强直性肌营养不良症是一种退行性肌肉疾病，患者能握紧却无法松开。他们可能还会出现诸如白内障、心律异常、糖尿病和智力迟钝等令人困惑且看似不相关的症状。但最令医生们困惑的是，这种遗传性疾病会随着世代的更迭而恶化：子女往往比父母受影响更严重；孙辈则遭受更多痛苦。
这种症状加重的模式对医生来说一直是个彻底的谜。他们在医学院学到的遗传学规则根本无法解释一种从父母传给子女会变得更严重的疾病。根据这些规则，子女继承每对基因中的两个，一个来自父亲，一个来自母亲。更重要的是，除非出现罕见的自发突变，否则每个基因（即使是异常的）都应该从父母传给子女时保持不变。但是去年二月，当研究人员发现导致强直性肌营养不良症的基因时，他们发现它根本不遵循这种模式。
你可能还记得，基因是由一长串化学碱基组成的，这些碱基用字母A、C、G和T（分别代表腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶）表示。在导致强直性肌营养不良症的基因的正常对应物中，有一个片段包含多个CTG组合的重复。但在患有这种疾病的人身上，这些拷贝会倍增。就好像基因复制时，某种内部的复印机失控了，在第一代受影响的个体中会产生至少50个CTG序列，而在他们的子女和孙辈中则会产生多达2000个重复。重复的次数越多，基因就越长，症状也往往越严重。我们不妨称这类基因是“手风琴基因”，因为它们具有随着每一代而拉长的倾向。
尽管受到的关注较少，去年还出现了另外两个手风琴基因的例子：一个导致了一种称为脆性X综合征的智力迟钝；另一个则导致了一种称为肯尼迪病的消耗性疾病。在脆性X综合征中，灾难性重复的三联体是CGG。在肯尼迪病中是CAG。现在，充满活力的遗传学家们正在寻找更多可能通过基因扩增来解释的疾病，他们很有信心会找到。简而言之，这一现象为他们提供了一种全新的思考基因、遗传模式和人类疾病的方式。
自1900年孟德尔著名的豌豆育种实验被重新发现以来，我们便已知基因是遗传的单位。（这位奥地利修道士实际上在19世纪60年代就阐明了遗传的基本原理，但他在其思想被接受之前就去世了。）孟德尔是第一个证明遗传性状，如颜色、大小和形状，是由离散因子（基因）控制的，每个个体从父母双方各继承一个基因的两种形式（等位基因）。由于每个父母反过来都有两个等位基因，后代有50%的机会获得任何特定的等位基因，并有25%的机会获得任何特定的等位基因组合。正如孟德尔的豌豆育种实验所揭示的，这些等位基因不会融合或改变——它们世代相传，保持其独特的身份。
以颜色为例，假设每株亲本植物都带有一个白色和一个红色等位基因。孟德尔发现，两个白色等位基因产生白色花朵，两个红色等位基因产生红色花朵，而红色和白色的组合也产生红色花朵——红色是显性性状。当他让混合亲本交配时，其后代中四分之三开出红色花朵（四分之一带有红-红等位基因，一半带有红-白等位基因），其余四分之一的植物开出白色花朵（白-白等位基因）。在这个系统中，我们无法从红色变为更红，再变为超红，这大致相当于强直性肌营养不良症中发生的情况。孟德尔对豌豆了解很多，但他不了解他的C、G、T和A。
事实上，基因的化学性质以及它们世代相传信息的方式一直是个谜，直到1953年。那一年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克发现基因由两股缠绕的DNA组成——著名的双螺旋结构，也是近年来许多惊人发现的来源。它的结构被证明是理解DNA工作原理的关键。例如，当DNA复制时，它的两股会解旋，暴露出其化学碱基A、C、G和T的序列。然后，每一股都充当一个模板，用于复制具有互补序列的副本，形成一个相同的新螺旋。
