基因科学03：工作律：分工协作，层级管理
上一讲，我们讲了基因决定律，知道了基因怎样从一维的信息变成四维的生命。
三维的身体需要蛋白质，感受信息、抉择与反应的行为过程也需要蛋白质。
那么，基因是怎么保质保量地生产出那么多蛋白质，来满足身体需要呢？
能够代表现代工业生产巅峰水平的，要数特斯拉的汽车超级工厂。
在那里你看不见几个人，只能看到几千个机器人忙忙碌碌，每周能生产出几千辆电动汽车。
但是就这样，还是很难达到设计产能，因为总会有各种故障，影响生产效率。
你可能想不到，你身体里就有比特斯拉超级工厂还要繁忙的工厂，那就是细胞。
它们只有几十微米大小，必须用科学家的显微镜才能看到。
细胞工厂里的繁忙程度和生产效率不亚于特斯拉超级工厂，而且耗能还很低，你只要每天按时吃三顿饭就行。
这一讲，我就拿着显微镜，来带你看一下神秘的细胞工厂，看看里面的基因到底是怎么工作的。
1.基因的开关首先，我们得知道，基因最核心的工作是什么？一句话，产生蛋白质。
我们可以把这个工作形象地叫做开关。被打开的意思，就是基因正在工作，产生蛋白质；基因停止工作了，就是关闭了。
上一讲，我们说了基因产生蛋白质有两个步骤。现在简单复习一下。
首先，细胞核里的基因会被一群蛋白质按照ATGC的顺序信息，合成出信使RNA。
之后，信使RNA会被运送出细胞核，在细胞质里生产出蛋白质，组成细胞的各种成分，运送到需要的地方去行使生理功能。
在这个过程里，基因具体是怎么工作的呢？
特斯拉的超级工厂里，有生产机器人和质检机器人。这些分工明确的机器人高效配合，才能分分钟生产出那么多特斯拉汽车。
基因生产蛋白质的过程，八成也有分工吧？没错。
所有生物的基因都可以分为三类，工人基因、管理者基因和信号兵基因。
工人基因，顾名思义，是细胞工厂里的主力军，它们生产的蛋白质构成了我们的身体。
比如说肌肉里的肌原纤维蛋白、皮肤里的胶原蛋白、分解食物和产生能量的蛋白酶等等。
管理者基因生产的蛋白质有个特点，永远待在细胞核里，对身体的三维结构和生理功能不做实质性的贡献。
那它们在干什么？
原来，它们就像公司管理层的经理和高管一样，不干脏活累活，只干管理工作。它们只负责管理工人基因的表达。信号兵基因呢？
它们生产的信号兵蛋白质，负责把重要的信号传达给管理者，告诉它们什么时间，在什么地方，打开什么基因。
管理者什么时候开始工作，什么时候按兵不动，必须由信号兵发送严格的信号。
所以三种基因是这样配合工作的：
信号兵传送基因开关的信号;
收到信号的管理者把工人基因打开，合成蛋白质;
然后工人蛋白质去身体里干活。
我拿皮肤细胞的生长给你举个例子。
让皮肤细胞开始生长的，是一种蛋白质，学名叫表皮生长因子。
皮肤细胞的表面有一种感受器，就是一种工人蛋白，它能专门识别表皮生长因子。
一旦表皮生长因子出现，这种感受器就能马上把表皮生长因子抓住，然后向细胞内发出信号，告诉细胞：“要生长，要繁殖！”
细胞里谁来接收指令呢？信号兵蛋白。
信号兵蛋白揣上信号，从细胞质里跑进了细胞核，然后把指令递给管理者：“赶紧开始生产细胞生长分裂需要的工人蛋白！”
于是，管理者照章办事，开动了细胞工厂的生产机器。
从生长信号被感受器发现，到第一个工人蛋白被管理者生产出来，整个过程只要短短几分钟。
这样的基因表达过程，在我们身体的每个细胞里，时时刻刻都在发生着。
我们身体里大概有50万亿个细胞，每个细胞平均每时每刻，有2千至3千个基因在同时表达。
这个工作强度和效率，不比特斯拉超级工厂逊色吧。
这个过程好像蛮有意思的。不过，我们为什么需要知道这些？不知道这些，基因每天也照常上班干活啊？
我换一个细胞分裂的场景，你就知道为什么知道这个过程对人类来说生死攸关了。 众病之王癌症，就是细胞生长的失控。
有一种肺癌的发生是这样的。
本来应该由表皮生长因子来激活感受器和信号兵，细胞生长的基因才能被打开。
但是，在这种肺癌组织里，表皮生长因子感受器的基因发生了突变，就算没有表皮生长因子，也会疯狂地给信号兵发送生长信号。这样一来，细胞就癌变了。
怎么办？如果我们能找药物来把这些发疯的表皮生长因子感受器给精准地干掉，是不是就能阻断癌症了呢？
这就是正在癌症病人身上使用的分子靶向药的原理。
目前，全世界的癌症病人正在用着二十多种靶向药，每年有数百亿美元的销售额。
