基因科學(xué)研究動態(tài)

趙貴英，張樹庸

·特載·

基因科學(xué)研究動態(tài)

趙貴英，張樹庸

2011 年，基因科學(xué)研究不斷向前發(fā)展，筆者僅就和醫(yī)學(xué)有關(guān)的基因測序，新基因和新功能的發(fā)現(xiàn)，基因的應(yīng)用研究等加以總結(jié)，供讀者參考。

1　基因測序方面

美國科學(xué)家首次繪制出了人體胚胎干細(xì)胞內(nèi)一個名為5-羥甲基胞嘧啶（5hmC）的修飾因子的全基因圖譜。5hmC在一些被打開或激活的基因內(nèi)出現(xiàn)的頻率非常高，最新研究將有助于癌癥的控制。研究論文發(fā)表在美國《基因組生物學(xué)》雜志上。

科學(xué)家表示，癌癥通常是由于某些基因（比如腫瘤抑制基因）被不正確地關(guān)閉或發(fā)生了變異，或者一些本來應(yīng)該被關(guān)閉的基因被打開了而引發(fā)的，對特定基因進(jìn)行調(diào)控會大大影響癌癥的惡化進(jìn)程。新發(fā)現(xiàn)的 5hmC 由 DNA 的堿基胞嘧啶添加一個甲基接著再添加一個羥基所形成，在胞嘧啶上新形成這個羥甲基有潛力打開和關(guān)閉某一個基因，但它身處基因組內(nèi)何處，目前還不知道。理解 5hmC 如何工作以及在何處起作用，才能更好地理解基因如何關(guān)閉和打開，進(jìn)而研發(fā)出控制基因調(diào)節(jié)的新方法。因此，最新發(fā)現(xiàn)對癌癥控制非常重要。

據(jù)美國麻省理工學(xué)院出版的《技術(shù)評論》雜志 2011 年4 月 13 日報道，艾倫腦科學(xué)研究所的科學(xué)家繪制出了兩個迄今最完整的人腦基因圖譜，為神經(jīng)科學(xué)研究提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。人腦基因圖譜提供的數(shù)據(jù)將被廣泛用于帕金森癥、精神分裂癥、多發(fā)硬化癥甚至肥胖等與神經(jīng)障礙和認(rèn)知功能有關(guān)的疾病的研究，以及探究健康大腦如何工作。

科學(xué)家將相關(guān)數(shù)據(jù)編制成“艾倫人腦圖譜”數(shù)據(jù)庫，該圖譜除了顯著標(biāo)識出人類基因圖譜中的每個基因在大腦的何處表達(dá)之外，還涵蓋了大腦核磁共振成像（MRI）和核磁共振彌散張量成像（DTI）提供的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)顯示出人腦之間的相似度高達(dá) 94％，至少 82％ 人類基因都會在大腦中表達(dá)。此項工作意義重大，可以幫助科學(xué)家和醫(yī)學(xué)工作者更好地理解各種精神疾病和大腦疾病，并研發(fā)出新的藥物和治療方法。

2　新基因的發(fā)現(xiàn)及其相關(guān)功能研究

美國科研人員 2011 年 4 月 3 日宣布，他們發(fā)現(xiàn)了與阿爾茨海默癥相關(guān)的 4 個基因，這為了解這一疾病的起因和研發(fā)有效的治療藥物提供了新線索。這項研究是由來自44 所美國大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的科研人員共同完成的，研究成果刊登在英國《自然遺傳學(xué)》雜志上。

這次研究所涉及的調(diào)查對象共達(dá) 5.4 萬人?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)了與阿爾茨海默癥相關(guān)的 4 個基因，名字分別為MS4A、CD33、CD2AP 和 EPHAI。加上新發(fā)現(xiàn)的 4 個基因，目前已知的與阿爾茨海默癥相關(guān)的基因總數(shù)已達(dá)到10 個，其他相關(guān)基因有 E-e4、APOE-e4、CRI 以及 CLU等?？蒲腥藛T指出，基因研究所取得的成果對今后防治阿爾茨海默癥意義重大，研究人員據(jù)此了解這一疾病的起因，并對潛在的患者進(jìn)行檢查，以便在癥狀尚未出現(xiàn)時就及時采取防治措施。

