遗传学入门

**遺傳學**是一門研究基因的學科，其目的是嘗試解釋什麼是基因以及它們是如何發揮作用的。基因的作用，可以認為是現存生物從其遠祖所繼承下來的特質。而基因學所探索的其中一個方向，就是確定哪些特徵是可以被遺傳的，以及解釋這些特徵是如何被世代相傳的。

在基因學裡，生物的特徵通常被稱為性狀。我們最容易理解的性狀，即生物的體徵 —— 如人類瞳孔的顏色、高矮胖瘦等。然而，還有很多其他類型的性狀，包括生長繁殖方式、抗病能力等，均屬於生物性狀。這些性狀通常都是會遺傳的。但是有一些性狀會因為環境的改變而出現個體差異，例如高個子的兒子可能因為生長期營養不良而長得較為矮小，儘管很可能他實際上遺傳了能長很高的基因。在基因與環境的共同影響下，想要釐清各個個體的性狀是一件非常複雜的事。例如，想要瞭解某個人得癌症或心臟病的機率有多高的話，除了要看其家族史之外，還要看他的生活品質。這解釋了為什麼有的人就算不吸菸也會得肺癌，而另一些人吸了一輩子煙卻很長壽。

遺傳信息主要是由一條很長的分子鏈承載的，這條分子鏈叫做 DNA。上一代生物通過複製這條 DNA 鏈，就能把其性狀傳遞給下一代。我們可以把 DNA 理解為電腦中安裝的所有程序，而生物則是一個很特殊的電腦，可以根據這套程序來生長及運作；而基因則是指 DNA 中具備某一種功能的片段，就好比一個程序，例如 TRPV1 這段基因就是用來製造可以讓人感受辣味的感覺部件的。

需要注意的是，我們所說的某個具體基因，其實際內容形式可能並不一樣。比如說，某一個基因是用來描述頭髮顏色的：在頭發生長的時候，這段基因會產生各種不同的顏料，並附著於頭髮中；拿漢族人來說，他們的基因通常會產生黑色的頭髮；但個別人的同一個基因中的內容和大多數人有所差異，結果他們的頭髮就不是黑色的了。基因中的內容，是由成百上千甚至到幾十萬的鹼基對構成的，這些鹼基對中的一部分可能會發生突變，假如突變位置發生在「非可變數目串聯重複序列」（有意義的基因表達）的位置上，就會導致生物間同一個基因的內容差異。這種突變通常是隨機事件，不僅有機會產生新的性狀，甚至是導致生物進化的重要一環。

## 生物中的遺傳性

### 基因與遺傳

基因，是完整遺傳信息的基本單位，父母通過複製並分配基因給下一代而遺傳他們的性狀，就像從兩副撲克牌中各抽出一半來組成一副新的撲克牌。這一副新的撲克牌必然和父母類似，但又不會完全一樣。絕大多數動物，包括人類，都有兩套基因。在繁殖的時候，父母分別貢獻其中一套來組裝成兩套新的基因。因此，後代和父母之間的基因數量完全一致，只是這兩套基因中的每一對基因，都是分別來自父母的。

不同的基因，在混合之後的效果是不一樣的。拿眼睛虹膜的顏色來說，這是由控制虹膜顏色的基因決定的。由於有兩套這樣的基因，這一對基因我們稱之為等位基因。如果父親的兩套基因都是綠色的，而母親的兩套基因都是棕色的，那麼小孩的這一對等位基因肯定是一個棕色一個綠色。在兩個基因的指令不一樣的時候，最終的結果就要看這兩個基因是如何協同工作的。在上面這個例子中，小孩的眼睛會是棕色的，這是因為對棕眼睛的基因的執行，會掩蓋綠眼睛基因的執行結果。我們稱被覆蓋的這種基因為隱性基因，而會覆蓋隱性基因的同一個基因為顯性基因。

雖然這一個棕眼睛小孩的基因中，確實含有綠眼基因，但就是沒有任何一隻眼睛是綠色的。這種表面能看到的性狀（稱為表型）和實際生物中的基因型並不一樣，這時候我們會用大寫的 B 來表示等位基因中的棕眼基因，而用小寫的 g 來表示綠眼基因。於是，這個小孩的表型是棕色的眼睛，而基因型是 Bg，或者說一個 B 等位基因，一個 g 等位基因。

如果這個小孩長大後，和另一個同樣擁有 Bg 基因型的異性結合，那麼他們的後代就會有 4 種情況：父 B 母 B、父 B 母 g、父 g 母 B、父 g 母 g。不過基因的表達不會因為來自父親還是母親而有所區別，因此 BB 型和 gg 型的概率都為 1/4，而 Bg 型則有一半的概率。由是之故，孫輩中可能會擁有與祖父一樣的綠色眼睛，儘管他的父母眼睛都是棕色的。這種現象叫做隔代遺傳。

