如果你問我生物課本里，對誰的名字最熟悉？那孟德爾一定榜上有名！每當我們提起孟德爾這位遺傳學之父，第一印象就是他做的那些豌豆實驗。孟德爾的本職工作是布爾諾（Brno，現為捷克共和國第二大城市）一家修道院的神父，他在年少求學時就表現出對動植物遺傳的興趣，在成為神父后，也依然時刻關注着對園藝學和農學相關的研究。
孟德爾 （圖片來源：wikipedia）
他發現了生物學的什麼秘密？孟德爾的發現，對後世科學發展又帶來了什麼靈感呢？關於基因的探索，如今人們研究到了哪一步？
一、孟德爾和豌豆實驗
從1856年到1863年間，孟德爾親自種植並測試了大約5000株豌豆植物（22個品種），他通過人工培植這些豌豆，對不同代的豌豆的高莖或矮莖、圓粒或皺粒、灰色種皮或白色種皮等等性狀和數目進行細緻入微的觀察、計數和分析，並發現豌豆的某些特徵可以穩定且有規律地遺傳給下一代。
在一次又一次的實驗中，孟德爾發現了生物遺傳的基本規律，並得到了相應的數學關係式。他的發現現今被稱為“孟德爾第一定律”（即孟德爾遺傳分離規律）和“孟德爾第二定律”（即基因自由組合規律），是揭示生物遺傳奧秘的基本規律。1865年，孟德爾將多年的觀測記錄進行總結后，寫下了一篇名為《植物雜交實驗》的論文。
孟德爾在研究豌豆時使用的豌豆的特性，包括種子、花、豆莢、莖等多方面的特徵，這個實驗也是我們初高中生物學教科書中學到基因相關知識的起點（圖片來源：wikipedia）
但是，由於當時的科學界缺乏理解孟德爾定律的思想基礎，這篇論文並沒有被人們重視。直到1900年，來自荷蘭的德弗里斯、德國的科倫斯和奧地利的切爾馬克同時獨立地“重新發現”孟德爾遺傳定律，科學史上把這一重大的科學事件，稱為孟德爾定律的重新發現。從此，遺傳學進入了孟德爾時代。
二、破譯基因，解答生命秘密
1909年，丹麥生物學家約翰遜對孟德爾論文中使用的“遺傳因子”一詞進行了修改，即基因，並且提出了表型（phenotype）和基因型（genetype）的概念。
1952年，經過美國噬菌體小組的侵染實驗，確定了DNA為生物體遺傳物質。從此，DNA與基因就緊緊地綁定在了一起。1958年，弗朗西斯·克里克首次提出了“中心法則”，解釋了生命遺傳信息的流動方向或傳遞規律，因此人們越發地認識到基因的重要性。
1990年，人類基因組計劃開始實施，宗旨在於測定組成人類染色體（指單倍體）中所包含的30億個鹼基對組成的核苷酸序列，從而繪製人類基因組圖譜，並且辨識其載有的基因及其序列，達到破譯人類遺傳信息的最終目的——解碼生命，從而了解生命的起源、生長發育的規律，認識種屬之間和個體之間存在差異的原因，疾病產生的機制以及長壽與衰老等生命現象，為疾病的診治提供科學依據。
噬菌體的結構以及感染細胞的過程，其會首先向細胞內注入DNA，然後這一DNA會在細胞內複製，最後導致細胞死亡。 （圖片來源：wikipedia）
看到這裡，小夥伴們可能要問了，一旦人類基因組計劃完成，那我們能否利用近年來十分熱門的基因編輯技術人為改造基因呢？比如，讓控制單眼皮的基因變成雙眼皮基因，那麼喜歡雙眼皮的人們不就再也不需要雙眼皮貼或者大費周章做整容手術了嗎？這樣真的行得通嗎？
三、基因編輯是怎麼回事？
基因編輯，顧名思義，就是對目標基因進行編輯改造的技術，能對生物體基因組特定目標基因進行修飾一種基因工程技術。從理論上來講，我們是可以將控制單眼皮的基因“改造”成控制雙眼皮的基因。
目前國際上最熱門的基因編輯技術就是CRISPR/Cas9，這種技術能夠通過“剪切和粘貼”脫氧核糖核酸（DNA）序列來編輯基因組，不管是對動植物還是對細菌的基因都能進行編輯，應用範圍非常廣泛，不僅可以研究動植物各個基因的功能，還能用於人類的基因治療領域中。
形象來講，Cas9就好像剪刀/扳手，能在指定位置擰斷DNA，進行基因編輯 （圖片來源：wikipedia）
CRISPR/Cas9系統最早是在大腸桿菌中發現的。科學家在研究該細菌的基因時，偶然發現了一段重複的迴文序列，即該序列兩端的某些鹼基對重複出現。這類密碼後來又在眾多細菌的基因組被發現。有科學家意識到這肯定不是一個巧合，經過縝密研究發現這一類密碼應該是細菌抵禦外來DNA入侵的工具手段。
後續系列研究表明，CRISPR/Cas9 系統可以將入侵噬菌體和質粒DNA的片段整合到 CRISPR 中，並利用相應的 CRISPR RNAs（crRNAs）來指導同源序列的降解，從而提供免疫性。
看到這裡，相信大家已經想到了，只要將這類密碼子進行定向改造，讓它去降解特定的DNA片段，就能實現對目標DNA的編輯了。
很快，來自加州大學伯克利分校的結構生物學家詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）和瑞典于默奧大學的埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶就通過體外實驗證實了這一想法。接下來就有人利用CRISPR/Cas系統實現了對斑馬魚、真菌及細菌的基因編輯，張鋒實驗室將其成功地運用到了哺乳動物細胞上。
利用 CRISPR/Cas9 技術生產基因修飾豬（圖片來源：生物醫學工程學雜誌）
現如今，CRISPR/Cas9基因編輯技術是生物學和醫學領域最重要的革命之一，已經成功地實現了對果蠅、線蟲、大鼠、豬、羊、以及水稻、小麥、高粱等多種生物的基因組精確修飾。甚至在一些疾病的基因治療的應用領域都展現出極大的應用前景，例如血液病、腫瘤和其他遺傳疾病。
隨着人們對CRISPR/Cas9基因編輯技術的了解，也逐漸發現了它的不足，即嚴重的脫靶效應。因為CRISPR/Cas9系統在細菌體內只需要做到不誤傷自身DNA即可，然而當它用於基因編輯時，就可能因為靶點識別不準確、切割不準確或者對無法對切割位點進行精確編輯而無法完成對目標基因的編輯。因此人們也正在不斷地開發新的技術，相信未來，基因編輯也將會更加成熟。
回到單眼皮基因的問題上，我們是否可以通過基因編輯技術來使我們變得更加漂亮呢？從理論上來講是可以的，不過要在你還是個受精卵的時候進行編輯，這樣才能保證你長大之後是雙眼皮。
其實，小夥伴們大可不必糾結，正因為基因的多樣性的存在，才造就了人與人的不同，每個人的美麗也是獨一無二的。相較於依靠基因編輯改變容貌，也許我們更應該學會的，是從心底里欣賞自己，接納自己獨特的美麗。
出品：科普中國
作者：蘆曉葦（中國科學院微生物研究所）
監製：中國科普博覽