沃森，川普，肤色，性和智商系列（5）
什么是基因？没有黑皮肤或白皮肤基因
前面我提到过“其实我之所以在这里在“白人基因”和“黑人基因”用了引号，因为如果严格的用科学语言来描述，没有所谓的“白人基因”和“黑人基因”的科学名词，只有一系列的具有各种功能的基因在皮肤上表达后，相互协调工作使不同个人在皮肤上表现出深浅不同颜色。为了更深入的讲述这个话题，最好能先了解一下基因这一概念的发展史。
1900 以前, 对现代生物学发展具有无可替代的贡献的 Charles Darwin （中文名为达尔文）和 Gregor Mendel （中文名为孟德尔）在他们的著作中都将基因描绘成可以遗传给下一代的factor（ ”因子“）或”性状单位“（character），但没有人知道这种可以遗传的”因子“或”性状单位“的物理属性是什么。这是人类对遗传现象的最直观，最原始的观察。Gregor Mendel（参考一个介绍 Mendel 研究工作的专业英文网站 http://www.mendelweb.org/Mendel.html）选择用来研究的植物的 “Characters” (性状）包括：种子的形状，种子的颜色，种子皮的颜色，豆荚的形状和颜色，花的位置和颜色，茎梗的长短等。通过对这些植物性状的统计分析，Mendel 得出了基因的分离和自由重组的规律。
1909, 丹麦遗传学家 Wilhelm Johannsen 发表了《精确遗传理论的要素》一书（Elemente der exakten Erblichkeitslehre)，该书将可以遗传的”因子“或”性状单位“定义为”基因” （gene）。并且引入了“基因型” （genotype）和“表现型” （phenotype）这个概念。这对于遗传学的发展来说是一个非常了不起的贡献，我们的教科书没有很好的强调其重要性是一个错误。该文章让遗传学家们开始思考基因的本质和外观表现的区别，这是更加深入研究基因本质的基础。举个简单的例子：虽然一个人全身所有细胞里的“基因型”是一样的，但在不同部位的“表现型”并不一样。肠道上皮细胞上的纤毛和头上的毛发不一样。一个人可以同时拥有黑色皮肤和黑色头发，或黑色皮肤和金色的头发，也可以拥有白色皮肤和黑色头发。相信很多人可能都像我一样遇到过这样的同学，有些人在中小学时成绩优异，高中生开始走向平庸，高考时名落孙山的。也有人中小学时成绩很平庸，上高中后成绩突飞猛进，高考时一下跨入名校门槛的。这些人在不同的发育时期在学校里的成绩表现不一，但他们身体里的基因并没有发生显著的变异，他们的智商也没有改变，但某些大家忽视了的环境因素，如家庭经济和情感因素等，的确影响到了他们在学校里的表现状况。
1910s, Thomas Hunt Morgan （中文名为摩尔根）在《科学》期刊上发表了他最具影响力的发现：果蝇中的性别连锁遗传 [Science, 1910 July 22; 32 (812): 120-2]。为了科学证明 Mendel 关于的基因的分离和自由重组的规律是错的，Morgan 发现果蝇中有一种白色眼睛的变异种。相对于绝大部分野生的红色眼睛的果蝇，这种白色眼睛的变异果蝇都为雄性果蝇。将这种白色眼睛的雄性变异果蝇与正常的野生红色眼睛的果蝇或其杂交后代杂交的一系列实验后，Morgan 发现基因在传递给后代的过程中并不完全是像 Mendel 描述的那样自由地重组，某些基因如决定性别的基因和决定眼睛颜色的基因是相伴即连锁地遗传给后代的。由于体积小，繁殖快，养殖的方法已经成熟，研究成本也较小，小小的果蝇立即成为研究遗传学这一大科学的重要研究材料，很大??优秀的科学家立即加入到了 Morgan 的实验室。利用这种特殊的研究材料，Morgan 及其合作者们将果蝇中不同的基因定位在不同的染色体中，在人类历史上第一次为一种生物绘制了比较完整的遗传图谱（如下图），给予”基因” 这个抽象的概念一个具体的物理定位。从这张基因图普中的标识来看（本网站无法显示），Morgan 时代的遗传学家们还是用性状的表现来描述一个基因。如后来研究证明 Morgan 发现白色眼睛的基因突变发生在两种决定与 drosopterin（注：网上中文翻译为眼蝶呤，我不知中国的教科书上是怎么翻译的） 合成和运输相关的基因 AP-3?和AP-3?上，这两个基因都位于果蝇的X染色体上。也就是说果蝇的白色眼睛不是一个基因，编码蛋白质 AP-3?和AP-3? 的基因发生突变后，合成和运输 drosopterin 的功能发生了异变，进而影响到了它们眼睛的颜色。同样，在人体中也没有一个白色皮肤或黑色皮肤的基因，很多基因因为可以影响到黑色素细胞的生长和转移，真黑色素的合成和代谢，这些具有明确功能的基因相互协调作用，最后决定一个人肤色颜色的深浅和皮肤被晒黑后褪色的速度（我在前面对此有些描述，后面在谈到具体基因是会作进一步的讲解）。
