为什么每个人都是特别的?——谈谈基因的“洗牌”

      现在地球上的人口已经超过70亿,光是在中国就有超过13亿人。在我们见过的人中,无论是自己直接接触到的家人、邻居、同学、同事,还是在公共场合遇见的人,以及从电影,电视,报纸,书刊上看见的人,每个人都有自己的特征,没有两个人是完全相同的。不仅人与人之间脸形、身材、肤色、体质,患各种病的几率不同,而且每个人的性格、思想、观念、表情、动作、习惯、爱好都不一样。这些专属于每个人的东西,就组成了这个人的“特质”,把一个人和另一个人区别开来。“特质”是相当稳定的。人的身体可以变老,但是人的“特质”却变化不大。即使是老同学几十年不见面,再相遇时也许已经面目全非,但我们还是可以很快辨别出谁是“当年的那个人”,绝不会把这个同学误认为是另一个同学。

      那人与人之间为什么有这么多差别呢?

遗传物质的作用

      首先要考虑的当然是遗传因素。俗话说,“种瓜得瓜,种豆得豆”,牛生不出羊,猫也生不出老鼠,就是因为它们的遗传物质不同。就是人,黄种人之间结婚也生不出白人或黑人。即使是在同一民族中,除了同卵双胞胎外,也没有两个摸样相同的人。在拍中国近代的历史片时,就是从13亿人中去寻找,也找不到和已经去世的任何一位国家领导人模样完全相同的人,就连七,八分像的都难以找到。这些事实都说明,一个生物体的性状首先是由遗传物质决定的。

      除了一些病毒外,地球上所有生物的遗传物质都是由脱氧核糖核酸,即DNA构成的。每个人都有不同于其他人的“特质”,首先就在于除同卵双胞胎或同卵多胞胎以外,没有两个人的DNA是完全一样的。反过来,同卵双胞胎(由同一受精卵分裂而来,所以具有相同的DNA)之间高度的相似性(相对于一般人而言),又从反面证明了DNA对生物性状的重要性。

      我们身体里面的各种生命活动主要是靠各种蛋白质分子来执行的,而蛋白质又是由DNA来编码和控制的。是DNA决定在什么时间,在什么细胞里面,生产(生物学里面叫“表达”)出什么种类的蛋白质,以及生产多少。DNA有差别,生成的蛋白质的种类,数量,性质,以及出现的时间和地点也会有一些差别。这些差别就造成了细胞内各种化学反应进行程度的差异,以及各种信息传递链运作状况的不同。这是人与人之间差别的遗传学基础。

      人的“遗传密码”是由约30亿个“碱基”(可以看成为“字母”)“拼写”而成的,为大约20,000种类型的蛋白质编码。和英文有26个字母不同,人的遗传密码的“字母”只有四个,即A、G、C、T,分别代表腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。人之间DNA的差异,主要是单个“字母”的差异,叫做“单核苷酸多态性”。比如在DNA的某个位置,你是A,我是G,你是C,我是T,等等。如果这种“字母”的差别能影响蛋白质的组成(比如改变蛋白质中的一个氨基酸),或者改变蛋白质“表达”的时间,地点,和多少,就会对人的性状发生影响。

      遗传物质对生物性状的重要性,最直接的证据就是由DNA的缺陷所引起的各种疾病,包括由父母的DNA传给下一代的疾病,比如色盲、白化病、先天性耳聋、多指,等等。近年来,随着人的整个基因组(全部DNA序列)被测定,还发现了若干与人身体的性状有关联的DNA变异。比如在青藏高原高海拔地区居住的藏族人,HIF-1基因的变化使他们血液中红血球的数量不会像住在平原上的人到西藏后那样急剧升高,因而他们不会得高原病。在中东和欧洲畜牧业发达的地区,乳糖酶基因(LCT)的变化使得带有这种基因的人在成年以后仍然在肠壁细胞中“生产”乳糖酶,因此这些人成年后继续喝牛奶不会像许多中国人那样腹泻和胀气。高纬度地带的白人合成和转运黑色素的基因发生变化,所以他们的皮肤颜色最浅,以尽可能有效地吸收高纬度地带斜射的阳光来合成维生素D,而赤道附近的黑人就没有这些变化。

      就是人的脾气也受DNA的影响。比如在大脑中的神经细胞之间传递信息的分子(叫“神经递质”)中的多巴胺,就和许多神经活动的特质有关,包括情绪。多巴胺有许多种“受体”(细胞表面结合多巴胺,并且把信息传递到细胞内部的蛋白质分子)。其中的第四类受体(DRD4)的基因中含有由48个“字母”组成的重复序列。不同的人DRD4基因中所含的重复序列数目不同,最少的只有两个,最多的有12个。遗传分析发现,具有7个或7个以上重复序列的人(7R+),容易发生注意力缺失、多动症、冲动、喜欢冒险、以及高危险的性行为。另一种神经递质,五羟色胺(又叫“血清素”),也和情绪有关。脑中有一类蛋白质叫做“单胺氧化酶”的,其中的A型主要负责分解五羟色胺。如果它的活力不足,就会造成脑中五羟色胺的浓度过高,使人富有攻击性。在荷兰就发现了这样一个家族,他们的A型单胺氧化酶基因有变异,生成的酶没有活性。结果这个家族的几代人中,都有人因暴力犯罪而坐牢。所有这些事实都表明,DNA的差异对人的健康和性状有直接的影响。

