第四节 “生生不息”——遗传
在日常生活中，处处可见遗传现象。遗传是生物界的普遍现象，是指亲代表达相应性状的基因通过无性繁殖或有性繁殖传递给后代，从而使后代获得其亲代遗传信息的现象。好比人类，父母的基因会传递给子女。当婴儿出生或长大时，人们常常谈论其像父亲还是像母亲，这里所说的主要指脸型。然而不仅是脸型，身高、肤色都与遗传有关，甚至很多疾病也是遗传导致的“基因病”。那么遗传的物质基础是什么？什么是“遗传病”？遗传学技术在当代社会又有哪些应用？下面我们逐一讨论。
一、破解“遗传密码”
染色体是细胞核中载有遗传信息（基因）的物质，在显微镜下呈圆柱状或杆状，主要由脱氧核糖核酸（deoxyribo nucleic acid，DNA）和蛋白质组成，在细胞发生有丝分裂时期容易被碱性染料（例如龙胆紫和醋酸洋红）着色，因此而得名；DNA是一种长链聚合物，组成单位为4种脱氧核糖核苷酸，是一种双链结构的大分子聚合物。带有遗传信息的DNA片段称为基因，基因的发现经历了漫长的历程，通过众多科学家的努力探索，一步一步为我们揭开了人类遗传的神秘面纱。
基因的发现，是从一个假设开始的。它最初是为了解释客观现象而提出的，经过一个多世纪的探索，不但这一假设“因子”的客观性得到了实验的证实，它的结构及其在生命体中的作用也日益清楚。从1865年Mendel发表的《植物杂交实验》到1953年James Watson和Francis Crick提出了DNA分子双螺旋结构模型，经过了近一百年的时间，人们才认识到基因是具有特定“遗传效应”的DNA片段，它决定细胞内RNA和蛋白质（包括酶分子）等的合成，从而决定生物的遗传性状。在整个生物界中，人类及绝大部分生物的遗传物质都是DNA，但某些病毒的遗传物质是RNA，如艾滋病病毒、丙型肝炎病毒及新型冠状病毒（SARS-CoV-2）等。
二、“先天不足”——遗传性疾病
基因的结构或表达调控异常可导致遗传病的发生。按照经典的概念，遗传病或遗传性疾病的发生需要有一定的遗传基础，并通过这种遗传基础，按一定的方式传于后代发育形成的疾病。而在现代医学中，遗传病的概念有所扩大。遗传因素不仅仅是一些疾病的单一病因，也与环境因素一起在疾病的发生、发展及转归中起关键作用。
人类遗传病种类繁多，目前临床上按照疾病的遗传方式，主要分为单基因遗传病、多基因遗传病和染色体病三类。单基因遗传病是一对等位基因控制而发生的疾病。常见的单基因遗传病有葡萄糖-6-磷酸脱氢酶缺乏症、血友病A、苯丙酮尿症等。多基因遗传病是由两对或两对以上的基因突变而导致的一类遗传性疾病，它通常是遗传因素与环境因素共同作用决定，原发性高血压、糖尿病、唇腭裂以及很多先天性心脏病、神经管缺陷等都属于多基因遗传病。染色体病是染色体结构或数目异常引起的疾病，常见的染色体病有唐氏综合征，也就是21-三体综合征。下面分别举例说明其发病机制、给人们生活带来的影响及如何防治。
1.蚕豆病
蚕豆病是葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G-6-PD）遗传性缺陷引起的一组溶血性疾病之一。G-6-PD缺乏症所致溶血性疾病还包括药物性溶血、新生儿黄疸等。这些患者的红细胞膜上缺少G-6-PD。这组疾病表现为食用蚕豆或蚕豆相关制品以及存在其他病因时，会出现头晕、乏力、厌食、恶心、呕吐、黄疸、血尿等急性溶血症状。
这种病与吃蚕豆的量或服用药物剂量无关，一旦接触就可能发生急性溶血性贫血。蚕豆病的患儿首次接触蚕豆或蚕豆制品可能会触发溶血机制，往往进展迅速。多在接触24 ～ 48小时内发病，最短2小时内，最长可9天。早期表现头晕、乏力、呕吐、腹痛、腹泻、口唇苍白等急性贫血表现，继而出现全身黄疸、腰痛、发热，尿液颜色变深，呈浓茶色、酱油尿。查体可有肝脾肿大，肝功能异常。严重时可发展为昏迷、急性肾衰竭、休克甚至出现多器官功能衰竭等。若没有及时救治，可威胁患儿生命。