虽然 Morgan 及其合作者们已经从细胞学的水平上将基因从一个抽象的概念定位到了染色体这个具体的物体上，但对于一个细胞来说，染色体依然是一个非常庞大的结构，基因的本质依然是一个谜。但 Morgan 的一个学生 Hermann Joseph Muller 在1927年在《科学》期刊上发表了一篇题为“基因的人工诱变”（Artifical transmutation of the gene）的科学通讯文章为对基因本质的研究带来了一个新的视角，虽然现在有人分析了当时 Muller 发表该文章时在审稿过程中存在一些不规范的做法。Muller 发现，将高剂量的X-射线照射雄性的果蝇后，用它同拥有红色眼睛的雌性果蝇杂交后，它们的后代中白色眼睛的果蝇概率会比自然中出现白色眼睛的果蝇概率高出一万多倍，也就是说高剂量的X-射线照射可以诱导果蝇身上的基因发生变异。Muller 的这一发现以及其后来代表洛克菲洛基金会在欧洲的活动直接将理论物理学家 Max Delbruck 吸引到了研究基因本质的工作上来，并于 1935 年与合作者共同发表了一篇没有受到什么遗传学家关注，被他自嘲为“一流的葬礼”的文章， Delbruck 在该文章中提出了“基因”是一种“分子”的概念。Delbruck 后来与Salvador Edward Luria 合作（1942年），开启了遗传学研究的一个新阶段––––分子水平（我在《老虎机和分子生物学》一书对此中有介绍）。
既然 Morgan 及其合作者们将基因定位到了染色体上，并为果蝇绘制了人类历史上的第一个基因图普， Delbruck 提出了“基因”是一种“分子”的概念，那么染色体到底是什么样的分子呢？
其实早在 Morgan 和 Delbruck 之前，瑞士化学家 Johannes Friedrich Miescher （约翰内斯·弗里德里希·米舍尔）在研究细胞中的蛋白质组成时就于 1869 年首次从人类细胞核中分离并鉴定出了一种新的化学成分，该物质与蛋白质不同，具有很强的酸性化学反应，其将其命名为“核素”（nuclein），该名称后来改为“核酸”，最终定名为“脱氧核糖核酸”（DNA）。1879–1882 之间，细胞遗传学的创始人之一德国科学家 Walther Flemming（中文名为弗莱明）利用显微镜在细胞核内发现了一种易于吸收碱性染料的丝状物质，并将其命名为染色质（后来被称为染色体）。1884 年，德国植物学家 Eduard Zacharias（爱德华·扎卡里亚斯）则利用生物化学降解分析的方法证实，这种核酸是染色体的基本结构成分，它可以抵抗胃蛋白酶（pepsin）的消化，而碱性的液体可以迅速完全的降解它。到此，Flemming 和 Zacharias 分别从视觉上和化学成分分析两个方面同时证明了 DNA 是染色体的重要组成成分。然而，除了 DNA 外，染色体中还包含有大量的蛋白质，科学家们依然不知道到底生物的遗传性状在亲子之间传递和表现的决定性物质到底是 DNA 还是蛋白质。
由于 DNA 仅由四种核苷酸组成，似乎比较简单，而蛋白质由 20 种不同的氨基酸组成，结构更复杂，科学家们更倾向相信生物的遗传信息由蛋白质决定的。George Beadle 和 Edward Tatum 因为他们在 1940s 提出“一种基因一种酶”（one gene-one enzyme）的假说而获得诺贝尔生理医学奖就是这一倾向的体现。他们利用大剂量X-射线照射一种名为 Neurospora crassa 的真菌（中文名为红面包霉）（很显然，自 1931 年起在 Morgan 的实验室中从事博士后研究的 George Beadle 将 Muller 诱导果蝇眼睛颜色变异的方法利用在自己的研究中），然后在基础培养基中筛选出了大量的突变菌株，这些突变菌株只有在基础培养基添加某些成分后才能生长，他们认为一种基因就是一种酶（注：酶是具有催化剂功能的蛋白质），当X-射线诱导某种基因（或酶）发生变异后，就会丧失其合成某种营养成分的酶，因此该菌株就无法在基本培养基中生长。现在我们都知道这种假说并不正确，酶或蛋白质只是基因下游的产物，而且一种酶也可能有多个不同的蛋白亚基组成。