之所以有如此多的基因惊喜像“盒中跳人”一样不断涌现，一个原因是早期对基因的分子研究主要在最简单的生物体——单细胞、无核细菌（称为原核生物）上进行。直到20世纪70年代末，我们都认为对细菌来说成立的，对我们称之为真核生物的更复杂生物体——真菌、植物和动物——也同样成立，这些生物体拥有更大的、带细胞核的细胞，并且通常是多细胞的。在细菌和真核生物中，DNA序列都编码着制造蛋白质的指令。在这两种情况下，它们都被转录成信使RNA，然后由称为核糖体的小细胞器将其翻译成蛋白质。在细菌中，DNA中几乎所有的信息都被用来制造蛋白质。但真核生物并非如此。
遗传学家们仍在从1977年所受的冲击中恢复，当时发现鸡和兔（最终是所有真核生物）的基因被长长的DNA片段分隔开，这些片段不编码任何蛋白质。这些被称为内含子的介入序列被忠实地转录成信使RNA——但它们的无意义信息会立即被剪掉并丢弃。真正编码蛋白质的DNA序列被称为外显子。大多数基因由几个被内含子分隔开的外显子组成。我们丰富的遗传遗产中，只有大约10%是信息，而90%似乎是内含子和其他无意义的东西。
内含子似乎是DNA寄生虫，其唯一功能就是世代相传地自我复制。它们似乎违反了自然选择的一个基本原则：不使用就失去。内含子出现之前的进化教条之一是，遗传机制是精简高效的，会剔除或淘汰任何没有发挥作用并赚取其价值的分子。
震惊的分子生物学家不得不问自己：为什么我们的基因组，就像白天的电视节目一样，十分之九是垃圾？为什么我们依赖于一个鲁布·戈德堡式的装置，一套复杂的骰子和剪接酶，来剪掉内含子并将外显子的切口重新缝合，仅仅是为了制造一个蛋白质？这是管理基因组的方式吗？这不仅效率低下，而且可能非常危险！一个剪接错误可能导致蛋白质制造失败。在复制如此复杂的DNA过程中，一个简单的编辑错误可能导致某个重要基因发生致命突变。
以胶原蛋白基因为例，它是皮肤、骨骼和牙齿的主要结构蛋白。它被不少于50个内含子打断——每次基因转录或复制时，就有50次出错的机会。这些错误确实会发生，导致胶原蛋白缺陷和一种类型的成骨不全症。遗传这种疾病的个体，就像画家图卢兹-劳特雷克一样，骨骼脆弱，易骨折，并伴有生长异常。
自然界保留了如此惊人的笨重机制，必然有某种补偿优势。也许内含子是间隔物，将整个基因划分为不同的功能单元。或许它们通过像洗牌一样重新组合外显子，使新蛋白质具备新功能，从而加速了进化过程。这种重组可能使进化中的动植物能够更快地适应新环境。
一种被认为是由这种外显子重组产生的新产物是组织纤溶酶原激活剂（t-PA）——一种有助于溶解血栓的蛋白质，现在用于治疗由动脉阻塞血栓引起的心脏病发作。t-PA基因上的不同外显子与另外三种参与血液凝固的蛋白质的外显子相似：纤溶酶原、表皮生长因子和纤连蛋白。显然，外显子重组将三个不同基因的片段组合在一起，形成了t-PA的嵌合基因。
内含子只是真核基因组看似——且令人惊讶的——浪费的一个例子。与没有多余空间的微小细菌细胞不同，大型真核生物似乎在制造和保留额外DNA方面挥霍无度。我们拥有许多非常相似基因的拷贝——其中一大堆仅用于血红蛋白的各种类型，血红蛋白是血细胞中输送氧气的红色色素。例如，几种不同的血红蛋白适应我们从子宫内缺氧环境到外部富氧世界中更具挑战性的体力活动过程中不断变化的氧气需求。
这些各种血红蛋白的基因在DNA上聚集成簇（按使用的时间顺序排列，从我们胚胎时期使用的血红蛋白到成年时期使用的）。但在1980年，研究人员发现这些基因簇中有三个基因不真实。它们看起来像血红蛋白基因，并随其在细胞分裂时复制，但它们已无法翻译成蛋白质。它们已失效。
