#生物学小讲座 | 如何理解转基因？请从这篇文章开始
Raffaele
2018-10-10 13:45
作者：观察者网风闻社区 Raffaele/飞扬
转基因无疑是近年来最能引发网络热（hu）烈（xiang）讨（si）论（bi）的科技话题，没有之一。和政治历史等等话题有所不同的是，正确理解转基因需要的前置知识对于吃瓜群众而言，实在太多了，而仅仅介绍几个关键知识点，又非常容易让人们对转基因产生一知半解的猜测和主观臆断，往往造成各种误解误会，让生物学从业人员感到难以解释清楚，无法描述明白。因此，两位笔者决定从现代生物学最基础，最入门的知识讲起，一点一点为大家真正理解转基因提供最充实的条件。毕竟，真正的理解才是辟谣的最佳手段。
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PART I 中心法则和基因
一、中心法则
中心法则顾名思义，是现代生物学最重要最核心的部分，无论什么样的生物学研究，都离不开对它的应用。那么，什么是中心法则呢？简而言之，中心法则就是遗传信息在三种生物大分子之间周转的形式。哪三种生物大分子？脱氧核糖核酸DNA, 核糖核酸RNA, 蛋白质protein。这三种大分子都能承载一定的遗传信息。按照这些周转形式在自然界中的常见程度，我们可以得到以下的一张表格【1】
虽然中心法则自1958年被DNA的发现者克里克提出以来【2】，已经经过了极大的补充和完善，但在大多数情况下，我们需要了解的中心法则，仅仅是左侧的三种遗传信息转换形式，即：
从DNA到DNA（称之为DNA的自我复制）
从DNA到RNA（称之为RNA的转录）
从RNA到蛋白质（称之为蛋白质的翻译）
此示意图不包括从DNA直接合成蛋白质的途径
用一句话总结中心法则就是DNA自我复制，并转录成RNA，再翻译成蛋白质，而蛋白质则协助前三个过程的进行。但当我们讨论遗传信息转换的时候，千万记得从DNA到RNA再到蛋白质，仅仅是真正的中心法则的一部分。
记住，只有明白了中心法则，能够在实际问题中应用中心法则，才能说你可以理解现代生物学，尤其是和基因相关的分子生物学的内容。事实上，由于中心法则是如此的重要，笔者决定在以后的每篇相关文章中，都重复介绍它，直到吃瓜群众们真正把它吃透为止。
二、基因
明白了中心法则的意义之后，我们不免要问，那铺天盖地宣传的基因是什么，它和中心法则有什么关系？在分子生物学中，基因通常被定义为一段DNA或RNA分子，是遗传的基本物质和功能单位。为什么基因不能是蛋白质？因为从中心法则中我们看到，蛋白质携带的遗传信息基本不能转换成DNA或者RNA，而后两者却没有这个限制。
双链DNA
既然基因是一段DNA或者RNA，那么它一定也承载了一部分遗传信息。实际上，基因（gene）这个词，本身就是从古希腊语γόνος, gonos衍生而来，而后者在希腊语中的意义，就是生殖和后代【3】。既然基因是一个实际存在的分子，那么它就能参与生物化学反应，这些反应，就有可能改变这个承载遗传信息的物质基础，也就是基因本身。这就是对基因的操作。那么，对基因我们能进行什么样的操作呢？下面我们就为小白/老爷们娓娓道来。
PART II 各类基因操作方式
最近有个新闻《切开不发黑这种转基因苹果美国已种超100万棵》【4】，文章中提到，美国有一种“转基因苹果”所打的果汁不会褐变，又提到，这种“转基因苹果”使用了“基因沉默”技术。可能很多读者没搞明白这些术语有何区别，在这里我们就对这些术语进行一个分析。
一、转基因transgene
我们通常所说“转基因技术”，是指将外源基因导入目标物种并使其能够稳定遗传的技术【5，6】。所谓的“外源基因”，通常是目标物种（比如大豆）所不具有的基因，例如来自细菌的EPSP合成酶基因。该基因变化过程通常指那些在实验室里通过重组DNA技术人工插入其他物种基因以创造出新特性的手段。这些转基因动植物与普通动植物有什么差异呢？
1. 基因序列不同，也就是中心法则中，DNA层次上的不同。转基因植物插入了一个它原本没有的基因，引起基因序列的改变。
