動物基因組和功能基因的發現

劉寧寧

人類基因組今天已經擴大到對單個個人的基因組的描繪。與此同時，人類對其他動物的基因組也有了較多的發現，包括破譯它們的基因組和發現各種功能基因。這不僅對生物保護、生物多樣性有幫助，而且有助于人類從動物獲得啟示，為自己的健康、治病和長壽服務。

獼猴、負鼠和蚊子的基因組

2007年，第一種猴子——獼猴的基因組已被全部測序。根據已測序的基因信息，獼猴的基因組有93％與人類相似。在某種程度上來講，獼猴很像人類。它們可以居住在城市，能吃從花生到冰激凌的各種食物，而且選擇群居。從獼猴基因組與人類的相似和差異，研究人員可以找到獼猴從矮小和多毛的身體到易患疾病的遺傳原因。獼猴生活在亞洲各地，被認為是于2500萬年前的靈長類中分化出來的。

2005年，科學家已經完成了對人類最親近的表兄——黑猩猩基因組的破譯，發現它們的基因組與人類有98％的同一性。而獼猴基因組的破譯則提供了第三個參照點，以此來比較人和黑猩猩的基因組。比如，如果研究人員發現人和黑猩猩之間的一個DNA差異，就可以在獼猴的基因組中對照，以計算出黑猩猩或人是否攜帶有更古老的DNA版本。此項研究的領導者、美國休斯頓的貝勒醫學院的喬治·溫斯塔克指出，當破譯了一種靈長類的基因組時，也就打開了理解與人類有親密關系的一種動物的生物學大門。這對未來使用于人的藥物研發和疾病治療都具有重大意義，同時對于進化的研究也十分重要。

與此同時，研究人員也完成了對負鼠基因組測序。有著短灰尾的負鼠是有袋鼠類的一種，是研究人類疾病、生物發育和免疫學的一種極好的生物模式。正因為如此，研究人員下大力完成了對其基因組的測序。來自美國、澳大利亞、英國和加拿大的研究人員共同破譯了第一個有袋鼠類的基因組，由此人類現在已經破譯的哺乳動物基因組包括小鼠、大鼠、黑猩猩、獼猴和人自身。短尾負鼠是生活在南美的約60種樹居動物的一種，主要是在玻利維亞、巴西和巴拉圭的森林中獨自生活。它更像嚙齒動物而不像其澳洲的表兄考拉或袋鼠。短尾負鼠有18000至20000個編碼蛋白質的基因，幾乎與人類編碼蛋白質的基因一樣多。而且其生育周期很短，只有14天。有袋哺乳類動物與胎盤哺乳動物(人類屬于后者)是于1.8億年前分化后各自進化的。

因此，研究人員認為，短尾負鼠基因組的破譯非常重要，因為它可提供比較哺乳動物進化的重要參照點。短尾負鼠的絕大部分基因與其他胎盤類動物具有一致性，但是有一些卻是有袋類動物特有的。這些基因包括嗅覺感受、解毒和免疫系統。這些基因在負鼠適應特殊的環境中扮演著重要角色。此外負鼠在脊髓損傷后有驚人的恢復能力，包括脊髓全部斷離后都能恢復，因而是研究疾病、免疫學和生物發育的一種極好模式。

2007年5月17日研究人員完成了對埃及伊蚊基因組測序，這是研究人員完成的第二種蚊子的基因組測序。埃及伊蚊基因組測序的完成有助于人們在未來控制這種蚊子和它所傳播的疾病。2002年研究人員完成了第一種蚊子——岡比亞按蚊(瘧蚊的一種)的基因組測序。這兩種蚊子的最大區別就是，顧名思義，瘧蚊是傳播瘧疾的蚊子；而埃及伊蚊則是傳播黃熱病或骨痛熱的媒介。岡比亞按蚊和埃及伊蚊是在約1.5億年前分道揚鑣的。美國印第安納圣母大學生物學家大衛·塞維遜參與了這兩種蚊子基因組的破譯，認為這是兩種迥然不同的蚊子。埃及伊蚊的基因組非常龐大，有13.8億個堿基對，是岡比亞按蚊基因組的5倍，約相當于人類基因組的三分之一。奇怪的是，雖然堿基對差異巨大，但這兩種蚊子有大致相似的基因數。雖然埃及伊蚊的基因組破譯并不會馬上產生巨大的實際作用，但未來的運用卻是前景廣闊，如防治黃熱病。而目前最為直接的作用是利用埃及伊蚊的基因表達類型來確定這種蚊子對殺蟲劑的耐藥性，以便控制它們。而傳統的篩查耐藥性的工作要依賴許多個體蚊子去測試許許多多的殺蟲劑。新的方法會大大加快測試的過程。

