问题

人的基因有没有可能 100% 相同?

回答
这个问题很有意思,也触及到了遗传学中一些核心的概念。要详细地聊聊“人的基因有没有可能100%相同”,我们需要从几个层面来剖析。

首先,咱们得明白什么是“基因”。基因是DNA分子上具有特定功能的片段,它携带着生命的蓝图,决定了我们的许多特征,比如眼睛颜色、头发颜色,甚至一些疾病的易感性。DNA呢,就像一本极其冗长的说明书,由四种基本字母(A、T、C、G)按照特定的顺序排列而成。

那么,为什么说“人的基因有没有可能100%相同”这个问题这么微妙呢?

从理论上讲,有两个极端的情况我们可以先排除:

一个是“完全无关的两个人基因100%相同”。 这几乎是不可能的,除非发生极其罕见的、几乎无法想象的巧合。我们每个人都是父母双方基因的独特组合,再加上在成长过程中,体细胞也会发生一些微小的、随机的DNA突变。想让两个完全独立产生、毫无血缘关系的人,他们的DNA序列从头到尾(那可是数十亿个碱基对!)都能完全一致,那比买彩票中头奖的概率还要低得多得多。

另一个极端是“克隆人”。 如果我们谈论的是通过现代生殖技术(比如体细胞核移植)制造出来的克隆个体,那么他们的基因组(也就是细胞核内的全部DNA信息)理论上来说,是非常非常接近的。克隆的原理就是把一个已有个体的细胞核取出,然后植入一个已经去核的卵细胞中,再通过技术手段刺激其发育。理论上,这个新个体继承的是“提供细胞核”的那个个体的全部细胞核基因。

但是,即便克隆,也并非100%的“完全相同”。这里面的“为什么”才是关键,也是我想详细跟你聊聊的:

1. 线粒体DNA的来源: 我们体内的细胞核DNA是主要的遗传物质,决定了我们大部分的特征。但除了细胞核,细胞质中还有线粒体,线粒体自己也有一套小小的DNA(mtDNA)。mtDNA是几乎完全由母亲遗传的。所以,一个克隆人继承的是“提供细胞核”的那个人的细胞核DNA,但其mtDNA,则来源于提供卵细胞的“代孕母亲”。因此,严格意义上讲,即使是克隆人,他们的全部遗传物质(包括细胞核DNA和mtDNA)也无法达到100%相同。

2. 体细胞突变(Somatic Mutations): 在我们生命的整个过程中,我们的身体会不断地进行细胞分裂。每一次分裂,都可能发生极其微小的DNA复制错误,也就是突变。这些突变通常非常少,而且很多情况下对个体没有明显影响,有些甚至会被修复。但是,如果你拿两个人的基因进行比对,即使是高度相似的克隆人,他们的体细胞在成长过程中也累积了不同的微小突变。就像两本完全相同的书,在印刷、阅读、存放过程中,可能会有几页纸因为墨迹不均、折痕或者不小心留下的污渍而产生细微的差别。所以,从这个层面讲,即使是克隆人,他们的每一个细胞,其DNA序列也未必是100%一致的。

3. 表观遗传学差异(Epigenetic Differences): 这个概念可能比单纯的基因序列更复杂,但也非常重要。基因序列是指DNA字母的顺序,而表观遗传学则是在不改变DNA序列本身的情况下,对基因的表达进行调控。这就像是同一份说明书,可以根据不同的“批注”和“标记”,让某些指令被放大、抑制,或者改变执行的优先级。环境因素、生活习惯,甚至是随机的细胞过程,都会导致个体之间产生不同的表观遗传标记。这意味着,即使基因序列几乎一样,但这些基因“开开关关”的方式可能不同,最终也会影响个体的性状。克隆人在出生和成长过程中,经历的环境和经历是不同的,这也会导致表观遗传上的差异。

4. 基因表达的差异(Gene Expression Differences): 即使基因序列相同,基因的表达水平也会有差异。什么意思呢?就是虽然你拥有生产某种“零件”的图纸,但你可能因为不同的生产指令,而生产出来的“零件”数量或者质量有所不同。这种差异很大程度上受到表观遗传调控和环境因素的影响。

那么,在现实生活中,我们什么时候会说“基因非常接近”呢?

