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戴寶生

克隆水稻分蘗的主控基因MOC1

據(jù)國家自然科學基金委員會2003年5月23日報道，最近，我國科學家成功分離和克隆了水稻分蘗的主控基因MOC1，該成果是由中國科學院遺傳與發(fā)育研究所李家洋院士及其合作者在國內(nèi)獨立完成的。該研究結(jié)果已發(fā)表在Nature，2003，422：618上，這是我國分子遺傳學基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的第一篇源自國內(nèi)的Nature文章，標志著我國植物功能基因研究取得了重大突破。

   分蘗是水稻等禾本科作物在發(fā)育過程中的一個重要的分枝現(xiàn)象，也是一個重要的農(nóng)藝性狀，它直接確定作物的穗數(shù)并進而影響產(chǎn)量。雖然對水稻分蘗的形態(tài)學、組織學及突變體都有過很多描述，但是控制分蘗的分子機制一直沒有弄清。自1996年起，在國家科技部、國家自然科學基金委員會和中國科學院的共同資助下，李家洋和中國農(nóng)業(yè)科學院國家水稻研究所的錢前博士等開始進行此方面的研究。經(jīng)過不懈努力，項目組鑒定了一株分蘗的極端突變體——單桿突變體MOC1。通過遺傳圖譜定位克隆技術(shù)，分離鑒定了在水稻分蘗調(diào)控中起重要作用的基因MOC1，它的缺失可造成分蘗的停止。進一步的功能分析表明，該基因可編碼一個屬于GRAS家族的轉(zhuǎn)錄因子，該轉(zhuǎn)錄因子主要在腋芽中表達，功能是促進分蘗和促進腋芽的生長。對這一重要基因的深入研究，將有望解釋禾本科作物分蘗調(diào)控的分子機制，對于水稻高產(chǎn)品種的培育有重要的理論和應用價值

走出“基因決定論”的誤區(qū)

自從基因一詞在20世紀初進入科學家的詞匯表以來，它不僅是生物學家最為常用的詞匯之一，也成為當今普通大眾最為熟悉的科學術(shù)語之一。隨著遺傳學和分子生物學的進步，人們不僅知道了基因的化學性質(zhì)——DNA序列，而且還認識到了基因的功能——編碼蛋白質(zhì)的氨基酸序列。由此，逐漸形成了一種廣為流行的“基因決定論”：生命的各種性質(zhì)和活動都是受基因控制的，甚至人類的精神活動也在基因的控制之下。不久前，芬蘭赫爾辛基大學和瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學院的研究人員在某些患有誦讀困難的病人中，發(fā)現(xiàn)了一種名為“DYXC1”的基因發(fā)生了突變。也就是說，人類的閱讀可能受到這種“DYXC1”基因的控制。不可否認，基因?qū)ι哂蟹浅Ｖ匾淖饔�，基因的異常通常就會導致生命的異常。但是，作為開放的復雜系統(tǒng)，生命活動從來就不是由一種因素就能完全決定的。當前越來越多的證據(jù)，正在向“基因決定論”挑戰(zhàn)。科學家正在以一種全新的視野來理解生命現(xiàn)象。

不再是“垃圾

隨著基因組研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)，在多細胞真核生物的基因組中，基因僅是其全部DNA序列的一小部分。在人類基因組中，全部基因序列只占基因組的2％左右�；蚪M內(nèi)的非基因序列曾一度被研究者稱為“垃圾DNA”（junk DNA）。這些“垃圾DNA”中至少有一半是重復序列。過去一直認為這些重復序列沒有功能，只是一些自私的DNA序列，熱衷于自我擴張。但近年來的研究表明，重復序列在生命活動中有著重要的作用。

     真核生物的染色體通常都是線狀的，其末端由一段重復序列構(gòu)成，稱為。在染色體的穩(wěn)定和控制細胞的壽命方面都起著關(guān)鍵的作用，還有可能涉及癌癥的發(fā)生。在腫瘤細胞中，參與端粒復制的端粒酶具有異常的活性；如果用化合物抑制腫瘤細胞內(nèi)的端粒酶活性，就有可能殺死腫瘤細胞。目前許多制藥公司正在開發(fā)作為抗癌藥物的端粒酶抑制劑。