分子靶向药是一些小分子化合物，它们专门针对那些发生了突变的感受器和信号兵，对正常的蛋白质伤害非常小，实现了对癌变细胞的精准杀灭，是我们与癌症搏斗的重要武器。
3.层级管理如果有信号从细胞外传进来，基因表达的过程就是这样。
不过，这里面好像还有一个鸡生蛋，蛋生鸡的问题。
打开工人基因的是管理者基因编码的蛋白质。那谁来打开管理者基因呢？
原来，基因的管理方法，跟公司的组织架构非常类似。
管理者基因里也分部门经理、区域经理和总经理等等，是上级管理下级。
不同级别的管理者层层下达工作指令，上一级的管理者基因负责打开下一级的管理者基因，最后一个工作指令会直接打开工人基因。
你也许还会追问，层层管理总有个头啊，最上级的管理者基因是谁？细胞这家工厂有没有CEO呢？
还真有。
二十世纪八十年代末，科学家从肌肉细胞里找到了一个基因，取名叫做MyoD。
经过了十几年的科学研究，科学家发现，MyoD基因就是一个CEO级别的管理者基因，因为它能单枪匹马地改变细胞命运。
本来皮肤细胞里的管理者和工人基因干得好好的，只要把MyoD基因加进去，它就能立刻启动一大批本来处在关闭状态的肌肉细胞的管理者基因，打开肌肉细胞的工人基因，最后硬是在皮肤细胞里生产出了各种肌纤维蛋白，把皮肤细胞变成了肌肉细胞。
如果你接着问，这个MyoD基因又是被谁打开的呢？
回答这个问题之前，我需要介绍两个重要概念，终端分化细胞与干细胞。
皮肤细胞或者肌肉细胞，在生物学上被称作终端分化细胞。
意思是，它们的命运已经走到了南墙跟前，不能再改了。它们要么在岗位上工作一辈子，要么光荣退休，也就是衰老以后被分解，回收再利用。它们走上工作岗位之前，还没有决定成为皮肤细胞还是肌肉细胞的时候，其实是另外一种细胞，生物学上叫做干细胞。
干细胞的意思是，一切皆有可能。
受精卵就是最厉害的干细胞，它能变成全身上下无数种不同命运的终端分化细胞。所以，身体生长的过程，就需要从干细胞，产生很多很多不同命运的细胞。
回到我们的问题，终端分化细胞的CEO基因是被谁打开的呢？
答案是，干细胞里的管理者基因。
MyoD基因是干细胞准备往肌肉细胞分化的过程中，被上一级管理者基因打开的。
你可能还想问，干细胞里这个管理者基因的上级又是谁呢？
回到最初的最初，这就是从0到1的问题，就是卵细胞带来的彩礼打开了第一个基因启动了这一切。
可见，从0到1，真的很重要。
既然MyoD基因能让皮肤细胞变成肌肉细胞，那有没有基因能把终端分化细胞的命运转回干细胞呢？这想法听上去有点逆天，但在2006年，竟然成功变成了现实。
一位叫山中伸弥的日本科学家，使用四个基因，成功地将小老鼠的皮肤细胞逆转为干细胞。
这个研究让他在短短的7年后就拿到了诺贝尔医学与生理学奖。
人类诱导多能干细胞产生流程
这么转来转去可不是纯粹为了好玩，而是有重要意义的。
你可能知道一种病，叫帕金森病。它的产生，是因为大脑中的负责分泌多巴胺的神经元死亡了，机体逐渐产生了运动功能障碍。
病人最需要的，是在大脑中补充死亡的多巴胺神经元。但是，如果补充其他人的细胞，很可能出现免疫排斥反应，所以最好是自己的细胞来补充。
但是，哪儿能把病人的多巴胺神经元变出来呢？
有了逆转干细胞的方法，就能变这个魔术了。
我们可以先把患者自己的皮肤细胞取出来，逆转成干细胞，然后再把干细胞分化成多巴胺神经元，注射回患者大脑。
这样一来，不就能治疗帕金森病了吗？
在2018年11月，日本京都大学的研究者开始了这个临床试验，运用干细胞方法来治疗帕金森。
干细胞治疗的未来，让我们拭目以待。
所以，基因工作原理很重要，不管是抗癌的分子靶向药，还是干细胞疗法的研发，都需要我们搞清楚基因是怎么工作的。
总结这一讲，我们讲了基因的工作律。
基因最核心的工作是生产蛋白质。
基因有三种角色，管理者、工人和信号兵。细胞外的信号通过信号兵传给管理者，然后打开工人基因，工人基因生产出蛋白质，完成生命的生理功能。基因的管理是层层分级的。
上级管理者基因打开下级管理者基因。最上级的是CEO基因。每一种细胞的命运，都是由CEO基因来决定的。
操作基因能把终端分化细胞变回干细胞，这种技术有可能治疗那些目前无药可治的疾病。
思考题：你觉得，干细胞疗法除了能用来治疗帕金森，还能治疗哪些疾病呢？是药三分毒，干细胞疗法会不会有副作用？