如果你問我生物課本里，對誰的名字最熟悉？那孟德爾一定榜上有名！每當(dāng)我們提起孟德爾這位遺傳學(xué)之父，第一印象就是他做的那些豌豆實驗。
孟德爾的本職工作是布爾諾（Brno，現(xiàn)為捷克共和國第二大城市）一家修道院的神父，他在年少求學(xué)時就表現(xiàn)出對動植物遺傳的興趣，在成為神父后，也依然時刻關(guān)注著對園藝學(xué)和農(nóng)學(xué)相關(guān)的研究。
孟德爾
（圖片來源：wikipedia）
他發(fā)現(xiàn)了生物學(xué)的什么秘密？孟德爾的發(fā)現(xiàn)，對后世科學(xué)發(fā)展又帶來了什么靈感呢？關(guān)于基因的探索，如今人們研究到了哪一步？
一、孟德爾和豌豆實驗
從1856年到1863年間，孟德爾親自種植并測試了大約5000株豌豆植物（22個品種），他通過人工培植這些豌豆，對不同代的豌豆的高莖或矮莖、圓?；虬櫫?、灰色種皮或白色種皮等等性狀和數(shù)目進行細(xì)致入微的觀察、計數(shù)和分析，并發(fā)現(xiàn)豌豆的某些特征可以穩(wěn)定且有規(guī)律地遺傳給下一代。
在一次又一次的實驗中，孟德爾發(fā)現(xiàn)了生物遺傳的基本規(guī)律，并得到了相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系式。他的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)今被稱為“孟德爾第一定律”（即孟德爾遺傳分離規(guī)律）和“孟德爾第二定律”（即基因自由組合規(guī)律），是揭示生物遺傳奧秘的基本規(guī)律。1865年，孟德爾將多年的觀測記錄進行總結(jié)后，寫下了一篇名為《植物雜交實驗》的論文。
孟德爾在研究豌豆時使用的豌豆的特性，包括種子、花、豆莢、莖等多方面的特征，這個實驗也是我們初高中生物學(xué)教科書中學(xué)到基因相關(guān)知識的起點
（圖片來源：wikipedia）
但是，由于當(dāng)時的科學(xué)界缺乏理解孟德爾定律的思想基礎(chǔ)，這篇論文并沒有被人們重視。直到1900年，來自荷蘭的德弗里斯、德國的科倫斯和奧地利的切爾馬克同時獨立地“重新發(fā)現(xiàn)”孟德爾遺傳定律，科學(xué)史上把這一重大的科學(xué)事件，稱為孟德爾定律的重新發(fā)現(xiàn)。從此，遺傳學(xué)進入了孟德爾時代。
二、破譯基因，解答生命秘密
1909年，丹麥生物學(xué)家約翰遜對孟德爾論文中使用的“遺傳因子”一詞進行了修改，即基因，并且提出了表型（phenotype）和基因型（genetype）的概念。
1952年，經(jīng)過美國噬菌體小組的侵染實驗，確定了DNA為生物體遺傳物質(zhì)。從此，DNA與基因就緊緊地綁定在了一起。1958年，弗朗西斯·克里克首次提出了**“中心法則”**，解釋了生命遺傳信息的流動方向或傳遞規(guī)律，因此人們越發(fā)地認(rèn)識到基因的重要性。
（圖片來源：veer圖庫）
1990年，人類基因組計劃開始實施，宗旨在于**測定組成人類染色體（指單倍體）中所包含的30億個堿基對組成的核苷酸序列，從而繪制人類基因組圖譜，并且辨識其載有的基因及其序列，達(dá)到破譯人類遺傳信息的最終目的——解碼生命，**從而了解生命的起源、生長發(fā)育的規(guī)律，認(rèn)識種屬之間和個體之間存在差異的原因，疾病產(chǎn)生的機制以及長壽與衰老等生命現(xiàn)象，為疾病的診治提供科學(xué)依據(jù)。
噬菌體的結(jié)構(gòu)以及感染細(xì)胞的過程，其會首先向細(xì)胞內(nèi)注入DNA，然后這一DNA會在細(xì)胞內(nèi)復(fù)制，最后導(dǎo)致細(xì)胞死亡。
（圖片來源：wikipedia）
看到這里，小伙伴們可能要問了，一旦人類基因組計劃完成，那我們能否利用近年來十分熱門的基因編輯技術(shù)人為改造基因呢？比如，讓控制單眼皮的基因變成雙眼皮基因，那么喜歡雙眼皮的人們不就再也不需要雙眼皮貼或者大費周章做整容手術(shù)了嗎？這樣真的行得通嗎？
三、基因編輯是怎么回事？
基因編輯，顧名思義，就是對目標(biāo)基因進行編輯改造的技術(shù)，能對生物體基因組特定目標(biāo)基因進行修飾一種基因工程技術(shù)。從理論上來講，我們是可以將控制單眼皮的基因“改造”成控制雙眼皮的基因。
目前國際上最熱門的基因編輯技術(shù)就是CRISPR/Cas9，這種技術(shù)能夠通過“剪切和粘貼”脫氧核糖核酸（DNA）序列來編輯基因組，不管是對動植物還是對細(xì)菌的基因都能進行編輯，應(yīng)用范圍非常廣泛，不僅可以研究動植物各個基因的功能，還能用于人類的基因治療領(lǐng)域中。
形象來講，Cas9就好像剪刀/扳手，能在指定位置擰斷DNA，進行基因編輯
（圖片來源：wikipedia）
