来源：科学网沈律的博客 2017-7-24
本文经作者授权癌图腾转载
6
人类基因组生命遗传信息的复制与表达对人体生殖与发育过程的深刻影响
通过对人体生殖与发育过程中细胞（基因组）增长的系统分析与研究，我们发现人体生殖与发育过程遵循生命周期双S曲线规律。然而，人体的生殖与发育过程遵循生命周期双S曲线规律的分子生物学依据是什么？人体生殖与发育过程中其基因组遗传信息的复制与表达和人体生殖与发育过程的关系是什么？为什么人体的生殖与发育过程一方面表现出非特异性和非规范性，另一方面又表现出特异性和规范性？对此我们将从以下几方面来加以阐述：
6
．1 人体生命周期双S曲线规律的细胞与分子生物学基础
我们认为，人体的生命周期过程就是人体生物基因组遗传信息的复制与表达过程，并且这个过程遵循双S曲线规律。在我们看来，人体生物基因组遗传信息的复制与表达，主要是分二个阶段来完成：
首先，形成幼体胎儿。受精卵（基因组）进行裂变增殖（指数增长），也就是胚胎干细胞进行基因组的大量快速复制，与此同时进行一些非特异性遗传信息的表达，即纵向生命遗传信息（一般共同信息，即种系发育信息）的表达，完成生物发生过程（重演生物进化历程）。因为纵向遗传信息是大家共有的，所以不具有特异性，人人基本相同。这种非特异性的遗传信息的复制与表达，使得人体胚细胞在增殖与发育的过程中出现结构与功能的分化，经过生物发生过程，即从受精卵到三胚层，最后导致胎儿的大脑、四肢和内脏等器官的出现，形成幼体胎儿，完成第一次胚胎干细胞的增殖与发育或人体生物基因组的复制与表达过程。此次胚胎干细胞的增殖过程是没有特定方向的，是一种随机性的增殖与分化过程，胚胎干细胞在进行细胞的分化过程中，具有全能性，即任何一个胚胎干细胞都可以分化成人体胎儿的大脑、四肢和内脏器官。因此也可以说是一种非确定性的发育分化过程。此阶段人体生物基因组的复制与表达过程遵循第一个S型曲线。
其次，形成成熟个体。新生儿诞生后，人体各系统内的组织干细胞进行裂变增殖（指数增长），也就是各系统组织干细胞进行生物基因组的大量快速复制，与此同时则进行特异性遗传基因信息的表达，即一些横向生命遗传信息（特殊差异信息，即个体遗传信息）的表达。完成人体特异性的生长发育过程（重现亲代的一些遗传特征）。横向遗传信息不是大家共有的，是具有一定的种族、家族、个体等差异性和专有性，因此具有一定的特异性。这种特异的遗传信息的复制与表达使人体各系统的体细胞在增殖与发育的过程中进行了结构与功能的分化或特化，最后导致人体成体的形成，使人体从幼体转化为成体，随后衰老消亡。完成第二次人体基因组的复制与表达过程。此阶段，组织干细胞的增殖与分化过程是有特定方向的，是一种确定性的、非随机性的增殖与发育过程。因为人体组织干细胞的增殖与发育过程是沿着特定的方向进行的，不同系统组织的组织干细胞的分化是按照各自系统组织细胞的发育方向进行的。表现出发育过程的专业性。此阶段人体遗传基因组的复制与表达过程遵循第二个S曲线。
人体生物基因组的复制与表达在这两个阶段均出现了加速增长期和增长的饱和期，但这两个阶段细胞的增殖与发育所表现出的特征是不一样的。从上述分析中我们可以看出，第一个时期是胚胎干细胞非规范性增殖与发育（非特异性增殖与发育）；第二个时期则表现为组织干细胞规范性增殖与发育（特异性增殖与发育）。这两种细胞的增殖与发育过程构成了人体整个生命周期过程，并遵循双S曲线规律。由此我们不难看出，人体生物基因组的复制和表达是周期节律性的，并且是按照一定的程序进行的。