1.5 细胞、基因、双螺旋、蛋白质、遗传信息：触动上帝的封印

生物医学是医学的分支，负责将生物技术和其他自然科学理论应用于临床实践。生物医学主要运用生物学和生理学知识。 生物医学与健康和生物学领域关联，从上世纪以来一直在健康系统中扮演着重要角色。
生物医学有许多的分支学科和专业领域：
分子生物学，生物化学，生物技术，细胞生物学 胚胎学，
纳米生物技术，生物工程，实验室医学生物学，
细胞遗传学，遗传学，基因疗法
生物信息学，生物统计学，系统生物学，
微生物学，病毒学，寄生虫学
生理学，病理学，
药理毒理学，许多人认为生命科学可以应用于医学。

生物医学飞速发展、内容繁多、信息庞杂。对于非专业人士，从学术角度理解生物医学非常不易。本章采用从细胞、基因、双螺旋、蛋白质、遗传信息的逐级深入对生物医学做一个切片，期望这份快照，能帮助读者快速了解生物医学。

神经解剖图-来自维基百科

前细胞时代：

细胞被发现之前，人类对生物构造的了解停留在组织和器官层面。对人体结构深入研究是在宗教和社会禁忌被突破后，才确立了解剖学的地位。显微镜等观察微观结构的技术手段出现前，解剖学主要在巨观尺度。
　　解剖学确立之前，公元前五世纪，古希腊希波克拉底（被西方尊为“医学之父”）提出人体有血液、粘液、黄胆汁、黑胆汁四种体液组成。中国传统医学经典《黄帝内经》之《灵枢 阴阳二十五人》运用阴阳五行学说，将人体质和构造与“木火土金水”五行元素对应。后世中医学者提出了更多人体体质划分的方法。古典分类方法受技术手段和理论高度所限，多是主观猜测结合部分经验的臆断，是朴素人体结构和体质理论。这些理论还在传统医学和巫术类命运预测中应用，其生命力之强大令人叹为观止。
　　解剖学（尤其是人类解剖学）源远流长，古今中外均有不同程度涉及。欧洲文艺复兴后解剖学登堂入室，成为神秘而受到尊敬的学科。普通吃瓜群众对解剖尸体研究人体构造的那群奇怪的人表示不明觉厉。现在情形也是如此，最近经常看到整形外科医生为了显示自己的“专业”，在微博和各种自媒体上发表自己的团队第N次解剖人头的报道，有些还有“一图胜万言”的图片作证。
显微镜发明后，让人类跨越自然视觉的天花板，人类解剖学向微观发展。

罗伯特.胡克 想象肖像 此君用显微镜发现了细胞，可惜那时没有照相机

细胞时代：

细胞由罗伯特·胡克于1665年发现。他透过显微镜观察软木塞时看到一格一格的细胞壁，命名为细胞。当时罗伯特·胡克所看到的细胞只是细胞壁，还不是现在所定义的细胞。

现代细胞理论的内容包括：

• 所有生物均由一个或多个细胞组成；
• 细胞由原已存在的细胞分裂而来；
• 生物最重要的功能在细胞内完成；
• 所有细胞均包含有控制功能和传递繁殖信息所必须的遗传物质。

对人类长生梦想最具吸引力的分支学科是细胞生物学。细胞生物学是研究细胞的形态结构、生理机能、发育、生活史，以及各种胞器及讯息传递路径的学科，可根据研究尺度来分类，包括显微水平，超微水平和分子水平等不同层次研究细胞的结构、功能及生命活动。

