基因打靶获诺奖

瑞典卡罗林斯卡研究院于2007年10月8日做出决定，把2007年诺贝尔生理学或医学奖联合授予美国的马里奥·R·卡佩奇(MarioR，Capecchi)、英国的马丁·J·伊万斯(MartinJ.Evan s)和美国的奥利佛·史密斯(01iverSmithies)，因为他们发明了“利用胚胎干细胞对小鼠引进特异性基因修饰的原理”。

　　

　　历史与现实的交汇

　　

　　2007年的诺贝尔生理学或医学奖奖励的是关于哺乳动物胚胎干细胞和DNA重组的开创性发现。上述三位科学家的发现导致了一种极其强大的创新技术，称为老鼠基因打靶。如今，这项技术实际上已经应用到生物医学的所有领域，从基础技术到研发新治疗方法。

　　基因打靶经常用于不活跃的单基因，也就是一种基因“淘汰”。这种基因“淘汰”实验已经让人们弄清了胚胎发育、成人生理、衰老和疾病的大量基因的角色。时至今日，老鼠的10000多基因(大约是哺乳动物基因组的一半)被敲除(实际上是使其灭活)。而且，全球研究人员持续不断的研究将在不久的将来通过“基因敲除小鼠”弄清所有基因的功能。

　　现在，利用基因打靶几乎可以对小鼠进行任何类型的DNA修饰，因而能让科学家弄清生命(物)个体的健康和疾病的基因角色。基因打靶也已经产生了500多种不同的人类疾病的老鼠模型，包括心血管病、神经退化性疾病、糖尿病和癌症等。

　　人一生的生长发育和身体功能的信息是由DNA携带的。人类的DNA则包裹在染色体中。它们是成对出现的，一条遗传自父亲，另一条源自母亲。在这种双倍染色体中的DNA序列的改变增加了人们遗传的突变，而且是由一种称为同源重组的过程出现的。

　　所谓同源重组是指，只要两条DNA序列相同或接近，重组就可在此序列的任何一点发生。这种同源重组的过程在生物进化的过程中保存了下来。乔舒亚·莱德伯格(Joshua Lederberg)于50多年前进行的细菌研究证实了这一点，他因而与其他2名科学家共同获得1958年的诺贝尔生理学或医学奖。

　　

　　研究的思路

　　

　　马里奥·R·卡佩奇和奥利佛·史密斯两人都意识到，同源重组可以用到哺乳动物细胞特异性的基因修饰上，而且他们朝着这个目标进行了坚持不懈的研究。卡佩奇证明，同源重组可以发生在引进的DNA与哺乳动物细胞的染色体之间。他同时证实，缺陷基因可以通过与引进的基因进行同源重组而得到修复。最初史密斯的工作则是试图修复人体细胞的突变基因。他曾认为，通过修复骨髓干细胞的导致疾病的突变可以治疗特定的遗传性血液病。在这种思路之下，史密斯发现，内源性基因可以像靶子一样打掉(灭活)而不论其活性如何。这提示，所有基因都可以通过同源重组而获得修饰。

　　为了用同源重组修饰细胞的基因，从而达到治疗疾病的目的，必须找到适合的细胞进行研究。但是，卡佩奇和史密斯当初研究的细胞类型并不能用于创建基因打靶的动物。这就需要另一种类型的细胞，也就是能产生胚胎的细胞。只有这样，DNA修饰才能遗传下去。

　　而伊万斯的工作开拓了卡佩奇和史密斯的研究。伊万斯是研究老鼠胚胎癌细胞(Ec)的，尽管这种细胞来源于肿瘤，但也几乎可以生成其他任何类型的细胞。于是，他提出了一种思路，用EC细胞作为工具来引进遗传物质到老鼠的生殖细胞中。最初，由于EC细胞携带了异常的染色体而且不能导致生殖细胞的形成，他的研究没有成功。但是，伊万斯转而探索替换EC细胞，结果发现，从早期的老鼠胚胎可以直接创建染色体机能正常的细胞。如今，这些细胞被称为胚胎干细胞(ES细胞)。

