基因体是一本历史,记录着人类时光旅行的故事;它是一本工作手册,以数位的方式记载人体每一个细胞的制造蓝图与操作的秘密。研究基因体可以回溯人类的演化进程,可以看到祖先与疾病搏斗的记录,也可以察觉基因体的主人是不是比较容易罹患癌症、心脏病、中风、忧郁症……,甚至可以从DNA端粒的长度一窥寿命的天机。
自从人类基因体计画在2000年完成草稿以后,DNA的新时代已经来临,疾病的本质完全改观,DNA为疾病提供了新的解释、新的诊断、新的疗法,与新的预防策略;如今医学文献几乎不能不用DNA观点审视研究的设计与解释。在此之前,人类的基因几乎是一个未知的谜团,我们即将成为破解这个谜团的第一个世代。我们有必要重新深入认识DNA、基因、基因体这些基本词汇所代表的意义,以及它们的构造与功能,才有能力回顾这些年来DNA科学的主要进展,并进一步了解什么是「生物技术」,以及一探DNA科学终极目标之一的「基因疗法」现况。
有人说,现代人不会上网、不会收发电子邮件,就算是一种文盲。同样的,学习自然科学的人如果不能了解近年来DNA科学的发展,也会落入看不懂医学、生物学最重要文献的窘境。这就是本书出版的原因和目的。我们着重介绍基因体的基本知识,并补充近年来DNA科学最新的发现和研究,期许能为读者做一次DNA新乐园的导览。
BU0058X认识DNA
推荐序 基因体科学的敲门砖 严宏洋
推荐序 当代人的DNA追寻?知识愈多 了解愈少 陈为坚
审订者序 让病毒无所遁形的DNA技术 洪火树
全新增修版说明
前言 文明的里程碑
第1部 基因体的构造与功能
第1章 人类的基因体
一、基因体是记载在DNA上的细胞标准作业程序
二、基因可以剪接,可以开关和调节强弱
三、基因体种种有用没用的片段
四、粒线体DNA暗藏母系祖先信息
第2章 缤纷的基因体多样性
一、突变的效果
二、单核?酸突变是辨识基因型的重要窗口
三、基因体有许多重复出现的短串,可以当作DNA指纹
四、「医生,请先检验我的基因!」
第3章 细胞如何冻结基因?
一、外基因遗传让一样的DNA序列有不一样的表现
二、基因印?让不同来源的基因有不一样的表达
三、家族性智能不足的原因可能是基因过度甲基化
四、甲基化过与不及都可能致癌
第4章 分子武器——拦截入侵者
一、双股RNA竟然会关闭基因
二、RNA干扰机制在实验室达成令人期待的初步成果
三、RNA干扰成功治疗小鼠的肝炎
四、临床使用的RNA干扰药物
第2部 如果基因不按牌理出牌
第5章 细胞的叛变
一、癌是基因的疾病
二、鸡为什么长了肉瘤?
三、癌症是好几种基因携手打造的怪物
四、抑癌基因是细胞週期的煞车器
第6章 DNA与癌症
一、肝癌的主要病因是肝炎病毒
二、启动EB病毒复制可以治疗鼻咽癌及淋巴癌吗?
三、从基因型预知大肠癌的可能性
四、建立乳癌基因型资料库防治家族性乳癌
五、我们需要花钱做癌症风险DNA筛检吗?
第7章 从DNA看常见疾病
一、从DNA寻找动脉硬化的疗法
二、预知失智纪事
三、气喘是许多基因被环境因素挑起的反应
第8章 擅于改头换面的流感病毒
一、流感病毒的来历
二、正在威胁着人类的禽流感和猪流感
三、2009H1N1流感的真面貌
四、流感疫苗
第9章 人工基因的用途 一、基因可以用来治疗疾病吗?
二、基因可以用来当作疫苗吗?
三、如何运送基因到细胞里头?
