基因研究的歷史與現(xiàn)狀

基因研究的歷史與現(xiàn)狀

基因研究是生命科學的核心。自1865年提出孟德爾的遺傳理論以來，在這138年中，人們一直在尋找基因、識別基因、分離基因、操作和開發(fā)基因，并為人類的健康服務?；仡欉@一百多年生命科學發(fā)展的歷程,在基因的研究中最核心的研究對象是人,即定位和克隆決定人體各種性狀的基因、與人類疾病相關的致病基因以及能夠用于疾病治療與預防的功能基因。近50年來,在基因研究核心領域中共獲得18項諾貝爾生理醫(yī)學獎、11項諾貝爾化學獎,并由此帶動了基因診斷、產前診斷(prenataldiagnosis)、遺傳咨詢(geneticcounseling)、基因藥物及基因治療的發(fā)展,開啟了一個嶄新的基因時代。人類大約有3萬～4萬個基因?？v觀個體發(fā)育過程,人的基因在精子與卵子結合受精的那一瞬間就決定了?；驔Q定了人的生物學性狀,甚至行為。個體所有的細胞所包含的基因都是相同的,在胚胎發(fā)育階段,一些基因打開,一些基因關閉,出現(xiàn)了細胞的分化,形成不同類型的細胞,不同類型的細胞形成不同類型的組織,不同類型的組織形成不同類型的器官;同樣,在個體發(fā)育不同階段,有的基因開放,有的基因處于關閉狀態(tài),從而決定不同的生物學特性及健康狀態(tài)。到2003年5月19日止,科學家已記載了102種染色體病,已定位了2122種遺傳病和腫瘤的致病基因,已克隆了1352個疾病基因。大部分染色體病及某些遺傳病的致病基因在受精后就有表達,從而導致流產、死胎等現(xiàn)象,在胚胎發(fā)育的過程中被淘汰,這本身就是自然選擇,是人類進化的保證。但有些致病基因在人體胚胎發(fā)育階段或出生時并不表現(xiàn)出疾病,而是在出生后的不同年齡階段(兒童期、少年期、青年期、中年期、老年期等)出現(xiàn)疾病。我們對已知的引起嚴重缺陷、先天畸形等具有遺傳家族史的孕婦,可行產前診斷,必要時終止妊娠;但對在出生后不同年齡階段出現(xiàn)的遲發(fā)性疾病,特別是中年期、老年期發(fā)病的遺傳性疾病和惡性腫瘤,如遺傳性小腦性共濟失調、老年性癡呆、惡性腫瘤等,絕不可做出終止妊娠的決定。因為,遲發(fā)性疾病的患者在他們發(fā)病前,能健康地生活約30～60年,甚至更長,這期間他們不但能正常勞動,建立溫馨的家庭,共創(chuàng)人類文明。有的還可能成為大科學家,為人類作出重大貢獻。所以,無論家庭與社會均有責任為他們治療疾病,讓他們共享現(xiàn)代科學文明。目前,臨床上可以成功地進行心臟、肝臟、腎臟、肺臟等器官的移植手術,挽救和延長生命;惡性血液病、神經系統(tǒng)變性病等(如老年性癡呆、帕金森病)可以通過細胞移植技術得到有效治療。但由于器官來源困難及供者和受者基因型不同而造成排斥反應,導致手術后要長期服用免疫抑制劑來抗排斥,嚴重影響了生活質量。1997年,多利羊的克隆,推翻了科學家關于成體細胞不再具有發(fā)育成為一個新個體的全能性理論,即體細胞核在一定條件下可以逆轉,分化成為器官或生命個體。目前世界范圍內克隆羊、克隆牛等已成為一件常事。2001年,被世界著名雜志《Science》評為十大基礎研究成果之一的“干細胞技術”證明,在哺乳動物和人體的某些組織中可分離出干細胞,這些干細胞在一定的條件下能定向誘導成為其他類型的細胞或組織,然后用于自身疾病的細胞治療或基因治療,成功地克服了異體細胞之間的免疫排斥反應。1990年,第一個“基因治療”方案在美國被批準進入臨床試驗,短短十幾年,據(jù)美國2002年的統(tǒng)計,已有636個方案進入臨床試驗。治療患者例數(shù)超過5000人。治療方案中癌癥屬首位,其次是單基因疾病和艾滋病?？茖W家一致認為,基因治療是一些難治之癥的希望,已成為當今生物醫(yī)學領域發(fā)展史上的一個重要里程碑。1999年,法國巴黎Necker兒童醫(yī)院利用分離的自體造血干/祖細胞作為靶細胞,以腺病毒載體作為基因治療載體,成功治療了2例重癥聯(lián)合免疫缺陷病(SCID)患兒,并于2000年在《Science》發(fā)表了該研究成果的論文。至今已經治療了11例,從而開創(chuàng)了一個新的“個體化”基因治療的時代。盡管其中有2例患者出現(xiàn)了類白血病反應,后查明是由于病毒載體隨機插入的位置效應激活了癌基因的結果。