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學獎聯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”。

歷史與現實的交匯

2007年的諾貝爾生理學或醫學獎獎勵的是關于哺乳動物胚胎干細胞和DNA重組的開創性發現。上述三位科學家的發現導致了一種極其強大的創新技術，稱為老鼠基因打靶。如今，這項技術實際上已經應用到生物醫學的所有領域，從基礎技術到研發新治療方法。

基因打靶經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”實驗已經讓人們弄清了胚胎發育、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。基因打靶也已經產生了500多種不同的人類疾病的老鼠模型，包括心血管病、神經退化性疾病、糖尿病和癌癥等。

人一生的生長發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。最初史密斯的工作則是試圖修復人體細胞的突變基因。他曾認為，通過修復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，史密斯發現，內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，伊萬斯轉而探索替換EC細胞，結果發現，從早期的老鼠胚胎可以直接創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，結果產生了“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合。而“馬賽克胚胎”能由代理母鼠攜帶并分娩產生后代。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。根據孟德爾定律，這些基因現在是能夠遺傳下去的。

驚人的成果

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

更大的成功體現于Es細胞的基因同源重組。1986年，所有條件都成熟了，能夠產生第一代基因打靶的ES細胞。卡佩奇和史密斯已經證明，在培養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現了把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移酶基因)，因為它易于鑒別。這種基因導致一種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，還包括神經系統障礙，如舞蹈癥、智能低下、痙攣、自殘及泌尿系統的結石等等。

卡佩奇為這種基因打靶制定了戰略并研發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細胞的同源重組產生靶向基因老鼠的報道首次出現。此后，基因敲除老鼠的報道就呈指數式地上升。因此，基因打靶開創了一種高度多功能的技術。如今，在發育動物和成年動物中這項技術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生物醫學研究項目都在使用基因打靶的方法。總體上講，基因打靶可以讓我們理解哺乳動物胎兒發育中成千上萬的基因的作用。

但是，分別地講，卡佩奇的研究還發現參與哺乳動物器官發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——他研發了幾種模型，并且把這些模型應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、動脈硬化等設計了無數的老鼠模型。

總之，今天，老鼠基因打靶遍及于生物醫學的各個領域。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學獎，獎金為1000萬瑞典克朗(約合154萬美元)。

責任編輯 張田勘