事實上，很多性狀的遺傳情況並不像上面那樣，能簡單劃分的，因為有時候某種性狀是多個基因共同起作用的結果。比如說人的高矮，雖然說長得高的人自然有一組能讓人長得高的基因，但我們卻很難如棕眼睛還是綠眼睛那樣，根據高矮來劃分出兩種人。由於和身高有關的基因不止一個，每一個這樣的基因會分別有一定的貢獻，最後的結果是身高並非只有一兩個固定值，而是一個很大的變動範圍。而且，有些性狀和環境因素也有關係。如果一個人在兒童時期營養不良，他的眼睛顏色是不會因此而改變的，但卻有可能因此長不高。

### 遺傳病

許多疾病，比如傳染病，主要是因為環境因素所造成的。然而，有一些疾病是會被遺傳的，而且通常會出現在整個家族裡面。還有一些所謂的失調症，則是在基因和環境的聯合作用下，才會呈現出來。

因單一個等位基因所造成的遺傳性疾病，我們稱之為遺傳病。像亨丁頓舞蹈症、囊腫性纖維化以及杜興氏肌肉營養不良症就屬於遺傳性疾病。以囊腫性纖維化為例，這一疾病是一個叫做「CFTR」的單個基因發生突變導致的。這種病會被隱性遺傳，或者說這一突變後的致病基因是隱性基因。其它和遺傳有關的疾病則和多個基因有關，因此從父母中遺傳到突變的基因，只會改變他們得病的概率或風險。這些疾病的遺傳關係通常很複雜，甚至有可能還和環境因素有很大關係。

比如說乳腺癌，高風險家族的成員獲乳腺癌的機率，能比低風險家族的成員高出 50 倍之多。這麼大的差異很可能是因為與此有關的等位基因數量巨大有關，而其中的每一個只會對風險概率有一點點影響。科學家現在已經識別出一部分與此有關的基因，例如「BRCA1」以及「BRCA2」，但還有很多是沒有被識別出來的。儘管基因問題是造成某些疾病的部分原因，但很多時候人們容易忽略其它因素，例如酗酒、抽菸或者不鍛鍊身體，這些都會明顯增加患病的風險。正因如此，諸如乳腺癌這樣由基因和環境共同決定的疾病，是很難簡單地根據基因情況而進行準確預測的。

## 基因是如何發揮作用的

### 合成蛋白質

基因的一個重要功能，就是讓有機體能根據其承載的信息來合成蛋白質，而蛋白質則是組成生物的重要零件。對於絕大部分生物而言（除了病毒），細胞是有機體的最小獨立單位。以人類為例，一個成年人大約包含約 1,000 億個細胞。而與此對比，某些細菌是由單個細胞組成的。細胞就像一個超小卻又極端複雜的工廠，它可以自行製造它自己所需要的任何部件，甚至可以複製出一個新的工廠（稱之為細胞分裂）。我們可以對細胞裡面的物質做簡單的分工：基因發出指令，而蛋白質則執行這些指令 —— 包括修復細胞上的損傷，甚至複製一個新的細胞。細胞所製造出來的蛋白質類型非常豐富，而每一種蛋白質則通常只會完成特定的某一種工作。因此，如果細胞需要完成新的任務，就需要製造新的蛋白質。類似地，如果細胞需要調整運作的速度，就需要調整對應的蛋白質的產量。而基因則決定了細胞會於何時製造何種蛋白質，及其產量的多少。

蛋白質通常由 20 種稱為標準胺基酸的分子組裝而成的鏈狀分子，它通常會團成球狀，如同一個散亂的毛線球一般。其形狀是由組成該蛋白質的胺基酸序列所決定的，而形狀則決定了蛋白質的作用。比如說，某些蛋白質的部分表面與另一種分子的表面結構相配合，於是這兩者之間就可以緊密結合。另一些被稱為酶的蛋白質，則如同一個微型機器人一樣，對特定的分子進行修改。比如在某種分子的特定部位接入另一段分子，或者按特定方式拆散某種分子。