蚕豆病的治疗主要还是早发现、早诊断、早治疗。治疗上主要是予以吸氧、补液、碱化尿液等对症支持治疗。溶血严重时可能要予以输血、透析治疗。
该病重在预防。如果出生时就给新生儿做了G-6-PD检查，在生活中就可以避免蚕豆病或相关药物引发溶血的发生。目前很多医院都可以做优生优育的检查。并且G-6-PD缺乏不仅仅会导致蚕豆病，还可能在新生儿时期表现为新生儿黄疸，还可能在孩子成长过程中因感染或药物诱发溶血。因此，开展新生儿筛查、婚前检查和产前检查是很有必要的。及早发现有G-6-PD缺乏的孩子，给予相关的指导，避免在患儿成长过程中走弯路，酿成不可挽回的悲剧。
2.唇腭裂
唇腭裂是由遗传因素与环境因素共同引起的多基因遗传病，是一种先天性口腔颌面部的发育畸形，可以表现为单独的唇裂（俗称兔唇）或腭裂（俗称狼咽），还可表现为唇裂合并腭裂。正常情况下，在胎儿发育的早期阶段，嘴唇和上颚会存在裂口，这种裂口会在6 ～ 11周内融合，从而形成完整的嘴唇和口腔。但当裂口不能正常融合时，就会形成不同程度的唇腭裂。
唇腭裂是由遗传与环境因素共同决定的。如果家族中有人曾发生过唇裂，则婴儿发生唇裂的概率增大。此外，也与母亲孕初期的身体状况、饮食、服用的某些药物以及接触的病毒及化学物质有关。典型表现为患儿的上唇部或上颚存在裂口。因唇裂的解剖结构异常可导致部分唇功能丧失，如吸吮、发音以及咀嚼等功能障碍。新生儿如有唇裂存在，则会因吸吮功能障碍导致无法完全正常吸奶，易呛咳、吸奶费力、吸入空气较多胃肠不适等。因营养摄入不足，往往会影响生长发育。腭裂患者在临床检查中最有特征性的表现为腭裂语音（元音不响亮且带有浓重的鼻音、辅音很不清晰且软弱）。
大多数的唇裂在孕期通过超声检查可以被发现，但腭裂或小的裂口只有出生后才能被发现。通常情况下，出生的初次常规查体就可以发现唇腭裂。一些隐蔽的裂口，只有出现相应症状时才可被发现。当发现孩子嘴唇或上颚存在裂口，应尽快治疗。唇腭裂的治疗是一长期过程，十分复杂，涉及外观整形修复、生理功能恢复、心理健康辅导等诸多方面。
3.唐氏综合征
唐氏综合征，又称21-三体综合征、先天愚型，是由于21号染色体异常导致的染色体病，主要是由于父亲或母亲的生殖细胞在减数分裂形成精子或卵子时，或受精卵在有丝分裂时，21号染色体发生不分离，造成胚胎体细胞内多一条21号染色体。
唐氏综合征在活产婴儿中的发病率为1/1 000 ～ 1/600。孕妇年龄越大，患病风险则越高。当母亲年龄大于35岁，发病率明显上升。唐氏综合征根据患者的染色体核型组成不同，将唐氏综合征分为三种遗传学类型：标准型、易位型、嵌合型。患者主要表现为智力落后、特殊面容和生长发育迟缓。智力落后是该病最突出和严重的表现。患儿有明显的特殊面容伴表情呆滞，表现为眼裂小、眼距宽、眼睛上斜；面部扁平、鼻梁低平、外耳小；常张口伸舌、流涎多；头小而圆、颈部短而宽；可伴有先天性心脏病，胃肠道、眼部等多种畸形。
本病目前尚无有效的预防方法，最好的手段是在产前及时终止妊娠。孕前做好遗传咨询很重要。因为孕妇年龄越大，胎儿罹患本病的概率越高，尽量做到优生优育。注意产前筛查，包括在孕早期或者中期进行筛查，通过测定孕妇血清β-人绒毛膜促性腺激素（β-hCG）、甲胎蛋白（AFP）、游离雌三醇（FE3），结合孕妇年龄，计算其疾病的危险度；通过超声测胎儿颈项透明层厚度筛查患病风险；以及通过对高危孕妇做羊水细胞或绒毛膜细胞的染色体检查进行确诊。此外育龄女性妊娠前后应避免接受较大剂量射线照射，不随便服用化学药物，预防病毒感染。