法國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一個名為 DCC 的基因可通過誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡來抑制結(jié)腸和直腸癌發(fā)展，從而起到預(yù)防和治療癌癥的效果。科研人員指出，當(dāng) DCC 基因通過正常表達(dá)，阻止其指導(dǎo)合成的受體蛋白質(zhì)與神經(jīng)軸突導(dǎo)向分子 netrin-1結(jié)合，相關(guān)細(xì)胞就會收到誘導(dǎo)死亡的信號，隨后該細(xì)胞逐漸凋亡。但如果 DCC 基因無法正常表達(dá)，導(dǎo)致上述受體蛋白質(zhì)與神經(jīng)軸突導(dǎo)向分子相結(jié)合，有關(guān)細(xì)胞就會繼續(xù)存活，甚至異常增殖。研究者通過老鼠實驗發(fā)現(xiàn)，如果老鼠的 DCC基因由于變異而喪失表達(dá)功能，那么這種老鼠就會患上結(jié)腸癌。目前，研究人員已經(jīng)研制出幾種能激活 DCC 基因并誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡的藥物，在一些動物身上已實驗成功，希望3 年后能對這些藥物進(jìn)行人類臨床試驗。

美國麻省理工學(xué)院研究神經(jīng)的科學(xué)家找到了控制記憶形成過程的主基因，并揭示了一些支持記憶形成的分子。研究人員指出，該發(fā)現(xiàn)有助于最終找到記憶在大腦中的位置，相關(guān)論文發(fā)表在美國《科學(xué)》雜志上。研究顯示，在面對新事件時，一種名為 Npas4 的基因會立刻打開，而在海馬體腦區(qū)，該基因尤其活躍。Npas4 是一種轉(zhuǎn)錄因子，Npas4 會打開一系列其他基因，把經(jīng)歷和腦線路的最終改變結(jié)合起來。研究人員認(rèn)為，Npas4 是作為一種最初的起動器，它可依次激活位于腦中各個適當(dāng)位置的所有其他下游靶標(biāo)，最終它們會通過改變突觸抑制的方式或者其他某種我們還未理解的過程，修改突觸連接。

迄今為止，研究人員已經(jīng)識別出少量由 Npas4 控制的基因，但他們認(rèn)為這樣的基因可能有上百個，下一步計劃找到更多的這些基因。由于 Npas4 的特殊打開方式，它能為研究者指明記憶在什么地方。通過標(biāo)記哪些細(xì)胞打開這種基因，就有可能找到大腦中記憶的位置。

美國發(fā)現(xiàn)與肌肉耐力有關(guān)的基因。發(fā)表在美國《臨床研究》雜志上的研究顯示，移除 IL-15Rα（白細(xì)胞介素-15 受體 α）基因會增強(qiáng)老鼠的耐力。研究團(tuán)隊解剖了這些耐力強(qiáng)大的老鼠的肌肉，發(fā)現(xiàn)它們的肌肉中有更多的纖維和線粒體。這樣的肌肉不易感到疲憊，也不容易消耗完所提供的能量。研究人員發(fā)現(xiàn)，移除 IL-15Rα 基因會使肌肉細(xì)胞變異，從快速抽搐、易疲倦的肌肉類型向更慢收縮、耐力更強(qiáng)的肌肉類型轉(zhuǎn)化。這表明，IL-15Rα 基因很可能與肌肉收縮有關(guān)。也許在不久的將來，人類能通過讓某種基因變異來提高身體的耐力。

當(dāng)然，是否僅僅缺乏 IL-15Rα 基因就能使老鼠變得極度活躍、耐力增強(qiáng)，目前還無法完全確定，但科學(xué)家們表示，研究這一基因在肌肉疾病和代謝疾病中的作用，可望幫助尋找新的療法。

美國科學(xué)家首次觀察到活細(xì)胞中單基因的活動情況，見證了基因轉(zhuǎn)錄過程。在基因轉(zhuǎn)錄過程中，基因?qū)⒆陨淼拿撗鹾颂呛怂幔―NA）信息傳遞給信使核糖核酸（mRNA）分子，以生成具有該基因編碼的蛋白質(zhì)。相關(guān)研究在 2011 年4 月 22 日美國《科學(xué)》網(wǎng)站在線發(fā)表。

