双螺旋

DNA 的形状

DNA看起来像一个扭曲的梯子:科学家称之为 双螺旋。

梯子的两边是叫做 糖苷酸骨架 的部分。它们由交替出现的糖分子(脱氧核糖)和磷酸团组成,并且它们把整个结构保持在一起。

梯子的横梁是最重要的部分。每个横梁由两个 碱基 组成。有四种碱基:

- A (腺嘌呤)

- T (胸腺嘧啶)

- C (胞嘧啶)

- G (鸟嘌呤)

这里有一个关键规则: A 总是与 T 配对,而 C 总是与 G 配对。 在每种物种中都是如此。这些被称为 碱基对,而一个碱基加上它的糖和磷酸被称为 核苷酸。

一段人类 DNA 可能是这样的: ATCGGCTAA。如果你知道一边,你就自动知道另一边:因为 A 配对于 T,而 C 配对于 G。

谁发现的?

发现 DNA 结构的竞赛

1953年,詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发表了 DNA 的结构。1962年,他们因此工作获得了诺贝尔奖。

但他们无法没有 罗莎琳·富兰克林。

弗兰克林在伦敦国王学院是位杰出的化学家。她使用了X射线晶体学：向DNA晶体发射X射线，并阅读它们形成的图案：以产生照片51，这是任何人看到的DNA结构最清晰的图片。

她的同事莫里斯·威尔金斯没有告知弗兰克林，将照片51展示给沃森。后来，沃森写道，在看到它的那一刻，双螺旋结构变得明显。

弗兰克林从未获得诺贝尔奖。她于1958年在37岁时因卵巢癌去世：可能是由于她大量的X射线工作：而且诺贝尔奖不给已故人士。沃森和克里克在当时几乎没有承认她的贡献。

如今，科学家们承认弗兰克林的实验工作是必不可少的。她在她一生中被剥夺了荣誉，她的故事提醒我们，科学是由人做出的：而人往往不公平。

如何复制DNA

复制代码

每当细胞分裂：为了修复伤口、生长或者替换过期细胞：它都必须首先复制所有DNA的精确副本。这一过程称为复制。

这就是它是如何工作的：

1. 一个名为螺旋结构酶的酶将双螺旋结构解开，通过打破碱基对之间的氢键。它实际上是将梯子从中间分开。

2. 另一个酶名为DNA聚合酶读取每一条暴露的链并构建一条新的匹配链，遵循碱基配对规则（A与T配对，C与G配对）。

3. 结果：两条与原始DNA分子相同的副本。每个副本都有一条旧链和一条新链。

您的身体每秒钟都会做这件事大约3.8百万次。而且它几乎每次都做对：DNA聚合酶在复制了百万个碱基时大约会犯一个错误。当它犯错时，其他酶通常会发现并修复错误。

但并非总是这样。当错误漏过去时，它就变成了一个 突变。我们很快会谈到为什么这很重要。

转录与翻译

如何让DNA构建物体

DNA不会直接构建你的身体。它通过一个叫做 RNA（核糖核酸）的中间体来工作。

这个过程有两个主要步骤：

步骤1：转录（DNA→mRNA）

DNA的一部分（一个 基因）被复制成一个叫做 信息RNA（mRNA）的分子。就像在一个巨大的说明书上复制了一页。原件留在细胞核里，复制件则去到工厂楼层。

步骤2：翻译（mRNA→蛋白质）

里索姆：细胞的蛋白质制造机：读取mRNA，每次读三个字母。这个三个字母的组合叫做 密码。每个密码指定一个 氨基酸。将氨基酸连接起来，你就得到了一个 蛋白质。

例如，密码AUG编码氨基酸甲硫氮酰（methionine），同时也表示‘开始构建’。密码UAA表示‘停止’。

一个基因可能编码成几百个氨基酸的蛋白质。这个蛋白质可能成为消化你的食物的酶，或者在你的血液中运送氧气的血红蛋白分子，或者是组成你的头发的角质纤维。

一个基因→一个mRNA→一个蛋白质→一个身体中的任务。(这被简化了：现实更复杂：但它捕捉到了核心逻辑。)