如 6 進一步放大 DNA 序列，我們就會發現它實際上是由一些基本單位不斷重複而成的。這些基本單位是四種特定的脫氧核糖核酸 —— 腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）。當我們用這些英文簡寫來描述一段 DNA 序列時，我們就稱之為遺傳密碼。當細胞要解讀並執行這些密碼時，首先需要將 DNA 轉錄到信使 RNA 上。信使 RNA 實際上是指專門用於完成該工作的 RNA，而 RNA 的結構和 DNA 非常相似，其組成的基本單元為核糖核酸（沒有脫氧），並且用尿嘧啶替換了胸腺嘧啶。這一個轉錄的過程，是由另一些 DNA 序列所控制的（例如 DNA 啟動子），它們能讓細胞知道某段基因在 DNA 序列中的什麼地方，以及控制細胞複製並執行該基因的頻率和強度。而轉錄出來的信使 RNA 序列，則會被送往細胞內一個叫做核糖體的結構中。在這一個結構中，信使 RNA 會與轉運 RNA 結合，而轉運 RNA 則根據其序列不同而攜帶不同的胺基酸。在核糖體的幫助下，這些胺基酸最終會按照信使 RNA 的序列合成為一條完整的蛋白質分子鏈。離開核糖體的蛋白質，根據其中的胺基酸序列的不同，會自行摺疊成不同的具備生物活性的形狀。這其中將 DNA 中的信息轉變為對應胺基酸的過程，被稱之為翻譯。

如果基因中的核苷酸序列發生改變，那麼這個基因所產生的蛋白質中的胺基酸序列也會發生相同的變化。比如說如果一個基因中的某一段被剪除，那麼它所產生的蛋白質也會相應變短，並且可能不會再起作用。所以說，不同的等位基因對生物有不同的效果。以頭髮顏色為例，頭髮的顏色取決於生成黑色素的數量。如果一個人擁有用於產生黑色的一套完整而正常的基因，他就會產生足夠的黑色素讓頭髮變黑。但是，如果對應的某些等位基因的序列和正常的不一樣，那麼它就有可能無法產生黑色素，頭髮也就因此變白。這種情況就是白化症，患此遺傳病的人不僅頭髮是白的，連皮膚都是蒼白的，甚至瞳孔的顏色也會顯得與常人不一樣。

### 基因的複製

每一次細胞分裂成兩個細胞的時候，基因也會複製成兩份。這一個複製 DNA 的過程被稱為 DNA 複製。

DNA 的複製過程很簡單，卻也很準確，這是由 DNA 本身的結構決定的。每一條 DNA 實際上是由兩條鏈條緊密結合而成，就好像拉鏈一樣。在平時，DNA 就像拉起來的拉鏈。而在複製的時候，這條拉鏈通過特定的拉鎖解開成兩個部分。可以想像，如果有兩個新拉鏈部件，就可以和這兩個舊部分分別結合，形成新的兩條拉鏈。

完成這個過程需要一個重要的條件，那就是拉鏈的兩半能夠精確匹配。DNA 的兩條鏈是通過它們的核苷互相結合而成的。前面提到了組成 DNA 的核苷有 4 種，而這四種核苷實際上是兩兩相配的 ——A 和 T、G 和 C，也就是說 A 是不可能和 G 或者 C 相配對的。這種準確匹配的一對核苷被稱為鹼基對。

因此，根據 DNA 的其中一條鏈就可以準確得到另外一半：複製的時候，首先 DNA 解旋酶將 DNA 如同拉鏈般分為兩部分；接著，被解開的兩條鏈會在各種酶的幫助下，和正確的核苷結合併形成新的兩條 DNA。然而這一過程偶爾也會出現一些小錯誤，例如塞入錯誤的核苷酸，從而造成 DNA 序列發生改變。這也是其中一種基因突變形式。基因的突變會產生與以往完全不同的蛋白質。大多數時候，這意味著某種功能出現故障，例如前面的白化病通常就是因此而無法正常產生黑色素。然而，在偶爾的情況下，這些新的蛋白質能發揮一些有意義的新作用，或者以更高的效率完成之前的同樣任務。因為 DNA 序列改變而導致生物性狀發生改變的過程，稱為演化。

## 基因與進化

如果某一個生物群落的某一種性狀變得普遍或者罕見，那麼我們稱這個過程為進化。比如說，在一個小島上的所有老鼠，就可以認為是一個獨立的老鼠群落。如果經過數代之後，原本罕見的白老鼠變得常見了，就可以說這些老鼠的毛色部分發生了進化。用遺傳學術語說，這叫等位基因的頻率發生了變化，具體在這個例子裡面，就叫白毛等位基因的出現頻率增大了。

某種等位基因變得常見或者罕見，可能是因為一種稱為遺傳漂變的偶然過程造成的，也可能是自然選擇造成的。所謂的自然選擇就是指，如果某個等位基因有利於一個生物的存活及繁殖，那麼經過一段時間之後，這種基因就會變得更為常見；反之如果有害，則會變得罕見。如果因為氣候原因令這個小島變得越來越冷並經常被雪覆蓋，那麼白毛色顯然有利於避免被天敵發現，那麼白老鼠就更容易存活及繁衍後代。因此攜帶白毛色基因的後代會變得常見，而深色老鼠變得罕見。