2. 表达的蛋白质不同。通过中心法则，我们知道DNA会经由RNA的转录，最终表达出有特定功能的蛋白质。转入了新基因，通常就会有新的蛋白在细胞中表达。
3. 表达的其他物质不同。一部分基因并不是以表达蛋白的方式起作用，它们在转录成某些特殊的RNA，比如微小RNA（MicroRNA，miRNA）、长非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）、环状RNA（circRNA）之后，就能直接参与到细胞的生命活动中去。如果转基因动植物所插入的基因是编码这些RNA而不是蛋白质，那么转入这个基因也会相应的引起这些物质发生改变。
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二、杂交hybridization
在我们谈论育种的时候，杂交是指不同基因型的个体间进行的交配。通过杂交而让双亲基因重新组合（即同源重组），让同一种物种，甚至亲缘关系相当近，且不具有生殖隔离的两个物种进行不同个体间的繁殖，从而选出拥有优良性状的后代。杂交通常不会引入外源基因，仅仅是亲本个体间基因的交换。
网络上很多言论认为杂交就是广义的转基因，甚至有更激进的观点认为杂交就是转基因。这种说法显然是错得相当离谱的。虽然在分子层面的本质上，杂交和转基因都无非是DNA分子序列的改变，但无论从技术流程还是实际的操作结果来看，转基因和杂交都是两种完全不同的技术。
杂交和转基因的区别：
1、转基因依赖众多分子生物学实验手段，而杂交不需要。
2、转基因是对外源基因的复制和转移，而杂交是物种内部基因的重新组合。
3、转基因能较容易的掌握新性状的变化，而杂交不能预知同源重组的精确结果。【注1】
没有哪一种技术是万能的。尽管相对于杂交，转基因技术拥有不少优势，但就现阶段而言，转基因技术还受到相当多的限制，比如一些复杂性状的获得和集中，单靠转基因技术无法实现，仍然需要依赖传统的杂交技术。【7】【注 2】。
三、基因编辑gene editing
基因编辑技术指能够让人类对目标基因进行更加精确的“编辑”，实现对特定DNA片段的修改、敲除、加入等。目前较成熟的基因编辑技术包括但不限于锌指ZFN (Zinc-Finger Nucleases)、TALEN (Transcription Activator-LikeEffector Nucleases) ，以及近年来在学术界和媒体走红的CRISPR/Cas9技术【8】。
这个技术主要作用是什么呢？
1、基因敲除：如果想使某个基因的功能丧失，可以通过基因编辑，在这个基因内部产生双链DNA断裂，细胞在对这类DNA损伤进行修复的过程中往往会产生DNA的随机插入或删除，破坏原有基因的功能，从而实现基因敲除。
2、特异突变引入：如果想把某个特异的突变引入到基因组上，需要通过同源重组来实现，这时候要提供一个含有特异突变同源模版。正常情况下同源重组效率非常低，而在这个位点产生双链DNA断裂会极大的提高重组效率，从而实现特异突变的引入。这里涉及的原理比较复杂，我们将会专门撰文另行叙述。
3、定点转基因：与特异突变引入的原理一样，在同源模版中间加入一个转基因，这个转基因在双链DNA断裂修复过程中会被拷贝到基因组中，从而实现定点转基因。通过定点转基因的方法可以把基因插入到人的基因组AAVS1（安全港）位点。这个位点是一个开放位点，支持转基因长期稳定的表达，破坏这个位点对细胞没有不良影响，因此被广泛利用。
CRISPR/Cas9技术三巨头，认识他们的小伙伴们举个手让我瞧瞧～
四、基因沉默gene silencing
基因沉默是指生物体中特定基因因无法表达而失去作用。老规矩，我们先回忆下中心法则：基因要发挥作用，一般来说得从DNA转录成RNA，再翻译成蛋白质。如果说，基因编辑可以通过直接改变DNA序列，实现釜底抽薪式的基因失活操作的话，那么基因沉默就是发生在RNA的转录和蛋白质翻译这两种水平上的操作：