当基因突变

当代码发生变化时会发生什么？

一个 突变是指DNA序列的任何变化。这可能是单个碱基被另一个碱基替换，也可能是碱基被删除，或者额外的碱基被插入。

有些突变没有影响：这个密码仍然编码相同的氨基酸（有冗余性在遗传密码中）。这些被称为 静默突变。

有些突变会改变一个氨基酸，但蛋白质仍然有效。有些突变会改变关键氨基酸，蛋白质就会失去功能。

有些突变：非常少见：会产生比原始蛋白质更有效的蛋白质。

我们为什么各不相同

变异的来源

如果DNA复制本身那么精确，我们为什么不都相同？

遗传变异的三大来源：

1. 突变：随机复制错误、紫外线辐射或化学暴露可能会改变DNA的碱基。绝大多数突变是中性。有些是有害的。少数是有益的。

2. 性别生殖：当生物进行性别生殖，每个父母都提供了50%的DNA。具体组合是随机的。你与每个父母共享50%的DNA，但你得到的哪个50%是遗传彩票。因此，兄弟姐妹们看起来相似但不完全相同。

3. 重组：在形成精子和卵子细胞过程中，染色体会以物理方式与其他染色体交换部分。这将以一种既不是父母之一的方式来混合基因组合。

为什么变异重要

遗传变异不是一个缺陷：这是一个生存策略。一个每个个体遗传特征都相同的种群是脆弱的。一个疾病就能消灭整群因为没有人有抵抗力。

但在遗传多样性较高的种群中，一些个体会拥有那些偶然使他们具有抵抗力的突变。他们生存下来，繁殖，传递了这种抵抗力。这就是自然选择：进化的引擎。

你能想到的每一种适应性：猎豹的速度，仙人掌的水储存，人类的大脑：都起源于一次有用的随机突变。

CRISPR和基因编辑

重新编写生命的代码

在过去的几十亿年里，DNA发生变化是通过随机突变和自然选择来实现的。

这一切在2012年发生了。

Jennifer Doudna和Emmanuelle Charpentier发现，可以将一种称为CRISPR-Cas9的细菌防御系统重新编程，以便在任何精确的位置切割DNA。他们在2020年获得了诺贝尔化学奖。

CRISPR就像一对分子剪刀，带有GPS。你给它一个匹配你想编辑DNA序列的引导RNA，然后Cas9蛋白质在那个精确的位置切割DNA。然后，细胞自身的修复机制修复了切口：在修复过程中，你可以将校正的基因插入。

这是一场革命。科学家已经用CRISPR来:

- 治疗了克隆病症的临床试验中，通过编辑患者的血液干细胞

- 通过传统育种创造了抵抗疾病的作物

- 开发了肌肉萎缩症、某些癌症和HIV等疾病的潜在治疗方法

但CRISPR同样引发了巨大的伦理问题。

2018年，一位中国科学家赫建奎宣布，他已经用CRISPR编辑了人类胚胎的DNA：生下了基因经过修改的双胞胎女孩。全球科学界对此表示谴责，认为这过早且鲁莽。赫建奎被判处有期徒刑三年。

核心的困境：编辑胚胎的DNA会改变结果的人类的每个细胞，并且这些变化会传递给他们的子女，子女的子女。我们谈论的是永久地改变人类基因库。

遗传测试也引发了自己的问题。今天，你可以将唾液倒入一个管道中，了解你对数百种疾病的风险。但是，员工或保险公司是否应该有权访问这些信息？父母是否应该能够根据智力或体育才能等特征选择胚胎？

我们应该编辑人类DNA吗？

你的 turno 论证

对于这些问题，没有单一的正确答案。但是，有合理的答案和不合理的答案。

一个强有力的论证需要考虑潜在的利益和风险，使用证据，并承认这个问题的复杂性。

你会记住什么？

最后一个思考

你在这个课堂开始时有一个关于猫的问题。

现在，你知道答案就隐藏在四个化学字母的扭曲梯子里：一个如此优雅的代码，以至于它支配了整个星球的所有生物；一个如此强大的代码，我们只有刚刚开始学习如何重新编写它。

DNA 的科学比以往任何时候都在以更快的速度发展。正在学习这个材料的学生们将是决定如何使用它的人。