基因打靶獲諾獎

瑞典卡羅林斯卡研究院于2007年10月8日做出決定，把2007年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎聯(lián)合授予美國的馬里奧·R·卡佩奇(MarioR，Capecchi)、英國的馬丁·J·伊萬斯(MartinJ.Evan s)和美國的奧利佛·史密斯(01iverSmithies)，因為他們發(fā)明了“利用胚胎干細胞對小鼠引進特異性基因修飾的原理”。

歷史與現(xiàn)實的交匯

2007年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎獎勵的是關(guān)于哺乳動物胚胎干細胞和DNA重組的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。上述三位科學家的發(fā)現(xiàn)導致了一種極其強大的創(chuàng)新技術(shù)，稱為老鼠基因打靶。如今，這項技術(shù)實際上已經(jīng)應(yīng)用到生物醫(yī)學的所有領(lǐng)域，從基礎(chǔ)技術(shù)到研發(fā)新治療方法。

基因打靶經(jīng)常用于不活躍的單基因，也就是一種基因“淘汰”。這種基因“淘汰”實驗已經(jīng)讓人們弄清了胚胎發(fā)育、成人生理、衰老和疾病的大量基因的角色。時至今日，老鼠的10000多基因(大約是哺乳動物基因組的一半)被敲除(實際上是使其滅活)。而且，全球研究人員持續(xù)不斷的研究將在不久的將來通過“基因敲除小鼠”弄清所有基因的功能。

現(xiàn)在，利用基因打靶幾乎可以對小鼠進行任何類型的DNA修飾，因而能讓科學家弄清生命(物)個體的健康和疾病的基因角色?；虼虬幸惨呀?jīng)產(chǎn)生了500多種不同的人類疾病的老鼠模型，包括心血管病、神經(jīng)退化性疾病、糖尿病和癌癥等。

人一生的生長發(fā)育和身體功能的信息是由DNA攜帶的。人類的DNA則包裹在染色體中。它們是成對出現(xiàn)的，一條遺傳自父親，另一條源自母親。在這種雙倍染色體中的DNA序列的改變增加了人們遺傳的突變，而且是由一種稱為同源重組的過程出現(xiàn)的。

所謂同源重組是指，只要兩條DNA序列相同或接近，重組就可在此序列的任何一點發(fā)生。這種同源重組的過程在生物進化的過程中保存了下來。喬舒亞·萊德伯格(Joshua Lederberg)于50多年前進行的細菌研究證實了這一點，他因而與其他2名科學家共同獲得1958年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。

研究的思路

馬里奧·R·卡佩奇和奧利佛·史密斯兩人都意識到，同源重組可以用到哺乳動物細胞特異性的基因修飾上，而且他們朝著這個目標進行了堅持不懈的研究。卡佩奇證明，同源重組可以發(fā)生在引進的DNA與哺乳動物細胞的染色體之間。他同時證實，缺陷基因可以通過與引進的基因進行同源重組而得到修復(fù)。最初史密斯的工作則是試圖修復(fù)人體細胞的突變基因。他曾認為，通過修復(fù)骨髓干細胞的導致疾病的突變可以治療特定的遺傳性血液病。在這種思路之下，史密斯發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性基因可以像靶子一樣打掉(滅活)而不論其活性如何。這提示，所有基因都可以通過同源重組而獲得修飾。

為了用同源重組修飾細胞的基因，從而達到治療疾病的目的，必須找到適合的細胞進行研究。但是，卡佩奇和史密斯當初研究的細胞類型并不能用于創(chuàng)建基因打靶的動物。這就需要另一種類型的細胞，也就是能產(chǎn)生胚胎的細胞。只有這樣，DNA修飾才能遺傳下去。

而伊萬斯的工作開拓了卡佩奇和史密斯的研究。伊萬斯是研究老鼠胚胎癌細胞(Ec)的，盡管這種細胞來源于腫瘤，但也幾乎可以生成其他任何類型的細胞。于是，他提出了一種思路，用EC細胞作為工具來引進遺傳物質(zhì)到老鼠的生殖細胞中。最初，由于EC細胞攜帶了異常的染色體而且不能導致生殖細胞的形成，他的研究沒有成功。但是，伊萬斯轉(zhuǎn)而探索替換EC細胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從早期的老鼠胚胎可以直接創(chuàng)建染色體機能正常的細胞。如今，這些細胞被稱為胚胎干細胞(ES細胞)。

