基因打靶技術--從2007年諾貝爾醫學獎談起

作者：南泥灣

今天傳來的消息，美國科學家馬里奧-卡佩奇(Mario R. Capecchi)和奧利弗-史密西斯(Oliver Smithies)、英國科學家馬丁-埃文斯(Martin J. Evans)，分享2007年諾貝爾生理學或醫學獎，他們在小鼠基因打靶技術方面做出了卓越的貢獻。

鑑於小鼠基因打靶技術的專業性比較強，為了方便大家的理解，這裡我簡單做個介紹。

1.何謂小鼠基因打靶（Gene targeting)?

我們已經知道，生物的性狀基本由生物體內體內的遺傳物質決定，如同家庭是社會的基本組成單位，基因是體內遺傳物質的基本單位。如我前文所說，人有大約2-3萬個編碼蛋白的基因，說起來可能難以置信，我們外貌、體質的大部分，脾氣性格、智商、能力的一部分由2-3萬個編碼蛋白的基因決定的，動物和人在這方面極為相像，了解人可以從動物開始。

基因打靶就是定點突變小鼠胚胎幹細胞的某個特定基因（例如生長因子基因），使之發育成為穩定攜帶這個突變基因的小鼠品系的一種基因轉移和改造技術。

雖然基因轉移和改造技術對多數人來說還比較陌生，但其成果已經滲透到我們日常生活的許多領域，例如轉基因食品，生物工程藥物等都是，基因打靶技術也是其中之一。

大的範圍說，小鼠基因打靶屬於轉基因動物技術的一種。我們研究的目的基因（人等其他不同種的外源基因或突變的內源基因）轉到某個動物的體內的染色體上，就是轉基因到動物的過程，如果只有部分動物細胞攜帶了這樣的基因，成為嵌合體動物，只有當這個基因整合到動物的生殖細胞，攜帶的這個目的基因能夠穩定地傳給下一代動物，這樣的動物才成為轉基因動物。

轉基因動物的獲得，根據介導基因轉移的細胞或載體，廣泛應用的可分為以下兩個途徑：

1）受精卵原核注射

直接將含有目的基因的DNA採用顯微注射方法打進受精卵的細胞核，然後將這個受精卵移入小鼠輸卵管內使之繼續發育成個體。

最早的轉基因動物就是這麼來的，可以用來做基因工程藥品，主要缺點是目的基因插入的位置不能控制，是隨機整合。

2）胚胎幹細胞介導的基因打靶

和受精卵原核注射隨機整合不同，基因打靶採用早先發現的生物體內存在的同源重組原理，在體外培養水平上將目的基因通過同源重組導入到胚胎幹細胞（大約百萬分之一的概率），篩選出有目的基因導入的胚胎幹細胞，注射入小鼠胚胎的囊胚腔，移入小鼠輸卵管內使之繼續發育成個體。

這個方法的特點是目的基因插入的位置是可以控制的，可分為兩小類：如果在某個需要研究的基因位置插入一段DNA序列，阻撓該基因正常功能，構成基因剔除（或敲除）小鼠（Knock-out mice)；如果用一個突變的基因替換了原來的基因，稱為敲進小鼠（Knock-in mice),可以用來研究基因內某個特定核苷酸位點的功能，比前者更為精細。

2.基因打靶技術有什麼用處？

基因打靶技術對研究人體基因的功能有很大貢獻，尋找致病基因就是研究基因和疾病的關係。有兩個大的研究思路：一是從疾病本身入手找相關基因，屬於經典遺傳學範疇，能夠找出一部分。二是先搞清人所有的基因，分析各個基因的功能，歷時13年的人類基因組計劃的順利完成，這個途徑便成為快速通道，基因打靶技術是目前研究小鼠基因功能的常規技術，也是最佳手段。

由於人和小鼠有不少基因的功能相同，分析一系列轉基因小鼠的異常，提供了基因和功能的關聯信息，所以說基因打靶技術幫助我們搞清楚了許多人體基因的功能。

3.獲獎三人各有什麼貢獻？

埃文斯1941年出生在英國，1963年從劍橋大學畢業，獲得倫敦大學解剖學和胚胎學博士學位。1981年他和同事從小鼠胚胎中第一次成功分離出未分化的胚胎幹細胞（參靠文獻1）。這為“基因打靶”技術創造了基本條件。埃文斯現在英國加的夫大學擔任哺乳動物遺傳學教授。

卡佩基1937年出生在意大利，後獲得美國國籍。卡佩基1967年獲美國哈佛大學生物物理學博士學位，長期擔任猶他大學人類遺傳學和生物學教授。卡佩基因在基因打靶技術的研究上做出了開創性工作而成名，標誌性的貢獻是1987年發表在《細胞〉的論文（參靠文獻2）。

史密斯1925年出生在英國，後獲得美國國籍。1951年獲得牛津大學生物化學博士學位，如今在美國北卡羅來納大學工作。在差不多60歲時和卡佩基幾乎同時對基因靶向技術做出了奠基性貢獻（參靠文獻3）。

3.科學發現和技術發明，孰輕孰重？

回顧諾貝爾獎的歷史，不難看到科學發現占了很大比重，似乎給人一個諾貝爾獎偏重科學發現的一個印象。然而，最近幾年的獲獎的幾個技術發明，如聚合鏈式反應(PCR)技術和今年的基因打靶技術，其炫目光芒和應用之廣泛大大超過了許多既往獲獎的科學發現。

我想，諾貝爾獎評委們幾次傳遞出的信息已經能夠成為大家的共識：在探索未知的過程中，重大技術發明的意義絲毫不遜色於科學發現。

2007-10-8

參靠文獻：

1.Evans MJ, Kaufman MH.Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos.Nature. 1981 Jul 9;292(5819):154-6. No abstract available.

2. Thomas KR, Capecchi MR. Site-directed mutagenesis by gene targeting in mouse embryo-derived stem cells.Cell. 1987 Nov 6;51(3):503-12.

3.Doetschman T, Gregg RG, Maeda N, Hooper ML, Melton DW, Thompson S, Smithies O.
Targetted correction of a mutant HPRT gene in mouse embryonic stem cells.
Nature. 1987 Dec 10-16;330(6148):576-8.