即人体从受精卵开始，通过受精卵的裂变过程，使其胚胎干细胞生物基因组进行了大规模复制，导致人体生物基因组数量的大规模增长，也就是胚胎干细胞的大量增殖。这种胚胎干细胞大量增殖的意义是十分重要的，其为以后胚胎干细胞的随机分化做好了充分准备。从海克尔重演律上讲，人体的生物发生过程（生殖与发育过程）就是生物系统进化过程短暂而迅速的重演，人体在生长发育过程中，其生物遗传基因组的复制与表达并不是一个漫长的演化过程，而是在其胚胎时期，就将整个生物系统的进化过程进行了一次重演。生物进化最本质的方面是生物基因组的进化。生物从低级到高级，从简单到复杂，从低层次到高层次，主要区别在于其生物基因组结构序列的变化。因为，人体的生命遗传信息全部贮存于人体生物基因组上。我们知道，人类生物基因组图谱的形成，从纵向上看是从生物界一步步地进化而来的，但从横向上看，则又是亲代父系与母系染色体杂交后形成受精卵而获得。也就是一方面，人体生物遗传基因既然是从生物界进化中获得，就必然包含有生物进化过程的生命遗传信息，因此，在其胚胎发育过程中就要逐步进行复制与表达。同时，从另一方面看，人体的遗传基因又来自于亲代的染色体杂交，因此也同样包含有亲代的生命遗传信息，这些生命遗传信息也要复制与表达，这点在人类个体胚后发育时期得到很好的体现。
图28
沈律於
2000
年参加“第五届海内外生命科学论坛”并在会上宣读与发表论文《生物进化与生物发生的基本规律——对人类基因组的形成及其复制与表达过程的系统研究》（参见《干细胞与发育生物学》
(
北京：军事医学科学出版社，
2000
年
.217-229
）
客观的说，这篇论文的宣读与发表标志着人们对生命进化规律的认识进入了分子水平（基因组）新阶段（它不同于
R.
珀尔的个体发育和群体增长阶段
)
，这正好与沃森（J.Watson）与克里克（F.Crick）的工作（发现
DNA
双螺旋结构）衔接为一体。它是从分子生物学水平用生物计量学（生物数学）方法阐述了生命的实质及其进化发育规律。第一，从孟德尔遗传定律(摩尔根遗传定律)到生物（种系与个体）自由分离与组合定律再到遗传因子矩阵分布定律，这些规律都是一脉相
承
的，它们都是用排列和组合的方式一个比一个更全面深入地了解生物遗传基因在个体和群体的分布情况，从而揭示了生命遗传、发育和进化的本质联系。第二，从欧拉
-
马尔萨斯指数增长理论到威尔霍斯特
-
珀尔增长理论再到双
S
曲线规律增长理论，它们也是一脉相
承的，
而生命周期双
S
曲线规律则是对欧拉
-
马尔萨斯指数增长理论与威尔霍斯特
-
珀尔增长理论的突破与发展。因此，它们在生命科学的意义上与前人的工作是同等重要的。
如果说，沃森（
J.Watson
）与克里克（
F.Crick
）发现“DNA双螺旋结构”从分子(基因组）水平上揭示了生命的本质问题（美国人和英国人对世界生命科学的巨大贡献），那么“生命周期双S曲线规律”的发现则是从分子（基因组）水平上揭示了生命发展规律（中国人对世界生命科学的巨大贡献）。它们之间的内在联系机制就是“生物基因矩阵分布定律”。由此我们可以看出，从生命遗传物质DNA双螺旋结构发现到生命周期双S曲线规律的发现，它们之间存在着必然的内在联系。所以说，我们的工作与沃森（
J.Watson
）和克里克（
F.Crick
）的工作在科学意义与科学价值上是同等重要。因此，在我们看来这篇论文的发表不亚于沃森（
J.Watson
）与克里克（
F.Crick
）1953年在《自然》（
Nature
）上发表的划时代的生物论文。它注定会改写中国人在世界生命科学界的长期处于跟踪式研究的历史，并对现代生命科学发展将会产生广泛的和极其深远意义的影响。
