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复活“跳跃基因”

撰文:克里斯廷·苏亚雷斯(Christine Soares)
翻译:刘旸

基因治疗已经成为一种新的治疗手段,为患者带来了新希望。不过,为了把治疗基因植入病人的基因组,我们只能借助灭活的病毒,这有可能导致病人患上其他疾病,比如白血病。一种古老的“跳跃基因”引起了研究人员的兴趣,他们准备让它“复活”,请它来承担运送治疗基因的重任。

如果让一个远古时代的祖先复活,我们就能迅速了解当时的生活状况,这比研究埋在土里的骨头和生活器具有效多了,我们的祖先甚至还可能教我们一些古老的生存小窍门。

斑马鱼

斑马鱼原产于印度、孟加拉国,是淡水水族箱观赏鱼。由于其基因与人类基因相似度达87%,斑马鱼被广泛应用于生命科学研究。

这正是德国和匈牙利研究人员重构Harbinger3_DR的原因。这个早已灭绝的基因是至少两个现代人基因的祖先,科学家希望让它在活细胞中重新行使功能。Harbinger3_DR可不是一般的废弃DNA,它是一个古老的转座子(transposon),也就是所谓的“跳跃基因”。这种基因能将自己从生物的基因组中剪切出来,重新插到另一个地方去。今日的科学家希望揭开转座子的神秘面纱,从而在基因疗法中更准确地控制它们的插入位置。

多功能载体:转座子已经成为向实验动物体内插入新基因的得力工具,正如图中这些小鼠,它们的细胞内就携带了荧光蛋白基因。

Harbinger3_DR在人类基因组中仅剩一些残迹,但在斑马鱼(zebra fish)等其他物种体内,却保留了一些活跃且功能完好的版本。通过它们,我们可以看出,这些基因倾向于出现在基因组中含有一段特定DNA序列的区间。“我们选择Harbinger3_DR的原因是,它们的插入位点具有惊人的特异性,”此项研究的带头人,德国柏林马克斯·德尔布吕克分子医学中心(Max Delbrück Center for Molecular Medicine)的佐尔坦·伊维茨(Zoltan Ivics)说,“我们希望能够将这些复活的基因元件应用于将来的研究,并且搞明白它们如何选择这些特殊的插入位点作为目的地。”

伊维茨的课题组用斑马鱼基因作为模板,合成了带有必要组成元件、从而能在人类细胞中行使功能的Harbinger3_DR。多数基因都会编码一个对物种有用的蛋白,但是转座子就像一种自给自足的寄生虫,只编码能让它们在基因组中跳来跳去的工具。转座酶是这些工具中常见的一个,这种蛋白酶的作用是剪切和粘贴。Harbinger3_DR序列还编码了一种神秘蛋白,由于长得很像Myb蛋白,因此被科学家称为Myb类似蛋白。

跳跃基因

转座子是基因组中的寄生虫:这是一些在基因组的不同位置跳来跳去的DNA片段,有时跳到具有活性的基因内部,便会令这些基因变得不稳定。生物进化出了抑制大多数转座子的机制,在这些机制的作用下,除了少数无功能转座子,大多都不会活动。被活化的Harbinger转座子编码了两个蛋白,其中一个帮助另一个进入细胞核,剪切并将跳跃基因粘贴到基因组中。这种相互作用为HARBI1和NAIF1这两个相关的人类蛋白之间的类似相互作用提供了研究线索。上述两个蛋白的编码基因中都含有古老的Harbinger序列片段。

德国柏林马克斯·德尔布吕克分子医学中心的佐尔坦·伊维茨希望,他开发的转座子复活技术可以帮助人们研究那些失去了某些重要跳跃元件的跳跃基因,弄清它们如何在基因组中落下脚并在宿主基因组中进化出一定的功能。比如,人类基因 RAG-1 便起源于一个转座子,它编码的蛋白酶促使免疫细胞重组自身DNA,从而对付进入细胞的新型病原体。伊维茨解释说:“我们已经对某些转座子衍生基因进行了一定的研究,当然这些了解还相当有限。因此,这真是一个令人激动的时代。”

研究人员将合成的Harbinger3_DR注入体外培养的人体细胞,这些细胞便开始生产转座子编码蛋白。伊维茨及其同事观察到,在转座酶进入细胞核并被召集到转座子所在位置的过程中,Myb类似蛋白发挥了至关重要的作用。只有抵达了转座子所在位置,转座酶才能把转座子从DNA链上切下,再粘贴到一个新的位置。在进一步的实验中,伊维茨希望更细致地展示这两个蛋白如何控制基因的插入位点。他解释说:“我们希望了解DNA如何(同这些蛋白)相互作用,这将有助于我们确定或人为制造出基因插入的特异位点。”

伊维茨和其他研究人员希望利用转座子作为运送治疗基因更安全的载体。目前,灭活的病毒是将新基因永久性植入病人基因组的唯一手段,但是这些病毒只能随机插入人类的DNA。在一些基因治疗病例中,病毒曾插入关键基因,导致病人患上了致死的白血病。病毒偶尔还会重新获得复制本领,从而给人类带来感染风险。