多種功能基因被發現

除了這些動物的基因組，研究人員還在動物身上發現了很多解釋生物生理功能的基因，對于了解人類和生物具有重要的意義。

如果手上長時間握有一塊冰或在寒冷的冬季長時間呆在室外，人就會由冷而感到疼痛。這是什么原因呢?現在研究人員在老鼠身上的實驗發現，一種蛋白質對此要負責任。這種蛋白叫做Nav1.8，此前已知這種蛋白對感知組織損傷有重要作用，也與炎癥反應和損傷的神經疼痛有關聯。德國埃爾蘭根－紐倫堡大學的生理學家凱瑟琳娜·齊默爾曼和其同事發現，如果小鼠缺少Nav1.8蛋白就會對源自寒冷的疼痛毫無感覺。把正常的小鼠放置于一個冷卻到零攝氏度的盤子，小鼠會不斷地跳起來并抬起它們的腳，但經過基因工程處理的缺少Nav1.8蛋白的小鼠在零度的盤子中卻不會這樣。原來，Nav1.8蛋白所起的作用是幫助鈉離子通過神經元的細胞膜，這個過程對信號沿神經纖維的傳遞，包括痛覺的信號傳遞非常重要。Nav1.8蛋白不同于其他類似的蛋白，在寒冷條件下反而活性良好，不會隨著溫度的下降而減少活性。因此，在寒冷的條件下，Nav1.8蛋白容易把痛覺傳遞給大腦。Nav1.8蛋白功能的發現為理解疼痛的機理和寒冷與痛覺的轉化提供了新的線索。

加拿大西蒙·弗雷澤大學的伯納德·克肖斯皮領導的團隊發現，人類精神分裂癥致病基因很可能賦予攜帶者某些優勢，從而受到自然選擇的青睞，并在人類中長期存在下來。研究人員檢測了76個同精神分裂癥有關的DNA序列，將這些序列相互比較，并且同黑猩猩和短尾猿等靈長類動物以及老鼠、母牛和狗的DNA序列作了比較。在76個基因中，有28個基因明顯是自然選擇的結果。相比于基因組中其他控制序列，它們更少發生變異，而且在有性生殖中，沒有出現明顯的基因隨機混合現象。這些證據表明，患有精神分裂癥的人可能更加具有創造力和想像力，生存能力更強，且更受異性歡迎。這可解釋為什么精神分裂癥沒有被進化動力消滅，反而被保存下來。

甚至是煙害也會滲透進我們的基因中。研究人員發現，重度抽煙者引起的基因表達改變即使在戒煙后還會持續很長時間。這個發現可能對以前吸煙者不斷增高的肺癌危險和肺部疾病提供分子學的解釋。吸煙者即使戒煙后數10年，其身體也在緩慢承受煙草帶來的損害，他們息肺癌和肺氣腫的危險仍然很高。加拿大英屬哥倫比亞癌癥研究中心的癌癥生物學家雷杰·查理等人進行了一項評估基因表達的研究，從4名從未吸煙者、8名現在吸煙者和12名前吸煙者的呼吸道提取組織細胞

進行分析。12名前吸煙者有32年的煙齡，現在戒煙一年。研究發現，吸煙者的某些改變了表達的基因與前吸煙者的水平一樣，但是有124個基因的表達并未達到正常水平。這些基因產生的幾種蛋白質與肺部疾病有關。比如，與細胞分裂周期相關的幾種基因在前吸煙者和現在吸煙者中表達水平低。而這與慢性支氣管炎和肺氣腫病人的呼吸道細胞分裂增殖率減少是相吻合的。同樣，編碼一些蛋白質(以修復DNA)的幾種基因在前吸煙者和現在吸煙者中也處于低水平的表達。查理認為，戒煙固然減少了患病的危險，但是這種危險并未減少到零。在這個研究中的前吸煙者都是重度吸煙，在長達30多年的時間中每天至少吸一包香煙，他們都呈現了慢性支氣管炎和肺氣腫的征兆。而基因表達的改變至少對他們的疾病要負主要責任。

美國北卡羅萊納州杜克大學的馮國平等人敲掉小鼠的一個稱為Sapap³(Sapap³蛋白質編碼)的基因，這種突變小鼠變得比正常小鼠更為焦慮并且強迫性地整理它們的面部，這種行為導致它們毛發脫落和皮膚受傷。當對小鼠服用治療人類的妄想性強迫癥的藥物后，它們的癥狀就消失了。但是，如果注射一種物質到突變小鼠的紋狀體內，又可讓它們的Sapap³基因還原，從而治好它們的強迫癥。因此，如果能確認人體內sapap³基因，就可以找到一種從分子水平治療強迫癥的方法。