人类T细胞的扫描电子显微镜图片

　　“人体是数十万亿个细胞（局部样本实验估计总计约3.72 Ｘ 1013个）组成的，如果细胞不健康，出问题，活力不足，那么整个人肯定也会不健康，进入亚健康或者疾病状态。我们的产品激活每一个细胞，让细胞焕发青春，活力四射，甚至延缓细胞衰老，逆转时光，所以我们的产品是您的不二选择。”
　　这样的商业宣传虽然简单，但容易理解获得共鸣，实际效果很好。细胞理论已经深入人心。细胞数量巨大，您被推销的产品往往根据一个巨大的单位数量定价，往往价格惊人。
　　在推销中，干细胞、间充质干细胞、胎盘干细胞、活细胞、粒细胞、中性粒细胞、免疫细胞、T-细胞、B-细胞、巨噬细胞、癌细胞...这些名词经常出现，其实没有经过严格分类和组织，大多用来显示“专业”。实际情况是胡乱堆砌细胞名词，在稍有常识的人看来，往往透出的是不专业。本书的一个任务就是让读者掌握必要常识，拒绝不专业的忽悠。
　　细胞时代刚刚开始，细胞作为人体的基本单元，也许隐藏了打开长生大门的钥匙。所有比细胞更微观的生物医学技术也需要在细胞尺度上发生效果。因此，细胞是生物医学的立足之处，往宏观方向追求效果，往微观方向研究机制。

孟德尔，很多中学时代被生物学里面杂交豌豆弄得欲仙欲死的人们要记住他

基因时代：

基因一词来自希腊语，意思为“生”。是指携带有遗传信息的DNA序列，是控制性状的基本遗传单位，亦即一段具有功能性的DNA序列。基因通过指导蛋白质的合成来表现所携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状（差异）表现。人类约有两万至两万五千个基因。
　　尽管我们现在看到的基因如此定义，可是发现基因、让后人作出“基因位于染色体上”的人却是奥地利人孟德尔，他那著名的杂交豌豆实验让笔者中学时非常迷惑，差点儿因为那玩意考不上大学。基因时代从孟德尔开启。
孟德尔（格雷戈尔·约翰·门德尔，德语：Gregor Johann Mendel，1822年7月20日－1884年1月6日）是一位奥地利遗传学家，天主教圣职人员，遗传学的奠基人。
　　孟德尔的成就载入科学史。因为他在在19世纪奠定遗传学，指导了后世基因时代。豌豆实验入选中学教材，理由非常充分。简洁规整严谨的实验方法，得出科学无疑的结论和推论。简直可以比拟欧式几何的完美属性。
　　上帝把生命秘密写进每一个细胞，每个细胞里记录者生命的一切。
　　这是对基因学说的感性总结。大量生物医学家认为：所有疾病都是基因病（他们认为外伤不算病）。在人类治疗疾病、求取长生的慢慢长路上，基因就像一盏指路明灯。人们知道答案就在那里，只要朝着那个方向努力即可。
　　基因科学快速发展是生物医学甚至整个生物学乃至更多学科的重大利好。更是“长生不老”的重大利好。比如“找到抑制端粒体变短的方法”、“找到定制基因突变的方法”等都被认为是解决顽固疾病和通向长生不老的道路。

基因检测：认识自己的第一步

基因检测，已经成为神器：

• 身份鉴识/亲子关系鉴定/追溯祖源；
• 单基因/染色体遗传疾病诊断与带因筛检；
• 临床预防医学：多基因遗传疾病基因检测；
• 先天体质/特质潜能分析。

过去十几年，基因检测商业化迅猛。身份识别早就不在话下；遗传疾病预警已经从奢侈医疗项目下移到普通医疗服务；先天体质和特质分析被用于儿童天赋测试深受父母们重视。甚至很多人晒出了自己祖源遗传关系，非常有趣。

基因检测：也曾经有过伦理学争论

　　基因时代方兴未艾，每年都带来巨大惊喜。每个人的基因库都是一个巨大的数据挖掘对象。目前我们缺乏的是如何从个体基因库里面挖掘出有实用价值的结果。

双螺旋：意义不仅仅是结构，而是上帝的趣向

双螺旋时代：

DNA双股螺旋的模型于1953年由华生和克立克发表在《自然》杂志。
　　DNA双螺旋结构是核酸结构，是指如DNA与RNA的核酸生物分子结构。从化学角度上讲，DNA与RNA非常相似。DNA与RNA的结构常分为四个不同水平：一级、二级、三级及四级。现在科学家能够直接计算出DNA机械性质，解出了许多关于DNA机械性质的数据。关于DNA机械性质的研究，包括不同型态的DNA双螺旋、DNA超螺旋、非螺旋型态、碱基配对键结、熔点等。