      就是同一对夫妻的子女,不仅模样彼此不同,习性也可以南辕北辙。那人之间DNA的差别是如何形成的呢?为什么同一对父母所生的孩子,DNA也彼此不同呢?

人之间DNA的差异,主要是每一代人都对其父母的基因进行“洗牌”

      人之间DNA的差异很小,大约每1000个“字母”才有一个不同。这个差异虽然小,但是多数基因的长度都有几万个“字母”,那每个基因平均也有几十处由“单核苷酸多态性”造成的差别。其中的一些会对基因的功能有影响:或者是蛋白质的氨基酸组成有些变化,或者是基因的“表达”情形有些不同,或者是两者都有。所以DNA序列的这种微小差别还是足以使多数基因都呈现出若干种不同的形式。

      人之间DNA序列的差异只有0.1%这个事实,也说明人类曾经经历过一个人口的“瓶颈”期。科学家们估计,在这个“瓶颈”期内,人类只剩下大约几百个人,也就是几乎到了灭绝的边缘。现在的几十亿人都由这几百个人繁衍而来。假设这几百个人中每个人的DNA都不同,那也只有几百种DNA,那现在几十亿人之间DNA的差别是从哪里来的呢?

      第一种机制就是DNA复制时发生的“错误”。细胞分裂时,DNA也要被复制一份,供给新生成的细胞。但是DNA的复制不是100%准确的,偶尔会出一些“错误”。但是这种“错误”发生的几率很小,影响基因功能的几率就更小,所以不是人之间遗传物质不同的主要原因。

      要形成不同的DNA组成(其中最重要的是不同类型基因的组成),最有效的方法就是“同源重组”,也就是对来自父亲和母亲的基因进行“洗牌”。在生殖细胞(精子和卵子)形成时,来自父亲的DNA和来自母亲的DNA紧挨在一起,相对应的部分彼此相邻。比如父亲一段DNA上的基因(用斜的粗体字母表示)abcde— 先和母亲的DNA中对应的基因 a—b—c—d—e— 排在一起,然后父亲DNA中的一部分和母亲对应的DNA部分互换。比如基因 b—c— 这一段被调换了,就形成 a—b—c—de— 和a—bc—d—e— 两种DNA组成。哪怕世界上最初只有两个人(比如传说中的“亚当”和“夏娃”),他们每个基因的形式都不同,而且每个基因都能这样随机互换,那20,000种基因也能有20,000的平方这么多种排列方式,也就是4亿种DNA。如果每个基因有三种形式(许多基因都能满足这个条件),那就能形成8万亿种DNA(基因组合),远超过现在地球上的总人数。

      当然在实际上,父母基因的互换并不是完全随机的,即不是在任何DNA区段都可以发生的,而是在一些“热点”处发生。在“热点”之间的基因,就作为一个整体在父母的DNA之间互换。每个基因的类型数也不一样,有的多,有的少。不过无论具体的情形如何,这样“洗牌”的过程都能形成足够多种类型的DNA了。

“减数分裂”随机地“抛弃”和“保留”父母的基因

      构成我们身体的细胞(叫做“体细胞”)都含有两份DNA,一份来自父亲,一份来自母亲。所以我们的身体是“二倍体”,也就是每个基因都有“双份”(性染色体上的基因除外)。

     但是生殖细胞(精子和卵子)可不能也是“二倍体”。如果是那样,受精卵(由精子和卵子结合而成)的DNA就会是“四倍体”了,孙子辈就是“八倍体”了。这样下去可不得了。为了避免这种情况,生殖细胞在形成时,要经过一个叫做“减数分裂”的过程,也就是一个细胞变成两个,但是DNA并不复制加倍。这样,每个生殖细胞都是“单倍体”,这样由精子和卵子结合生成的受精卵才恢复到“二倍体”的状态。这相当于每个生殖细胞都要“丢弃”一半的DNA,只“保留”一半的DNA。这个生殖细胞“丢弃”的那些DNA,实际上是进入另一个生殖细胞了。而这个生殖细胞“保留”的DNA,另一个生殖细胞又不拥有。

