人类基因组测序完成之后,各个国家的研究人员把主要精力和研究方向放在了功能基因上,即确定和找到某一种基因对于人和生物有什么样的功能和作用,无论是生理的还是病理的。现在基因研究的结果证明,基因的作用更为精彩和细致。
基因决定器官质量和运动天赋
现在,研究人员发现基因有一个更为重要的作用,可以测试一个人实际年龄的大小以选择最佳的器官供体。基因指纹(又称遗传指纹)的应用范围越来越大,因为基因指纹活性能够揭示一个人肾脏、心脏和肌肉年轻程度的真实性,而不论这个人的生物年龄有多大。因此,检测指纹基因不仅可以用来选择最好的供体器官,也可以指导人们治疗疾病。美国斯坦福大学医学中心的斯图尔特·基姆(StuartKim)等人发现,从细胞水平很难判断一个年轻而健康的人的心脏正在衰竭,或一位老人却拥有像年轻人一样活力四射的心脏。只要用简单的基因测试就可以解开这个谜,他们发现有一套基因的活性可以揭示人的器官质量有多好,而不论个体的实际年龄有多大。
他们的研究小组分析了年龄在16～89岁人群的81份肌肉样本的成千上万个基因的活性。从中选取了一组250个基因,其活性显著地随年龄而增加或递减。比较这些基因的活性与个人的肌肉适宜性(通过测定肌肉纤维的粗细来决定),结果发现,基因的活性特征才是一种更为精确的适宜性指标,而人的年龄并不能显示一个人的肌肉是否更好,其他器官也是如此。这意味着今后供体器官的选择应以基因活性的测定为准。
同样,基因也与人的运动天赋有关。研究人员发现,如果运动员携带有一类众所周知的“适应”基因,它可能导致运动员很疲劳,以致他们的心脏不堪重负。长期以来运动学专家认为,心脏肌肉不同于大腿、胳膊的肌肉,是不会疲劳的。但是,对运动员的一些研究提示,如果进行长达许多小时的激烈的运动也会让心脏磨损。为了弄清长时间极限运动会对心脏造成什么样的损害,斯坦福大学医学中心的心脏病学家尤安·阿斯利(EuanAshley)等人研究了在苏格兰进行的一些探险运动的参与者。运动员要以长跑、自行车、划艇、越野和游泳完成480千米的竞赛,而且在几天的时间内只能睡几小时。
阿斯利等人在赛前和赛后90多小时利用心脏超音波仪检测运动员,也抽取运动员血样以检查运动员拥有已知的哪种“适应”基因变体。这种基因能产生血管紧张素转换酶(ACE),后者能增加紧缩血管的激素的产量。但是,优秀而耐力好的运动员却普遍拥有导致低ACE活性的“适应”基因变体。结果发现,在心脏失去10%的泵血能力的限度时,极限运动并没有损害心脏。但是,携带有两个ACE耐受基因拷贝的运动员更为疲劳,这些人的心脏损失了13%的能力,而只有一个耐受基因拷贝或完全没有的人,其心脏能力损失仅为8%,因此有两个基因变体的人比其他基因变体的人更能促使他们运动更长时间和做更激烈的运动,因而使得他们的心脏更劳累。
揭示男女差异
两性差异与大脑有关。男性Y染色体中有一种决定性别的基因,称为Sry,实际上它既在男性大脑中表达,也在睾丸中表达。但是,现在研究人员对Sry基因的作用惊讶不已,因为它在大脑中参与调控运动协调的作用似乎超过了调节与性相关的生物特征。而且这个基因的丢失可能导致与帕金森氏症相似的症状。美国加利福尼亚大学的艾里克·韦伦等人对小鼠大脑中的Sry编码产生的蛋白进行研究,发现这些蛋白出现在雄性小鼠大脑的黑质部分,而大脑的黑质区域主管运动功能,而且在患帕金森氏症时会受到影响。
但是,如果注射药物阻断Sry基因在雄鼠大脑黑质区域的表达,这些小鼠就会出现类似帕金森氏症的症状,如控制不住的震颤性动作。而当停止阻断Sry基因的表达时,小鼠的运动功能又回复到正常。韦伦等人反复观察了许多次,都得出了相同的结果。他们认为,Sry基因的表达明显地参与了生殖、性别决定,但也可能参与了运动协调功能。
