佟向军：寻找破译生命密码的钥匙 | 博雅GE微访谈

Vol.685

微访谈

寻找破译生命密码的钥匙

博雅哥说

一个生命何以形成、自我复制并走向凋零？这或许是自然界中最神秘的问题，而在佟老师看来，遗传学则是生命科学中最迷人的问题。在访谈所在的办公室的墙上，有一串用记号笔写下的字母。这串神秘字符是由三个碱基组成的密码子，它们决定了人体内蛋白质的合成以及人体最终的形态。

当佟老师为我介绍他的遗传学实验时，我感到生物学家就是这些生命密码的破译者。随着访谈的深入，佟老师谈到了将基因技术用于改善人类生活的可能。生物技术走向应用并非易事，需要面临技术和观念的双重挑战。最后，佟老师呼吁更多同学加入到生命破译者的行列，共同推动生物学的发展，以科学造福人类社会。

图为佟向军老师与小编

我与普生课

Q：可以讲讲您是如何与“普通生物学”这门课结缘的吗？

我1988年考入北大生物系，上的第一节课就是“普通生物学”。那个时候“普通生物学”还是生物系的专业课，开课的是戴尧仁教授。戴老师上课非常有意思，给我留下了很深的印象。当时生物系有细胞生物学和遗传学两个专业，我对遗传学更感兴趣一些，高考填志愿时，我填报的也是北大的生物系遗传学。我想可能每个人都或多或少对遗传学感兴趣吧，因为它关乎你是怎么来的、为什么你是你而不是另一个人这样一些问题，而每个人都渴望认识自己。遗憾的是，北大没有设立遗传学博士点，当时我们学院唯一的院士翟中和老师也在细胞生物学教研室，因此三年级分专业时，我没有选择遗传学，而是选择了细胞生物学。我1998年博士毕业，正值北大百年校庆。当时有老师来对我做思想工作，希望我能留在北大。那时正是人才大规模流出的时候，出去的多，回来的少，学校千方百计地想留住人才。我在北大保留了一个职位，但还是想出去看看，于是毕业后就出国读博士后。2002年我回国时，北大遗传学青黄不接，老一辈教师退休了，新人一个也没留下。当时讲“遗传学”这门课的是戴灼华老师。戴老师早就到退休年龄了，但因为后继无人，只好重执教鞭。没有办法，只能由我来讲授遗传学，同时担下了“普通生物学”这门课的教学任务。

Q：您对于这门课的设想是什么？您是如何给非专业学生介绍生物学知识的？

我给这门课的定位不是科普，而是在确保专业性的前提下，把生命科学作为一个整体进行系统的介绍。这样的讲课方式不会面面俱到，但会把生命科学的知识相对完整地涵盖进去。生命科学学院的专业课多数是专题课，比如细胞生物学、生物化学、遗传学，没有像“普通生物学”这样具有通论性质的课，但现在许多老师也觉得应该为生物专业的学生开设这样一门课，让学生对生命科学有一个融会贯通的认识。这门课以生命的基本特征为主线，从生命的基本化学成分讲起，再到生命严整有序的细胞结构，然后上升到个体层面，介绍与遗传、繁殖、衰老的相关知识，最后讲生命的起源和演化。

除了这门课，我推荐感兴趣的同学去选修教学实验中心开设的“普通生物学实验”。实验课会涉及《普通生物学》中的大部分理论内容。生命科学是一门实验科学，几乎所有重要成果都是由实验推动的。短短三四个小时的实验课当然不能代替真正的科学研究的过程，毕竟在实际科研中，大部分实验都是以天甚至以月计的。实验课的目的更多是让学生对课堂知识产生感性的认识，加深对于理论的理解。

Q：这门课的期中作业是参观自然博物馆，可以讲讲您布置这项作业的出发点吗？

我布置的期中作业是参观自然博物馆并撰写游记。我给学生列了几个有名的自然博物馆，包括中国科学院的动物博物馆，周口店的古脊椎动物博物馆，白石桥的古人类博物馆等。布置这项作业的出发点在于，现在生命科学已经深入到了微观的分子领域，这门课绝大部分内容也是围绕微观的生物学展开的。微观的生物学描述的是生命的共性，这些共性包括生命体共有的化学成分、细胞结构以及组织。而宏观的生物学的知识，像动物学、生态学、物种分类，是放在这门课最后讲的，而且所占课时并不多。但实际上，人类认识生命是先从宏观的认识开始的，有了宏观的感性认识之后，才逐渐深入到微观领域，这与我们课程的讲授顺序恰好相反。博物馆展示了生命的多样性，呈现了生物学中宏观和差异的部分。参观博物馆是一个很好的机会，能够让学生领略到生物学的另一面，弥补了课堂讲授的不足。