     在基因組的重復序列中有一個大家族，被稱為Alu家族。每一個Alu片段大約有300個核苷酸。在人類基因組中，大約有140萬個Alu序列，占整個基因組的10％。隨著人類基因組全序列的測定，研究者對Alu家族的性質(zhì)有了深入的了解。人們發(fā)現(xiàn)，Alu片段在過去的3000萬年間快速而大量地富集于基因組GC堿基含量高的區(qū)域內(nèi)，比GC貧乏區(qū)的Alu片段含量高13倍。有趣的是，GC富集的區(qū)域內(nèi)基因的密度也比GC貧乏區(qū)大。顯然，Alu序列與基因在基因組中的進化可能有某種相關(guān)性。2003年5月，以色列科學家在美國《科學》周刊上發(fā)表了他們的研究結(jié)果，揭示出Alu片段在基因剪接（splicing）過程中插入到完整的mRNA中的分子機理，表明重復序列在進化過程中可以用來幫助形成新基因。

不需要“序列”的遺傳

      隨便打開一本經(jīng)典遺傳學教科書，里面都明確寫著：遺傳的分子基礎(chǔ)是核酸，生命的遺傳信息儲存在核酸的堿基序列上。然而，隨著“表觀遺傳學”（epigenetics）的興起和有關(guān)研究工作的進展，這種經(jīng)典的遺傳觀念正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

      從遺傳學的角度來看，同卵雙生的孿生子具有完全相同的基因組。如果這兩個孿生子在同樣的環(huán)境下成長，從邏輯上說，倆人的氣質(zhì)和體質(zhì)應該非常相似。但研究者發(fā)現(xiàn)，一些孿生子的情況并不符合預期的理論，往往在長大成人后出現(xiàn)性格、健康方面的很大差異。這種反�，F(xiàn)象長期困擾著遺傳學家�，F(xiàn)在科學家們發(fā)現(xiàn)，可以在不影響DNA序列的情況下改變基因組的修飾，這種改變不僅可以影響個體的發(fā)育，而且還可以遺傳下去。因此，這類變異被稱為“表觀遺傳修飾”，并被認為是導致遺傳物質(zhì)一致的孿生子出現(xiàn)個體差異的主要原因。

       腫瘤過去一直被認為與基因突變有著密切的關(guān)系。研究者發(fā)現(xiàn)了許多促進腫瘤發(fā)生的癌基因和抑制腫瘤形成的腫瘤抑制基因。但最近10多年來，通過對DNA甲基化模式的研究，人們發(fā)現(xiàn)許多種類的癌細胞都有著異常的DNA甲基化行為，腫瘤抑制基因常常被過量地甲基化而導致失去活性，而基因的DNA序列并不發(fā)生變化。此外，在結(jié)腸癌的細胞內(nèi)，一種編碼DNA損傷修復酶的基因“MLH1”由于甲基化而被抑制，從而引起了DNA損傷的增加。由此種種，科學家意識到，“表觀遺傳修飾”也是細胞癌變的一個重要原因。

      “表觀遺傳修飾”除了DNA甲基化這種主要的方式外，還有一種常見的方式是修飾染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。細胞內(nèi)的DNA并非裸露，而是與組蛋白一起包裝成致密結(jié)構(gòu)的染色質(zhì)。不同的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)常常影響到基因的表達。通過乙酰化或磷酸化等化學方法對組蛋白進行修飾，可以引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，從而導致基因活性的改變。