前者是由于DNA甲基化、异染色质化以及位置效应等引起的转录水平上的基因沉默（tran-scriptional gene silencing,TGS），也就是DNA虽然序列完好，却无法转录成RNA；后者是转录后基因沉默(post-transcriptional gene silen-cing,PTGS)，即在基因转录后的水平上，通过对已经转录好的靶标RNA进行特异性降解，使其无法正常翻译成蛋白，从而使基因沉默。
法国电影《你丫闭嘴》
五、RNA干扰和RNA参与的基因表达调控
RNA干扰（RNA interference, RNAi）是指在进化过程中高度保守的、由双链RNA（double-stranded RNA，dsRNA）诱发的、同源mRNA高效特异性降解的现象【9】。和CRISPR类似，RNAi是细胞对入侵的外源基因的一种自我防御机制。
研究发现，外源基因随机整合到宿主细胞基因组内，并利用宿主细胞进行转录时，常产生一些特殊的双链RNA（dsRNA）。被整合的宿主细胞能够识别dsRNA并将它切割成单链的小干扰RNA（Small interfering RNA，siRNA），后者被用于形成蛋白-RNA复合物RISC，反过来借助它本身的序列，去切割降解外源基因转录出来用于翻译蛋白质的信使RNA（mRNA），使得外源基因无法发挥作用，这个过程就称为RNA干扰（具体机制远比这里讲的复杂，不再赘述）。
MicroRNA (miRNA) 是另一类由内源基因编码的长度约为22 个核苷酸的非编码单链RNA分子，它们在动植物中参与转录后基因表达调控，每个miRNA可以有多个靶基因，而几个miRNA也可以调节同一个基因。这种复杂的调节网络既可以通过一个miRNA来调控多个基因的表达，也可以通过几个miRNA的组合来精细调控某个基因的表达。据推测，miRNA调节着人类三分之一的基因。就是说，microRNA会影响基因的转录和蛋白质的产生。
miRNA是通过什么方式影响基因转录和和蛋白质表达呢？
第一种是切断靶基因的mRNA分子—miRNA与靶基因完全互补结合，最后切割靶mRNA。是不是非常像RNA干扰呢？科学家认为miRNA可能包含和siRNA类似的作用方式。
第二种是抑制靶基因的翻译—作用时与靶基因不完全互补结合，进而阻遏翻译而不影响mRNA的稳定性，这种miRNA是目前发现最多的种类（如线虫lin-4）。而在植物中极少数的miRNA通过此方式来抑制靶基因。
第三种是结合抑制—具有以上两种作用模式：当与靶基因互补结合时，直接靶向切割mRNA；当与靶基因不完全结合时，起调节基因表达的作用。
由此可见，microRNA在基因的转录和蛋白质表达过程中发挥重要作用。
除了miRNA之外，lncRNA和circRNA也积极参与到细胞的基因表达调控网络中。lncRNA是长度大于200 个核苷酸的非编码RNA。研究表明，lncRNA 在剂量补偿效应(Dosage compensationeffect)、表观遗传调控、细胞周期调控和细胞分化调控等众多生命活动中发挥重要作用。circRNA则是一类首尾相接的环状RNA分子，尽管对它的研究起步较晚，但它已经被越来越多的研究证实参与到极其复杂的基因调控系统中，特别是已有研究表明circRNA 在中脑发育、帕金森、阿尔兹海默病和肿瘤发生中发挥重要作用【10，11】。
以mTOR基因为中心的细胞信号通路图示。mTOR是一种主要的生长调节分子，可感受并结合不同的营养因素和环境因素，包括生长因子、能量水平、细胞应激，以及氨基酸【12】
从本文简单的叙述就可以发现，实际上细胞对于基因功能的控制，也就是基因表达调控，是非常复杂的过程，牵一发而动全身。上图所显示的复杂信号通路，只不过是细胞中复杂调节网络的冰山一角而已。在实际研究过程中，科学家往往发现，在细胞里调节了一个基因的表达，就有成千上万的基因表达受到影响。三个天体在万有引力下相互作用的规律就已经难以探寻，而数以万计基因的世界，其复杂的程度恐怕更是超过了大多数人的想象。对基因的理解，我们才刚刚开始。
注