基因突變對於進化是至關重要的，因為突變能創造出新的等位基因。這些新的等位基因產生了新的 DNA 序列，也就能創造有與以往不一樣功能的新蛋白質。因此，即便這個小島上最初只存在黑老鼠，最終也可能會因為基因突變的緣故而在下一代中產生白老鼠。隨機突變所產生，以及其後通過自然選擇留下有用的基因，使得生物能夠適應周圍的環境變化，且不斷繁衍生息。

## 遺傳工程

生物的性狀是決定於細胞中的基因，也就是說，如果我們往細胞的 DNA 塞入新片段，這個細胞就有可能出現新的性狀。基因工程就是利用這個原理，以達到特定的目的。比如說，糧食作物如果被注入北極魚類的基因，就可以生產一種抗凍蛋白來保護它們的葉子，從而避免霜凍所帶來的危害。其它例子還包括，加入在蘇雲金芽孢桿菌中發現的、能產生天然殺蟲劑的基因。加入這種基因的植物能殺死吃這些植物的蟲子，但是對人類無害。這種轉基因植物是在其生長之前注入的，因此這種基因會存在於植物的各個部分，包括植物的種子、花粉等，以至其後代都攜帶有這些基因。這可能會出現將新基因（以及對應的新性狀）傳播到野生植物中的問題，逐漸引起大眾的關注。

在基因工程中所用的技術，現在也被發展為一種用於治療遺傳疾病的新技術，該技術被稱為基因療法。基因療法的工作原理為試圖用正常的等位基因來替代造成疾病的部分，然而這種療法是在人成年並發病之後才引入的，因此並非所有細胞（尤其是生殖細胞）的基因都經過修正，因此他們的下一代依然可能會攜帶有問題的基因。

## 遺傳學詞彙

**DNA**
: 形狀如螺旋狀長梯的一條鏈狀分子，由 4 種基本單元不斷重複而構成。這些基本單元如同英文中的字母，而 DNA 就如同用英文字母寫成的一篇文章。也就是說，這些基本單元所組成的 DNA 承載了遺傳信息。

**核苷酸**
: 它們是 DNA 梯子中間的腳踏橫木部分，也就是 DNA 中的重複部分。核苷酸有四種不同的類型（A、T、G 及 C），正是這些不同的形式承載了遺傳信息。

**染色體**
: 在細胞中含有一長串 DNA 序列繞曲並壓縮在細小空間的閉合結構。不同的動植物，其染色體的數量及大小都不相同。

**基因**
: DNA 中的一個有效片斷。如果說核苷酸是遺傳信息的字母，則基因就是有這些字母所組成的一句話，它們控制了生物的外形以及行為等。又或者說，基因就像一段程序，讓生物知道在何時應該製造或者做些什麼，如長出一個眼睛還是一條腿，或者修復一個傷口。

**等位基因**
: 一種生物在某個基因上的各種不同形式。比如說，人類控制虹膜顏色的等位基因包括綠眼基因及棕眼基因等。

**基因組**
: 特定生物的一套完整基因。

**基因工程**
: 指一種認為添加或刪除生物原有的部分基因的方法。

**突變**
: DNA 序列中的某個基因發生突發改變的事件。

 

## 引用

## 深入閱讀

* Jones, Steve. The Language of the Genes. Flamingo. 2000. ISBN 0-00-655243-9. （英國科普書獎獲獎作品）
* Schwartz, James. In Pursuit of the Gene: From Darwin to DNA. Harvard University Press. 2008. ISBN 0-67-402670-5.
* Hamer, Dean and Copeland, Peter. Living with Our Genes: Why They Matter More Than You Think. Anchor. 1999. ISBN 0-38-548584-0.
* Goodsell, David. Our Molecular Nature: The Body's Motors, Machines and Messages. Springer. 1996. ISBN 0-38-794498-2.

## 外部連結

**遺傳學**

* Introduction to Genetics （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, University of Utah
* Introduction to Genes and Disease （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, NCBI open book
* Genetics glossary, A talking glossary of genetic terms.

**DNA 和基因**

* Animated guide to cloning （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Genetics （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） NCBI, A Science Primer

**進化**

* Understanding Evolution: your one-stop source for information on evolution (web resource). The University of California Museum of Paleontology, Berkeley. [2008-01-24]. （原始內容存檔於 2020-12-11）.

**互動遊戲**

* What Color Eyes Would Your Children Have? Genetics of human eye color: An interactive introduction.
* Double Helix Game （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） from the Nobel Prize website. Match CATG bases with each other, and other games.
* Transcribe and translate a gene. University of Utah
* StarGenetics （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 軟體模擬生物體的基因之間在許多功能不同的交配實驗。