        重要的是，這些表觀遺傳修飾不僅影響著個體的發(fā)育與生長，而且還可以在不改變DNA序列的情況下遺傳給下一代。澳大利亞科學家曾報道過這樣一個工作：一個遺傳完全一致的小鼠品系，其皮膚卻具有不同顏色，即取決于對一個基因的甲基化程度。這種皮毛顏色的性狀差異往往由母鼠傳遞給后代。不久前在果蠅的研究中，美國科學家也觀察到了類似的現(xiàn)象。由此，科學家提出了一門新的遺傳學——表觀遺傳學，研究在不改變DNA序列的情況下基因功能改變的機制，以及這種改變在有絲分裂和減數(shù)分裂過程中的遺傳機理。

       表觀遺傳學使人們對基因組的認識又增加了一個新視點：對基因組而言，不僅僅是序列包含遺傳信息，而且其修飾也可以記載遺傳信息。這種在基因組的水平上研究表觀遺傳修飾的領(lǐng)域被稱為“表觀基因組學”（epigenomics）。1999年歐洲的生物學家成立了一個“人類表觀基因組聯(lián)合研究體”（Human Epigenome Consortium，HEC），開始了表觀基因組的研究。

離不開的環(huán)境

       以上的討論，，不論是“垃圾DNA”還是“表觀遺傳修飾”，始終是在遺傳物質(zhì)——核酸的層面上展開。然而我們不要忘記，這一切活動都離不開生物體的內(nèi)外環(huán)境。在經(jīng)典的遺傳學教科書里，都寫著這樣一條公式：表型＝基因型＋環(huán)境。不過，在大多數(shù)研究者的心目中，環(huán)境只是一個被動的因素，僅僅是為基因的功能實現(xiàn)提供相應的物質(zhì)條件。這里依然保持著一種線性思維和簡單的因果推理，即基因決定蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)決定性狀。隨著系統(tǒng)生物學的出現(xiàn)和復雜性觀念的形成，可以認為，在一個復雜的生命系統(tǒng)中，基因是否發(fā)揮作用和基因作用的最終結(jié)果（表型）是什么，都與環(huán)境的動力學特性有著密切的關(guān)系。

       這些動力學性質(zhì)在生物體的各種層次由不同的分子網(wǎng)絡(luò)負責。在基因組到轉(zhuǎn)錄組之間，由基因表達網(wǎng)絡(luò)以及各種小分子RNA調(diào)節(jié)基因的活動和轉(zhuǎn)錄。在轉(zhuǎn)錄組到蛋白質(zhì)組之間，由蛋白質(zhì)的翻譯后修飾以及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)給予控制。在蛋白質(zhì)組與代謝組之間，主要是細胞的能量代謝和物質(zhì)代謝網(wǎng)絡(luò)參與協(xié)調(diào)。這種種復雜的網(wǎng)絡(luò)與動力學系統(tǒng)的綜合作用導致了特定的細胞行為或個體表型。

   這種基因與環(huán)境的關(guān)系在復雜性疾病上有著明顯的反映。首先，一個國家的疾病譜和發(fā)病率在一定時間內(nèi)發(fā)生巨大改變的現(xiàn)象表明，環(huán)境對疾病有著巨大的影響，因為人群的遺傳素質(zhì)在短期內(nèi)是比較穩(wěn)定的。對結(jié)腸癌、中風、冠心病和II型糖尿病等多種復雜性疾病的統(tǒng)計學分析發(fā)現(xiàn)，至少70％的患者表現(xiàn)出各種不良的“環(huán)境因素”，如偏食、超重、不運動和抽煙。而且，如果對不良生活習慣加以改變，就可以大大地降低這些疾病的發(fā)生。例如，不抽煙，少喝酒，良好的飲食以及適量的運動，可以讓冠心病和中風的患病率降低70％。也許可以這樣說，越是復雜的性狀或行為，環(huán)境發(fā)揮的作用就越強、越重要。

