破解基因天書的密碼被稱為“PB轉(zhuǎn)座因子”。復旦的科學家通過3年的研究發(fā)現(xiàn),這種源于飛蛾的“密碼”能直接插入哺乳類動物的基因中并保持活性、導致基因突變,有了這個基礎,研究人員就能從突變中了解某個基因的特定功能。他們曾嘗試用這類因子直接插入小老鼠受精卵的某個基因中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)長大后基因突變的小老鼠患上了腎病。由此,他們判斷這類腎病與這個特定基因基本上存在直接關聯(lián)。據(jù)悉,在目前復旦已公布的70個特定基因中,研究人員已經(jīng)基本能確定這些基因的基本功能。
———過去時———
許田博士(研究小組帶頭人、復旦大學發(fā)育生物學研究所所長):過去30年,全世界研究遺傳的科學家都在努力了解基因這部“天書”,但是人們只對其中不到3000個基因有初步認識,連10%都不到。
突變基因:“千年等一回”
對基因的功能有所認識,必須是從表象的認識開始,這是最直觀也是最直接的方式。例如,一個人得了皮膚病,科學家們就會發(fā)現(xiàn)相應的突變基因,由此而確定了該基因與皮膚有關,而初步了解了該基因的功能。因此,最原始的方式是等待病人的出現(xiàn),才能夠找到突變的基因,確定該基因的功能,這個方法則耗時費錢,研究人員也處于相對被動的地位,研發(fā)時間的限制也不能有效地對最初的病人進行治療。
基因剔除:事倍功半
科學家們也使用一些常見的基因誘變手段來破壞實驗對象的基因,通過基因變化后生物體的相應變化來了解基因功能。最常見的就是基因剔除。例如將小鼠的某種基因剔除后,小鼠沒長出耳朵,那這種基因就是會對耳朵的生長起作用的基因。這與通過病人發(fā)現(xiàn)基因功能的原理是相同的。而常規(guī)培育基因剔除動物需要先在體外培養(yǎng)胚胎干細胞,將干細胞中的靶基因剔除后再移植入體內(nèi)發(fā)育為基因剔除小鼠,整個過程技術要求高,周期長,費用大且效率低。
———現(xiàn)在時———
許田博士:按照這種速度,只要通過大規(guī)模的試驗,并加上財力物力支持,破獲3萬個基因并不是遙不可及的事情。條件允許的話,可能3年時間就會完成。
插入轉(zhuǎn)座因子
復旦大學發(fā)育生物學研究所的科研人員將一種源于飛蛾的PB轉(zhuǎn)座因子用于小鼠和人類細胞的基因功能研究,在世界上首次創(chuàng)立了一個高效實用的哺乳動物轉(zhuǎn)座因子系統(tǒng),為大規(guī)模研究哺乳動物基因功能提供了新方法。而在這個新方法中的一個關鍵名詞就是轉(zhuǎn)座因子。在低等生物中,轉(zhuǎn)座因子已成為一種常規(guī)的用于制造轉(zhuǎn)基因動物和插入突變等遺傳操作的工具。
那么什么是轉(zhuǎn)座因子呢?復旦發(fā)育生物學研究所的科研人員介紹,所謂轉(zhuǎn)座因子就是能將自身移動(轉(zhuǎn)座)到同一細胞中其他DNA序列上的遺傳載體的統(tǒng)稱,可以進入基因組內(nèi)不同的位置,在進化、疾病、發(fā)育等生命活動中有重要作用。換句話說,轉(zhuǎn)座因子就像是智能機器人,能自己移動到其他基因序列上,并能攜帶一些基因段插入到某一段基因組中,借助它的“搭橋”,能使基因發(fā)生突變,基因突變的結(jié)果會體現(xiàn)在實驗對象的成長過程中,科學家們從而了解每個基因的功能,科學家們也能利用它們培育轉(zhuǎn)基因生物。
目標所定“夸娥”
自從麥克林托克(McClintock)從玉米中發(fā)現(xiàn)第一個轉(zhuǎn)座因子以來,轉(zhuǎn)座因子已成為很多生物寶貴的遺傳分析工具。但是大多數(shù)的轉(zhuǎn)座因子在生物進化過程中失去了轉(zhuǎn)座活性,因此科學家們一直嘗試建立高效的哺乳動物轉(zhuǎn)座因子系統(tǒng)。由許田博士和吳曉暉博士共同領導的研究小組也嘗試了實驗其他轉(zhuǎn)座因子,但都沒有成功。