DNA双螺旋结构，20世纪最重大的科学发现之一

　　双螺旋结构的重要性被低估，被称为DNA之父的詹姆斯·沃森写了一本书，《双螺旋：发现DNA结构的故事》。该书笔法独特，科学价值很高。发现DNA的结构是20世纪科学界重大的事件之一。这本书后面几节，是一部结构严谨、情节动人的剧本。它把新概念的诞生描绘得栩栩如生，把许多扣人心弦的情节逐步推向全剧的高潮。

肌球蛋白三维结构的飘带图，其主要由α螺旋所构成。这种蛋白质是第一个通过X射线晶体学解析其结构

蛋白质时代：

在18世纪，安东尼奥·弗朗索瓦和其他一些研究者发现蛋白质是一类独特的生物分子，他们发现用酸处理一些分子能够使其凝结或絮凝。当时他们注意到的例子有来自蛋清、血液、血清白蛋白、纤维素和小麦面筋里的蛋白质。荷兰化学家格哈杜斯·约翰内斯·穆德对一般的蛋白质进行元素分析发现几乎所有的蛋白质都有相同的实验式。用“蛋白质”这一名词来描述这类分子是由穆德的合作者永斯·贝采利乌斯于1838年提出。

蛋白质（旧称“朊”）是大型生物分子，或高分子，由一个或多个氨基酸残基组成的长链条组成。氨基酸分子呈线性排列，相邻氨基酸残基的羧基和氨基通过肽键连接在一起。蛋白质的氨基酸序列是由对应基因编码。除了遗传密码所编码的20种“标准”氨基酸，在蛋白质中，某些氨基酸残基还可以被改变原子的排序而发生化学结构变化，从而对蛋白质进行激活或调控。多个蛋白质可以一起，往往是通过结合在一起形成稳定的蛋白质复合物，发挥某一特定功能。
　　蛋白质定义很拗口，不好理解。这里有一个简单的类比：
　　蛋白质就是我们手机的存储器，大家常说的16GB、32GB、64GB、256GB说的就是手机存储器，存储器里面存有照片和程序。照片我们可以直接看到，程序的运行结果往往不可预测，否则大量游戏就非常无聊了。蛋白质具有多级结构，不但可以存储大量信息，而且还可以执行复杂的功能。就行我们在手机屏幕上看到美丽的动画，不必关心手机程序经过何种复杂计算才有那个画面，而只是关注画面本身。蛋白质对生物（我们每个人）来讲就是这样，存储庞杂的信息，执行精细的功能，让我们感到快乐和沮丧，让我们精力充沛或者疲惫不堪，让身体抵抗病毒杀死变异细胞，让身体逐渐衰老......
　　人体内蛋白质种类繁多，各司其职，似乎具有智慧一样完成者各种不可思议的工作。生物医学、分子生物学家大量研究聚焦在蛋白质。健康的身体各项蛋白质指标良好，生病的身体很多蛋白质指标出现问题。蛋白质疗法是生物医学的重要手段，是精准医疗的重要武器，往往收获神奇的效果。
　　蛋白质是人类摄取营养的重要成分，营养学认为营养分类主要是：蛋白质、脂肪、糖类、矿物质、维生素、水六大成分。蛋白质排在第一位是近年的事情，原因是蛋白质重要性逐渐被认识。

酶己糖激酶被显示为常规的球-棒分子模型。为了显示比例，在右上角标出它的底物，ATP和葡萄糖

　　蛋白质有一个有趣的问题，难倒了很多人：人体总共有多少种蛋白质？
　　有人从基因编码计算，人体大约有3万个（26588个）蛋白质编码序列，有一半以上的基因存在选择性剪接，每一个选择性剪接的基因平均有3个左右不同的转录本。就是说人体蛋白质总数是3X3万=9万左右。