四、操作DNA可以制作多功能干细胞
第10章 人类基因疗法的经验
一、第一个成功案例
二、腺病毒载体引发免疫风暴
三、非病毒载体的经验
四、转基因如何造成癌症?
五、基因疗法的前景
第3部 实验室之终极秘技
第11章 PCR、定序、与即时PCR
一、聚合?连锁反应是DNA科学的核心技术
二、DNA自动定序
三、二代定序NGS(next generation sequencing)
四、高度敏感的定量工具——即时聚合?连锁反应
第12章 DNA晶片
一、基因晶片的功用与制作方式
二、晶片的实际用途
三、全基因体关联研究(GWAS)
四、尚待克服的实际问题
专有名词对照
主要参考资料
〈推荐专文〉基因体科学的敲门砖 严宏洋
曾经共同主导国际基因体计画的Francis S. Colin (从去年九月起,担任美国国家卫生研究院院长),在今年初发表了一本名为《The Language of Life: DNA and the Revolution in Personalized Medicine》的科普书籍。他用了十章的篇幅,谈从人类基因体被解读后,对个人、社会的冲击;同时也讨论在个人基因的隐私,与医疗上所面临的诸多两难的局面与对策。由于他这本书所要诉求的对象是普罗大众,因而在行文时,很少使用科技名词。要严格的说,这是一本属于偏于「软性」的科普书籍。因而对于真想进一步了解最近有关基因体研究,和其影响的读者来说,唸起来会有种意犹未尽的感觉。很幸运的是,林正焜医师刚刚完成了他先前写的《认识DNA》一书的再版(第一版出刊于2005年),正好填补了这需求。相较于前述Colin的着作,林医师的新着,应该可归类于较为「硬性」的科普书籍。换句话说,真正想了解基因体的内涵的读者们,可以这本中文科普书籍,做为入门基因体学的敲门砖。
再版的《认识DNA》这一本书,共分为三大部份。第一部的主题是;基因体的构造与功能。
这一部份共有四章。第一章先对人类的基因体做了简单的定义;然后在第二章对基因的多样性给予诠释。第三章则是谈外因基因、基因印?,以及基因过度甲基化的基因冻结机制。第四章主要谈的是RNA的干扰机制。这是近几年很热门的研究题目,主要是因为可以用在新药物的开发。
第二部份的主题是;如果基因不按理出牌。从这一主题就可知道,这部份涵盖的六章,主要在探讨癌与基因的关系(第五章);DNA与癌症(第六章);从DNA看常见疾病(例如:动脉硬化失智气喘)(第七章);流感病毒(第八章);人工基因的用途(第九章);人类基因疗法的经验(第十章)。
第三部份的主题是:实验室之终极祕技。主要是在介绍研究基因体的两大工具。那就是聚合?连锁反应、定序与即时聚合?连锁反应(第十一章);与DNA晶片(第十二章)。整体的来说,这本修订过的再版书,对过去五年来基因体研究的发展,做了个回顾,并且指出一些尚待克服的实际困难。譬如说:我自己主持的实验室,过去几年中一直在从事以香鱼为模式动物的有关老化的研究。从今年起开始投入大量的经费,试图以DNA晶片的技术来筛选有关老化的基因群的表现。一收到报告时,原先所期待的新发现的喜悦,却被几千个基因表现上的微小差异,而难以解读其意义所淡化了。这些实际的问题,在本书的最后一章,作者也给了些交代。
从科普的角度来看,《认识DNA》这一本书,不是一本可以当闲书来唸的书籍。由于字里行间有许多的科学专有名词,因而读者想要好好唸完这本书时,应该有心理准备,要一章一章慢慢的读,才能吸收作者所要传达的讯息。我个人认为,这本书很适合高中及大学主修生物学的学子们,拿来做为课外补充书籍,必定可增长对最近基因体研究发展的了解。对没有升学考试压力的大众而言,基因体的知识已经是不能不具备的基本知识。拿起这本书,好好的读完它,一定不会令你失望的。
(本文作者为中央研究院细胞与个体生物研究所研究员)
〈推荐专文〉当代人的DNA追寻?知识愈多 了解愈少 陈为坚
对于一本科普书而言,能够在五年内再版,放在今日「实体书籍」日渐萎缩的大环境来看,更是一项不容易的成就。读者的热烈回馈,基本上就是对于该书最好的肯定了。
在第一版的序言里,我曾经引用彼得?杜拉克之「心灵地图」来说明基因体与当代人的自我认知。当时我就深深感受到本书生动而不失准确的写作风格,与一般的翻译型科普书籍有很大不同。本书的再版,也算是印证我当初的推荐序诚属实言而非溢美之词。但是就如作者在全新修订版中的说明,本书出版五年来基因体科学的进展可说目不暇给。现在回过头来看,似乎也在改变研究人员对于DNA科学的「心灵地图」:一开始的乐观、自信,反而随着愈多的知识,让人看清我们所了解的何其不足!
