“基因敲除”敲开疾病之门——透视2007诺贝尔生理学或医学奖

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“基因敲除”敲开疾病之门——透视2007诺贝尔生理学或医学奖
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作者:姬十三 来源:南方周末 发布者: 刘斌 类别:新闻扫描 日期: 2007-10-18 今日/总浏览: 12/101

北京时间10月8日，2007年诺贝尔生理学或医学奖揭晓，70岁的美国人马里奥·卡佩奇（MarioCapecchi）、82岁的美国人奥利弗·史密西斯（OliverSmithies）和66岁的英国人马丁·埃文斯（MartinEvans）分享这一奖项，因为他们在“利用胚胎干细胞对小鼠基因进行定向修饰原理方面的系列发现”，直接催生了基因靶向技术，深远影响了现代生物医学的研究面貌。

  

顾名思义，基因靶向就是把特定基因作为研究的“靶子”，按照科学家的目的将其改变。最常用的手段是将这个基因从功能上灭活掉，称为“基因敲除”。这种方法让动物的某一特定基因不再发挥作用，从而使科学家得以判断该基因的功能。

  

这种方法对于理解基因的功能非常有用——人类基因组计划已经完成，但是对于我们来说，大多数基因的功能还像海洋上的暗礁，底细不明。小鼠的基因组与人类非常相似。凭借基因敲除技术，科学家可以对小鼠基因逐个加以研究，这为疾病、胚胎发育、衰老等研究打开了一条通途。哈佛大学的一位遗传学家评论说，“毫不夸张地说，现在没有一个研究哺乳动物的生物学家没有利用过这类技术”。

  

然而，在二十多年前，生物学家们还只能通过化学诱导等方法让老鼠的基因随机突变。想定向研究单个基因的功能，看起来只是个美好的梦想。人们甚至不相信这种设想可以成功。当1980年卡佩奇向美国国立卫生研究院（NIH）申请课题，要在哺乳动物细胞上建立基因靶向技术时，没有通过评审。他得到的建议是忘了这念头。

  

然而卡佩奇坚持他的想法。他曾有着坎坷的传奇经历：童年时正值二战，母亲因为反法西斯的写作而被关入纳粹集中营，他流落成意大利街头的小混混，以乞讨和偷窃为生。母子团聚后，他得以来到美国并接受教育，后来在1967年获得了哈佛大学的生物物理学博士学位，还曾在DNA双螺旋发现者之一詹姆士·沃森（JamesD.Watson）的实验室工作。他的一位朋友描述道，他“意志坚强，不受约束，即使处于逆境，对于好的想法和重大计划的追求总是乐此不疲”。

  

当时卡佩奇已经证明，可以用同源重组的手段将特定的外源基因导入到酵母细胞基因组中，他觉得，新的遗传物质也应该可以用这种方法引入哺乳动物的基因组。卡佩奇从自己的其他项目中挪出经费来继续这项研究，不久，他就证明了这一点。那么，用一段坏了的基因序列去替代原来那个有功能的基因序列，就能起到让该基因罢工的目的，这就是基因敲除。

  

与此同时，奥利弗·史密西斯也在独立地做类似的工作。1985年，他发表了一篇极为重要的论文，报道在红白血病细胞中实现了外来基因和细胞Beta-球蛋白基因间的同源重组，他还提出了将同源重组用于修复突变基因的概念，也就是不将特定的基因敲除，而仅仅对它加以修饰改变。

  

卡佩奇和史密西斯的工作让在培养细胞中的基因靶向技术成为可能。然而，要想对整个动物活体中的基因“动武”，看上去还很困难。

  

那时，在大西洋另一侧，马丁·埃文斯正在英国的剑桥大学开展关于胚胎干细胞的研究。1981年，他领导的研究小组从小鼠的胚胎中提取到了胚胎干细胞，将这种细胞经过培养，再植入小鼠囊胚内，小鼠长成后就成为一个嵌合体：有一些细胞是原先胚胎分裂而来的，而另一部分则由植入的胚胎干细胞分化而来。

  

卡佩奇和史密西斯很快意识到了这一技术对于他们工作的意义：用同源重组对胚胎干细胞中的基因加以改造，再将这种细胞植入动物体内，经分化以后，整个动物体内就“嵌合”了这种特别的细胞。若运气好，还能得到基因被改造过的生殖细胞，通过两代繁殖，就能孕育出纯合体的基因修饰小鼠。他俩各自开展工作，1989年，卡佩奇发表了一篇里程碑式的论文，第一只通过胚胎干细胞同源重组获得的基因敲除小鼠出现了。

  

至此，基因靶向技术真正成熟。

  

很快，它就发展成了一种非常实用的研究工具，世界各地的科学家、药物公司都开始尝试这种方法。在此基础上，科学家们又发展出了条件性基因敲除法和诱导性基因敲除法等方法。现在，人们可以让特定的基因到了预先设计好的时间再从基因组中“退伍”。这样可以避免敲除对发育至关重要的基因可能引起的动物死亡，还可以让这种基因敲除只在特定的组织发生，而不是全身上下“一锅端”，以防止机体重要器官受损导致动物死亡，也让功能研究更有针对性。

  

至今，科学家们已经分别敲除了一万多种小鼠基因（约占所有基因的一半），搞清了许多基因的功能，并建立起了五百多种动物疾病模型。这对疾病的分子机理研究和疾病的基因治疗来说具有重大意义，也为改造生物、培育新的生物品种提供了可能性。此外这一技术还可能有助于提供廉价的异种移植器官。因为只要将那些引起强烈免疫排斥反应的异源分子基因敲除掉，动物器官就可能用于人类的疾病治疗。