实际上，蛋白质的组成主要由三方面决定的

• 氨基酸的种类
• 氨基酸的排列顺序
• 肽链的空间结构

其中空间结构千变万化根本就无法算出来，而肽链长度也不固定。
　　另外，每个人的外在表现型也不一样可能你有的蛋白质而别人却没有，没有办法给出统一的回答。

蛋白质总数无法计算，或者说无穷大。好似“世上没有两片完全相同的树叶，也没有两片完全相同的雪花”这个论断。蛋白质变幻莫测，目前人们了解到的内容非常少。好在人类科学家功利心很强，总是拿着问题去研究，若干种重要的蛋白质及蛋白质作用机制被充分解读，有了备受重视的精准医疗。
　　蛋白质平常到经常吃的鸡蛋白和牛奶，神秘到数量无法计算而且每种都有重要功能。一针免疫球蛋白价格贵得吓人效果好得也惊人，各种氨基酸成为保健品售价昂贵原因就是蛋白质如此重要。

蛋白质时代刚刚开始，对人类长生梦想来讲，蛋白质是另一条圆梦之路，科学家越来越相信这条路也通向正确的终点。

迈克尔_沃特曼教授作题为《沿着欧拉图阅读DNA序列》的学术演讲

生物信息学时代：

生物信息学利用应用数学、信息学、统计学和计算机科学的方法研究生物学的问题。生物信息学的研究材料和结果就是各种各样的生物学数据，其研究工具是计算机，研究方法包括对生物学数据的搜索（收集和筛选）、处理（编辑、整理、管理和显示）及利用（计算、模拟）。目前主要的研究方向有：序列比对、基因识别、基因重组、蛋白质结构预测、基因表达、蛋白质反应的预测，以及建立进化模型。

迈克尔·斯宾塞·沃特曼（Michael Spencer Waterman），美国生物信息学家，是计算生物学领域的创始人之一。他提供了最广泛使用的史密斯-沃特曼算法（与坦普尔·史密斯共同研发）是许多DNA序列比较方案的基础。1988年，沃特曼和埃里克兰德的发表具有里程碑意义的论文，描述了一项用数学模型进行印迹法作图的工作。这为许多后来的DNA作图和测序项目，特别是人类基因组计划奠定了理论基础。

生物信息学是生物医学的支柱学科，没有生物信息学就没有生物医学的飞速发展。以天气预报类比，很早以前科学家就列出了天气预报的方程式，可是计算工具落后，那时候如果今天开始计算明天天气，结果出现的时候已经过去了一年。生物信息学要为生物信息计算找到优美高效的算法，让隐藏在生物编码后面的有价值的内容展现出来并为我所用。最近河北科技大学的韩春雨团队的发明了一种新的基因编辑技术——NgAgo-gDNA引起广泛争议，原因是还没有其他人可以重复出来。这项技术与生物信息学意义同样重大。亟需获得重复和认可。

韩春雨：饱受质疑的基因编辑新技术发明人

　　生物信息学面对海量生物数据，类比数据挖掘，非生物领域的数据挖掘比生物领域的数据挖掘完全不是一个数量级，可能数量级差别非常惊人。
　　目前流行的生物信息学软件工具是BLAST（基本局部比对搜寻工具）和FASTA是目前使用得最为频繁的两套数据库搜索程序。它们的功能相近，都是把用户提交的一个核酸序列或蛋白质序列拿去与指定的数据库中的全部序列作比较。一般认为，BLAST运行速度快，对蛋白质序列的搜寻更为有效。FASTA运行较慢，对核酸序列更为敏感。也有基于网页交互的软件如STING，用于结构生物信息学的分析。这些工具是信息科学与生物科学紧密结合的体现，不久的将来就可以提供极其廉价的自助式基因检测，为精准医疗时代到来吹响号角。

为了便于理解生物信息学对我们生活改变的作用，可以这样想：基因检测这样的任务早就已经是非常小的事情了。人类长生的密码何时被生物信息学解码，有人非常乐观，而且乐观的人越来越多。