又一个惊喜！基因组不仅拥有内含子这种泡沫塑料般的填充物，它还充当着死基因的墓地。这些基因化石世代相传，往往长达数百万年。它们对生物体没有任何益处，但像普通化石一样，它们已被证明对进化研究者有用。它们摆脱了通常的进化限制——它们不再编码蛋白质，因此它们的序列可以在不损害生物体的情况下发生变化——这些假基因比正常基因进化得更快，可以作为衡量进化速率的快速时钟。1987年，当比较不同猿类的假基因时，它们帮助证实我们最亲近的现存灵长类亲属是黑猩猩。（黑猩猩的血红蛋白假基因与人类的更相似，而与大猩猩和猩猩的假基因则不那么相似。）
令人难以置信的是，在某些基因簇中，假基因的数量竟然是真基因的十倍。因此，我们再次发现，在细菌中紧凑而高效的复制和进化过程，在高等生物中却要粗糙得多。
这种粗糙性本身可能是一种进化机制。这些基因簇中的所有基因最初都是一个单一基因，然后并排复制形成多个拷贝。这使得原始基因能够保留其功能，而其拷贝则进化出略有不同的功能，更好地适应了不断变化的条件，就像胎儿和成人血红蛋白的情况一样。事实上，现在看起来人类基因组中所有10万个基因可能都源于少数几个基因（或者可能只有一个）。大自然，就像莫扎特一样，可能始于几个简单的旋律，然后无休止地将其发展成我们现在拥有的复杂乐章。
其中最复杂和奇特的组成之一无疑是神经纤维瘤病基因，它于前年在密歇根大学和犹他大学的研究团队的努力下在17号染色体上被鉴定出来。该基因的突变导致了一种以皮肤色素斑点、肿块和神经系统肿瘤为特征的疾病。有人认为，《巴黎圣母院》中的驼背卡西莫多是维克多·雨果在看到神经纤维瘤病患者后创作的。著名的“象人”也被认为患有此病，尽管专家现在对这一诊断持疑问。
神经纤维瘤病基因不仅非常庞大，跨越约40万个核苷酸碱基，而且其中嵌入了三个较小的基因，这三个基因都嵌套在一个内含子内部。发现基因中含有内含子已经够糟糕了。但内含子中嵌套基因，就像层层叠叠的中国盒子一样，又是另一回事了。这并非神经纤维瘤病研究人员面临的最后一个惊喜。去年，密歇根研究小组透露，在一名患者中，这种疾病是由转座子引起的：一个DNA序列从基因组其他地方“连锅端”地移动过来，正好落在他的神经纤维瘤病基因中，破坏了其正常功能并导致了疾病。
不到40年前，暗示DNA片段可以移动，从一个DNA片段或染色体跳到另一个染色体，那将是异端邪说。然而，即使在那个时候，植物遗传学家芭芭拉·麦克林托克已经开始怀疑这一点。麦克林托克观察到，随着玉米穗的生长，淡色的玉米粒上出现了深色斑点。她巧妙地推断，玉米粒最初是无色的，因为一个转座元件嵌在它们的颜色基因中间。但随着玉米穗的生长，转座子偶尔会跳出基因，恢复玉米粒的颜色。然而，直到六七十年代，这些移动元件才在细菌（后来也在真核生物中）中被发现，它们作为遗传变异媒介的重要性才得以认识。
转座子既可以扰乱其他基因的功能，也可以携带自身重要的功能性基因。（后者通常被称为跳跃基因。）更重要的是，在细菌中，它们不仅在基因组内跳跃，而且还可以从一个生物体跳到另一个生物体。这目前是一个重大问题，因为最近耐抗生素疾病的增加——医生们越来越担心转座子将耐药基因从一个细菌转移到另一个细菌。曾被认为相对稳定的基因组（即使在人类中）现在被视为受到这些自我驱动的遗传元件的不断内部重塑。
然而，孟德尔遗传学中最令人惊奇且最出乎意料的违背之一，是一个新近识别的现象，称为基因组印记。直到六年前，我们都认为重要的是我们继承了何种基因和染色体，而不是它们来自哪位亲本。当精子与卵子结合时，人类胚胎通常从每位亲本那里获得23条染色体，因此有23对等效的染色体（除了性染色体，女性为XX，男性为XY）。