在“基因決定論”的背后，隱藏著一個重要的，長期以來爭執(zhí)不休的問題：環(huán)境的作用能否改變個體的遺傳特性，并傳遞給下一代？這種被稱為“拉馬克學說”（Lamarckism）的觀點一直被正統(tǒng)的生物學家拒之門外，但現(xiàn)實的生命世界又一次次地把這個話題送到研究者的視線內(nèi)。瑞典一個科學家小組曾在2002年11月發(fā)表了一項研究，他們的統(tǒng)計結(jié)果表明，對于生于1890—1920年的瑞典男人的孫輩而言，如果其祖父在青少年期間吃得很好，那么孫輩因糖尿病而死亡的概率就很高；如果其祖父是在饑餓中長大的，那么孫輩死于心臟病的機會就很少。也就是說，祖父輩的飲食狀態(tài)影響到了孫輩的健康狀態(tài)。從這個例子可以得到這樣一種結(jié)論：個體在發(fā)育和生長過程中獲得的環(huán)境影響，被遺傳給了后代。從這里可以引申出一個更根本的問題：什么決定基因。大自然（環(huán)境）如此豐富多彩、如此變化不停，很難想象，對于一個開放的復雜生命系統(tǒng)，不會打上它的烙印。也許這是一個“先有雞還是先有蛋”的進化論問題，但不論怎樣，基因不會代表一切，更不能決定一切�！�

他山之石，可以攻“異”——化學遺傳學漫談

遺傳學的基本研究對象是生物體內(nèi)的各種變異，包括宏觀水平如個體或細胞的形態(tài)變化，以及分子水平如基因或蛋白質(zhì)的突變。一般說來，基因的突變是引起個體性狀改變的根源。因此，遺傳學家的主要任務(wù)是通過研究基因的變異來發(fā)現(xiàn)基因的功能。自20世紀初現(xiàn)代遺傳學誕生以來，在一個世紀的時間內(nèi)，生物學家們發(fā)展出了許多研究基因突變的遺傳學方法，揭示了眾多基因的功能。然而，隨著后基因組時代的到來，人們已不再滿足于傳統(tǒng)的遺傳學手段，希望有一種能夠快速、大規(guī)模研究基因突變的方法。由此，一門新興交叉科學——化學遺傳學（chemical genetics）便應運而生，利用大量的小分子化合物去研究基因的功能。

雙 向 選 擇

   傳統(tǒng)的遺傳學手段大致可以分為“正向遺傳學”（forward genetics）和“反向遺傳學”（reverse genetics）兩類。正向遺傳學是指，通過生物個體或細胞的基因組的自發(fā)突變或人工誘變，尋找相關(guān)的表型或性狀改變，然后從這些特定性狀變化的個體或細胞中找到對應的突變基因，并揭示其功能。例如遺傳病基因的克隆。反向遺傳學的原理正好相反，人們首先是改變某個特定的基因或蛋白質(zhì)，然后再去尋找有關(guān)的表型變化。例如基因剔除技術(shù)或轉(zhuǎn)基因研究。簡單地說，正向遺傳學是從表型變化研究基因變化，反向遺傳學則是從基因變化研究表型變化。

   化學遺傳學也同樣繼承了這兩種不同的研究策略。正向的化學遺傳學采用各種小分子化合物處理細胞，誘導細胞出現(xiàn)表型變異，然后經(jīng)過篩選，尋找小分子作用的靶標（通常是蛋白質(zhì)）。一個正向化學遺傳學研究范例來自哈佛大學的科學家，他們采用哺乳動物細胞為篩選模型，觀察了上萬種化合物對細胞分裂的影響，從中發(fā)現(xiàn)了一個能強烈抑制哺乳動物細胞分裂的化合物monastrol；進一步的研究揭示，monastrol專一地抑制有絲分裂驅(qū)動蛋白Eg5[1]。