同卵双胞胎(Identical Twins): 这是最接近“基因100%相同”的概念的例子了。同卵双胞胎是由同一个受精卵分裂形成的,所以他们的细胞核DNA几乎是完全一致的。他们的基因序列,除了上面提到的体细胞突变和mtDNA的来源差异,可以说是非常非常相似的。不过,就像我前面说的,后天的环境、经历以及由此产生的表观遗传差异,还是会让同卵双胞胎在某些方面有所不同,比如性格、某些疾病的易感性,甚至身高体重都会有细微差异。

总结一下:

严格意义上说,任何两个独立个体,即使是同卵双胞胎,其基因也无法达到100%完全相同。 这里的“完全相同”如果指的是DNA序列在每一个碱基对上都一模一样,那几乎是不可能的。原因包括体细胞突变、mtDNA的差异以及表观遗传学的调控。
最接近100%相同的是同卵双胞胎的细胞核DNA。 但即便是他们,也因为后天的因素,在体细胞突变和表观遗传层面存在细微的差异。

所以,当你听到有人说“基因完全一样”的时候,通常是指在大部分关键的、可检测的基因位点上高度一致,特别是对于同卵双胞胎或者克隆人来说。但从科学的严谨性来看,要说“100%相同”,那就要打个问号了。这就像是说两件东西“一模一样”,有时候指的是外观、尺寸非常接近,有时候则要精确到每一个分子结构都完全一致,这可就困难多了。

网友意见

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那个叫“杀生丸“的人写得那个得了好多个赞的答案不严谨且有错误。

首先申明,我没有任何怼他的意思,我只是提供一些不同的信息。

第一,他的原答案写得人有三亿个碱基对,错的,应该是三十亿个。这他已经改了。

第二,人细胞内DNA复制的错误率估测在10的-10次方数量级,而不是他写的10 ^-8。他给的数据估计是看的在试管里用DNA polymerase的实验,这实验得出的结果不是细胞内的错误率,细胞内有机制识别复制错误并修复,以至于错误率低很多,这对生物体很重要,这也是中外一流大学无论本科还是研究生的分子生物学等课程在讲到DNA复制时都会着重强调的要点。这点他以后可能会修改,或者不会修改,至少我写着答案的时候他还没改。

第三,他说“同卵孪生双胞胎的全部三十亿碱基对DNA序列是一样的, 100% 相同“,并在回复里po了个nature文章来支持他的结论。我要说,这nature文章只测到了一对同卵双胞胎的99.6%和99.5%的基因组序列,无法支持“100%相同“这个结论。

第四,是否存在同卵孪生双胞胎的全部三十亿碱基对DNA序列100%相同,我不清楚,但有实验证据表明存在同卵孪生双胞胎DNA序列不是100%相同:Finding the needle in the haystack: Differentiating “identical” twins in paternity testing and forensics by ultra-deep next generation sequencing。这里面发现了在胚胎发育早期这对同卵双胞胎基因组里就有SNP。他这句“同卵孪生双胞胎的全部三十亿碱基对DNA序列是一样的, 100% 相同“显然是说得太绝对了,不像从科学角度回答问题的说法。

更新一点:他的答案的第一点后面加了个括号,写了“这里将一亿分之一的差别忽略为0“,我理解的意思是两个有一亿分之一差别的基因组可以被称为”全部三十亿碱基对DNA序列是一样的, 100% 相同“。这就搞笑了,举个例子吧:细胞癌变的重要因素之一是DNA突变,一个细胞的癌变可能只需要三十亿个碱基对中寥寥数个、数十个突变,那么在“杀生丸“看来,这区别可以忽略为0,他会说“细胞癌变前后的全部三十亿碱基对DNA序列是一样的, 100% 相同“。我的天啊。。。