图为国家动物博物馆

我与遗传学

Q：您目前的研究兴趣是斑马鱼的基因筛选和基因组修改，可以简要讲讲这项研究是如何开展的吗？

我在美国时做的是细胞生物学方面的研究。随着研究的深入，我逐渐体会到在细胞水平得到的很多结果并不能反映在个体水平上，两者之间存在一个很大的鸿沟。我觉得还是在个体水平上作出东西来更能令人信服，也更有意义，所以我转去做个体。我现在的研究与遗传学更相关，通过修改斑马鱼同源重组中的基因组，研究斑马鱼心血管系统的发育，在此基础上研究人类先天性心脏病的发病机理。

人类有大概1/5的出生缺陷是先天性心脏病，先天性心脏病大多是遗传性的，即使是非遗传性的心脏病，也是由于环境的作用影响了基因的表达，导致心脏在发育过程中出现了问题。归根结底都是影响了基因。我们要回答的是：影响了哪些基因？是如何影响的？鱼的心脏有一个心房和一个心室，与人类心脏的结构不同，但其发育的基本程序和人类心脏是类似的。通过研究鱼的心脏发育，我们可以知道哪些基因发生缺陷能够诱发先天性心脏病，哪些环境因素能导致基因的异常表达。

Q：为什么选择斑马鱼作为模式生物呢？

首先，鱼与人类同属脊椎动物，有着相似的发育模式。在鱼身上可以找到人类的大部分基因，其功能也基本相似。当然，老鼠和人的亲缘关系又比鱼更近一层，但养老鼠的成本比养鱼高很多；斑马鱼的幼鱼是透明的，可以方便地在解剖镜下观看表型，而老鼠是胎生动物，我们不能在它的胚胎期观察它的发育情况。其二，斑马鱼的体型小，产卵量大；斑马鱼的性成熟期有三个月，虽说不是太短，但也不算太长。这些特点决定了斑马鱼是一种适合进行大规模的基因筛选的实验动物。老鼠、大鼠、猴子也可以用于基因筛选，但很难组织大规模的实验。最后，斑马鱼是最早被用于作为模式生物的鱼类，我们对它的遗传背景了解得最清楚。

Q：在科研过程中，您是否遇到过什么困难？

在2008年之前，最大的技术瓶颈是很难在斑马鱼身上实现基因的定向突变。在2008、2009年的时候，出现了一种名叫锌指核酸酶的基因编辑技术，成功攻克了这一难题。现在的新问题是，我们期望通过观察定向突变基因所引起的性状变化，来研究某个基因在斑马鱼发育中起到的作用。但在实验中，当我们对基因做了定向突变后，个体的性状通常不会发生任何改变。这种情况在我们的实验中占到了百分之七八十。我们推测，这是由于斑马鱼同人类一样采取了一种调整型发育模式，当你移走了它的某个基因，其他基因可以代替这个基因的功能，导致我们看不到任何表型。换句话说，斑马鱼基因具有代偿功能。相比之下，用果蝇做实验就容易得多，因为果蝇采取的是一种镶嵌型发育，每个基因各司其职，将它移除后没有别的基因可以代替它的功能。从遗传学的角度上看，果蝇基因的可塑性差，进化程度较低，但对科学研究来说，这恰恰是果蝇作为模式生物的一个优点。

图为斑马鱼

我与生物学

Q：您认为生物学最大的魅力在哪里？

最大的魅力在于，生物学是与我们每个人息息相关的。人本身就是生物，人总想了解自己是什么样的。另一方面，人类对于自己几乎一无所知，有太多东西需要探索，人往往对于未知的、神秘的东西更感兴趣。我们对于生命的了解是如此之少，以至于根本就不知道生物学已经进展到哪一步了，研究得越是深入，越会发现自己的无知。我们根据已有的假设进行实验，得到的结果往往出人意料，这表明我们原来所持的设想与事实相差太远。物理学的实验结果可以用数学公式预测出来，爱因斯坦在百年以前就预测出了引力波的存在，科学家找了一百多年，果然找到了。这是生物学远远比不上的。