醫(yī)學遺傳學國家重點實驗室在夏家輝院士的領導下,經過20余年的研究,以人類自身的額外小染色體為原件,構建了容量為5kb、100kb和300kb的3種“人源基因載體”,利用該載體將FIX、TPA、Endostatin、CD等基因導入細胞后,不但能定點整合,而且能有效、穩(wěn)定地表達,可望以“人源基因載體”這一原創(chuàng)性的研究成果為核心,解決目前基因治療中使用病毒載體引起新發(fā)腫瘤等問題,建立起一套安全的、以保藏自體細胞為靶細胞的、進行個體化人類遺傳病和惡性腫瘤基因治療的體系。一、醫(yī)學指導遺傳咨詢是應用遺傳學和臨床醫(yī)學的基本原理和技術,確診并解答遺傳病患者及其親屬,以及有關的社會服務人員所提出的關于遺傳學方面的問題,并在權衡現(xiàn)在與未來、個人與家庭、社會利弊的基礎上,給予婚姻、生育、防治、預后、教育、就業(yè)等方面的醫(yī)學指導。從而,降低遺傳病患兒的出生率,促進家庭幸福、社會安定,提高民族素質。也就是說,孟德爾的分離、自由組合定律,摩爾根的連瑣、交換定律,遺傳病的群體調查與臨床遺傳學研究是遺傳咨詢的理論基礎,遺傳咨詢必須建立在綜合采用染色體、基因和臨床檢測技術對疾病作出診斷的前提下,由遺傳學專家、臨床醫(yī)學專家及實驗技術專家組成的群體共同完成。二、新生兒細胞檢查產前診斷是采用一切可以應用的技術(物理、生化、遺傳等技術)對胎兒盡早做出診斷,包括篩查和診斷性檢測。篩查是針對胎兒有發(fā)生某種遺傳病高風險進行的,而診斷性檢測必須建立在先癥者確診(包括染色體水平、基因水平、表型水平)基礎上,也就是說產前診斷是有目的性的。產前診斷方法包括兩大類,即創(chuàng)傷性方法和非創(chuàng)傷性方法。前者包括羊膜腔穿刺、絨毛取樣、臍血取樣、胎兒鏡和胚胎活組織檢查等;后者則包括超聲波圖像以及母體外周血胎兒細胞檢測。盡管創(chuàng)傷性產前診斷方法有可能對母體或胎兒產生不同程度的損害,但是由于這些損害可以通過操作技術的改進和經驗的積累并在先進設備(如高分辨超聲波儀)的配合下予以避免,或使之減輕到最低限度,因此目前產前診斷仍以創(chuàng)傷性方法為主,并以羊膜腔穿刺最為常用。無創(chuàng)、簡便、準確、自動化的臨床診斷方法是近年來產前診斷研究的熱點,除了染色體病的檢測方法已發(fā)展到分子水平外,不少分子遺傳學診斷方法應運而生。隨著人類基因組序列的破譯,大量的高密度的遺傳標記已被定位,利用這些遺傳標記進行連鎖分析將簡化遺傳病的診斷。胚胎組織活檢技術的成熟、單細胞聚合酶鏈反應(PCR)基因診斷技術和單細胞熒光原位雜交技術(FISH)染色體檢測技術的成功建立,利用這些技術進行植入前遺傳學診斷(preimplantationgeneticdiagnosis,PGD),為孕婦減少妊娠致死性遺傳病胎兒及反復引產造成的痛苦,開辟了一條嶄新的道路。三、衍生染色體間的分離和重組攜帶者(carrier)是帶有染色體結構異常但表型正常的個體。由于他是人群中部分三體和部分單體綜合征產生的主要原因,故將其特別列出。可分為易位和倒位兩大類,至今已記載16000余種,我國已記載1200余種,幾乎涉及到每號染色體的每個區(qū)帶。其共同的臨床特征是在婚后引起流產、死產、新生兒死亡、生育畸形或智力低下兒等妊娠、生育疾患;有的類型出現(xiàn)分娩畸形兒和智力低下兒的可能性高達100%。根據(jù)廣泛的群體調查,在歐美的發(fā)生率為0.25%,即200對夫婦中就有一對夫妻的一方為攜帶者;而根據(jù)夏家輝等在長沙的調查,攜帶者在我國的發(fā)生率為0.47%,即106對夫妻中就有一方為攜帶者。因此,為了防止染色體病患兒的出生,檢測出攜帶者及進行宮內診斷,在我國更具有重要意義。易位攜帶者主要包括相互易位攜帶者、整臂易位攜帶者、羅伯遜易位攜帶者、移位攜帶者、轉位攜帶者5大類;倒位攜帶者主要包括臂間倒位攜帶者和臂內倒位攜帶者兩大類。在他們的配子形成中染色體的配對和交換將產生各種異常的配子,通過受精則可形成各種部分單體和部分三體綜合征的患兒。作為相互異位攜帶者的一個例子,如46,XX,t(2;5)(q21;q31)在減數(shù)分裂中,通過同源染色體間的配對,將形成“四射體”,不論在哪一位點發(fā)生互換,通過鄰近-1和鄰近-2分離,以及12種可能的3∶1分離,至少可形成18種合子,其中僅一種為正常者,一種為表型正常的易位攜帶者,其他均為部分三體或部分單體患者。但沒有任何一種類型出現(xiàn)新的結構重排,故稱為衍生染色體,可記述為der(2)和der(5)。