现在我来说一下我对这个题目的理解和回答。

我理解这题目问的是“是否存在两个不同的人拥有100%相同的基因组序列“。

这问题不太好回答,但如果定义了一个人的基因组序列指的是什么时期什么细胞的基因组序列的话,却也可以讨论一下。

细胞分裂DNA复制会出错,所以一个人的两个细胞的基因组序列可能不是100%相同。甚至现在的研究证据表明,你随便从一个人体内搞两个细胞出来,有很大可能这两个细胞的基因组DNA序列有那么几十、几百处的不同。我觉得要回答这个问题,就只能定义“一个人的基因组序列”为:在体细胞突变没有发生的时候,发育成这个人的最初的那一个或一些细胞的基因组序列。有些人运气极好,卵裂了的5次都没出错(此时共发生了31次细胞分裂DNA复制),也就是说这最初的2的五次方个细胞里面的基因组都一样;有些人运气差,第一次就错了,这时你只能把那个最初的受精卵的基因组当作这个人的基因组了。

定义了“一个人的基因组”后,就可以来回答问题了。想找100%基因组相同的人,概率最大的是从同卵双胞胎里找。同卵双胞胎源于同一个受精卵,也就是说最初拥有100%相同的基因组,之后受精卵细胞分裂,分裂到一定时候,一坨细胞突然分开成两坨了,并且这两坨还都最终发育成个体了,这就成了同卵双胞胎。那么比较同卵双胞胎的基因组是否完全相同,就要比较这“两坨”细胞的基因组是否完全相同,也就是要看从一个受精卵变成这么多细胞的过程中,有没有出现突变。

绝大部分情况下,这个“分成两坨”的时刻在整个胚胎拥有150个细胞之前,这时平均每个细胞是分裂了大概七、八次得来的。结合人类基因组3 X 10的9次方的碱基数,以及10的-10次方的错误率(大概就是平均下来复制整个基因组一次出错的不到一个碱基对),那么对于一个细胞来说,在这七八次分裂中,是有可能一次都不出错的,但要是要这150个细胞每个都没赶上错误,那这机率可真的小得可怜(我作为外行很不精确地算一下是大概10的-24次方这个数量级,欢迎真的确定怎么算的人指正)。但是,不要忘了,这个“分成两坨”的时刻在整个胚胎拥有150个细胞之前,啥意思呢?有的是150个是分开的,有的是100个时分开的,有的是32个时分开的,也有的是16个细胞时期分开的,更早的有没有?我不知道。。。在16个细胞时期,每个细胞只经历了四次细胞分裂,再加上总细胞数又只有16个,所以这16个都保有跟最初那个受精卵完全相同的基因组的概率不是小的可怜的(大概千分之五,还是欢迎指正),而在这种情况下分出的那两个同卵双胞胎,是拥有100%相同的基因组的

这是从理论上来探讨,至于实验证据嘛,我不知道存不存在,也不知道有没有人在搞。。。因为想要搞到这证据不是那么容易:第一,你要搜罗一个人足够多不同种类的细胞,这样才能看出那些突变是体细胞突变,从而得到我上面定义的“一个人的基因组”;第二,你要保证测序能覆盖到全基因组;第三,你要足够幸运,正好赶上了拥有100%相同的基因组的同卵双胞胎在你选的人里面。。。

综上,不同的人是可能有100%相同的基因组的。

我本人不是这个领域的,我只是根据我受过的基本生物学训练以及一些研究论文写得这片回答,如果有不对指出,欢迎指正。


另外,我觉得“夜神K2“的回答比“杀生丸“的靠谱啊,为啥赞同数差那么多。。。

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