6
．2 人体生命周期过程中其细胞的增殖与分化和其基因的复制与表达之间的相互关系
我们认为在人体生命周期过程中，人体细胞的增殖与分化和人体生物基因组的复制与表达直接相关。现代生物学发现，人体生物基因组序列在其整个生命周期中或整个细胞增殖与分化过程中，它的结构序列是不变的。也就是人类个体发育从受精卵
到胚细胞再到体细胞其基因组序列是恒定的。而不同时期其分化发育出来的生物性状则又不一样，这一切主要取决于人体生物基因组二次大规模复制与表达。我们发现，人体细胞二次大规模增殖与分化过程和人体生物基因组二次大规模复制与表达过程直接相关。通过对人体生殖与发育过程的系统分析，我们发现人类个体在其发育过程中出现了两次大规模生物基因组的快速复制与表达，前者在受精卵（胚胎干细胞）裂变时期，后者在各系统组织干细胞裂变时期。这两个时期其细胞数量均出现了指数增长势头，这两次快速细胞增殖的意义何在呢？
第一次裂变增殖导致细胞快速增长，同时分化发育成胎儿，这个时期其胚胎干细胞数量的快速增长意味着人体生物基因组的复制出现了几何增长（指数增长）势头，也就是人体生物基因组的数目呈快速增加。随后，这些大量快速复制的人体生物基因组又迅速地将某些基因片段进行表达，使胚胎干细胞随机分化成了胎儿的大脑、四肢、内脏等器官，在这一过程中，表达的由于是纵向的生命遗传信息（一般共同信息，即种系遗传信息），没有明显的个体差异；差异性，特异性不明显。没有什么排他性，
排斥
性。是一种非规范信息表达过程。人体胚胎发育过程可以看成生物长期进化的短暂迅速重演的过程。参见德国学者E.H.海克尔生物发生律(Law of biogenesis)或生物重演律（law of recapitulation)。
第二次细胞裂变增殖也同样导致各系统组织干细胞的快速增长，其生物基因组数目第二次出现了几何增长（指数增长）势头，与此同时各系统生物基因组中的某些基因片段也进行了功能表达，而在这一过程中，主要表达的是横向的生命遗传信息（特殊差异信息，即个体遗传信息），因此出现了很大的个体差异。横向信息表达具有强烈的特异性和排他性。是一种特征性表达，是一种特别性表达，是一种规范性信息表达过程。
两次人体生物基因组的复制与表达正好构成了人类个体生殖与发育的全过程。由此我们发现人体在其细胞的增长的过程中，尽管其生物基因组结构序列不变，但其生物基因组数量则增加了；细胞的分化是其生物基因组中的某些基因片段的功能表达，但不同时期所表达的遗传信息又不一样。人体生物基因组的复制与表达是相继进行的。复制导致细胞数量的增长，而表达则导致细胞结构与功能的分化。人类的个体发育过程一方面可以看成是细胞的增殖和分化过程的结合，另一方面也可以看成是其生物基因组复制与表达过程的结合。在人体的整个生命周期过程中，其细胞数量的增长与细胞结构的分化并存，其生物基因组的复制与其生物基因片段中生命遗传信息的表达并存。同时其细胞数量的增长与其生物基因组的复制相关一致，其细胞的功能分化与其生物基因组遗传信息的表达相关一致，没有人体生物基因组的复制就没有人体细胞数量的增长，没有人体生物基因组遗传信息的表达就没有人体细胞的结构与功能分化。这两者是密不可分的。人体生物发生的生命周期双S曲线过程正是这两个方面的真实反映。
6
．3 人体生命周期过程中不同时期产生非特异性、非规范性和特异性、规范性的机制