基因轉(zhuǎn)錄是合成蛋白質(zhì)的重要步驟，蛋白質(zhì)控制著身體的結(jié)構(gòu)和功能，當(dāng)出現(xiàn)變異時則將引發(fā)多種疾病。研究人員借助熒光蛋白將 DNA 片段植入活酵母菌細(xì)胞的單基因中，從而跟蹤并觀察到 mRNA 的活動。RNA 由結(jié)合了一個經(jīng)過改變的綠熒光蛋白的基因片段組成，熒光蛋白幫助人們了解了 mRNA 分子中整個基因的表達(dá)過程。

研究人員認(rèn)為，了解酵母菌這類單細(xì)胞生物中基因表達(dá)是如何控制的，是認(rèn)識人體內(nèi)相同過程的第一步。雖然人體具有龐大和更復(fù)雜的基因組，但從本質(zhì)上看，轉(zhuǎn)錄過程的規(guī)則仍然實用。

我國科學(xué)家為闡明胰腺癌發(fā)生發(fā)展的內(nèi)在原因，尋找早期檢測和診斷的生物標(biāo)記，在全國 16 個省市的 25 家醫(yī)院募集了 3584 例胰腺癌患者和 4868 例正常對照，通過全基因組關(guān)聯(lián)研究策略，鑒定出 5 個與胰腺癌相關(guān)的新的遺傳區(qū)域或易感等位基因。

這是迄今為止世界上樣本量最大的有關(guān)胰腺癌易感基因的多中心、臨床和基礎(chǔ)相結(jié)合的研究。在這項大規(guī)模研究中，研究人員首先用 981 個胰腺癌患者和 1991 個正常對照的基因組DNA 進(jìn)行全基因組遺傳變異的關(guān)聯(lián)分析，并在獨立的一組 2603 個胰腺癌患者和 2877 個正常對照中進(jìn)行驗證，確定了 21q21.3、5p13.1、21q22.3、22q13.32 和10g26.11 等 5 個染色體區(qū)域遺傳變異是導(dǎo)致胰腺癌發(fā)生的易感因素。他們發(fā)現(xiàn)，攜帶 5 個危險基因型的個體發(fā)生胰腺癌的風(fēng)險比不攜帶危險基因型的個體高 6 倍，研究結(jié)果增加了對胰腺癌發(fā)生發(fā)展機(jī)制的認(rèn)識，同時也為胰腺癌的預(yù)防和治療提供了潛在靶點，為該病的預(yù)防，早期診斷奠定了基礎(chǔ)。該研究結(jié)果于 2011 年 12 月 11 日在線發(fā)表在英國《自然遺傳學(xué)》雜志上。

我國科學(xué)家運用全基因組關(guān)聯(lián)分析方法，首次在中國漢族人群中發(fā)現(xiàn)了冠心病發(fā)病相關(guān)的易感基因位點。攜帶該基因位點變異的人，患冠心病的風(fēng)險比普通人高出 50％。研究人員歷經(jīng) 4 年的工作，檢測了 7593 個中國漢族樣本，才發(fā)現(xiàn)了編碼為 6p24.1 的基因位點。人種不同，各種疾病的易感基因位點和數(shù)量也會有所差異，我國研究人員找到了易感基因 6p24.1，在白種人群中就沒有發(fā)現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)可稱的上是我國近年來冠心病研究領(lǐng)域中最重要的成果之一，它對理解冠心病發(fā)生的分子機(jī)制、開展冠心病個體化預(yù)防治療措施方面的研究意義重大。研究論文于 2011 年 3 月7 日被英國《自然遺傳》在線發(fā)表。

3　基因療法

科學(xué)家在《柳葉刀·神經(jīng)病學(xué)》雜志發(fā)表文章表示，使用基因療法治療帕金森病首次在臨床上取得成功。

帕金森病患者丘腦下核中一種化學(xué)物質(zhì)—γ-氨基丁酸（GABA）的濃度會減少。研究人員制造一種重組病毒，該病毒攜帶了一個能產(chǎn)生 γ-氨基丁酸的基因，當(dāng)病毒感染患者后，該患者會增加體內(nèi) GABA 的濃度。