美国威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的分子生物学家及生物安全专家马尔吉·兰贝特(Margy Lambert)表示,对转座子运送治疗基因进行控制的关键是,学会将它们定位到基因组中远离重要基因的特定位置,并且学会在基因准确“着陆”后将它们跳来跳去的本领抹杀掉。兰贝特说,如果人们能克服这些难点,那么利用转座子来运送治疗基因将“为基因治疗带来重大飞跃,因为它们具有很大的灵活性,能将(病毒载体的)优点发挥到最大,同时将它们的缺点缩减到最小”。

一些研究人员已经着手制造不能自己合成转座酶的转座子。借助刚好足够完成一次整合(一段DNA分子插入基因组DNA的重组过程)步骤的酶,这些改良转座子可以插入DNA链并一直待在那里。

1997年,伊维茨曾使另一个古老转座子复活,并给这个转座子起了个昵称——“睡美人”。2007年,他又向人们展示了如何利用特殊的目标定位序列控制“睡美人”的插入位点。他说:“尽管此项技术还不够成熟,不能应用于临床,但这一想法的可行性已经得到证明。”对Harbinger3_DR在自然情况下如何定位到特殊序列的研究,也会给人们带来启示,或许可以根据研究中的发现开发一些有用的新技术。

美国耶鲁大学医学院(Yale School of Medicine)的遗传学家许田(Tian Xu)的研究对象是小鼠和人细胞中一个名为piggyBac的转座子。他认为,转座酶和Myb类似蛋白之间的合作“十分特殊,这项非常重要的研究将向人们揭示转座子活动的机理”。

病毒载体

病毒载体是一种常用的分子生物学工具,可将其所携带的遗传物质传送到其他细胞,进行感染,使这些细胞复制病毒载体携带的遗传物质。

伊维茨预测,研究得比较充分的“睡美人”,也许能在几年内率先出现在基因治疗的舞台之上。 TpMgW+3oaFH02gQ7k7onBceEWMZMpjZG/HfiALqE6h3FH+MTPsJZGiVxU84N6g5C



DNA里的肖像

撰文:克里斯廷·苏亚雷斯(Christine Soares)
翻译:徐海燕

脱氧核糖核酸(DNA)中隐藏了多少信息?通过它我们能知道什么?随着基因技术的提高,科学家根据永冻层里的几绺头发,就可以描绘出石器时代一个格陵兰人的肖像。除了解密远古的人类,DNA还能帮助警方破案。虽然目前能够从DNA中解读出的信息有限,不过这些信息已经在一批臭名昭著的刑事案件中发挥了重要作用。

男性,粗短身材,深色皮肤,褐色眼睛,铲状门牙,Rh阳性A型血,深褐色粗发,已开始斑秃,酒精耐受度高,产生尼古丁依赖的危险比常人高——幸好他生活的年代距离人类开始吸烟还有好几千年。这份描述发表于2010年2月,为一个4,000多年前便已消失的石器时代格陵兰人绘出了一幅精细肖像,所根据的信息仅来自于他的残留脱氧核糖核酸(DNA)。

Rh阳性

Rh来源于恒河猴的外文名称(rhesus macacus)。由于一种与新生儿红细胞裂解有关的红细胞抗原,最初是在恒河猴的红细胞表面发现的,因此将其命名为Rh抗原。如果人体血液红细胞含Rh抗原则为Rh阳性,否则为Rh阴性。

重建:古代残留的DNA提供了一个生活在4,000多年前的古格陵兰人的相貌细节。

这次在丹麦科学家领导下得到的分析,不但标志着第一个古代人类基因组测序的完成,也让我们看到,现代侦探技术仅从疑犯的基因编码中就可以识别出大量信息。法医分析已经远远超越了用犯罪现场的DNA“指纹”来寻找嫌疑犯的简单方式,开始尝试阅读基因组中的性状编码,以便为警方画出不明人物的速写。“人体通过DNA的表达来决定脸部相貌。”美国莫尔豪斯学院(Morehouse College)的人类学家马克·施赖弗(Mark Shriver)说。他希望这种识别能力在十年内可以成倍提高。

只需永冻层中保存的几绺头发,科学家便可以从中提取DNA,重现古代格陵兰人的相貌。头发本身又黑又粗,其中残留的化学物质表明他主要食用海产品。研究人员在这个人的基因中发现,他有一组在西伯利亚人群中最常见的DNA变异,从而结束了关于格陵兰古因纽特人发源地的长期争论。在确定他的祖籍为北亚后,研究团队从DNA中解读出了现代亚洲人中与褐色眼睛相关的四个基因里一些被称为单核苷酸多态性(SNP)的变异。他们采用同样的方法解读出了与铲状门牙和干性耳垢相关的多个SNP,这两个性状在现代亚洲人和美洲土著中十分普遍。另外四个SNP表明他的肤色可能很深,还有一组在适应寒冷气候的人群中很典型的变异表明他矮个结实,有丰富的脂肪。