我们认为，人体生殖与发育过程既表现为一定的非特异性、非规范性，又表现为一定的特异性、规范性。我们发现，人体细胞在从胚细胞增殖发育向体细胞增殖发育转化的过程中，其特异性和规范性也在不断加强，并且表现出质的变化。例如，人与人之间在其胚胎时期，他们的免疫排斥反应是不明显的，但一旦到了体细胞增长时期，情况也就不一样了，其表现出强烈的免疫排斥反应。其原因何在呢？现代医学免疫学发现这主要是因为人体体细胞膜上出现了一种组织相关性抗原，它是一种蛋白质，而这种蛋白质的合成就是靠一种特殊遗传基因调控的。这种组织相关性抗原导致人体特异性的产生。但同卵兄弟或姐妹则不出现上述排斥反应，其原因何在呢？这主要是因为同卵兄弟或姐妹的受精卵基因组是完全一样的，并且在复制与表达的方式上，时间节律上也是一样的，同时又是以相同的方式进行胚胎干细胞和组织干细胞增殖发育。异卵兄弟或异族兄弟则具有上述排斥反应。这表明，在同一个家族，不同时期受精的受精卵其生物基因组的结构序列是不一样的，因此其遗传基因的复制与表达方式也就不一样。不同家族的人群其受精卵的生物基因组结构序列更是不一样，因此其遗传基因功能表达更具有特异性和规范性。通常情况他们在排斥反应的强度上表现为：同卵兄弟小于异卵兄弟，异卵兄弟小于异族兄弟。这一切产生的根源就在于人体生物基因组在形成的过程中，由于生物遗传基因的自由分离与自由组合而导致人体不同生物基因组结构序列的形成。所以我们不难看出，不同的排列与组合产生不同的生物基因组图谱，不同的生物基因组图谱导致不同的生物性状的产生即不同的规范或不同的特异性产生。因此，生物基因组图谱的差异性及其功能表达的差异性是产生特异性排斥反应的关键。同种胚胎干细胞之所以表现为非特异性，主要原因是他们的生物基因的非特异性表达，所谓非特异性表达是指胚胎干细胞遗传信息的表达过程只是启动了一些共同的生物基因片段或一般基因片段，未启动不同的基因片段或特殊基因片段，合成的蛋白质没有特异性。因此，胚胎干细胞发育分化过程表现为非特异性和非规范性。这点从遗传基因信息的表达上看，主要是由于在第一个S型曲线增长期，人体遗传基因主要表达的是纵向的生命遗传信息（一般共同信息，即种系遗传信息），而纵向生命信息是每个人都共有的。因此不具有特异性。但到了组织干细胞时期，组织干细胞基因表达的主要是一些横向的生命遗传信息（特殊差异信息，即个体遗传信息），这些遗传信息不是人人都一样的，具有种族、家族和个体的差异性和特殊性，因此，组织干细胞的发育与分化过程表现出特异性和规范性。也就是说，到了组织干细胞增长时期，随着特殊基因片段的不断启动、不断表达，并且将特殊基因信息都表达了，合成的蛋白质自然具有很强的特异性。这样，个体免疫排斥反应也就更加强烈了，个体特异性、差异性也就更加明显了。还有，在人体的生命周期过程中，胚胎干细胞进行结构与功能的分化完全是一种随机的过程，是一种随机的发育分化过程，没有规范的约束。那些细胞分化发育成神经细胞，那些细胞分化发育成内脏细胞，这些都是随机的，不确定性的。但到了组织干细胞结构与功能的分化发育时期，情况就不一样了，组织干细胞的发育分化过程是严格按照其既定的细胞类型进行的。神经细胞只能向神经细胞进行发育分化，肝细胞只能向肝细胞进行发育分化。不是随机性的，而是一种确定性的发育分化过程，是有规范约束的。这一点对我们理解人体生殖与发育过程的非规范性和规范性也是非常重要的。
总而言之，我们认为，人体生命周期过程从本质上讲是人体生物基因组遗传基因的复制与表达过程。在这一过程中，人体生物遗传基因组的复制与表达是有周期节律性的。在我们看来，人体生物遗传基因组的复制与表达具有两个指数增长期和两个增长饱和期。它们分别发生在人体受精孕育阶段和人体生长发育阶段。而这两个阶段的出现与人体胚胎干细胞增殖分化和组织干细胞的增殖分化是直接相关的。同时也与人体生物遗传基因组的复制和非特异性（非规范性）、特异性（规范性）的功能表达直接相关。前者表达的是纵向生命遗传信息（一般共同信息，即种系遗传信息），后者表达的是横向生命遗传信息（特殊差异信息，即个体遗传信息）。两者的结合构成了人体生殖与发育的全过程。并且这个过程从总体上讲遵循生命周期双S曲线规律。
