動(dòng)物基因組和功能基因的發(fā)現(xiàn)

劉寧寧

人類基因組今天已經(jīng)擴(kuò)大到對(duì)單個(gè)個(gè)人的基因組的描繪。與此同時(shí)，人類對(duì)其他動(dòng)物的基因組也有了較多的發(fā)現(xiàn)，包括破譯它們的基因組和發(fā)現(xiàn)各種功能基因。這不僅對(duì)生物保護(hù)、生物多樣性有幫助，而且有助于人類從動(dòng)物獲得啟示，為自己的健康、治病和長(zhǎng)壽服務(wù)。

獼猴、負(fù)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(cè)序。根據(jù)已測(cè)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(lái)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(rèn)為是于2500萬(wàn)年前的靈長(zhǎng)類中分化出來(lái)的。

2005年，科學(xué)家已經(jīng)完成了對(duì)人類最親近的表兄——黑猩猩基因組的破譯，發(fā)現(xiàn)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(gè)參照點(diǎn)，以此來(lái)比較人和黑猩猩的基因組。比如，如果研究人員發(fā)現(xiàn)人和黑猩猩之間的一個(gè)DNA差異，就可以在獼猴的基因組中對(duì)照，以計(jì)算出黑猩猩或人是否攜帶有更古老的DNA版本。此項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者、美國(guó)休斯頓的貝勒醫(yī)學(xué)院的喬治·溫斯塔克指出，當(dāng)破譯了一種靈長(zhǎng)類的基因組時(shí)，也就打開(kāi)了理解與人類有親密關(guān)系的一種動(dòng)物的生物學(xué)大門。這對(duì)未來(lái)使用于人的藥物研發(fā)和疾病治療都具有重大意義，同時(shí)對(duì)于進(jìn)化的研究也十分重要。

與此同時(shí)，研究人員也完成了對(duì)負(fù)鼠基因組測(cè)序。有著短灰尾的負(fù)鼠是有袋鼠類的一種，是研究人類疾病、生物發(fā)育和免疫學(xué)的一種極好的生物模式。正因?yàn)槿绱?，研究人員下大力完成了對(duì)其基因組的測(cè)序。來(lái)自美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)和加拿大的研究人員共同破譯了第一個(gè)有袋鼠類的基因組，由此人類現(xiàn)在已經(jīng)破譯的哺乳動(dòng)物基因組包括小鼠、大鼠、黑猩猩、獼猴和人自身。短尾負(fù)鼠是生活在南美的約60種樹(shù)居動(dòng)物的一種，主要是在玻利維亞、巴西和巴拉圭的森林中獨(dú)自生活。它更像嚙齒動(dòng)物而不像其澳洲的表兄考拉或袋鼠。短尾負(fù)鼠有18000至20000個(gè)編碼蛋白質(zhì)的基因，幾乎與人類編碼蛋白質(zhì)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(dòng)物與胎盤哺乳動(dòng)物(人類屬于后者)是于1.8億年前分化后各自進(jìn)化的。

因此，研究人員認(rèn)為，短尾負(fù)鼠基因組的破譯非常重要，因?yàn)樗商峁┍容^哺乳動(dòng)物進(jìn)化的重要參照點(diǎn)。短尾負(fù)鼠的絕大部分基因與其他胎盤類動(dòng)物具有一致性，但是有一些卻是有袋類動(dòng)物特有的。這些基因包括嗅覺(jué)感受、解毒和免疫系統(tǒng)。這些基因在負(fù)鼠適應(yīng)特殊的環(huán)境中扮演著重要角色。此外負(fù)鼠在脊髓損傷后有驚人的恢復(fù)能力，包括脊髓全部斷離后都能恢復(fù)，因而是研究疾病、免疫學(xué)和生物發(fā)育的一種極好模式。

2007年5月17日研究人員完成了對(duì)埃及伊蚊基因組測(cè)序，這是研究人員完成的第二種蚊子的基因組測(cè)序。埃及伊蚊基因組測(cè)序的完成有助于人們?cè)谖磥?lái)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(cè)序。這兩種蚊子的最大區(qū)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(yáng)鑣的。美國(guó)印第安納圣母大學(xué)生物學(xué)家大衛(wèi)·塞維遜參與了這兩種蚊子基因組的破譯，認(rèn)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(gè)堿基對(duì)，是岡比亞按蚊基因組的5倍，約相當(dāng)于人類基因組的三分之一。奇怪的是，雖然堿基對(duì)差異巨大，但這兩種蚊子有大致相似的基因數(shù)。雖然埃及伊蚊的基因組破譯并不會(huì)馬上產(chǎn)生巨大的實(shí)際作用，但未來(lái)的運(yùn)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(dá)類型來(lái)確定這種蚊子對(duì)殺蟲(chóng)劑的耐藥性，以便控制它們。而傳統(tǒng)的篩查耐藥性的工作要依賴許多個(gè)體蚊子去測(cè)試許許多多的殺蟲(chóng)劑。新的方法會(huì)大大加快測(cè)試的過(guò)程。

多種功能基因被發(fā)現(xiàn)

