尋找致癌基因

王厚斌

隨著分子生物學的興起，科學家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了致癌基因、抑癌基因，人們逐漸了解了癌癥發(fā)生的大概輪廓，癌癥的秘密才被逐漸揭開。

基因是生命的操縱者和調(diào)控者，一切生命的存在或衰亡形式都是由基因決定的?；蚴菙y帶有遺傳信息的DNA序列，而DNA由—對對堿基(AT，CG)排列組成，人類擁有30億個字母組合。甚至DNA長度的微小變化，都可以對一個人的健康產(chǎn)生災難性的后果；遺傳因子的變化，可能造就一位杰出的政治家、科學家、音樂大師、體育名將。

在人類與疾病抗爭的幾千年里，20世紀是一個成就輝煌的時代?？股氐陌l(fā)明和應用，使全人類平均壽命提高10年以上，被公認是20世紀最偉大的成就之一。細菌導致的感染性疾病的死亡率銳減，而癌癥的致死率正隨著全世界工業(yè)化進程的加速而上升。癌癥靜悄悄地降臨，沒有預警，難以治愈，人們聞癌色變。

20世紀30年代，人們才發(fā)現(xiàn)某些化學物質(zhì)(煤焦油等苯吡物)或X射線可以致癌。隨著分子生物學的興起，癌癥的秘密才被逐漸揭開，而上世紀80年代才有實質(zhì)性突破。隨著致癌基因、抑癌基因陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，人們逐漸了解了癌癥發(fā)生的大概輪廓并將最終破解癌癥的秘密。通過對癌癥發(fā)生過程的了解，科學家可以找出檢查與預防癌癥的方法甚至找到有效的治療方式。

下面為大家講述一些揭開癌癥之謎的科學往事。這些往事傳達了科學家對科學探索的好奇心和渴望改變這個世界的真誠愿望。

圣戰(zhàn)：尋找乳腺癌基因

瑪麗-克萊爾·金(Mary－Claire King)一生有三大著名成就：發(fā)現(xiàn)了乳腺癌基因(BRCA1，BRCA2)；證明人類和大猩猩在遺傳學上有99％的同源性；通過基因序列分析找到人權受害者(協(xié)助人權組織尋找到阿根廷被拐賣兒童的下落)。

金在20歲時從卡里頓學院數(shù)學專業(yè)畢業(yè)，在導師威爾森(分子時鐘理論的創(chuàng)始人，因證明人類起源于一個共同的非洲母親而舉世聞名)的建議下，她從數(shù)學轉(zhuǎn)向遺傳學研究，并于1973年在加州大學伯克利分校獲得遺傳學和流行病學博士學位。她博士學位的工作主要是通過人類和大猩猩的蛋白質(zhì)序列比較研究，發(fā)現(xiàn)兩者有99％的同源性。這個著名結(jié)論震撼了學術界，今天已經(jīng)被寫進教科書。

在加州大學舊金山分校完成博士后工作，她回到母校伯克利分校任遺傳學和流傳病學教授。在伯克利任教期間(1973～1990年)，通過對1579位遺傳性乳腺癌患者的基因分析，金指出人類的第17號染色體上存在乳腺癌基因(后來克隆到著名的BRCAI基因)，是所有5％～10％遺傳性乳腺癌和宮頸癌(人們以前認為乳腺癌是一種多基因病)的元兇。金發(fā)現(xiàn)乳腺癌基因后，全世界范圍掀起尋找其他疾病基因的狂潮。

金發(fā)明的尋找BRCA1基因的方法(基因遺傳標記)被成功用于其他疾病基因的研究，后來又如法炮制發(fā)現(xiàn)了BRCA2基因。關于精確定位和克隆BRCA1基因的圣戰(zhàn)進行得如火如荼(金尋找BRCA1基因近20年)，同時全球最頂尖的分子生物學家都參與到尋找乳腺癌基因的競賽中，最終由猶他大學的馬克·斯考尼可教授(MarkSkolnick)搶先成功定位BRCA1在染色體上的具體位置，從而結(jié)束了這場20世紀競爭最激烈的尋找疾病基因的科學競賽。

雖然金在準確定位BRCA1基因的位置上落了下風，甚至丈夫也在最艱難的時刻離開了，但她并未消沉，至今還活躍在學術界。她發(fā)現(xiàn)的BRCA1基因具有劃時代意義：一直被認為是多基因作用的乳腺癌原來是由單個基因功能缺陷引起的，并為后來尋找疾病基因奠定了方法學基礎。

