENcode 公布了他们的研究成果他们的研究表明人类基因组中至少有 80%的 DNA 都显示出某种生物化学活性他们有的可以与蛋白质结合完成某项功能有的呢则可以参与转路活动他们参与了调控基因表达的各种过程这一发现就彻底改变了科学界对垃圾 DNA 的看法

好下面回到我们今天的主题刚才我们说了那个 Nit1 非编码 RNA 它就是这些曾经被忽视的垃圾 DNA 转录出来的一种非编码 RNA 那么 Nit1 在 DNA 修复中扮演着什么角色呢简单来说 DNA 的修复过程可以分为三步第一步当 DNA 发生损伤的时候就会促使 Nit1 发生甲基化

第二步,甲基化的 Nit1 会帮助释放和激活一种叫做 CHD4 的染色质重塑因子。第三步,CHD4 就会聚集到 DNA 受损的区域,通过调节染色质的状态来完成对受损 DNA 分子的修复工作。

所以说修复受损的 DNA 这件事情就像是一根环环相扣的链条而假计划的 Nit1 则是其中不可缺失的一环好了刚才又出现了一个术语就是所谓的假计划那么假计划是什么意思呢

这个现象在我们认识生命密码的过程当中非常的重要因为这个现象不仅开启了一门叫做表观遗传学的新学科还成功的刷新了人类对遗传问题的认知

所以下面我们再来说说什么是甲基化甲基化是细胞内一种常见的化学反应在 DNA 甲基转移酶的催化下一个甲基就会通过共架件连接到包密定上这个过程就好像是在金属导线外面包上了一层绝缘皮它会影响基因的表达但却不会对 DNA 的序列造成改变

甲基化呢就像是给基因啊安上了一个开关完全相同的基因可以在甲基化的控制之下打开或者关闭于是遗传学中就产生了一个专门研究为什么有些基因会被打开而有些则会被关闭的分支这个分支啊就叫做表观遗传学表观就是表面观察这几个字啊

表观遗传学的概念最早可以追溯到 20 世纪 40 年代当时英国遗传学家康拉德·沃丁顿在果蝇实验中观察到温度变化能够导致果蝇的翅膀发生形态上的变异

他把发生变异的果蝇进行了进一步的培养他就发现这些变异确实可以遗传给后代但变异后代的数量却与孟德尔遗传规律不吻合进一步的实验还发现那些发生变异的果蝇个体在一些特殊的环境下还能够自己恢复正常于是他就猜测这些变异并没有真正改变果蝇的基因序列发生改变的应该是基因的表达

沃丁顿提出他的假说之后不久科学家们就在人类身上观察到了类似的现象 1944 年至 1945 年的冬天荷兰部分地区遭受了严重的饥荒研究发现在饥荒期间怀孕的妇女所生的孩子即使他们长大后生活在了正常的饮食环境中他们依然会比其他人更容易患心脏病和代陷疾病

更令人感到惊讶的是这些影响甚至还会延续到他们的第三代科学家们就认为这种跨代影响很可能是通过表观遗传机制实现的这个发现打破了我们传统的遗传观念过去我们认为只有 DNA 序列的变化才能被遗传但现在我们知道环境因素导致的表观遗传改变也可能影响后代的健康

这就好像是在说你的个人经历不仅会影响你自己还可能会影响你的孩子和孙子即使他们没有经历过与你相同的事情不过有些遗憾的是沃丁顿当时的技术水平还无法支持他在这个领域做更深入的研究直到 20 世纪 80 年代随着分子生物学技术的发展科学家们才开始深入研究表观遗传机制

这里面就包括 DNA 的甲基化主蛋白修饰等等现象 DNA 的甲基化是最早被发现的表官遗传修饰之一在 20 世纪 70 年代末科学家们发现在 DNA 的某些位置上添加甲基集团就可以抑制基因的表达

这就好比我们在书的某些页面上贴上了禁止阅读的标签这样就可以让这些信息被临时屏蔽但是书的内容本身并没有发生改变与遗传变异不同表观遗传学的一个重要特点就是可逆性开关可以在特定的条件下被打开或者关闭这就好像你可以揭掉那些禁止阅读的标签让被屏蔽的信息重新可见

这个特性就使得表观遗传学在医学研究中变得尤为重要特别是在癌症研究领域

1983 年科学家安德鲁·芬恩伯格和贝尔特·沃格斯坦发现在结肠癌细胞中一些可以抑制癌症发生的基因发生了假计划导致这些基因的功能被关闭最终变成了癌细胞这个发现就给了其他科学家很大的启发这说明表观遗传改变在癌症发生的过程中可能扮演着重要的角色

果然随后的很多研究都表明几乎所有类型的癌症都伴随着表观遗传上的改变这些研究不仅改变了我们对遗传的理解也为癌症治疗提供了新的思路比如说现在就有一些表观遗传药物正在被开发出来这些药物的作用不是用于治疗而是用于修正癌细胞中异常的表观遗传修饰