CRISPR/Cas9系統(tǒng)最早是在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的?？茖W(xué)家在研究該細(xì)菌的基因時，偶然發(fā)現(xiàn)了一段重復(fù)的回文序列，即該序列兩端的某些堿基對重復(fù)出現(xiàn)。這類密碼后來又在眾多細(xì)菌的基因組被發(fā)現(xiàn)。有科學(xué)家意識到這肯定不是一個巧合，經(jīng)過縝密研究發(fā)現(xiàn)這一類密碼應(yīng)該是細(xì)菌抵御外來DNA入侵的工具手段。
后續(xù)系列研究表明，CRISPR/Cas9 系統(tǒng)可以將入侵噬菌體和質(zhì)粒DNA的片段整合到 CRISPR 中，并利用相應(yīng)的 CRISPR RNAs（crRNAs）來指導(dǎo)同源序列的降解，從而提供免疫性。
看到這里，相信大家已經(jīng)想到了，只要將這類密碼子進行定向改造，讓它去降解特定的DNA片段，就能實現(xiàn)對目標(biāo)DNA的編輯了。
很快，來自加州大學(xué)伯克利分校的結(jié)構(gòu)生物學(xué)家詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）和瑞典于默奧大學(xué)的埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶就通過體外實驗證實了這一想法。接下來就有人利用CRISPR/Cas系統(tǒng)實現(xiàn)了對斑馬魚、真菌及細(xì)菌的基因編輯，張鋒實驗室將其成功地運用到了哺乳動物細(xì)胞上。
利用 CRISPR/Cas9 技術(shù)生產(chǎn)基因修飾豬
（圖片來源：生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志）
現(xiàn)如今，CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)是生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最重要的革命之一，已經(jīng)成功地實現(xiàn)了對果蠅、線蟲、大鼠、豬、羊、以及水稻、小麥、高粱等多種生物的基因組精確修飾。甚至在一些疾病的基因治療的應(yīng)用領(lǐng)域都展現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景，例如血液病、腫瘤和其他遺傳疾病。
隨著人們對CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)的了解，也逐漸發(fā)現(xiàn)了它的不足，即嚴(yán)重的脫靶效應(yīng)。因為CRISPR/Cas9系統(tǒng)在細(xì)菌體內(nèi)只需要做到不誤傷自身DNA即可，然而當(dāng)它用于基因編輯時，就可能因為靶點識別不準(zhǔn)確、切割不準(zhǔn)確或者對無法對切割位點進行精確編輯而無法完成對目標(biāo)基因的編輯。因此人們也正在不斷地開發(fā)新的技術(shù)，相信未來，基因編輯也將會更加成熟。
回到單眼皮基因的問題上，我們是否可以通過基因編輯技術(shù)來使我們變得更加漂亮呢？從理論上來講是可以的，不過要在你還是個受精卵的時候進行編輯，這樣才能保證你長大之后是雙眼皮。
其實，小伙伴們大可不必糾結(jié)，正因為基因的多樣性的存在，才造就了人與人的不同，每個人的美麗也是獨一無二的。相較于依靠基因編輯改變?nèi)菝?，也許我們更應(yīng)該學(xué)會的，是從心底里欣賞自己，接納自己獨特的美麗。
參考文獻(xiàn)：
高孟雨, 楊光, 包驥. 利用CRISPR/Cas9技術(shù)繁育基因修飾豬在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進展. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志, 2018, 35(4): 637-642.
[2]Doudna, J. A. , & Charpentier, E. . (2014). The new frontier of genome engineering with crispr-cas9. Science, 346(6213), 1258096.
[3]Hsu, P. , Lander, E. , & Zhang, F. . (2014). Development and applications of crispr-cas9 for genome engineering. Cell, 157(6), 1262-1278.
[4]Comfort, N. . (2017). A crack in creation: gene editing and the unthinkable power to control evolution. Nature, 546(7656), 30-31.
出品：科普中國
作者：蘆曉葦（中國科學(xué)院微生物研究所）
監(jiān)制：中國科普博覽
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