　　而下一步的研究就是要弄清ES细胞是否能促成生殖细胞的产生。于是，他们把一个种系的老鼠的Es细胞注入到另一个种系的老鼠的胚胎，结果产生了“马赛克胚胎”。所谓“马赛克胚胎”是指两种种系的生殖细胞的结合。而“马赛克胚胎”能由代理母鼠携带并分娩产生后代。而且“马赛克后代”交配繁殖后，它们的后代也能探查到Es细胞衍生的基因。根据孟德尔定律，这些基因现在是能够遗传下去的。

　　

　　惊人的成果

　　

　　有了这些结果后，伊万斯从遗传上修改Es细胞，为此需要选择逆转录病毒作为载体，因为只有逆转录病毒才能把ES细胞整合到老鼠染色体中。伊万斯证明，通过“马赛克老鼠”能让逆转录病毒把Es细胞的DNA转移到老鼠的生殖细胞(染色体)中。最后，伊万斯用Es细胞生产了携带新的遗传物质的小鼠。

　　更大的成功体现于Es细胞的基因同源重组。1986年，所有条件都成熟了，能够产生第一代基因打靶的ES细胞。卡佩奇和史密斯已经证明，在培养的细胞中通过同源重组可以对基因打靶。而伊万斯的贡献则在于发现了把Es细胞的DNA送达老鼠胚胎的工具。下一步就是把这两者结合起来。

　　最初，卡佩奇和史密斯选择的是一种称为hprt的基因(次黄嘌呤磷酸核糖基转移酶基因)，因为它易于鉴别。这种基因导致一种罕见的人类遗传疾病，称为雷一纳氏综合征(Lesch—Nyhansyndrome)，又称先天性高尿酸血症综合征。临床症状除了痛风外，还包括神经系统障碍，如舞蹈症、智能低下、痉挛、自残及泌尿系统的结石等等。

　　卡佩奇为这种基因打靶制定了战略并研发了一种新的正负双向选择的方法，可以在老鼠身上代代使用。1989年，利用ES细胞的同源重组产生靶向基因老鼠的报道首次出现。此后，基因敲除老鼠的报道就呈指数式地上升。因此，基因打靶开创了一种高度多功能的技术。如今，在发育动物和成年动物中这项技术都可引进到特定时间点，或特异细胞和器官被激活的基因突变，由此开拓了健康和疾病研究的新天地。

　　现在，几乎哺乳动物生理的各个方面都可以用基因打靶来研究，许多研究团队和无数生物医学研究项目都在使用基因打靶的方法。总体上讲，基因打靶可以让我们理解哺乳动物胎儿发育中成千上万的基因的作用。

　　但是，分别地讲，卡佩奇的研究还发现参与哺乳动物器官发育以及参与描绘身体蓝图的基因的角色。他的研究让人们弄清了人类几种天生畸形的原因。

　　伊万斯则把基因打靶应用到建立人类疾病的老鼠模型上。比如，对于一种人的遗传病——囊性纤维变性——他研发了几种模型，并且把这些模型应用到研究疾病的机理，以及测试基因治疗的效果。

　　史密斯也利用基因打靶创建了一些人类遗传病的老鼠模型，如囊性纤维变性和血液病——地中海贫血。而且，他还为普通的人类疾病，如高血压、动脉硬化等设计了无数的老鼠模型。

　　总之，今天，老鼠基因打靶遍及于生物医学的各个领域。它影响到我们对基因功能的理解，也造福于人类，这些作用在未来还会持续地增长。

　　由于三位科学家的杰出成就，他们将分享2007年的诺贝尔生理学或医学奖，奖金为1000万瑞典克朗(约合154万美元)。

　　

　　责任编辑　张田勘