DNA计划

DNA技术在司法体系中的作用不可小觑,它极大地确保了司法的准确性与公正性。当存在生物学证据时,DNA可以精准地指认犯罪分子,也可以让无辜被捕的犯罪嫌疑人重获自由。

美国政府高度重视DNA技术在司法系统中的应用,启动了DNA计划,该项目的主要目的如下:

1. 针对强奸、谋杀、绑架等性质极其恶劣的暴力犯罪,将多年积压、过去未曾分析过的DNA样本和生物证据进行分析检验;

2. 及时提升各实验室分析DNA样本的能力;

3. 在法医界,鼓励研究与开发新的DNA技术;

4. 为各类刑事司法从业人员提供培训与支持,使其掌握采集与使用DNA证据的相关技术;

5. 为以往已经定罪,但在当时的审判过程中并未进行DNA检测的案例提供适当的检验支持;

6. 确保DNA法医学技术在协助寻找失踪人员、鉴定未知尸骸身份等方面充分发挥作用。

这些性状加在一起,或许还不能从一群人中一眼分辨出这个古代格陵兰人,但已经可以大大缩小搜索范围。虽然这类“预言”类信息还很简单,但它的作用已经体现在一批著名的刑事案件中。2007年,西班牙圣地亚哥联合大学(University of Santiago de Compostela)的克里斯托弗·菲利普斯(Christopher Phillips)和他的同事们,根据从牙刷上提取的DNA样本,确认2004年马德里地铁爆炸案中的一名嫌疑犯来自北非。警方后来证实,该恐怖分子是阿尔及利亚人。在美国路易斯安那州一起臭名昭著的连环杀人案调查中,证人指称罪犯为白人,DNA证据却指出罪犯具有显著的黑人和美洲土著血统。警方因此扩大了搜索面,终于找到了杀人犯。

美国国家司法研究所(National Institute of Justice)的DNA计划(DNA Initiative)正在资助科学研究,以寻找更多可用于法医学的遗传标记。诸如此类的计划都有一个共同的目标,就是找出血统之外的信息,因为血统本身通常无法确定相貌。美国乔治·华盛顿大学(George Washington University)的达尼埃莱·波迪尼(DanielePodini)正在开发一个法医工具包,通过对50~100个遗传标记的分析,来确定疑犯的眼睛及头发的颜色、性别和可能的血统。他说:“我们的想法就是提供一种新的调查工具,可以帮助确认证人的证词,或者缩小嫌疑对象的范围。”

端粒

端粒是真核细胞染色体末端的一种特定的DNA-蛋白质复合体结构,作用是保持染色体的完整性。染色体经过多次DNA复制后,会越来越短,而染色体端粒中的端粒酶会解决此问题。三位美国科学家因为对端粒工作机理的开创性研究而获得了2009年的诺贝尔生理学或医学奖。

波迪尼还说,在此基础上再提高准确度非常困难。比如说,DNA本身几乎提供不了有关年龄的信息。如果有完整的细胞样本,研究人员可以检查染色体两头的端粒(telomere),它会随时间逐渐缩短,但这个过程会受到个人健康状况和其他因素的影响。最近的研究表明,年龄超过50岁的专业运动员的端粒可能和25岁普通人的端粒一样长。身高是另一项重要的身份信息,它有遗传根源,但同样受制于环境因素,例如儿童时期的营养状况。

如果科学家发现基因控制某种特定性状的机理,DNA分析将获得全新的意义,可以让执法部门根据疑犯的基因描绘出他的相貌。

无论如何,确定基因在人体发育方面的影响是预测个人外表的关键。施赖弗正在研究欧洲人群和其他地方的混血种群,希望能够找到与“法国大鼻子”或“爱尔兰眯眯眼”等特殊性状相关的基因,解开人体制造相貌特征所采用的密码。他甚至在自愿者身上选取了一些一英寸见方的皮肤块,用紫外灯照射,以测定不同种族背景的人的皮肤色调所能达到的范围。

端粒的结构图。

一些生物伦理学家称,DNA素描应该仅止于相貌。之前提到的那个古代格陵兰人还有较高的高血压和糖尿病发病率。理论上说,一张现代的完整通缉令不仅可以描述出嫌疑犯的肤色和血统,还可以指出他出现肥胖、吸烟、酗酒或抑郁等情况的可能性是否比常人要高。“我认为这样的工作确实涉及一些值得考虑的伦理问题。”施赖弗说。

不过,目前最简单的法医工具包无法投入应用,其原因恐怕与伦理无关,而是实际操作困难。“法医领域非常,非常保守,”波迪尼说,“所以任何东西在应用于实际案例之前,都必须排除疑义,证明它可用、可靠,并且被科学界广泛接受。” TpMgW+3oaFH02gQ7k7onBceEWMZMpjZG/HfiALqE6h3FH+MTPsJZGiVxU84N6g5C

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