1944 年，Oswald Avery, Colin MacLeod 和 Maclyn McCarty 在著名的《实验医学期刊》（ Journal of Experimental Medicine, ）发表了《关于诱导肺炎球菌型别转化的物质之化学本质的研究：由III型肺炎球菌分离出的脱氧核糖核酸组分诱导的转化》（原文题目为：Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types）的研究论文。在该文中，研究人员从III型肺炎球菌中分离出了一种高纯度的生物活性组分；在适宜的培养条件下，仅需极微量的该组分，便能诱导II型肺炎球菌的无荚膜R型变异株发生转化，使其转变为具有完整荚膜的细胞，且其型别与提取该诱导物质时所用的热灭活菌株完全一致。化学、酶学及血清学分析所得的数据，结合电泳、超速离心及紫外光谱分析的初步研究结果表明，在现有方法的检测限度内，该活性组分不含可检出的蛋白质、游离脂质或具有血清学活性的多糖，其主要（若非全部）成分为一种高聚合、高粘度的脱氧核糖核酸。进而推断，脱氧核糖类型的核酸（即DNA）是肺炎球菌III型转化因子的基本活性单元。然而，这种观点当时并没有被广泛接受（这是一篇非常棒的文章，但也有其自身的缺陷，以后有时间在详细分析其中可能的原因），主要原因有，Avery 等虽然建立了一个纯化 DNA 和鉴定其活性的方法，1）但当时还无法在其他的生物中重复；2）这是一套完全人工的性状转化实验，比较复杂；3）实验结果中发现磷酸酶（phosphatase）可以消化降解 DNA 说明他们使用的磷酸酶被污染了其他成分；4）整篇文章中没有提到遗传物质在个体繁殖中的作用，他们使用的系统（肺炎球菌）和当时的技术也不可能证明这一点；5）最后，他们没有能像后来的 Delbruck 和 Salvador Edward Luria 在冷泉港实验室建立一套传授知识和经验的结构那样，因此他们的结果不能迅速被其他学者认同和从不同的方面证实。
1952，Alfred Hershey 和 Martha Chase 利用放射性同位素 35S 或 32P 分别标记过蛋白质外壳或其内核中的 DNA 后的 T2 噬菌体来转染大肠杆菌（E. Coli），发现只有 32P 标记过的T2 噬菌体 DNA 被注射到了大肠杆菌，并且复制出了很多新的T2 噬菌体，从而证明遗传性状在亲子之间传递的决定性物质是 DNA 而不是蛋白质。这一结论立即被科学界广泛接受，大肠杆菌和噬菌体成为了当时遗传学（基因本质和功能调控）研究的宠儿，迅速推动了分子生物学的崛起。非常可惜的是，就在这一新兴学科突飞猛进之时，中国先后受苏联李森科学派和“文化大革命”的影响，仅有的几个受庚子赔款赞助，在美欧名校学习的归国学者在 70 年代末时已经没有能力追踪当时国际上关于基因研究的前沿。
1953，James Watson 和 Francis Crick 提出了 DNA 的双螺旋结构和遗传信息复制和传递的模型（Roselind Franklin的 DNA 晶体的X光照片为他们结论提供了依据）。
1970年，病毒学家 David Baltimore 和 Howard Temin 同时发现了逆转录酶可以以 RNA 为模版合成 DNA，证明某些 RNA 病毒（如艾滋病毒，HIV）可以利用 RNA 而不是 DNA 传递其遗传信息的。
至此，现代生物学中，基因是可以从上一代向下一代传递的大分子物质 DNA 或 RNA 上的功能片段，其编码的蛋白质的功能会相互协调决定来每个生物个体在某些外观表现性状的差异。决定人类皮肤颜色深浅的基因是由一系列决定真黑色素（eumelanin）和褐黑素（pheumelanin）的合成，沉积和代谢相关的基因（据不完全统计大约由160多个其他的基因），其中包括前面提到的促阿片黑素原（POMC），前体转化酶1（PC1/3），羧肽酶E（CPE），α-酰胺化单加氧酶（PAM），N-乙酰基转移酶（NAT）, 酪氨酸酶（Tyrosinase, TYR)，酪氨酸酶相关蛋白2 (TRP2, 或DCT），酪氨酸酶相关蛋白 1 (TRP1) 等等，这些基因分别分布在人体细胞内的不同染色体上。根据其在细胞中独特的功能，这些基因都有一个与其功能相对应的名字，其中没有一个基因为黑皮肤或白皮肤基因。很多基因的变异直接导致一些疾病发生，如白化病（Albinism）。一些调节免疫系统功能的基因功能异变也可以影响皮肤局部的颜色，如白癜风（vitiligo）就是一种由于免疫系统失调导致的自身免疫疾病。但我还没有发现关于这些基因对智商影响的报道。（如果有谁发现这种科学报道，敬请留言。）
如果说由于长期以来遭受到了不公正的待遇和歧视，黑人不愿意支持研究证明某些基因会使其族群整体智商低劣还可以理解，因为任何对此研究的错误解读会让黑人在职场收到更加不公正的待遇。但自称智商全球第一，可以与犹太人比肩的中国人，还有那些白人至上主义者包括财力无限的 Elon Musk 等富豪没有花钱去研究证明他们身上哪个基因让自己族群的智商高人一等呢？您不觉得令人费解吗？如果能发现这样的基因，以贺建奎博士在基因编辑上的经验，估计所有有智商崇拜的国人很快就会把他成为全中国甚至全世界最有钱的人。