在新改版中,作者增加了不少新而有趣的进展。像是在第12章,作者简介了新近的晶片技术与全基因体关联研究(genome-wide association study,简称GWAS)。尤其是GWAS这个故事特别值得一谈。一开始研究人员只是单纯地想利用「地毯式搜索」,来蒐寻引发疾病的易感受性基因变异。在有系统比对同一群人是否出现单一核?酸的变异(single nucleotide polymorphism,简称SNP)后,研究人员汇整了50万到100万左右的SNP。接下来为了克服杂讯的干扰,因此透过跨国团队的合作,在很短的时间内就累积了超过千人的病例组人数与对照组人数,然后将检体送进高通量的定型机器,进行数十万个SNP标志的定型。用俗话来,可说是一项「烧钱又烧人」的研究策略。但是自然界似乎跟研究人员开了一个很大的玩笑。虽然有少数新的标志被找到,但是这些变异,全部加起来,能够解释疾病的变异量,常常不到10%!我有时跟学生开玩笑说,就算把GWAS有关第二型糖尿病的数十个基因变异都定型了,这些知识的总合对于是否发病的预测,还不如体重一项所能够解释的变异量大小。也就是与其花费大量金钱在基因定型,还不如去买一部体重计!当然,这不是说DNA科学不必研究。反而是说,在正确解读DNA科学这本复杂的书时,是需要一些「修养」的,过度乐观导致的简化或刻意抵制而忽视,都不是好的策略。
对于人类基因体计画之完成,很多论者,包括本书作者,都把它比拟成16世纪麦哲伦(1480-1521)所率领完成的地球环航。不过随着初步定序之完成,研究人员开始更有系统寻找基因变异时,最具代表性的故事莫过于全基因体关联研究的兴起及其令人失望的结果。从这个角度来看,过去几年的DNA科学进展,也许比较接近哥伦布(1451-1506)的探险:用错的地图(不知欧洲与亚洲之间,还存在着一个美洲)、到达错的地点(到了美洲却坚持是到了亚洲的印度群岛)、而其错误的命名(把俘来的当地土着称为印第安人)却仍顽固地被沿用至今。但是不可否认地,哥伦布的探险终就开发了一片新天地。
整体来看,回到本书的初衷,也是我乐于再度为本书写序的理由,就是我们需要与时俱新的DNA知识,好让我们认清现有了解的限制,而能继续永不停止的探索。
2010年 8月 25日
(本文作者为国立台湾大学终身特聘教授、公卫学院副院长、公卫系暨流行病学与预防医学研究所教授、台大基因体医学中心遗传流行病学核心实验室负责人)
〈推荐专文〉 让病毒无所遁形的DNA技术 洪火树
近几十年来,出现了许多对人类社会产生重大影响新兴疾病,其中大部分是新兴传染病,病原在一个全新宿主体内大量复制后传播给人类。例如从墨西哥开始爆发的2009H1N1新流感,据美国疾病死亡週报的报导,一开始(在4月26日之前)就造成至少81人死亡(Dawood, 2009;MMWR2009)。紧接在墨西哥和美国之后,2009年H1N1流感迅速攻陷欧洲、亚洲、非洲及南美洲,传播的速度和范围这么惊人,主要原因应该是密切的空航(空中交通?),让病毒随着人类宿主搭乘飞机旅行到全球各地(Dawood, Jain et al 2009; Swedish, Conenello et al 2010)。当时世界卫生组织与美国疾管局都忧心这种流感会流行全球,2009年6月10日世界卫生组织终于正式宣佈2009H1N1新流感大流行。
就像2003年SARS爆发仅仅短时间造成人类社会不安一般,2009H1N1流感大流行也在2010年7月正式宣佈已经结束,流行期仅只一年。人类文明史经历了很多次死伤惨重、影响深远的疫病,相较之下,我们是不是幸运地可以免于疫病的伤害或可以降低疫情到最轻微的程度,就像在2003年经历的SARS或2009年经历的H1N1流感一样?在多久的未来我们又会遭遇另一个新兴疫病?