而下一步的研究就是要弄清ES細胞是否能促成生殖細胞的產(chǎn)生。于是，他們把一個種系的老鼠的Es細胞注入到另一個種系的老鼠的胚胎，結(jié)果產(chǎn)生了“馬賽克胚胎”。所謂“馬賽克胚胎”是指兩種種系的生殖細胞的結(jié)合。而“馬賽克胚胎”能由代理母鼠攜帶并分娩產(chǎn)生后代。而且“馬賽克后代”交配繁殖后，它們的后代也能探查到Es細胞衍生的基因。根據(jù)孟德爾定律，這些基因現(xiàn)在是能夠遺傳下去的。

驚人的成果

有了這些結(jié)果后，伊萬斯從遺傳上修改Es細胞，為此需要選擇逆轉(zhuǎn)錄病毒作為載體，因為只有逆轉(zhuǎn)錄病毒才能把ES細胞整合到老鼠染色體中。伊萬斯證明，通過“馬賽克老鼠”能讓逆轉(zhuǎn)錄病毒把Es細胞的DNA轉(zhuǎn)移到老鼠的生殖細胞(染色體)中。最后，伊萬斯用Es細胞生產(chǎn)了攜帶新的遺傳物質(zhì)的小鼠。

更大的成功體現(xiàn)于Es細胞的基因同源重組。1986年，所有條件都成熟了，能夠產(chǎn)生第一代基因打靶的ES細胞。卡佩奇和史密斯已經(jīng)證明，在培養(yǎng)的細胞中通過同源重組可以對基因打靶。而伊萬斯的貢獻則在于發(fā)現(xiàn)了把Es細胞的DNA送達老鼠胚胎的工具。下一步就是把這兩者結(jié)合起來。

最初，卡佩奇和史密斯選擇的是一種稱為hprt的基因(次黃嘌呤磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶基因)，因為它易于鑒別。這種基因?qū)е乱环N罕見的人類遺傳疾病，稱為雷一納氏綜合征(Lesch—Nyhansyndrome)，又稱先天性高尿酸血癥綜合征。臨床癥狀除了痛風外，還包括神經(jīng)系統(tǒng)障礙，如舞蹈癥、智能低下、痙攣、自殘及泌尿系統(tǒng)的結(jié)石等等。

卡佩奇為這種基因打靶制定了戰(zhàn)略并研發(fā)了一種新的正負雙向選擇的方法，可以在老鼠身上代代使用。1989年，利用ES細胞的同源重組產(chǎn)生靶向基因老鼠的報道首次出現(xiàn)。此后，基因敲除老鼠的報道就呈指數(shù)式地上升。因此，基因打靶開創(chuàng)了一種高度多功能的技術(shù)。如今，在發(fā)育動物和成年動物中這項技術(shù)都可引進到特定時間點，或特異細胞和器官被激活的基因突變，由此開拓了健康和疾病研究的新天地。

現(xiàn)在，幾乎哺乳動物生理的各個方面都可以用基因打靶來研究，許多研究團隊和無數(shù)生物醫(yī)學研究項目都在使用基因打靶的方法?？傮w上講，基因打靶可以讓我們理解哺乳動物胎兒發(fā)育中成千上萬的基因的作用。

但是，分別地講，卡佩奇的研究還發(fā)現(xiàn)參與哺乳動物器官發(fā)育以及參與描繪身體藍圖的基因的角色。他的研究讓人們弄清了人類幾種天生畸形的原因。

伊萬斯則把基因打靶應(yīng)用到建立人類疾病的老鼠模型上。比如，對于一種人的遺傳病——囊性纖維變性——他研發(fā)了幾種模型，并且把這些模型應(yīng)用到研究疾病的機理，以及測試基因治療的效果。

史密斯也利用基因打靶創(chuàng)建了一些人類遺傳病的老鼠模型，如囊性纖維變性和血液病——地中海貧血。而且，他還為普通的人類疾病，如高血壓、動脈硬化等設(shè)計了無數(shù)的老鼠模型。

總之，今天，老鼠基因打靶遍及于生物醫(yī)學的各個領(lǐng)域。它影響到我們對基因功能的理解，也造福于人類，這些作用在未來還會持續(xù)地增長。

由于三位科學家的杰出成就，他們將分享2007年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，獎金為1000萬瑞典克朗(約合154萬美元)。

責任編輯 張?zhí)锟?/p>