6.4
人类基因组遗传基因表达的睡眠理论
现代生命科学研究表明，
基因
表达是指细胞在生命过程中，把储存在DNA序列中
遗传信息
经过转录和翻译，转变成具有生物活性的蛋白质分子。生物体内的各种功能蛋白质和酶都是由相应的结构基因编码信息表达完成的。人类基因组遗传基因表达一是形成奢侈基因，二是形成管家基因。这两类基因的表达约占整个基因组的5%-10%。
分子杂交
等大量实验表明，在人体细胞的全套基因组中，只有少数基因(5%-10%)表达。基因组中表达的基因分为两类：一类是维持细胞基本
生命活动
所必须的，称管家基因，如各种组蛋白基因。另一类是指导合成
组织特异性
蛋白的基因，对分化有重要影响，称奢侈基因，即组织特异性表达的基因，如表皮的角蛋白基因、肌肉细胞的
肌动蛋白
基因和
肌球蛋白
基因、红细胞的血红蛋白基因等。这类基因与各类细胞的特殊性有直接的关系, 是在各种组织中进行不同的选择性表达的基因。
管家基因是维持细胞生存不可缺少的，奢侈基因和
细胞分化
有关，是组织特异性表达有关的基因，在特定组织中处于非
甲基化
或低甲基化状态，而在其他组织中呈甲基化状态。几乎所有的甲基化过程均发生在二核苷序列5'-CG-3'中的C上。使胞嘧啶变为5'-甲基胞嘧啶。而含有这种
甲基化
CG
的序列，对应于染色体上的
兼性异染色质
区域。管家基因以组成型方式在所有细胞中表达，而奢侈基因在特定组细胞中得到表达。这些基因的特异表达与否，决定了生命历程中细胞的发育、分化、
细胞周期
的调控、
体内平衡
、
细胞衰老
、甚至于程序化凋亡。对不同类型，不同分化时期细胞的基因或
基因表达
情况的研究，可以获得整个细胞生命过程的信息。细胞在不同自然或人工理化因子作用下代谢过程变化甚至于病变，基因也将选择性表达。
我们认为，人体发育过程可分为非常规发育和常规发育两个过程，前者是一般生物遗传信息的表达，后者是特殊遗传信息的表达。人体整个发育过程就是把这两类基因信息全部表达的过程。人在胚胎时期主要表达的是纵向基因信息，而出生后主要表达的是横向基因信息，这两组信息全部表达后，这个人也就对束了全部生命过程。现在人们认为人类基因组基因信息只表达了5%-10%奢侈基因和管家基因。而我们认为人类基因，被人们称之为垃圾基因90%-95%是在胚胎发育时期就完成了表达。因此，可以说人体发育的整个过程，100%基因都得到表达。因为人体整个发育过程进行了一次生物进化过程的重演。基因只是在不同时期是按照一定的程序在进行表达，是有秩序的在表达。只不过是表达完之后，就处于睡眠状态或休眠状态。之后需要的时候再去表达。这种需要有正常需要和异常需要两种。正常需要是在适当的时期，人体发育过程的生理需要，而异常需要则是病理状态的需要，从而导致人类遗传疾病的产生。由此，我们提出人类基因