Q：您对国内生物学的应用现状满意吗？您对这门学科未来的发展有什么期待？

任何科学从科研成果转化为实际应用，都需要跨越一道道鸿沟。一些科学发现可能要经过数年才能投入应用，生命科学也是如此。生物科技的投入还涉及到伦理学和大众认识问题。目前科学家已经有能力定点修饰人类基因以抵御或治疗某些疾病，但出于伦理方面对考虑，许多国家禁止这类研究。我国则是限制了这项技术的使用范围，只允许修饰有缺陷的病理性基因。但实际上，除了缺陷基因，一些正常基因也是可以进行修饰的。位于白细胞表面的CCR5基因是艾滋病病毒入侵机体的主要受体，如果把人胎儿造血干细胞中的CCR5基因人为修饰掉，我们可以让人在成年后不会感染艾滋病。在欧洲的白种人中，有大约十分之一是不会感染HIV的，就是和他们的CCR5基因天然缺陷有关。那么，我们能不能对人体内的正常基因主动地进行修饰呢？这就比被动地修饰缺陷基因更有争议了。

除此之外，大众的一些错误认知也给生物技术的推广造成了很大的阻碍。转基因技术是从上世纪70年代出现的，到现在40多年，也只是在农业领域铺开了一点，却引来了大众强烈的抵触情绪，有关转基因的谣言一直层出不穷。其实，伪科学的横行不仅是一个生物学普及的问题，也是一个社会心理学问题。电视上推销的老年保健品，也许就会有生物学教授掏钱购买，这与生物学知识的多少无关，人到了一定年龄，对于衰老的恐惧就会战胜理性的知识，使人作出非理性的决策。当然，具备一定的科学素养，或许有助于克服盲信，许多荒唐的伪科学谣言，只要稍具科学思维就能识破，这或许是学校把自然科学课程列入通识系列课程的初衷。

尽管存在各式各样的阻碍，但我相信，生物技术一定会是人类未来的经济增长点，因为人最终关心的是自己的健康和居住的环境。现在生物产业正在慢慢地发展起来，无论是生物制药、基因治疗、还是环境工程，都得到了越来越广的应用。真正限制生物技术应用的，其实是我们对于生命科学本身的了解程度，我们对于这门学科了解得还太肤浅，在将来，我们势必要投入更多力量来研究生命科学领域中的基本问题。

图为艾滋病病毒借助CRR5基因入侵机体的示意图

Q：现在生物学科研岗位竞争激烈，可否请您给将来想从事生物学研究的同学一些建议和寄语？

我的建议是，如果你将来想从事自然科学研究，那么就从事生物学的研究。在当代，物理学已经发展到了很高的层次，想在这个领域取得一些重要成果，是十分困难的，而且基本不能靠个人的力量达成。现在物理学的重要科研成果都出自大团队，无论是探测基本粒子，还是观测引力波，都需要大量的人员和经费支撑。而生命科学就不同了。19世纪末20世纪初，科学家认为物理学发展到瓶颈期了，物理学晴朗的天空只剩两片乌云：一是黑体辐射，二是迈克尔逊-莫雷实验，这两片乌云导致了广义相对论和量子力学的诞生。而现在生物学的天空根本还阴着呢，太阳都没露出来。在生命科学领域，有最多的未解之谜等待我们去研究，取得重要科研成果的可能性非常大，而且这种成就靠自己的团队就能达成，而不像物理学必须借助国家甚至是国际的力量。

当然，任何科学研究都很辛苦，生命科学也是如此。生命科学领域聚集了这个时代最聪明的头脑，所以竞争也就空前激烈。想从事生命科学的研究，前提是对这个学科感兴趣，而且这种兴趣必须是一以贯之的。有时候，你从外边看着生物学挺热闹，科研成果层出不穷，让人摩拳擦掌、跃跃欲试。等到你真正投入其中，却发现生物实验其实特别枯燥，实验结果经常与预期不一致，热情瞬间被浇灭了，这是不行的。要知道，生物学实验十有八九是不成功的，需要总结每次失败的经验教训，找到改进的办法，再做下一次尝试，才有可能取得进展。我们从事科学研究，大部分时间是处于痛苦当中的，偶尔成功一次或许特别兴奋，但这种兴奋也持续不了多久，因为前面还有一连串打击在等着你。从事生命科学必须具备这种心理承受能力。如果你不是把生物学当作一个心向往之的事业，而只是作为一种谋生的手段，我劝你不要来。不然，生物工作者的收入不高，而且在可见的将来收入也不会高，做起实验没日没夜，又要承受那么多的痛苦打击，何苦来呢？

含莹 供稿

文力 编辑 / 祁箫 校对

通识联播，每晚六点准时播报

通识经典 丨 课程大纲 丨 微访谈 丨 走进课堂

通识讲座 丨 博雅沙龙 丨 讲习班 丨 阅藏知津

来稿请寄：[e-mail]