除了這些動(dòng)物的基因組，研究人員還在動(dòng)物身上發(fā)現(xiàn)了很多解釋生物生理功能的基因，對(duì)于了解人類和生物具有重要的意義。

如果手上長(zhǎng)時(shí)間握有一塊冰或在寒冷的冬季長(zhǎng)時(shí)間呆在室外，人就會(huì)由冷而感到疼痛。這是什么原因呢?現(xiàn)在研究人員在老鼠身上的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一種蛋白質(zhì)對(duì)此要負(fù)責(zé)任。這種蛋白叫做Nav1.8，此前已知這種蛋白對(duì)感知組織損傷有重要作用，也與炎癥反應(yīng)和損傷的神經(jīng)疼痛有關(guān)聯(lián)。德國(guó)埃爾蘭根－紐倫堡大學(xué)的生理學(xué)家凱瑟琳娜·齊默爾曼和其同事發(fā)現(xiàn)，如果小鼠缺少Nav1.8蛋白就會(huì)對(duì)源自寒冷的疼痛毫無(wú)感覺(jué)。把正常的小鼠放置于一個(gè)冷卻到零攝氏度的盤子，小鼠會(huì)不斷地跳起來(lái)并抬起它們的腳，但經(jīng)過(guò)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(huì)這樣。原來(lái)，Nav1.8蛋白所起的作用是幫助鈉離子通過(guò)神經(jīng)元的細(xì)胞膜，這個(gè)過(guò)程對(duì)信號(hào)沿神經(jīng)纖維的傳遞，包括痛覺(jué)的信號(hào)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(huì)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(jué)傳遞給大腦。Nav1.8蛋白功能的發(fā)現(xiàn)為理解疼痛的機(jī)理和寒冷與痛覺(jué)的轉(zhuǎn)化提供了新的線索。

加拿大西蒙·弗雷澤大學(xué)的伯納德·克肖斯皮領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，人類精神分裂癥致病基因很可能賦予攜帶者某些優(yōu)勢(shì)，從而受到自然選擇的青睞，并在人類中長(zhǎng)期存在下來(lái)。研究人員檢測(cè)了76個(gè)同精神分裂癥有關(guān)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(zhǎng)類動(dòng)物以及老鼠、母牛和狗的DNA序列作了比較。在76個(gè)基因中，有28個(gè)基因明顯是自然選擇的結(jié)果。相比于基因組中其他控制序列，它們更少發(fā)生變異，而且在有性生殖中，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的基因隨機(jī)混合現(xiàn)象。這些證據(jù)表明，患有精神分裂癥的人可能更加具有創(chuàng)造力和想像力，生存能力更強(qiáng)，且更受異性歡迎。這可解釋為什么精神分裂癥沒(méi)有被進(jìn)化動(dòng)力消滅，反而被保存下來(lái)。

甚至是煙害也會(huì)滲透進(jìn)我們的基因中。研究人員發(fā)現(xiàn)，重度抽煙者引起的基因表達(dá)改變即使在戒煙后還會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。這個(gè)發(fā)現(xiàn)可能對(duì)以前吸煙者不斷增高的肺癌危險(xiǎn)和肺部疾病提供分子學(xué)的解釋。吸煙者即使戒煙后數(shù)10年，其身體也在緩慢承受煙草帶來(lái)的損害，他們息肺癌和肺氣腫的危險(xiǎn)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(xué)家雷杰·查理等人進(jìn)行了一項(xiàng)評(píng)估基因表達(dá)的研究，從4名從未吸煙者、8名現(xiàn)在吸煙者和12名前吸煙者的呼吸道提取組織細(xì)胞

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

美國(guó)北卡羅萊納州杜克大學(xué)的馮國(guó)平等人敲掉小鼠的一個(gè)稱為Sapap³(Sapap³蛋白質(zhì)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(qiáng)迫性地整理它們的面部，這種行為導(dǎo)致它們毛發(fā)脫落和皮膚受傷。當(dāng)對(duì)小鼠服用治療人類的妄想性強(qiáng)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(zhì)到突變小鼠的紋狀體內(nèi)，又可讓它們的Sapap³基因還原，從而治好它們的強(qiáng)迫癥。因此，如果能確認(rèn)人體內(nèi)sapap³基因，就可以找到一種從分子水平治療強(qiáng)迫癥的方法。

美國(guó)麻薩諸塞州哈佛大學(xué)的安德魯·切西與其同事進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，人類大量的基因很可能是單獨(dú)表達(dá)。單獨(dú)表達(dá)父親還是母親的基因取決于基因開(kāi)關(guān)的隨機(jī)打開(kāi)。如果某個(gè)基因被打開(kāi)，一個(gè)人才能表達(dá)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(gè)的人類免疫細(xì)胞，并讓這種細(xì)胞增殖。他們使用一種基因芯片區(qū)分由3939個(gè)基因產(chǎn)生的母體和父體的信使RNA(mRNA)的版本，從而分析數(shù)百萬(wàn)個(gè)細(xì)胞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，約9％的基因有時(shí)只是一個(gè)拷貝開(kāi)啟。所以，即使細(xì)胞有遺傳上的所有一致性，但有些是打開(kāi)了母本基因，有些是開(kāi)啟了父本基因，還有一些是父本母本基因都開(kāi)啟了。這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)研究疾病的敏感性和其他生物特征有重要的作用。