研究人員將病毒注入 22 名患者的大腦內(nèi)，另外 23 名患者則接著“假手術(shù)”，讓他們誤認(rèn)為自己注入了該病毒。研究人員通過對這些患者手術(shù)后 6 個月的運動功能記錄后發(fā)現(xiàn)，接受基因療法的患者的運動能力提高 23.1％，接受“假手術(shù)”患者的運動能力提高 12.7％。

研究人員表明，基因療法可以治療諸如帕金森病等神經(jīng)性疾病，但還不知道其療法可持續(xù)多長時間，也不知道在人腦中注入病毒后是否會帶來長期影響，所以還需要進(jìn)一步研究。

基因療法的安全性一直遭受質(zhì)疑，1999 年，美國一位名叫杰西·格爾辛基的 18 歲青年死于采用缺陷型腺病毒載體的基因治療臨床試驗，成為全球首位由基因治療導(dǎo)致喪生的患者。而進(jìn)行本次實驗的科學(xué)家表示，他們的過程非常安全。

《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》發(fā)文指出，美國用基因療法治療乙型血友病獲初步成功。乙型血友病是由于患者基因缺陷，不能合成第九凝血因子引起，造成患者不具備正常的凝血功能。目前對這種疾病的治療方法是定期注射第九凝血因子。研究人員使用腺病毒作載體，將相關(guān)基因運載導(dǎo)入患者體內(nèi)，患者細(xì)胞在獲得正確的基因后就可以合成第九凝血因子。

有 6 名患者參與了本次實驗。結(jié)果顯示，他們接受一次注射后，體內(nèi)第九次凝血因子的含量從以前不足正常含量的 1％ 上升到 2％ ～ 11％ 之間，這樣的濃度已經(jīng)可以顯著改善病情，緩解受傷時血流不止的情況。對這些患者的跟蹤顯示，由于是在基因?qū)用嫔线M(jìn)行治療，他們體內(nèi)第九凝血因子的含量可以長期穩(wěn)定達(dá) 16 個月，不需要再反復(fù)注射。此外也沒有發(fā)現(xiàn)這種基因療法有明顯的副作用。

我國科學(xué)家完成的“肝細(xì)胞生長因子基因治療缺血性心臟病”獲得成功，目前已經(jīng)進(jìn)入II 期臨床實驗。3 例缺血性心臟病患者術(shù)后都達(dá)到預(yù)期治療效果。

冠心病又稱缺血性心臟病，心肌一旦因缺血壞死就難以再生，造成（心率）心力衰竭。全世界醫(yī)學(xué)界都在努力探索心肌梗死新的治療策略和方法。其中，治療性血管新生為患者提供了全新的治療策略。多種血管生長因子能誘導(dǎo)缺血心肌血管新生并改善心臟功能。

南京醫(yī)科大學(xué)研究人員對基因治療缺血性心臟病的基因表達(dá)調(diào)控進(jìn)行探索，就像在基因藥物上設(shè)置了兩個開關(guān)，只有當(dāng)藥物遇到心肌缺血缺氧環(huán)境時，才會啟動藥物特性開始生長血管，并控制整個過程，從而使壞死的心肌獲得再生。這項研究不僅能夠生長新的血管，還可以使凋亡的心肌細(xì)胞“復(fù)活”，對調(diào)控生血管基因在缺血心肌的特異表達(dá)，提高生血管基因治療缺血性心臟病安全性方面具有重要意義。目前，肝細(xì)胞生長因子治療缺血性心臟病的藥物已經(jīng)獲得國家一類新藥，正開展 II 期臨床研究。

自 1972 年美國科學(xué)家科恩和博耶完成第一個基因工程實驗、2003 年科學(xué)家完成了人類基因圖譜測序以來，基因科學(xué)在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、資源、能源等領(lǐng)域的研究成果日新月異層出不窮。綜上所述，基因科學(xué)研究動態(tài)可以使人們感覺到，基因科學(xué)研究在醫(yī)學(xué)上孕育著重大突破，將為人類疑難病的治療帶來美好的前景。

DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2012.04.016

作者單位：100050 北京，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所（趙貴英）；100012 北京實驗動物研究中心（張樹庸）

通訊作者：趙貴英，Email：guiying_zhao@163.com

收稿日期：2012-06-05