人类基因组计划第一阶段已于2000年6月完成

人类基因组至今：

罗纳德·杜尔贝科最早提出人类基因组定序的科学家之一。他认为如果能够知道所有人类基因的序列，对于癌症的研究将会很有帮助。
　　1988年，詹姆士·华生（DNA双螺旋结构发现者之一）成为NIH的基因组部门主管。1990年，开始国际合作。1996年，多个国家招开百慕大会议，以2005年完成定序为目标，分配了各国负责的工作，并且宣布研究结果将会即时公布，并完全免费。
　　1998年，克莱格·凡特的塞雷拉基因组公司成立，邀请具基因定序之父的陈奕雄博士担任首席科学家，开发出全世界第一台全自动定序仪，启动了全自动定序的时代来到；赛雷拉宣布将在2001年完成定序工作。随后，国际团队也将完成工作的期限提前。2000年6月26日宣布人类基因组的概要已经完成。
　　在基因组计划的研究过程中，陈奕雄博士使用的是霰弹枪定序法，这种方法较为迅速，但是仍需以传统定序来分析细节。

人类基因组，又称人类基因体，是智人的基因组，由23对染色体组成，其中包括22对体染色体、1条X染色体和1条Y染色体。人类基因组含有约30亿个DNA碱基对，碱基对是以氢键相结合的两个含氮碱基，以胸腺嘧啶（T）、腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）四种碱基排列成碱基序列，其中A与T之间由两个氢键连接，G与C之间由三个氢键连接，碱基对的排列在DNA中也只能是A对T，G对C。其中一部分的碱基对组成了大约20000到25000个基因。
　　全世界的生物学与医学界在人类基因组计划中，调查人类基因组中的真染色质基因序列，发现人类的基因数量比原先预期的少得多，其中的外显子，也就是能够制造蛋白质的编码序列，只占总长度的1.5%。

《人类基因组工程给美国赚了多少钱？》报告封面

　　人类基因组完成概要后，后续工作一直进行，现在出现了让人担忧的专利问题。从1981年到1995年间，全世界共有1175件DNA序列的专利许可。早期的申请对象主要是机能已知的基因，后来原属于美国国家卫生研究院的克莱格·凡特，将2716件尚未了解功能的基因，反转录成cDNA型式，并且提交专利申请。这些申请受到了当时掌管NIH基因组部门的詹姆士·华生等许多科学家的反对，并且被专利局驳回。
　　目前人们对于基因资讯是否应该登记专利仍有争议。由于学术研究并非营利性，因此通常不受这些专利所拘束。此外由于美国政府近年来将专利申请条件提高，因此与DNA有关的专利许可，在2001年之后已逐渐减少。到2005年4月为止，美国国家生计资讯中心所记载的基因资料中，有82%没有专利标示，另外有14%属于私人机构，3%属于公立单位。
　　下表显示2006年时每条染色体上的基因数目与专利数目，由于有时候会有多个基因登记成一项专利；或者是一个基因拥有多项专利，因此表中的基因与专利不一定有一对一的关系。

2006年每条染色体上基因数目与专利数目

　　仅从专利争夺和专利数量上就可以感受到世界范围内商业机构和非商业机构对基因组数据的重视。人类基因组数据时至今天依然被各种猜测甚至妖魔化。大约每隔几周，就会有人发来“XX国搜集XX国人基因，研发基因武器灭绝XX国”的耸人听闻的消息。这类消息传播说明，公众已经了解基因的基本特征，知道种族基因拥有共性，把基因信息当成某种隐私。这些情况都是好的，是基因科技的科普成果。

无数渠道和文艺作品提醒人们要警惕资本和资本家为了利润的不择手段，人类基因组工程也需要资本的力量。人类基因组的基础工作完成之后，很多方向均出现了巨大商业价值。普通民众除了做看客以外，更应该注重这些成果给我们生活带来什么。

被封印的生命密码是不是就是基因？

　　生命的秘密属于神的领域，长生不老也是神的专利。人类对生命秘密不断解锁，是不是已经触动了上帝的生命封印？

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1.长生简史：突破天花板

1.5 细胞、基因、双螺旋、蛋白质、遗传信息：触动上帝的封印