德國(guó)馬克斯·普朗克人類認(rèn)知和大腦科學(xué)研究所的蒂爾曼·克萊因等人發(fā)現(xiàn)，多巴胺D2受體突變基因決定著人們是否重復(fù)過(guò)去的錯(cuò)誤。藥物成癮者、酗酒者和有強(qiáng)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(cuò)。

動(dòng)物長(zhǎng)壽基因的啟示

在發(fā)現(xiàn)許多功能基因的同時(shí)，研究人員還在動(dòng)物身上發(fā)現(xiàn)了一些與長(zhǎng)壽相關(guān)的基因。盡管這些長(zhǎng)壽基因是動(dòng)物身上的，但是對(duì)于人類是相當(dāng)有意義的，至少人類可以借此探索自身的長(zhǎng)壽機(jī)理。

美國(guó)研究人員創(chuàng)造了一種更為長(zhǎng)壽的轉(zhuǎn)基因小鼠，原因在于它們?nèi)鄙僖环N基因編碼的蛋白質(zhì)。這種蛋白稱為腺苷酸環(huán)化酶5(AC5)，沒(méi)有了這種蛋白，身體對(duì)促進(jìn)心跳的腎上腺素就較少敏感，因而對(duì)某些形式的壓力更有抵抗力。目前對(duì)衰老的研究主要集中于能量攝入限制，而敲掉一個(gè)心臟基因可能延長(zhǎng)壽命的新發(fā)現(xiàn)卻是心臟研究的一個(gè)意外產(chǎn)物。美國(guó)新澤西醫(yī)療和牙科大學(xué)的新澤西醫(yī)學(xué)院的史蒂芬·瓦特納等人最初的研究是想試驗(yàn)去掉AC5是否會(huì)讓心臟更健康。研究人員發(fā)現(xiàn)，缺少AC5的突變小鼠更能耐受由心臟內(nèi)部壓力造成的心衰。但是，研究人員也發(fā)現(xiàn)，突變小鼠比普通小鼠活得更長(zhǎng)。這種轉(zhuǎn)基因鼠比普通鼠壽命延長(zhǎng)30％，而且不會(huì)患隨衰老而出現(xiàn)的心臟應(yīng)急和骨胳退化。AC5能促進(jìn)長(zhǎng)壽是因?yàn)槟軠p少化學(xué)反應(yīng)形成的氧氣累積所致的傷創(chuàng)。身體新陳代謝耗氧形成的創(chuàng)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(zhì)ERK2增多，后者能調(diào)節(jié)氧化應(yīng)急反應(yīng)。而且，在酵母中增加ERK2蛋白也會(huì)讓酵母活得更長(zhǎng)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)為人類應(yīng)對(duì)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(yán)重疾病相關(guān)的基因也可能與壽命有關(guān)。肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥(ALS)是最為常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病，通常因脊椎中的神經(jīng)元死亡所引發(fā)，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致肌肉萎縮和癱瘓，并且病人通常會(huì)在確診后3至5年內(nèi)死亡。此病無(wú)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(zhǎng)患者的生命幾個(gè)月。研究人員發(fā)現(xiàn)，老鼠的稱為SODl的基因內(nèi)如果發(fā)生某種突變，則會(huì)產(chǎn)生ALS癥狀，而人的這種基因突變則會(huì)導(dǎo)致1％～2％的人患ALS，于是研究人員以這樣的老鼠為模型進(jìn)行研究。SOD1基因是為兩種活性氧蛋白(Nox1和Nox2)編碼。美國(guó)依阿華大學(xué)的約翰·恩格爾哈德和其同事發(fā)現(xiàn)，如果老鼠缺少為Nox2蛋白編碼的基因(即不產(chǎn)生Nox2蛋白)，則會(huì)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(chǎn)生較少的活性氧族。但是，如果缺少Nox2蛋白，小鼠則會(huì)產(chǎn)生漸進(jìn)性的眼部感染，如果不治療則是致命的。這種原因現(xiàn)在還不清楚。同時(shí)，去除了為Nox1蛋白編碼的基因，老鼠也會(huì)多活33天。當(dāng)然，這種發(fā)現(xiàn)主要是為治療ALS提供了新線索，也為生物延長(zhǎng)壽命提供了新線索。

同樣，與癌癥相關(guān)的基因也可能與壽命相關(guān)。一種被稱為p⁵³的抑制癌癥的蛋白質(zhì)現(xiàn)在也被視為保持年輕的基石。位于馬德里的西班牙國(guó)立癌癥研究中心的研究人員發(fā)現(xiàn)，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(shí)間比只有一個(gè)腫瘤殺傷基因的小鼠要長(zhǎng)。同時(shí)前者在防御導(dǎo)致衰老的細(xì)胞損害方面也表現(xiàn)更好。這個(gè)發(fā)現(xiàn)意味著，設(shè)計(jì)一種能增加p53這種抑制劑的藥物能用于對(duì)人的抗衰老治療。

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