三、让“遗传”服务于人类健康
20世纪，遗传学的发展举世瞩目。基因概念及其理论的建立，打开了人类了解生命并控制生命的窗口。诺贝尔奖极其关注这一领域的探索，100年内对遗传学共颁奖18次。随着遗传学的发展，遗传学技术在当代社会中的应用也越来越受到关注。以下举几个大家熟悉的例子。
1.生命科学的“登月计划”
由于基因对人类进化、发育以及疾病的发生发展、诊断治疗等方面的决定性影响，人类迫切需要像了解自己的生理解剖一样，了解自身基因的结构与功能，人类基因组计划应运而生。
人类基因组计划是一项国际科学研究项目，其目标是确定构成人类DNA的碱基对，并从结构和功能角度对人类基因组的所有基因进行识别、绘制和测序。该项目于1990年正式启动，截至2005年，人类基因组计划的测序工作已经基本完成。大多数政府资助的测序是在美国、英国、日本、法国、德国、印度和中国的20所大学和研究中心进行的。人类基因组计划、曼哈顿原子弹计划和阿波罗登月计划并称为三大科学计划。人类基因组计划被誉为生命科学的“登月计划”。人类基因组计划是一项大规模、跨国、跨学科的科学探索项目，开创了生命科学领域重大项目国际合作的先河。
2.亲子鉴定
我们都听说过封建社会有“滴血认亲”方法。虽然这种方法没有任何的科学依据，但它体现了封建社会朴素的“遗传学思想”。在当代，我们有了系统的遗传学理论知识与技术，可以更加科学地开展亲子鉴定技术。亲子鉴定，即利用生物学、医学、遗传学的理论与方法，通过对亲代与子代的遗传特征的分析，判断父母与子女是否为亲子关系。目前的亲子鉴定主要是DNA鉴定，从血液、口腔黏膜细胞、毛发、指甲等生物样品中提取DNA，通过DNA的分析来判断亲子关系。人类有23对（46条）染色体，同一对染色体相同位置上控制同一性状不同形态的基因称为等位基因，一般一个来自父亲，另外一个来自母亲。如果检测到染色体某个位点的等位基因，一个与母亲相同，另外一个与父亲不同，那么就存在疑问了。DNA鉴定就是通过对十几个甚至更多位点的等位基因进行鉴定，来确定亲子关系。DNA鉴定排除亲子关系的准确率接近百分之百，肯定亲子关系的准确率也可达到99.99%。DNA亲子鉴定主要用于户口申报时的亲生血缘关系鉴定、财产继承时的亲生血缘关系鉴定、拐卖儿童案中的身份鉴定、婴儿抱错案的身份鉴定。刑事案件中，利用案发现场嫌疑人留下的血迹等生物证据进行DNA鉴定，可以锁定罪犯。
3.试管婴儿
1978年7月25日，世界上第一个试管婴儿路易斯·布朗在英国诞生。英国生理学家罗伯特·杰弗里·爱德华兹因其在体外受精技术发展方面的卓越成就而获得2010年诺贝尔生理学或医学奖。他的贡献使治疗不孕不育症成为可能，全球超过10%的夫妇因此获益。
试管婴儿是不是在试管中长大的？事实并非如此。试管婴儿是采用体外受精技术，使精子与卵子在体外结合成为受精卵，发育成早期胚胎后移植到母体子宫中，直至发育分娩出婴儿。受精卵在试管中的时间只有几天，试管婴儿只是个形象的说法。目前试管婴儿技术已经发展到第三代。第一代试管婴儿技术主要是为了解决女性不孕的问题。很多女性因为输卵管粘连、子宫内膜异位症或者盆腔炎导致的盆腔严重粘连等原因，无法自然受孕。这时候就需要通过第一代试管婴儿技术从母体卵巢中取出卵子，在体外人工控制的环境下与正常精子结合成受精卵，再将胚胎移植入母体子宫中达到妊娠的目的。第二代试管婴儿也叫做卵泡浆内单精子注射技术，主要是为了解决男性不育症而发展的技术。该技术用于对重度少精弱精以及需睾丸取精的男性不育症患者的治疗，具有里程碑的意义。简而言之，就是挑选活力好的单个精子直接通过一定的技术手段，注射进卵母细胞胞浆中形成受精卵。第二代试管婴儿技术大大提高了试管婴儿的成功率，也扩大了试管婴儿的适应证。第三代技术叫做植入前遗传学诊断，在前两代试管婴儿技术的基础上，胚胎植入母体子宫前，按照遗传学原理对胚胎进行诊断，挑选出最符合优生条件的胚胎植入母体子宫。人类很多遗传病可以通过第三代试管婴儿技术避免遗传给后代，如唐氏综合征、地中海贫血等。