组表达的睡眠理论。这个理论是建立在生物基因组遗传信息矩阵分布定律和人体生命周期双S曲线规律基础上的。没有上述规律的认识，这个理论就失去了存在的基础。人类基因组遗传基因信息的表达与人体发育过程是非常密切的，人体发育过程有正常发育过程与异常发育过程。就看基因是不是在合适的时间进行表达。如果是，那就会导致正常发育；如果不是，那就会引发遗传疾病。人类基因组基因表达过程，既有自我修复功能，又有自我关闭功能。它们能在一定的时间内实现自我关闭和自我修复。在不同的时间内，人类基因组遗传基因信息表达。例如：如果在胚胎时期出现异常，就会引发发育个体出现畸变，产生畸形儿；如果在出生后出现异常表达，就会引发各种遗传性疾病，甚至出现肿瘤。从本质上讲，一个是胚胎干细胞发育出现的问题，另一个是组织干细胞发育出现的问题。人类基因组基因信息的表达往往是一有种间断性的，不同时间基因表达是有规定的。有的基因处于表达状态，而有些基因则处于睡眠状态。
7
结 论
综上所述，我们首先对生物新陈代谢一般均衡定律进行分析，了解生物代谢同化与异化过程的相互关系，提出新陈代谢指数概念；其次对生物基因组的形成及其生物遗传信息中心法则进行分析和介绍，提出生物基因组的形成是通过纵向生物遗传信息和横向生物遗传信息的杂交而成。人类基因组包含着两类生物遗传信息，一类是纵向生物遗传信息，另一类是横向生物遗传信息，而这两类生物遗传传信息则是通过生物遗传信息中心法则进行传递。通过对生物遣传定律进行进一步介绍，我们发现生物第四遗传定律是一个非常重要的生命规律。通过对生物基因组遗传信息矩阵分布特征的研究，发现不同的生物随着其基因组纵向生命遗传信息（一般共同信息，即种系遗传信息）和横向生命遗传信息（特殊差异信息，即个体遗传信息）质与量的不同，而表现出不同的矩阵分布状态。并且从低级到高级，从简单到复杂遵循一定的分布规律。各种生物随着其生物进化和生物发生层次的不同而处于不同的时空发育过程中，并表现出一定的矩阵分布状态。这种矩阵分布状态是每个生物所特有的。据此，我们将其确定为“生物进化的遗传信息矩阵分布定律”。根据这个定律，我们可以了解任何一种生物的进化程度和发育分化程度。第三，通过对人体生物发育过程的研究，我们发现，在人体生殖与发育过程中，人体进行了两种细胞的增长。前者是胚胎干细胞增长过程，后者是各系统组织干细胞的增长过程。前者表现为非规范性和非特异性增长，后者则表现为规范性和特异性增长。这两个过程结合表现为双饱和曲线（双S曲线）。因此我们认为人体的生殖与发育过程遵循“生命周期双S曲线规律”。这就是我们通过对人体生殖与发育过程的系统观察及其细胞增长的动力学分析所得出的结论。同时我们认为，根据海克尔重演规律，人体的生殖与发育过程是整个生物系统进化发展过程的一个短暂而迅速的重影。因此不仅人类个体的生物发育过程遵循生命周期双S曲线规律，而且整个人类乃至整个生物系统的进化与发展过程也应遵循生命周期双S曲线规律。最后，通过对这两个规律进行相关性研究，我们发现，人体生殖与发育过程之所以遵循生命周期双S曲线规律，其根本原因是在人体生物基因组中包含两类生命遗传信息，一是纵向生命遗传信息（一般共同信息，即种系遗传信息），另一是横向生命遗传信息（特殊差异信息，即个体遗传信息）；这两类生命信息的复制与表达导致人体生殖与发育过程遵循生命周期双S曲线规律。因此，我们认为，加强对生物新陈代谢一般均衡定律、生物进化的遗传信息矩阵分布规律和生物发育的生命周期双S曲线规律及其相关性研究，即加强对人类生物基因组的形成及其生命遗传信息（纵向生命遗传信息和横向生命遗传信息）的复制与表达过程的系统研究，这将有助于我们从根本上最终揭示生物遗传、进化与发育的基本规律。
参考文献
沈 律.2003.科技创新的一般均衡理论--关于科技成果创新度评价的科学计量学分析.科学学研究,21（2）：205-209
沈 律
,
沈 豪
.2015.
科技创新一般均衡理论及其应用研究
.
科研杂志
,10
（
25
）：
51
沈 律，沈 豪
.