一旦这些异常被修复那么癌细胞就会暴露在免疫系统面前被我们的免疫细胞杀死并清理掉这样一来癌症就可以被治愈了好弄明白了甲基化的概念之后咱们继续来说 NIT1 甲基化这件事情德国的研究团队就注意到在很多癌症患者的肿瘤组织中 NIT1 的数量都会明显增加

今年 2 月份来自中国大理大学的研究团队也发现在节直肠癌组织中 NIT1 的表达量远高于周围健康的组织他们将这一发现发表在了科学报告杂志上说到这里呢我不知道你有没有听出什么不对劲的东西很多癌细胞的产生都是因为抑制癌症的基因被关掉了开关那么为什么到了 NIT1 这里癌细胞会产生更多的 NIT1 呢

NIT1 如果促进了 DNA 的修复那不是不利于癌细胞的生长吗

研究团队给出的答案是这样的癌细胞由于生长分裂的速度都比正常细胞要快所以 DNA 损伤的频率也会比正常细胞更高这就让他们需要产生更多的 NIT1 来应对这些损伤你可以把癌细胞想象成是一座疯狂扩建的房子这样的房子的质量肯定是不太过硬的所以就需要 NIT1 这样的维修工跟在后面拼命的修理

表观遗传学的研究告诉我们基因的表达不仅取决于 DNA 序列本身还受到环境生活方式等多种因素的影响就是这个特征打破了人们对基因决定论的看法过去人们认为一个人的基因组决定了他的一切包括他的健康还有性格特点等等

但现在我们知道,环境和生活方式可以通过表观遗传机制影响基因的表达,进而影响我们的健康。比如,有些研究就表明,长期的精神压力可以改变某些基因的甲基化状态,影响这些基因的表达。同样,饮食习惯、运动、睡眠等生活方式因素也可以影响表观遗传状态。

这就解释了为什么有些双胞胎尽管拥有相同的 DNA 序列但随着年龄的增长他们在健康状况疾病风险甚至外貌上也会变得越来越不同所以啊表观遗传学现在也被应用在个性化医疗领域

我是汪洁在我和平哥吴金平老师的科普经典解读课中我们将带你深入 11 本科学经典著作不仅是浅尝者止而是深入其脉络掰开揉碎将看似深奥的科学知识直接放在你面前每期 40 分钟的奇妙旅程我们将毁掉你的旧三观并用科学的新三观重建它

由于每个人的表观遗传状态可能不同这导致同一种药物对不同患者的效果也不同通过检测患者的表观遗传状态再结合人工智能技术医生就可能准确地预测药物对具体患者的疗效从而找到最适合患者的治疗方案

这就好像我们可以根据每个人的身高体重和喜好定制衣服一样个性化的医疗可以为每个患者提供量身定制的治疗方案

对于我们普通人来说了解表冠遗传学的这一特征至关重要因为它告诉我们我们的命运并非完全由基因决定我们可以通过改变生活方式和环境来影响基因的表达从而影响健康状况这就好比同样品牌和型号的一辆汽车不同的人来驾驶和养护车辆表现出来的状态就会完全不同基因只能决定我们身体的能力上限

但通过良好的健康管理我们通过后天努力那么我们可把控的空间也是极大的我们经常能够看到关于癌症治疗的新进展每一个进展都好像能成为我们战胜癌症的利器但深入研究之后我们就会发现很可能它只是一幅巨大画卷上的一小块拼图而已

不过好消息是我们没找到一块这样的拼图整个图画就会变得清晰一分我相信总有一天这幅巨大的画卷会完整的呈现在我们的面前这一天已经不远了科学声音

五一假期马上就要来了,跟大家说一下这个假期我的行程安排 5 月 3 号我会到福州,上午和下午各有一场导演见面会我一直觉得福州就是我的福地,去年在福州开了很多场点印,几乎是场场满座我也到福建省科技馆做过讲座,我觉得福州的孩子对科学也是特别的热爱科学素养也真的是很好,这次我专门在最好的时间段去福州

5 月 4 号我会再到广东科学中心做导演见面会也是上午和下午各一场广东科学中心的剧目影院是全国最好的剧目影院之一在这个影院来欣赏寻觅自然那绝对是一种享受

我强烈推荐广州及其周边的朋友来广东科学中心巨木影院看寻觅自然我相信一定不会让大家失望的那如果你想购买导演见面会的门票请到寻觅自然的微信公号底部菜单点击我要观影然后再点击导演见面会即可

5 月 5 号的上午我还会在广州图书馆做一场公益讲座并且还会公益播放探秘韩武技这个是免费公益的讲座如果您想参加请关注广州图书馆的微信公号现在人到中年不知道为什么感觉时间是过得越来越快似乎就一眨眼的功夫又是一年过去了人生短暂我们都需要珍惜时间为了自己的理想努力奋斗好了我们下期再聊