1 杂交过程中同源重组的精确结果不能预知，不等于同源重组是完全随机的。高中生物知识就告诉我们，同源重组的结果，是等位基因之间的交换，而等位基因的交换结果是有限的几种。举个例子，父本在三个基因座上的非同源基因分别是AA,Bb,cc；母本是Aa,bb,Cc。虽然科学家不能预测杂交后这三个基因座上的基因型分别是什么，但显而易见A基因座上不会出现B基因同源重组的结果，反之亦然。一定要类比的话，就好像掷六面骰，尽管我不知道下一个骰子会掷出多少点，但终究是一到六点之内的一个整数，绝不会掷出一个无理数来。
2 “...番茄分子育种技术体系的建立很大程度上依赖于人们对控制重要农艺性状的关键基因或 QTL 功能的认知。迄今为止，人们已经克隆或精细定位了 100 余个番茄农艺性状相关的基因和 QTL。但目前可通过分子育种技术改良的性状大多是受单基因控制的质量性状。对于复杂的农艺性状（如风味品质和非生物胁迫抗性等），由于缺乏对其分子遗传基础的认识，分子育种目前还难有作为。...”
参考文献
1 修改自百度百科https://baike.baidu.com/item/中心法则/317345
2 Crick, F.H.C. (1958). "On Protein Synthesis". In F.K. Sanders. Symposia of the Society for Experimental Biology, Number XII: The Biological Replication of Macromolecules. Cambridge University Press. pp. 138–163.
3 Johannsen, W. (1905). Arvelighedslærens elementer ("The Elements of Heredity". Copenhagen). Rewritten, enlarged and translated into German as Elemente der exakten Erblichkeitslehre (Jena: Gustav Fischer, 1905;
4 美国已种植百万棵转基因苹果树https://www.guancha.cn/industry-science/2018_09_21_472912.shtml?s=fwckhfbt
5 https://www.sciencedirect.com/topics/medicine-and-dentistry/transgene
6 https://en.wikipedia.org/wiki/Transgene#Ethical_controversy
7 杜敏敏,周明,邓磊,李传友,李常保.番茄分子育种现状与展望——从基因克隆到品种改良[J].园艺学报,2017,44(03):581-600.
8 Heidenreich M, Zhang F. Applications of CRISPR-Cas systems in neuroscience. Nature reviews Neuroscience. 2016;17(1):36-44. doi:10.1038/nrn.2015.2.
9 https://baike.baidu.com/item/RNA干扰/3743635
10 Liu L, Wang J, Khanabdali R, Kalionis B, Tai X, Xia S. Circular RNAs: Isolation, characterization and their potential role in diseases. RNA Biology. 2017;14(12):1715-1721. doi:10.1080/15476286.2017.1367886.
11 Hanan M, Soreq H, Kadener S. CircRNAs in the brain. RNA Biology. 2017;14(8):1028-1034. doi:10.1080/15476286.2016.1255398.
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