遺傳學主要用于單基因疾病的研究比如血友病。對于包括多種遺傳因素和環(huán)境因素引起的疾病研究，主流學術界并不認為經(jīng)典遺傳學有用武之地。金的發(fā)現(xiàn)擴展了對人類遺傳學的認識。

尋找基因組守護神

20世紀80年代以前，人們普遍認為癌癥是因為人體的免疫系統(tǒng)失調(diào)或者病毒引起的，但這不能解釋細胞過度生長的原因(大量有害的復制引發(fā)癌癥)。約翰-霍普金斯大學的伯特·渥格斯坦教授(Berr Vogelstein)猜測癌癥發(fā)病的關鍵在于基因組DNA。他的猜測得到證實：原子彈的受害者容易罹患癌癥，而且他們的DNA序列都發(fā)生很大的變化，即輻射會破壞DNA而引發(fā)癌癥；甚至患病的女性在接受輻射治療后更容易并發(fā)癌癥。

伯特教授懷疑細胞在多個基因發(fā)生突變或功能紊亂后才轉(zhuǎn)化為失去控制的癌細胞，因為大部分癌癥都是在中老年才發(fā)病。他和當時的一些科學家指出視網(wǎng)膜瘤的發(fā)生可能是因為患者的染色體上的部分DNA缺失造成的。1983年，伯特教授和合作者利用新遺傳標記發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜瘤患者的部分染色體確實消失了。據(jù)此，伯特教授認為消失的那部分染色體可以抑制細胞發(fā)生癌變。

20世紀80年代的美國正面臨結(jié)腸癌高發(fā)的衛(wèi)生問題，伯特教授和博士后埃里克·費榮(EricFearon)發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌患者第17對染色體(人類共23對染色體)上的遺傳標記消失了。而早在1979年，普林斯頓大學的阿諾·列文(ArnoldLevine)和大衛(wèi)·藍恩(DavidLane)在研究動物病毒是否在小鼠體內(nèi)引起癌癥時，無意間發(fā)現(xiàn)了p53蛋白可能在癌癥發(fā)生過程中起某種主要作用。而p53正好位于引起癌癥的遺傳標記區(qū)域中間，伯特教授和學生們驗證發(fā)現(xiàn)，p53突變會極大地促進癌癥的發(fā)生。

后來大量的研究發(fā)現(xiàn)，突變的p53和50余種癌癥密切相關，該基因正常時，則抑制癌癥的發(fā)生。鑒于p53具有重大的生命意義，作為p53的首次發(fā)現(xiàn)者，阿諾·列文正式Np53命名為“基因組守護神”。

尋找基因組校對員

生命的宏觀表現(xiàn)為生命的誕生、成長、衰老和死亡，生命的微觀本質(zhì)則是DNA復制。通過DNA復制來維持遺傳信息的傳遞和生命自身單個細胞的更新?lián)Q代。每天都有很多細胞悄悄地衰老、死去，又有很多細胞誕生，這個過程在生命過程中此消彼長。而遺傳信息的復制，不可避免要面對很多不利的環(huán)境，會產(chǎn)生很多錯誤的DNA信息。錯誤的信息必須被及時清除，否則會產(chǎn)生功能缺陷的基因(發(fā)生突變)，造成基因組不穩(wěn)定，間接引起癌癥。

科學家很早就懷疑，人類基因組DNA中存在某種校對員，負責校對龐大的DNA復制工作，使得細胞分裂時遺傳信息被精確地復制出來。但無法確定這種校對員是否存在，這種校對員的任務是如何執(zhí)行的也毫無線索。

DNA的校對系統(tǒng)(錯配修復)最初是由研究細菌DNA復制的微生物學家發(fā)現(xiàn)的，理查·科洛勒(Richard D.Kolodner)在加州大學歐文分校研究生學習階段進入這個領域，后來在哈佛大學做博士后期間繼續(xù)從事相關研究。理查于1989年在酵母里發(fā)現(xiàn)了基因組校對員(一種錯配修復基因)，他的發(fā)現(xiàn)受到科學界的好評。在分子生物學剛剛起步階段，有如此發(fā)現(xiàn)，對一個年輕人而言，難度可想而知。