      由于在“减数分裂”前,细胞已经对来自父母的DNA进行过“洗牌”,即“同源重组”,在“减数分裂”时,细胞的DNA已经是父母基因的“杂合物”。由于两个杂合DNA分别进入两个生殖细胞的过程是随机的,这就意味着每个生殖细胞“丢掉”和“保留”的父亲或母亲的基因也是随机的。比如得到a—b—c—de— “杂合”DNA的生殖细胞就“丢掉”了父亲的b基因和c基因,而保留了母亲的这两个基因。得到a—bc—d—e—“杂合”DNA的生殖细胞就“丢掉”了父亲的a基因、d基因和e基因,而保留了母亲的这三个基因。 由于“同源重组”(“洗牌”)的随机性,以及在“减数分裂”时重组后的DNA进入精子和卵子的随机性,每个卵子和每个精子的DNA构成(哪些基因来自父亲,哪些基因来自母亲,哪些父亲的基因“丢掉”了,哪些母亲的基因“丢掉”了)都不一样。再加上受精过程(哪个精子使哪个卵子受精)也是随机的,生成的受精卵自然也就有独一无二的DNA组成。这是世界上几十亿人彼此不同的遗传学基础,也是同一对父母所生的孩子也彼此不同的原因。

      需要说明的是,这种“同源重组”,即基因“洗牌”,只发生于生殖细胞中,即在繁殖下一代的过程中。在构成我们身体的“体细胞”中,来自父亲的DNA和来自母亲的DNA可是严格地“男女授受不亲”的。DNA上面要么全是来自父亲的基因,要么全是来自母亲的基因,彼此绝不相混。所以每个体细胞内都有一个“小父亲”,一个“小母亲”,他们协同努力,一起掌控细胞的功能。

每个人都有“好”基因和“坏”基因

      由于父母的基因又是从他们的父母而来,也是由DNA的“同源重组”过程“洗”过“牌”的。这样一代一代推上去,哪些“祖宗”的哪些基因最后进入某个孩子的基因,也是随机的。孩子的性状就要看他(她)从父母(以及父母的父母,父母的父母的父母等等)得到了哪些基因,以及这些基因组合的情形。所以俊男美女所生的孩子不一定好看,长相一般的父母也能生出漂亮的孩子来。数学天才的父母数学不一定好,而急脾气的父母生出的孩子也许是慢性子的。

      由于每一代人都对生殖细胞的DNA进行“洗牌”,每个人的DNA就像一付“洗”过无数次的“扑克牌”一样(如果把每张牌比喻为一个基因的话),里面基因类型的组合是高度随机的,每个人拥有“好”基因(对健康和智力有利的基因形式)和“坏”基因(对健康和智力不利的基因形式)的几率也是随机的。几乎每个人都有对身体不利的基因,不是容易得某种癌症,就是容易有高血压或近视眼等其它病症。在某个方面出色的人,往往在其它方面比平常人差。反过来,每个人都一定会拥有若干“好”的基因,在适当的条件下就会表现出来。一些在中学时代成绩平平的同学,以后却在某个领域有出色的表现。一些身体残疾的人,在精神活动方面却有优于常人的成就。

      从这个意义上讲,大自然对每个人是“公平”的。每个人都有自己独特的优点,就看是不是有合适的环境条件让它发挥出来。所以每个人都应该对自己有信心。

DNA序列不能决定一切

      这篇文章讨论了人之间差别的遗传学原因,但是DNA的序列并不能决定一切。对DNA序列以外的因素对人的性状的影响,我已经有专门的文章加以叙述,在下面只做简要的介绍。

      DNA的序列无疑是非常重要的,它包含有最基本的遗传信息。但是DNA里面的信息能不能被“读取”,如何被“读取”,还取决于和DNA结合在一起的蛋白质,以及DNA自身被“修饰”的状况。这些状况是因人而异的,叫做“外遗传”修饰。所以即使是同卵双胞胎(拥有相同的DNA序列),他们得病的几率也不相同。想进一步了解这个问题的读者,可以去看我在《科学网》里面的博文,《生殖细胞也喝“孟婆汤”吗?——介绍一些“外遗传学》。

      另外,一个人的思想、观念、经验、技能,是后天获得的东西,和一个人的成长经历有关,并且会改变大脑中神经细胞之间联系的方式,对人“特质”的形成有重要作用。所以即使我们“克隆”一个人,也只会得到一个身体里面的DNA序列相同的人,但却不会是精神活动也相同的人。对此问题感兴趣的读者,可以参看我在这个专栏里面的文章《为什么思想和技能不能遗传?》。

小结

      世界上的每一个人都是特别的,独一无二的。这首先是由于每个人的DNA组成不同。每一代人都对生殖细胞中来自父亲和母亲的DNA进行“洗牌”,形成几乎无限种类的DNA组成。这是DNA多样性最主要的原因。因此,每个人都会同时有“好”基因和“坏”基因,都会有自己独特的优点和局限性。找到发挥自己“好”基因效果的环境条件,有意识地去避免自己“坏”基因的影响,是我们每一个人都应该做的事情。