   反向的化學遺傳學采用了反向遺傳學的思路，從基因或蛋白質(zhì)與小分子化合物的相互作用來研究基因或蛋白質(zhì)對表型的影響，從而找到這些生物大分子的功能。反向化學遺傳學的起源可以追溯到20世紀初期德國生物學家埃爾利希（P. Ehrlich），他提出了受體（receptor）的概念：一個特定的蛋白質(zhì)可以與一個小分子相結(jié)合；這種蛋白質(zhì)被稱為受體，與之結(jié)合的小分子被稱為配體（ligand）。今天，埃爾利希的觀點已經(jīng)被生物學家廣為認同，人們甚至認為每一個蛋白質(zhì)可能都有一個特定的小分子。事實上，化學遺傳學的主要目標就是要為每一個基因找到相應的小分子化合物。反向化學遺傳學的一個成功的例子是，美國科學家采用一種化合物PD184352篩選與其作用的蛋白激酶，發(fā)現(xiàn)它可以專一地抑制一種調(diào)節(jié)細胞增殖的蛋白激酶MEK1；進一步的研究表明它可阻礙結(jié)腸癌的生長，從而揭示出MEK1在腫瘤的形成中有著重要作用[2]。

“化 學 銀 行”

   隨著人類基因組計劃的實施和后基因組時代的來臨，經(jīng)典的遺傳學研究已走向規(guī)�；�、系統(tǒng)化。其標志之一，就是出現(xiàn)了存儲成千上萬基因信息和序列的數(shù)據(jù)庫——“基因銀行”（GenBank）。化學遺傳學也被烙上了同樣的標記。2001年，美國國立衛(wèi)生研究院下屬的國家癌癥研究所（NCI）啟動了一個計劃，希望全世界的科學家將所有小分子化合物的結(jié)構(gòu)及其生物學效應或與蛋白質(zhì)作用的信息，存入一個公共的數(shù)據(jù)庫。這個公共數(shù)據(jù)庫被稱為“化學銀行”（ChemBank）。預計在第一年為該計劃投入1000萬美元，以后逐年增大投入。NCI的所長克勞斯勒（R. Klausner）認為，通過實施“化學銀行”計劃，人們就可以系統(tǒng)地尋找和分析能夠作用于蛋白質(zhì)或細胞的具有生物活性的化合物。

   開展化學遺傳學研究的關(guān)鍵之一是要有大量的不同結(jié)構(gòu)的化合物供篩選。monastrol就是從含有16320種小分子的化合物庫中篩選得到的。新興的組合化學顯然是化學遺傳學獲得海量小分子化合物的核心技術(shù)。它的原理是，在同一個化學反應體系中加入不同的結(jié)構(gòu)單元，利用這些結(jié)構(gòu)單元的排列組合，就能夠系統(tǒng)地合成大量的化合物。此外，現(xiàn)代化學合成技術(shù)的改進和發(fā)展，也為化學遺傳學奠定了良好的基礎(chǔ)。

   要想從上萬種甚至上百萬種小分子化合物組成的化合物庫中篩選出有效的分子，顯然需要高通量的篩選方法，涉及到自動化、微量化和圖像處理等各種高技術(shù)的運用。以微量化為例，1970年代分析一個化合物樣品需要的體積是0.3毫升左右，1990年代減少到10微升，而最近幾年已發(fā)展到只需要0.1微升。目前，人們針對兩種不同的化學遺傳學需求發(fā)展出了不同的高通量篩選方法。正向化學遺傳學采用的是基于細胞的高通量篩選方法：將多細胞生物的某種細胞或單細胞生物體如細菌作為篩選模型，應用大規(guī)模平行檢測技術(shù)，同時分析成千上萬種化合物對細胞形態(tài)或活性的影響。而反向化學遺傳學則是采用以蛋白質(zhì)為靶標的高通量篩選方法，將特定的蛋白質(zhì)植入具有96個孔或更多孔的培養(yǎng)皿，然后通過測定酶反應或結(jié)合能力，尋找與蛋白質(zhì)發(fā)生作用的化合物。一般從1萬到100萬個化合物中，可以篩選到10到100個潛在的配體。