理查在1993年前后從小鼠里分離到類似細菌的基因組校對員(即同源基因)，表明可能所有的哺乳動物都存在基因組校對員來維持基因組的穩(wěn)定。

遺傳性非息肉結(jié)腸癌(HNPPC)是一種家族性結(jié)腸癌。伯特教授的研究表明人類第2號染色體上存在HNPPC致癌基因，并且注意到該致癌基因的遺傳標記在不同病ADNA上有斷裂或變化，具有遺傳不穩(wěn)定性。他發(fā)表的論文提到的DNA不穩(wěn)定性，給了理查教授很大的靈感。理查教授帶領學生采用最新技術(定位克隆技術)確認變壞的基因校對員正是HNPPC的致癌基因(即該基因發(fā)生突變才是致癌基因)。

在理查教授的研究結(jié)果發(fā)表前夕，伯特教授聽說理查可能已經(jīng)找到了HNPPC的致癌基因，而伯特教授也在同時用另外一種方法找到了這個變壞的基因組校對員。他們的研究結(jié)果先后發(fā)表在1993年12月的《細胞》上，《細胞》的編輯為兩位偉大的科學家同時舉行了新聞發(fā)布會，告訴全世界，兩個小組同時找到了遺傳性非息肉性結(jié)腸癌的致癌基因。

有趣的是，兩位科學家又在遺傳性結(jié)腸癌家族中同時找到第二個基因組校對員，他們二度打成平手。

尋找“腫瘤抑制基因之母”

英國科學家大衛(wèi)·比奇(David Beach)20世紀80年代在冷泉港主要從事細胞周期方面的研究工作，并首次發(fā)現(xiàn)參與調(diào)控細胞生長的蛋白質(zhì)p16和p21。比奇發(fā)表在《自然》上的研究報告指出，p16參與細胞生長負調(diào)控。但當時比奇并不知道p16是一種重要的腫瘤抑癌基因。

成立于1991年的米利亞德基因公司(Myriad Genetics)，首席執(zhí)行官正是猶他大學的馬克·斯考尼可教授(Mark Skolnick)，該公司當時參與到尋找乳腺癌致癌基因的激烈競賽中，試圖開發(fā)出基于基因的醫(yī)療和分子診斷產(chǎn)品。1994年1月，公司的研究員亞歷山大·坎穆(Alexander Kamb)在尋找黑色素瘤致癌基因時，發(fā)現(xiàn)了該致癌基因的染色體具體位置并通過當時最先進的分子生物學技術克隆得到了這個基因。通過序列分析對已有的基因數(shù)據(jù)庫進行搜索時發(fā)現(xiàn)，黑色素瘤的致癌基因竟是編碼突變的p16!

斯考尼可教授課題組發(fā)現(xiàn)在肺癌、乳腺癌、腦癌、骨癌、皮膚癌、膀胱癌、腎癌、宮頸癌和淋巴瘤細胞中，都有和黑色素瘤類似的染色體缺失，且均是同一個基因缺失。根據(jù)比奇對p16的功能描述，斯考尼可教授斷定p16是一個異常重要的抑癌基因。為示區(qū)別和出于商業(yè)目的考慮，斯考尼可教授將自己發(fā)現(xiàn)的基因命名為MTSI，昵稱叫“腫瘤抑制基因之母”。

后來的研究也證實p16的確是一個抑癌基因，而p16的主要發(fā)現(xiàn)者坎穆也因此成為學術界的一顆新星。

尋找致癌基因的啟示

為了尋找致癌基因和抑癌基因，科學家們展開了驚心動魄的角逐，甚至有的不惜花費近20年時間解開致癌基因的秘密。從他們的成就不難看出，淵博的知識，完美的合作、交流，運籌帷幄，求真的科學精神(大膽假設，小心求證)是他們克服科學難題的法寶。

所謂時勢造英雄，20世紀80年代正好是分子生物學技術飛速發(fā)展的時代，定位克隆技術、聚合酶鏈式反應技術等也對加速研究成果的發(fā)現(xiàn)起了非常重要的作用。直到今天，癌癥的研究還在繼續(xù)，大師們征戰(zhàn)的步伐也從未停To這是人們探索癌癥的秘密的開始，為癌癥的預防、診斷、治療提供了偉大的開端，具有劃時代的意義。

生命系統(tǒng)異常復雜，關于生命科學的研究也非常廣泛，還有更多的奧秘在等待全人類的智慧去揭開!