在經(jīng)歷了無數(shù)次的失敗之后,最終他們發(fā)現(xiàn)了一種來自飛蛾體內(nèi)的PB轉(zhuǎn)座因子可高效插入小鼠基因組研究基因功能,使在小鼠等哺乳動物中高效、大規(guī)模了解基因功能成為可能。PB轉(zhuǎn)座因子是從飛蛾體內(nèi)找到的,因此,許田和伙伴給這個因子取了一個中文名字“夸娥”。“夸娥”是我國古代神話傳說《愚公移山》中的大力士,而PB轉(zhuǎn)座因子則是微觀世界里的大力士。通過實驗,研究小組進一步發(fā)現(xiàn)可用PB轉(zhuǎn)座因子培育轉(zhuǎn)基因小鼠,為小鼠及其它哺乳動物建立了新的轉(zhuǎn)基因技術體系。
效率提高140倍
相對于傳統(tǒng)的基因研究方法,PB轉(zhuǎn)座系統(tǒng)則使基因剔除容易得多,無需通過干細胞體外培養(yǎng),直接向受精卵注入PB轉(zhuǎn)座因子。當將PB引入小鼠的受精卵時,它能廣泛地插入到小鼠染色體各處,且更偏好于基因區(qū),可促使小鼠體內(nèi)基因直接突變,周期短,技術要求也降低了,效率也提高了很多。通過這樣的方法,能夠更容易地培養(yǎng)出轉(zhuǎn)基因生物。
據(jù)專家介紹,與傳統(tǒng)方法相比較,這種高效轉(zhuǎn)座的PB轉(zhuǎn)座系統(tǒng)新方法能更高頻率地插入到生物體內(nèi)的原基因中,而且插入的位置更為隨機,范圍更大。這樣能更大范圍、更高效率地尋找到還未了解的基因,研究其功能。
有數(shù)據(jù)表明,用傳統(tǒng)的方法兩位研究人員在一年中只能發(fā)現(xiàn)和了解兩個基因的功能,而復旦的兩位研究生運用新方法在三個月內(nèi)已經(jīng)尋找并了解了70多個基因,整個研究效率提高了140倍。
———將來時———
“小鼠功能基因組計劃”啟動
在復旦大學發(fā)育生物研究所的實驗室,記者能看到發(fā)出紅色熒光的小老鼠,這就是復旦大學發(fā)育生物學研究所的科研人員們運用新方法,將具有熒光的基因片段插入到小鼠體內(nèi)的生殖細胞基因中,而使小鼠的基因發(fā)生了變化,導致小鼠的體色發(fā)生了變化,制造出了紅色、綠色的熒光小鼠。除了熒光小鼠以外,研究所的成員們也對像腫瘤、衰老、自身免疫疾病、尺寸調(diào)控等方面都有了初步的研究。
復旦大學的研究人員已啟動了“小鼠功能基因組計劃”,并且準備建立一個1萬余籠的小鼠房,擴容實驗對象的數(shù)量,通過大規(guī)模的研究,以對更多基因功能進行了解,建立多種疾病模型,尋找疾病機理及藥物靶點,從而發(fā)展創(chuàng)新治療手段和藥物,這將為人類疾病的基因治療提供新途徑。
將應用于人類基因治療
目前該成果已由國際頂級生物科學雜志《細胞》在線發(fā)表,并將作為封面文章于8月12日刊登。這將是我國科學家的研究成果首次登上該雜志的封面!都毎冯s志審稿人評價這項工作“是里程碑式的發(fā)現(xiàn),將可能在世界范圍內(nèi)改變小鼠遺傳學研究,并有用于人類基因治療的前景。”
復旦副校長楊玉良認為大規(guī)模的研究在了解基因功能方面很重要,這將對人類自身的了解、疾病防治產(chǎn)生重要而深遠的影響,也將為生物工程和生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)提供巨大的機遇。
毫無疑問,這個新方法將開創(chuàng)基因治療的前景,帶給醫(yī)學界一個嶄新美好的未來。如果人類能夠?qū)λ械幕蚨寄苡兴私猓敲慈祟悓艿礁俚募膊〉募灏,面對AIDS、癌癥人們也將不會再束手無策。