美國麻薩諸塞州哈佛大學的安德魯·切西與其同事進行的研究發現，人類大量的基因很可能是單獨表達。單獨表達父親還是母親的基因取決于基因開關的隨機打開。如果某個基因被打開，一個人才能表達父親或母親，或者兩者的基因拷貝。切西和其同事在器皿中培育單個的人類免疫細胞，并讓這種細胞增殖。他們使用一種基因芯片區分由3939個基因產生的母體和父體的信使RNA(mRNA)的版本，從而分析數百萬個細胞。結果發現，約9％的基因有時只是一個拷貝開啟。所以，即使細胞有遺傳上的所有一致性，但有些是打開了母本基因，有些是開啟了父本基因，還有一些是父本母本基因都開啟了。這個發現對研究疾病的敏感性和其他生物特征有重要的作用。

德國馬克斯·普朗克人類認知和大腦科學研究所的蒂爾曼·克萊因等人發現，多巴胺D2受體突變基因決定著人們是否重復過去的錯誤。藥物成癮者、酗酒者和有強迫癥的賭徒比其他人更可能擁有這種基因突變，這使得前者的大腦中具有較少的特定類型的受體，因而容易屢次犯錯。

動物長壽基因的啟示

在發現許多功能基因的同時，研究人員還在動物身上發現了一些與長壽相關的基因。盡管這些長壽基因是動物身上的，但是對于人類是相當有意義的，至少人類可以借此探索自身的長壽機理。

美國研究人員創造了一種更為長壽的轉基因小鼠，原因在于它們缺少一種基因編碼的蛋白質。這種蛋白稱為腺苷酸環化酶5(AC5)，沒有了這種蛋白，身體對促進心跳的腎上腺素就較少敏感，因而對某些形式的壓力更有抵抗力。目前對衰老的研究主要集中于能量攝入限制，而敲掉一個心臟基因可能延長壽命的新發現卻是心臟研究的一個意外產物。美國新澤西醫療和牙科大學的新澤西醫學院的史蒂芬·瓦特納等人最初的研究是想試驗去掉AC5是否會讓心臟更健康。研究人員發現，缺少AC5的突變小鼠更能耐受由心臟內部壓力造成的心衰。但是，研究人員也發現，突變小鼠比普通小鼠活得更長。這種轉基因鼠比普通鼠壽命延長30％，而且不會患隨衰老而出現的心臟應急和骨胳退化。AC5能促進長壽是因為能減少化學反應形成的氧氣累積所致的傷創。身體新陳代謝耗氧形成的創傷被視為是衰老的原因。而AC5基因突變(缺失)則使另一種蛋白質ERK2增多，后者能調節氧化應急反應。而且，在酵母中增加ERK2蛋白也會讓酵母活得更長。這個發現為人類應對衰老提供了新的線索，比如研究抑制AC5的藥物，服用后可能讓人延年益壽。

與某些人類嚴重疾病相關的基因也可能與壽命有關。肌萎縮性脊髓側索硬化癥(ALS)是最為常見的運動神經元疾病，通常因脊椎中的神經元死亡所引發，嚴重時可導致肌肉萎縮和癱瘓，并且病人通常會在確診后3至5年內死亡。此病無法治愈，只能以藥物控制以緩解癥狀。其中一種藥物稱為利魯唑，能延長患者的生命幾個月。研究人員發現，老鼠的稱為SODl的基因內如果發生某種突變，則會產生ALS癥狀，而人的這種基因突變則會導致1％～2％的人患ALS，于是研究人員以這樣的老鼠為模型進行研究。SOD1基因是為兩種活性氧蛋白(Nox1和Nox2)編碼。美國依阿華大學的約翰·恩格爾哈德和其同事發現，如果老鼠缺少為Nox2蛋白編碼的基因(即不產生Nox2蛋白)，則會比有正常水平的Nox2蛋白的老鼠多活97天，共活229天。而No x2蛋白能產生較少的活性氧族。但是，如果缺少Nox2蛋白，小鼠則會產生漸進性的眼部感染，如果不治療則是致命的。這種原因現在還不清楚。同時，去除了為Nox1蛋白編碼的基因，老鼠也會多活33天。當然，這種發現主要是為治療ALS提供了新線索，也為生物延長壽命提供了新線索。

同樣，與癌癥相關的基因也可能與壽命相關。一種被稱為p⁵³的抑制癌癥的蛋白質現在也被視為保持年輕的基石。位于馬德里的西班牙國立癌癥研究中心的研究人員發現，擁有一種額外的能泵出這種蛋白的腫瘤殺傷基因的小鼠存活的時間比只有一個腫瘤殺傷基因的小鼠要長。同時前者在防御導致衰老的細胞損害方面也表現更好。這個發現意味著，設計一種能增加p53這種抑制劑的藥物能用于對人的抗衰老治療。

責任編輯張田勘