包括人类在内,哺乳类的基因绘图近十年来有了飞快进展。其背景是,随着体细胞遗传学研究的不断深入,发展产生了种种新方法,例如运用细胞培养法、染色体分带染色法、酶(同工酶)检测法等,从而有可能绘制细胞水平的基因图。
关于绘制人类基因图,从1973年起到1983年共召开过七次专门国际会议,统一整理公布了以前发表的有关基因图的资料。迄今已在二十二对常染色体以及X和Y染色体上确定了九百多个基因。在这类会议中不仅对人,也探讨其他哺乳动物的基 · 因图,在推进染色体组型进化、致癌、遗传病等研究方面积累了重要资料。在第三届国际细胞生物学会议上安排“染色体图”专题讨论会,从一个侧面也反映了世界各国学者对此项研究的深切关注。
在这专题讨论会上,预定讲演的拉得尔(Raddle)博士(美国)因病缺席,令人遗憾。不用赘言,拉德尔是人类基因绘图的先驱者,现在仍积极从事此项工作的深入研究。武部博士(京都大学)依据人类基因绘图的历史背景作了基因绘图现状的报告。下面就这次讨论会的其他报告内容,不按报告顺序地向大家作简略介绍。
怀特(White美国)报告了将DNA多态性定为标记的人类基因连锁分析。最近基因克隆或DNA工程发展相当快,已能从不同人的相同染色体或配对染色体之间得到碱基序列长度不同的片断。这样的片断叫限制片断长度多态性(RFLP),也就是通常说的DNA碱基序列多态性。这染色体DNA多态性是染色体上一小部分DNA(长度从0.4 K碱基对开始,大到43 K碱基对),迄今在各自染色体上都能看到。这多态性是稳定的,能遗传给子孙,因此作为很好的遗传标记而受到重视。
在这些多态性中,也能发现有的同造成遗传疾病的分子异常有密切联系。因此,如果这样的DNA多态性新产生或相反不产生限制酶识别部位,那么将从遗传疾病患者抽提的ONA片断同健康人BNA片断进行比较,就能准确诊断遗传疾病。实际上,自从坎(Kan)等发现DNA多态性作为心珠蛋白基因的等位基因标记同镰形红血球贫血症基因连锁以来,就分布在地中海沿岸的由该基因带来的地中海贫血病开展了许多研究,现在已发展到能预测妊娠的胎儿将来是否会发病。不过,这一分析法必须明确各家系存在遗传的多态性,又因为无多态性的情况也有,并存在民族差异,所以分析相当困难。但是,怀特等以犹太州的白人居民为对象,调查了连续3代的家系极大部分成员(每1家系由约1,000余人组成)的DNA多态性。因为此法可以分析配对的各种染色体的DNA多态性,所以在分析连锁方面能得到可信度高的重组值。怀特等现在已研究清楚DNA多态性在X染色体上有12种以上,no. 11的短臂(Up)上是6种,nos. 12和13上分别是9种,no. 6短臂(6 p)上也存在,在根据同这些染色体上的其他基因的连锁来决定基因顺序方面,DNA多态性也是重要的标记。
卡拉诺(Carrano)(美国)用细胞分离器进行人的染色体分离,长期从事从分离的各种染色体来的基因克隆或建立染色体DNA库的研究。染色体分离的方法分以下几步:对培养细胞进行秋水仙素处理;用分裂中期细胞抽提染色体;用ethidium bromide和Hoechst等荧光色素染色;放在细胞分离器中,借助激光束区分荧光强度不一样的各种染色体。用这种染色体分离法能分离各种染色体,然而很难区别同样大小的染色体,例如1和2、9和12、14和15.16和18等。不过,这些染色体可以从单独存留的人×田鼠和人×小鼠等杂种细胞中分离,所以按照卡拉诺方法,能分离几乎全部人类染色体。特别是,如果用只存留1条人染色体的杂种细胞系,就可以获得不混杂其他人染色体的纯染色体片断。
从这样分离得到的染色体中抽提DNA,然后选择合适的载体进行克隆。现在除了少数几种染色体(4、8.16.18)外,正在建立所有染色体的基因库。这基因库对检索前面提到的特定染色体的DNA多态性以及单一基因的克隆化都很有用,且在诊断治疗由遗传疾病中的基因结构和基因造成的异常症方面也会起重要作用。
关于人类的基因标记,堀(放射医学综合研究所)用UV敏感性小鼠细胞和人细胞的杂种细胞,发现在有人no. 13存在的克隆中看不到UV敏感性,而在这条染色体消失的克隆中UV敏感性很高。也就是说,人no. 13中存在修复(或互补)由UV产生的小鼠细胞损伤的基因。就存在参与DNA修复的基因的人染色体来说,也有报道说在相对中国田鼠细胞的1 q和19以及相对小鼠细胞的no. 3中都有存在,可考虑参与DNA修复的基因存在多态性。