当然,男女有别是因为雌性拥有两条X染色体,雄性只有一条X染色体。为了避免X染色体上重要基因的缺失,需要通过一种剂量补充机制来调节。在这种补偿调剂中实行的是两种策略,雌性细胞两条X染色体之一处于失活状态,称为Xi,而另一条则保持活性,称为Xa[雌性那条沉默多余的X染色体就由在X染色体之上的X染色体非活性中心(Xic)来调控]。于是形成了相互排斥的Xa/Xi不同性质的选择,这说明,在两条X染色体之间必须有某种形式的沟通。
研究人员发现,小鼠细胞经历了剂量补偿和X染色体失活,这实际上就是一种沟通方式,采用的是在两条X染色体的Xic基因之间进行短暂的物质干扰。把额外的Xic基因拷贝放置于常染色体上可诱发异位X染色体反应,这种反应便干扰X染色体正常的失活过程。于是一条X染色体保持活性,另一条处于失活状态。两性之间性染色体上的这种基因激活的机制正是男女有别的原因,同时对于理解遗传信息的处理也具有重要意义。
基因决定味觉和性欲
人的多种生理功能和感觉同样与基因有很大的关系。现在研究人员发现,决定我们味觉和性欲的是某种特定的基因。
食物放置久了会变馊(酸臭),尤其是夏天,但是哺乳动物的舌头是如何辨出馊味的呢?这个问题过去一直没有明确的答案。今天,一项研究结果认为,一种特殊的单个受体分子是哺乳动物辨别馊味的基础。
哺乳动物的味觉可分为甜、咸、苦、酸、辣和麻等。迄今,只有甜、苦、麻的味觉受体得到确认,而其他味觉的受体尚不肯定。甜、苦、麻味觉的受体是由大分子触发的,如糖分子。这些分子打开(味觉受体的)开关,并被舌头上的特殊细胞所识别。然而,咸和酸的感受机理却不同于甜、苦、麻的分子机制,它们只利用非常单一的离子通道,如氢离子(H+)来感知酸,主要是钠离子(Na+)来感知咸。
美国霍华德·休斯医学院的查尔斯·朱克(Charles Zuker)等人在确认了甜、苦、麻的受体后又开始研究酸味的感受机理。他们普查了舌头味觉细胞所能感知的各种受体,列出了约900个感知酸味的受体,然后检查其基因类型,以辨认它们是否也存在于其他受体中,最后筛选出了一个不重复的单个蛋白PKD2L1。为了检测PKD2L1的功能,朱克等人创造了一种转基因小鼠,在其表达PKD2L1的细胞中能产生一种杀死这些细胞的毒素。把探针置于小鼠的大脑,酸臭食物并没有刺激起转基因小鼠的大脑神经细胞的活性。小鼠的行为发生了改变,它们仍然吃着酸臭的食物,而正常小鼠则对酸臭食物避得远远的。这说明,PKD2L1是感知酸臭味觉的受体分子。
很早以前,研究人员就发现,人的许多神经递质(化学物质)决定着人的生理和行为,包括性欲和性行为。这些神经递质的产生也是由基因决定的。比如,有一种称为多巴胺D4受体(DRD4)的物质就是一种神经递质,它部分地控制着大脑对多巴胺的反应。研究人员研究了为D4受体编码的基因,发现这种受体不仅与动物和人的性行为有关,而且也主管着人感受高兴的“愉快系统”。而多巴胺回路则帮助建立了一种驾驭性欲、药物和食物的机制。
2004年以色列希伯来大学的理查德·爱布斯坦(Richard Ebstein)等人发现,阻断多巴胺D4受体基因的药物有助于触发小鼠的勃起。
现在他们又对148名男女大学生进行性问题的问卷调查,如“你多久拥有性的激情”等。根据问卷调查以确定大学生们在性欲上的得分高低。然后再检测其体内的多巴胺D4受体基因,以做比较。爱布斯坦等人发现,有一个特殊D4变体的学生的问卷调查得分低于平均分,比起那些拥有一个可选择性D4基因变体的学生来只是性欲一般。这在统计学上的差异并不大。但是,约有70%的人拥有性欲低的基因变体,而约20%的人拥有性欲高的基因变体。这说明基因可能决定着人们性欲的高低。