4.基因疗法
美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）于2019年5月24日首次批准将Zolgensma用于治疗2岁以下脊髓性肌萎缩症（spinal muscular atrophy，SMA）的基因疗法。SMA是一种由脊髓前角运动神经元退化引起的神经肌肉性疾病。这种疾病由运动神经元生存基因（SMN1）基因纯合缺失引起，患者常在1岁内发病，出现肌肉无力和萎缩症状，多数会在婴幼儿期因呼吸衰竭死亡。
SMN1基因编码运动神经元生存蛋白（SMN蛋白）对于运动神经元的存活与功能维持至关重要。我们大脑和脊髓中的运动神经元控制整个身体的肌肉运动。如果没有足够多的功能性SMN蛋白，那么运动神经元就会衰老死亡，严重时可致肌无力，使患儿无法正常抬头、吞咽和呼吸。Zolgensma是一种基因疗法，该产品利用腺相关病毒（adeno - associated virus，AAV）载体把SMN基因的全功能拷贝递送到患儿的运动神经元细胞中，补充细胞中缺失的SMN蛋白，改善肌肉的运动与功能，达到治疗疾病的目的。Zolgensma只需注射一次，便可实现长期缓解甚至治愈。开发该疗法的瑞士诺华公司对其标价212.5万美元，被诸多媒体称为“史上最贵”疗法。
截至目前，全球已获批3款SMA的基因疗法，分别是渤健生物公司的诺西那生钠注射液（Spinraza）、罗氏公司的利司扑兰口服溶液用散（Evrysdi）和诺华公司的Zolgensma。国内批准上市的仅有诺西那生钠注射液和利司扑兰口服溶液用散。2022年1月，诺西那生钠注射液被纳入国家医保目录，从70万元一针降至3.3万元一针，让SMA患者从“有药可用”变成“有药可保”。2023年1月，国家医保部门通过谈判，将首个在中国获批治疗SMA的口服药物利司扑兰口服溶液的价格从63 800元降至3 780元。相关药物的广泛应用可使更多患者得到治疗机会。Zolgensma目前已进入国内临床试验阶段，但并未获批上市。
5.多莉羊的命运
多莉羊是利用克隆技术诞生的小羊。克隆是英文“clone”或“cloning”的音译，克隆技术是指生物体通过无性繁殖方式，生成与原始个体基因型完全相同的个体或者种群的技术。我们都知道哺乳动物只能通过有性生殖的方式繁衍后代，多莉羊的诞生在当时引起了极大的轰动。多莉羊是科学家通过将6岁母羊的乳腺细胞与未受精的卵细胞通过电流融合，融合细胞在试管中不断分裂形成胚胎。当胚胎发育至一定时期，将其植入代孕母羊的子宫内，最终成功分娩。克隆羊多莉的成功诞生是人类在遗传学领域的重大突破，多莉羊也被媒体誉为“世界上最著名的动物”。但好景不长，多莉羊在6岁多时因肺病与关节炎被实施了安乐死。一般绵羊的寿命为12年左右，也就是说多莉羊在青壮年时期就多病缠身，背后的原因是什么呢？
科学家对此研究了多年，一种说法认为多莉羊的年龄应该从母体的年龄算起，因为母体已经有6岁了，那么多莉羊去世时也就是12岁左右，这符合一般绵羊的寿命；另一种说法认为，克隆过程中存在这样那样的技术问题。任何技术问题都可能导致多莉羊出生后基因组不稳定，对疾病易感，甚至是早衰。具体哪种说法更加科学合理，目前尚无定论。
相信随着遗传学的发展，会有更多的新技术应用于疾病的诊断治疗，服务社会，造福人类。