清水报告说,利用大量产生上皮细胞生长因子(EGF)受体的人上皮癌细胞株同不具有EGF受体的小鼠细胞形成杂种细胞,发现人细胞由来的特异转座染色体同EGF受体产生相关。清水等最早将人EGF受体基因定位在no. 7上,现在更明确这基因位于7 p13-p11上。在癌细胞特异的异常染色体no. 7短臂部转座了由来不明的染色体,在含有这染色体的杂种细胞中表现了同EGF强力的亲和性,另外在亲本癌细胞中在高频度含有这染色体的细胞中也都能看到同样的相关现象,据此可认为EGF受体基因转座在这特异的染色体上。如果在这基因转录活性方面研究一下mRNA,那么具有这特异染色体的细胞同正常细胞是不一样的。因此清楚这染色体上的受体基因与正常染色体的基因序列不同。这异常排列是怎么回事?例如,是基因重复?同大量产生受体有什么联系?或者在其他癌细胞中又是怎样?这些问题还有待进一步阐明。
与目前人染色体绘图不同,吉田就广泛采用的实验动物大鼠和中国田鼠的基因绘图作了报告。这些动物种在近交系方面更系统化,虽然一直在从中纯化开发人类疾病模型,但同小鼠和人比较,遗传学分析落后。吉田等用体细胞杂种形成法,在对这些动物种进行基因绘图的同时,也还在异种间比较研究基因位点或连锁群以及染色体分带染色等所谓相似性绘图。
大鼠的染色体数是2n=42,除去性染色体,应当有20个连锁群。但至今只知道7 ~ 8个连锁群,确定为基因的有数十个。吉田等用体细胞杂种法给各大鼠染色体绘上约20个酶基因。他们还用细胞杂种形成法对主要组织亲和抗原基因(MHC或RTI)进行绘图,研究按RTI抗原表达和特定染色体存在的相关以及细胞障碍(由RTI血清引起)造成的阴性_胞选择进行,结果发现如下相关:RTI抗原表达的细胞有no. 14存在,在抗原阴性细胞中no. 14消失,从而认为控制大鼠RTI的基因存在于no. 14上。
吉田将新确定的基因位点同小鼠的这一基因位点进行比较,发现在两个种中连锁群是一致的。另外,如果比较载有这些基因的两个种的染色体分带染色,譬如大鼠no. 5和小鼠no. 4、大鼠no. 10和小鼠no. 11等,分带染色都极其相似,这就可考虑在分带染色显示相同的染色体上存在同样的基因或连锁群。
关于中国田鼠的基因绘图,其大部分也都是控制酶的基因,在各染色体上现已确定了约40个基因的位置。确定基因位于染色体哪一部位的基因位点绘图也在开始利用染色体异常。在比较田鼠和小鼠间相似基因时,发现这些基因分别位于分带染色极为一致的染色体上,得到的结果同上述大鼠小鼠情况一样。
像这样,异种间有相似基因存在的染色体有可能表现出相似的分带染色,换句话说,在显示相似分带染色的染色体上有可能存在同样的基因。另外,连锁群的保存性不光在大鼠 - 小鼠之间,在小鼠 - 田鼠以及人 - 小鼠之间都能看到,例如,大鼠no. 5上的几个基因(连锁)群在小鼠no. 4中也好,在人no. 1p中也好,都是存在于相同染色体上。虽然这三个种在进化上有很大差别,但它们的染色体分带染色还是相似的。像这样在异种间比较相同基因的位点或连锁群的工作也叫相似性绘图(或叫比较绘图),这些研究在考察种分化和染色体组型进化上很重要。在这专题讨论会以外也还发表过其他基因绘图研究。例如,金田等(大阪大学)报道,蛋白质合成中必须的tRNA移位酶的EF-2(延伸因子 - 2)位于人no. 9上。对此分离了抗白喉毒素的人变异细胞同小鼠细胞融合的杂种细胞,根据这毒素敏感性同存留的人染色体相关进行了基因绘图。 · 白喉毒素是蛋白质合成抑制剂,它作用EF-2后抑制合成进程。抗白喉毒素的细胞一般认为是EF-2不受干扰的蛋白质合成系突变3因此应具有抗毒素EF-2。此外,如果用存留人no. 19的杂种克隆去感染脊髓灰质炎病毒(no. 19具有对这病毒敏感的基因),根据no. 19消失毒素抗性也消失的实验结果,也确认在no. 19上存在EF-2基因。
M. 格拉维斯(Marshall Graves)(澳大利亚)报告,他们在对两种袋鼠的X染色体绘图中,发现存在跟哺乳类X染色体同样的基因Gpd、Hprt、Gia和pgk,而哺乳类X染色体上的甾体硫酸脂酶在这两种有袋类中是位于常染色体上,这一点对考虑X染色体进化颇有趣味。
同以上的基因绘图不一样,她们还发表了杂种细胞染色体消失的研究。虽然杂种细胞的染色体消失机制还不明,但知道在融合来自小鼠和中国田鼠的细胞株时,染色体消失受融合时亲本细胞染色体的多倍性左右。也就是,如果小鼠是多倍性(2 s以上),则田鼠染色体消失;相反如果是同多倍性的田鼠细胞融合,则小鼠染色体消失。这一染色体消失的机制依然是不明确的,但在选用细胞株形成杂种中,还是能用来预测染色体消失会发生在哪一方细胞。
以上粗略介绍了几位代表的报告。在这次国际会议中,从事基因绘图的专家并不多,这当然与细胞生物学会性质有关。以人为中心的基因图绘制借助DNA工程的发展,今后一定会加快推进DNA水平的基因绘图。此外,其他动物的基因绘图如前所述,在建立人类遗传疾病的模型动物以及了解基因和染色体组型进化上也很重要。
[遗伝(日),1985年第2期]