見表1。作為倒位染色體的一個例子,如46,XX,inv(2)(p21q31),在減數(shù)分裂中通過同源染色體間的配對,將形成“倒位環(huán)”,如果在倒位環(huán)內發(fā)生交換,則在一個重組染色體中將導致2p重復,rec(2)dupp,inv(2)(p21q31),而在另一重組染色體中,將導致2q重復,rec(2),dupq,inv(2)(p21q31),通過與正常配子結合則可形成46,XX,rec(2)dup(2p),inv(2)(p21q31)和46,XX,rec(2)dup(2q)inv(2)(p21q31),倒位染色體在減數(shù)分裂中形成的倒位環(huán)dupq,inv(2)(p21q31)的合子,在第1種核型中表示2pter到2p21的重復和從2q31到2qter的缺失,在第2種核型中,表明從2q31到2qter重復和從2pter到2p21的缺失。由于它是繼發(fā)性重排的產物,故稱為重組染色體,記述為rec(2)。90%以上的先天愚型為21,三體型[47,XX(XY),+21],少數(shù)為G/G或D/G易位型,以及嵌合體46,XX(XY)/47,XX(XY)+21。若患兒為21,三體型,雙親核型正常,可以肯定患兒為新發(fā)生的突變,但因為群體中21,三體的發(fā)生率與孕婦的年齡密切相關(表2),則在估計其再生育21,三體患者的風險時應按表2的危險率作出估計,而不能簡單地運用一般群體的發(fā)生率(1.5‰)。若父母之一為D/G易位攜帶者,則生育患兒的理論危險率為1/2,但由于流產等因素,患兒實際出生的危險率約為5%～10%。若父母之一為21/21同源的平衡易位攜帶者,再出生患者的可能性為100%;若雙親之一為21/22平衡易位攜帶者,再出生患兒的危險率為1/2。當母體21,三體血清學篩查陽性;孕婦年齡超過35歲;父母之一為D/G或G/G易位攜帶者必須做診斷性檢測,如羊膜腔穿刺;如胎兒診斷為21,三體綜合征,建議引產。對已出生的患兒,應建議加強對患兒的教育。我國武漢21,三體綜合征患者“舟舟”,經后天教育在音樂指揮方面所表現(xiàn)的模仿才能,說明教育的重要性。這里舉例說明此病的情況:先證者,男,35歲,結婚8年其妻妊娠7胎。第1胎,女孩,出生時哭聲特別小,20h后死亡;第2胎孕70d自然流產;第3胎,孕7個月生一男孩,哭聲不大,腳畸形,唇裂,數(shù)小時后死亡;第4胎在服感冒藥后人工流產;第5胎妊娠4個月,因死胎引產;第6胎,男孩,出生后哭聲不大,呼吸困難,3個月后,死于肺炎。第7胎因害怕出生異常兒而人工流產。G顯帶分析初步診斷患兒核型可能為46,XY,der(7)t(7;9)(q2200;p24),der(8)dirins(8;7)(q2204;q2200q3204),der(9)t(9;7)(p24;q3204)。用顯微切割、PCR技術構建的人類7號和8號染色體特異性探針池。對患者染色體中期分裂相進行染色體繪畫,結合G顯帶染色體檢查結果,確認患者的染色體核型應為46,XY,der(7)t(7;9)(q2200;p24),der(8)invins(8;7)(q2100;q31.2q2200),der(9)t(9;7)(p24;q31.2).ishder(7)t(7;9)(wcp7+)der(8)invins(8;7)(wcp7+,wcp8+),der(9)t(9;7)(wcp7+)?；谠搹碗s易位攜帶者的3條異常染色體及其4個斷裂點沒有一個發(fā)生在同源染色體間的事實,可以肯定這種突變是在其父、母的精子或卵子形成以后,受精以前所發(fā)生的“一次擊中”事件所形成的。如果某一電離粒子正好擊中7號、8號和9號染色體的某一交叉重疊點,而引起7號染色體發(fā)生兩處斷裂(7q2200和7q31.2),8號染色體和9號染色體各發(fā)生一處斷裂(8q2100和9p24),其斷裂后的染色體發(fā)生變位重接,則可形成相應的異常配子。這種異常的配子與正常的配子結合成合子后,發(fā)育成一個表型正常的復雜易位的男性攜帶者,他結婚后可引起妻子的習慣性流產、死胎和生育早夭的畸形兒等。綜上所述,本例研究不但說明染色體異常攜帶者的形成,是外因作用于染色體DNA分子而引起染色體在分子水平上的斷裂與變位重接的結果,而且說明應特別注意加強生育期男女的性腺保護,如在X射線等檢查中應注意保護性腺等,同時在遺傳咨詢中對這種復雜易位攜帶者,應建議采用精子庫中的他人的