从林正焜医师这本《认识DNA》二版,读者可以认识当代DNA技术的原理与应用,事实上,2003年和2009年的疫病会被迅速控制扑灭,最主要的原因可能要归功于近年DNA技术的进展。最新的DNA技术让科学家可以迅速辨识病原,大量解码病原的DNA∕RNA序列,这一来卫生单位就能够针对病原採取对策,建立确实的诊断原则,研发有效的疫苗,监控疫情,防止致死疫病传播。我相信,阅读这本与时俱进、精彩的书之后,读者对于DNA科学如何改变人类的文明会有通盘的认识。
(本文作者洪火树博士为美国Walter-Reed Army Medical Center分子诊断与病毒疾病部门主持人)
**评价三** 坦白说,我对生物学一直有点“敬而远之”,觉得那些拉丁文的名字、复杂的反应过程,光是听着就头大。所以当初买这套《生命科学入门套书(细胞+认识DNA)》的时候,其实心里并没有抱太大期望,只是想随便看看,了解一下基础知识。结果,它彻底颠覆了我的看法!《细胞》这本书,它的语言风格非常活泼,一点也不古板。作者经常会用一些生活中的例子来比喻细胞的结构和功能,比如把细胞膜比作是“大楼的边界”,把线粒体比作是“发电厂”,这样的比喻真的太形象了,让我瞬间就能理解那些抽象的概念。而且,书里的插图简直是神来之笔,色彩鲜艳,线条清晰,把细胞里的各种细胞器都画得栩栩如生,甚至还会有动态的模拟图,让你感觉细胞好像真的在“动”一样。它讲到细胞之间的交流,细胞的分化,甚至是一些简单的免疫反应,都解释得条理清晰,逻辑性很强。更让我惊喜的是,它还讨论了一些生物技术的应用,比如基因工程、干细胞研究,这些内容让我觉得生命科学离我们的生活并不遥远,而且充满了无限的可能性。这本书真的让我对“细胞”这个概念有了全新的、深刻的认识,完全打消了我对生物学的恐惧感。
评分**评价五** 收到《生命科学入门套书(细胞+认识DNA)》的时候,我最先翻开的是《细胞》这本。不得不说,这本书的图片质量真的很高,色彩鲜艳,而且有很多细节图,把我从前在教科书上看到的模糊不清的细胞图完全比了下去。它从细胞的组成部分讲起,比如细胞膜、细胞质、细胞核,还详细介绍了各种细胞器,像线粒体、内质网、高尔基体等等,每一个部分都有清晰的插图配合,甚至有些插图还有动态效果,让你能直观地看到它们的功能。作者的语言风格很接地气,他会用很多生动的比喻来解释复杂的概念,比如把细胞比作是一个微型的“工厂”,而各种细胞器就是工厂里的不同车间,各司其职。他没有只停留在细胞的结构层面,还讲到了细胞的功能,比如细胞如何获取能量,如何进行物质运输,甚至还讲到了细胞的分裂和死亡,这些都是生命活动最基本的过程。这本书真的让我对“细胞”这个微观世界有了更深刻的认识,也让我体会到生命体的精密和复杂。它不只是知识的传授,更是一种对生命现象的观察和思考引导。