然而，偶尔情况会混淆，一对染色体都来自同一位亲本。根据我们对印记前概念的理解，如果这两条染色体都是健康的，那应该没有区别。但对于某些基因和染色体来说，它们是来自母亲还是父亲，确实至关重要。
例如，就在去年三月，《新英格兰医学杂志》报道，荷兰的一个研究团队发现基因组印记可能导致两种截然不同的智力迟钝和生长障碍。如果一个婴儿的15号染色体都来自母亲（而不是父母各一条），他将患上普拉德-威利综合征，长成一个矮胖、迟钝、有强迫性进食习惯的孩子，以至于父母可能需要给冰箱上锁。如果他的15号染色体都来自父亲，他将患上安格曼综合征，这是一种完全不同的疾病，其特征是小头、牙齿间距宽、动作笨拙、抽搐，并伴有不合时宜的阵发性大笑。这些观察结果赋予了“孩子需要父母双方的遗传贡献”这一真理新的意义。
然而，大量自我复制的DNA似乎从未对其宿主做出任何贡献——这就是为什么它常被称为自私DNA。还有什么比一个通过选择性杀死携带它的生物体的后代来传播的基因更自私的呢？有性生殖为这种奇异的结果以及基因组印记创造了条件。
如我们所见，基因组包含成对的基因，一个来自父亲，一个来自母亲，每个版本或等位基因都正常共存。但有时这两个版本，就像竞争的兄弟姐妹一样，争夺父母的青睐——即传给下一代的特权。
通常，每个版本会遗传给50%的后代。但自私的等位基因不满足于一半，它们试图通过以更大的数量复制自身或通过摧毁其竞争性等位基因来获得优势。去年四月，堪萨斯州的一个团队在常见的面粉甲虫中发现了正是这样一种“掮客”——美狄亚基因。一旦这种基因变异出现在特定的面粉甲虫种群中，它就会不可阻挡地传播开来。
美狄亚，请记住，是神话中的希腊女巫（也是杰森的主要情人），她杀害了自己的孩子。尤里庇德的戏剧总是让观众感到恐惧，因为我们认为一个杀害自己后代的母亲是如此的变态。但希腊悲剧在面粉甲虫面前也相形见绌。
如果一只甲虫母亲同时拥有一份美狄亚等位基因和一份非美狄亚等位基因（Mn），并与拥有两份非美狄亚等位基因（nn）的雄性交配，那么她的后代中一半将拥有美狄亚基因（Mn），一半将没有（nn）。拥有美狄亚等位基因的后代会发育良好。没有美狄亚等位基因的后代则在化蛹前死亡。美狄亚母亲显然会产生某种毒素，而美狄亚等位基因会保护胚胎免受其害。由于缺乏这种保护，非美狄亚胚胎会被其母亲的毒性杀死。因此，这个面粉甲虫种群中的大多数最终将拥有美狄亚等位基因，因为那些没有它的将无法存活并繁殖。
另一方面，一些新发现的奇怪基因，即马图萨拉基因，可能会延长其携带者的寿命。这些基因（以圣经中最长寿的人命名）是由加州大学欧文分校的遗传学家迈克尔·罗斯在果蝇中发现的。去年二月，罗斯报告说，其中一个基因制造出了一种强化版的超氧化物歧化酶，这种酶能清除名为自由基的高度活性分子。就像酸雨一样，这些自由基攻击并损害它们接触到的任何身体结构。生物学家至少二十年来一直怀疑它们是导致衰老过程的主要原因。
另一个加州研究小组发现，将额外的超氧化物歧化酶基因拷贝导入果蝇的DNA中，可以使其寿命延长10%。对果蝇有效的方法，理论上对人类也可能有效，因为我们也有编码这种酶的基因——并且可能还有其他马图萨拉基因。如果能活得更长久而不衰老，那肯定会是一个令人愉快的惊喜。
在基因组的奇妙世界里，马图萨拉赋予生命，而美狄亚则夺走生命。
接下来会怎样？《乡村之声》曾刊登广告：“期待意想不到的”。在手风琴基因、跳跃基因、内含子、基因组印记、美狄亚和马图萨拉之后，我们可能会认为我们的惊喜能力已接近饱和。但很有可能在DNA的最后一团扭曲的纠缠被探索之前，细胞核还会涌现出更多令人震惊的发现。