取 長 補 短

   經(jīng)典遺傳學研究手段在長達一個世紀的實踐中取得了巨大的成績，至今依然是生命科學研究中一個重要組成部分。但是，經(jīng)典遺傳學的研究具有一些先天不足之處。首先，遺傳突變通常是不可逆的，尤其是多細胞生物的基因突變。其次，絕大部分突變是不可控的，它們的活性無法按照研究者的愿望進行轉(zhuǎn)換；即使有一些條件型突變，如溫度敏感型突變，對溫度的改變不僅僅影響突變，而且會影響到有機體的整體變化。此外，遺傳突變的生物學效應比較緩慢，對于細胞內(nèi)一些快速化學反應如信號傳遞，很難及時檢測。遺傳突變通常是質(zhì)的改變——蛋白質(zhì)活性的增加或喪失，難以研究其動態(tài)變化或動力學過程。最后，由于哺乳動物具有繁殖緩慢、個體大、巨大的雙倍體基因組等特性，使得應用遺傳學手段變得非常困難。

   化學遺傳學正好可以在一定程度上補償這些經(jīng)典遺傳學研究的缺憾�；瘜W遺傳學的手段是可控的和可逆的——可以隨時加入或除去化合物，從而啟動或中斷特定的反應。大多數(shù)小分子化合物對蛋白質(zhì)的作用非常快，從而可以進行實時檢測。此外，通過控制化合物的濃度，可以對其作用的靶分子的動力學過程進行分析。化學遺傳學的另一個優(yōu)點是，一個同樣的化合物，可以被廣泛地用于影響各種不同生物體的某一種過程或功能�；瘜W遺傳學的方法也基本上不受物種的限制，既可以用于低等生物，也可以高等生物。

   不久前，人們在研究細胞的信號轉(zhuǎn)導時，把經(jīng)典遺傳學和化學遺傳學的研究方法結(jié)合起來，實現(xiàn)了優(yōu)勢互補。在信號轉(zhuǎn)導過程中，蛋白激酶起著非常關(guān)鍵的作用。由于所有的蛋白激酶都有一個非常保守的ATP結(jié)合結(jié)構(gòu)域，抑制蛋白激酶活性的小分子化合物通常是非專一性的：一種化合物可以抑制許多蛋白激酶的活性。為了尋找只作用于某一種蛋白激酶的專一性抑制劑，美國科學家發(fā)明了一種技術(shù)：首先用經(jīng)典遺傳學的方法把某種蛋白激酶的ATP結(jié)合位點上的一個氨基酸進行突變，制造出一個保持激酶活性但空間結(jié)構(gòu)改變的突變型激酶，隨后合成一系列可專門結(jié)合這一突變激酶的化合物，并篩選出只抑制人工突變蛋白激酶，而不抑制其野生型或其他蛋白激酶的小分子化合物[3]。這一方法不僅為在體內(nèi)研究各種蛋白激酶的功能提供了有用的工具，還表明經(jīng)典遺傳學和化學遺傳學的結(jié)合有可能為生命科學開拓更大的研究空間。

   化學遺傳學不僅是化學與生物學聯(lián)姻的產(chǎn)物，也是基礎(chǔ)研究與應用研究嫁接的成果。制藥公司的目的通常是獲得治療疾病的藥物——絕大多數(shù)都是小分子化合物。因此，現(xiàn)代化的制藥公司一直采用大規(guī)模篩選小分子化合物的方法，去尋找具有藥效的候選化合物，并且常常收集有數(shù)百萬種化合物。在早些時候，這類化合物庫是不出售的，學術(shù)界的研究人員無從進行大規(guī)模篩選的研究工作�，F(xiàn)在，隨著化合物庫的商品化，科學家可以開展相關(guān)的研究了。從另一方面來說，化學遺傳學研究所獲得的成果——小分子化合物及其生物學效應，除了被用來揭示生命的基本活動規(guī)律外，還可能成為候選藥物。也就是說，化學遺傳學的研究活動不是單純的基礎(chǔ)研究，而與應用緊密相聯(lián)。所以很多大型制藥公司都非常關(guān)注化學遺傳學。例如，哈佛大學在成立一個以從事化學遺傳學為核心的“化學與細胞生物學研究所”時，著名的默克制藥公司(Merck)就成為了該所的主要贊助者之一。可以說，化學遺傳學的出現(xiàn)把傳統(tǒng)的學術(shù)研究實驗室引進了藥物開發(fā)的戰(zhàn)場。

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