评分**评价四** 我一直觉得DNA这个词很酷,但对其具体运作机制一直是一知半解。直到我读了《生命科学入门套书(细胞+认识DNA)》里的《认识DNA》这部分,才感觉自己真的“入门”了。作者的叙述方式非常引人入胜,他没有直接抛出一堆科学名词,而是从DNA的发现史讲起,就像是在讲一个侦探故事,你会忍不住想知道接下来的剧情。他详细地描述了DNA的分子结构,用浅显易懂的语言解释了碱基配对的原理,以及这个结构如何巧妙地储存了大量的遗传信息。我最喜欢的部分是关于基因和蛋白质合成的讲解,作者把DNA上的基因比作是“指令书”,而蛋白质则是根据这些指令“制造”出来的“执行者”。这个比喻让我一下子就理解了基因表达的过程,也明白了为什么DNA如此重要。书里还涉及到一些遗传学的基本概念,比如显性基因和隐性基因,还有一些常见的遗传病是如何产生的。这些内容虽然听起来很专业,但在作者的讲解下,都变得容易理解。读完这本书,我感觉自己就像是获得了一把钥匙,能够打开理解生命奥秘的大门。我对遗传、进化这些概念有了更深入的思考,也对人类自身的奥秘感到更加着迷。
评分**评价一** 我一直对生命科学充满好奇,但又觉得它好像很深奥,不知道从何下手。这次看到《生命科学入门套书(细胞+认识DNA)》这套书,名字就特别吸引人,感觉是为我们这种初学者量身打造的。拿到书之后,我迫不及待地翻开第一本《细胞》。这本书的排版很舒服,插图也画得特别精美,一点都不枯燥。它从最基本的细胞结构讲起,像是细胞膜、细胞质、细胞核这些,都用很生动形象的比喻来解释,比如把细胞膜比作是细胞的“门卫”,负责控制进出。然后又讲到各种细胞器,像是线粒体是“能量工厂”,核糖体是“蛋白质合成车间”,虽然听起来像是科学术语,但作者的讲解真的能让你一下子就明白它们的功能和重要性。书里还穿插了很多细胞的真实照片和3D模拟图,看得我大开眼界,原来我们身体里有这么多我们看不见的“小世界”。最让我惊喜的是,它还讲到了细胞的分裂和生长,甚至是一些简单的疾病和细胞的关系,感觉把原本遥不可及的科学知识变得亲切多了。读完这部分,我对我们身体的构成有了全新的认识,也对生命的神奇感到由衷的赞叹。
评分**评价二** 本来我只是对“认识DNA”这个部分有点兴趣,因为感觉DNA好像是所有生命的基础,但具体是怎样运作的,我是一点概念都没有。没想到,这套书里的《认识DNA》真的给了我巨大的惊喜。它不像我想象中的那种干巴巴的教科书,而是像在讲一个引人入胜的科学探险故事。从DNA的发现历史开始,讲到沃森和克里克如何一步步揭开DNA双螺旋结构的奥秘,这过程本身就充满了戏剧性。然后,作者用非常易懂的方式解释了DNA的组成,像是碱基对的“A-T”、“G-C”配对原则,甚至还解释了为什么这样配对很重要。更绝的是,它把DNA比作是生命的“蓝图”或者“代码”,里面的碱基序列就像是写着指令的文字,告诉细胞该怎么合成蛋白质,怎么生长发育。书中关于基因、遗传、突变这些概念的讲解也相当到位,让我终于明白我们为什么会和父母长得像,为什么有些人会有家族遗传病。我特别喜欢里面讲到DNA的复制过程,那种精确到分毫不差的复制机制,简直是造物主的鬼斧神工。读完之后,我对生命的遗传信息和传递机制有了相当清晰的理解,感觉自己好像窥探到了生命的底层逻辑。
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