第6章 基因领域研究的创新信息(3)

（2）发现蜘蛛茧丝的基因分子结构。

2005年8月，美国加州大学河滨分校生物系，助理教授谢里尔·哈雅仕和研究员杰西卡·碣波等人组成的一个研究小组，对媒体发布消息说，他们发现了雌性蜘蛛，用于制造蜘蛛茧的主要蛋白质的基因分子结构。这一研究结果，将帮助生物技术专家开发更广泛的蜘蛛丝应用领域，而且对研究蜘蛛的进化过程也有很强的参考作用。

研究人员从12种蜘蛛身上，分离出一种被称为TuSp1的蛋白质。这些蛋白质的氨基酸序列具有很强的相似性，连1.25亿年前就已经分化的蜘蛛身上也是如此。由于构成蜘蛛丝蛋白质的氨基酸序列，决定着不同种类蜘蛛丝的特性，包括有弹性、抗张强度等，因此这一研究发现具有非常重要的意义。

哈雅仕表示，蜘蛛丝的强度和韧性，是目前已知天然纤维中最高的。因此，用蜘蛛丝制成的织物必然具备极强的牢度、柔韧性，而且能够生物分解。至今为止，蜘蛛丝已经在很多领域都有着广泛的应用，比如超强装甲、专业绳索和外科手术用显微缝线。

蜘蛛利用蜘蛛丝进行移动、捕捉猎物、储存食物和繁殖后代。蜘蛛的丝腺，可以产生不同种类的蛋白质并进行混合，然后根据不同的任务制造出具有不同功能和用途的丝。比如，正在织网的蜘蛛，吐出的是具有极好强度的牵引丝和俘获丝，俘获丝的弹性比牵引丝强，而且其粘性可以用来诱陷猎物。另外，用于构造蜘蛛茧的丝，是7种蜘蛛丝中具有特别好强度和耐久性的。

碣波指出，蜘蛛茧丝的蛋白质功能，不同于牵引丝或俘获丝等其他蜘蛛丝。蜘蛛茧丝必须能够持续使用很长时间，因此需要承受得住很多不同的状况，无论是冰冻还是高温，而且还需要具备足够的强度来保护蜘蛛卵免受掠食者、寄生虫等的袭击。

蜘蛛丝基因是由长的重复序列，以及某一个序列重复的突变构成。每一个序列重复的突变，都会波及相邻的序列重复，这称为协同进化。揭示蜘蛛丝的分子结构，不仅对开发产品很重要，而且可以帮助生物学家研究蜘蛛的进化情况。

蜘蛛茧丝是数百万年进化的产物，而蜘蛛丝蛋白质中的氨基酸，则是生物化学研究的蓝图。研究人员对其他25种蜘蛛丝基因进行比较后，发现它们具有很少的相似性。这表明TuSp1蛋白质，是遵循一定的序列进化通过基因复制引起的。研究人员说，迄今为止，人类才掌握了部分蜘蛛丝蛋白质的基因序列，更多的蜘蛛丝基因还有待今后去发现。

2.基因功能研究的新进展

（1）发现具有双功能的基因。

2006年9月，纽约大学比较功能基因组学中心，生物专家法比欧·皮亚诺和安尼塔·弗南德泽等人组成的研究小组，发现一种名为mel-28的基因，具有双重作用。它既在细胞分裂时，起确保染色体正常分裂的作用，又参与了核被膜功能。

利用系统汇集实验证据手段，生物学家能够找到不同基因间的关联。阐述基因关联的网络图显示，大多数基因处在高度关联的、被称为模块的组群中，这些模块含有众多的基因，它们参与了相同的作用。

该研究小组的发现，来自对秀丽隐杆线虫的研究。该线虫是人类首次完成基因组排序的动物，同时也是帮助人们研究胚胎如何发育的模式生物。皮亚诺和弗南德泽发现，mel-28基因同网络图的大多数基因不同，它与两个独特的模块相关联。通过线虫在胚胎早期时，把mel-28基因与带有荧光标记GFP的基因熔融，研究人员观察到，细胞在活胚胎中分裂时熔融物MEL-28-GFP的动向：在细胞核外围和染色体之间穿梭。进一步的功能测试实验显示，mel-28对核被膜的完整性和染色体分裂的正确性，都具有重要的作用。

（2）发明可控制基因功能开关的新技术。

2008年3月，《泰晤士报》网站报道，英国剑桥分子生物学实验室的阿伦·克卢格爵士领导的一个研究小组，发明了一种可控制基因功能开启或关闭的新技术。该技术有望使艾滋病、心脏病和糖尿病等疾病的治疗取得重大进展。

据报道，新技术依靠被称为转录因子的蛋白质，来加强或减缓基因的活动。克卢格1985年发现一种能实现上述功能的蛋白质，并将其命名为锌指蛋白。对某种特定基因有效的锌指蛋白，携带可附着在基因上的核酸酶，能使基因开启或关闭。该技术可关闭一些使心脏病或癌症恶化的基因，还可以激活那些保护神经不受损坏或促进血管生长的基因。

对于艾滋病的治疗，该技术就是通过改造病人免疫系统中的T细胞，使其能够免受艾滋病病毒感染。这样病人就能拥有一些正常工作的T细胞去抵御其他方面的感染。

据报道，目前，美国加利福尼亚州桑加莫生物科学公司，已根据这一原理开发出几种药物，旨在控制部分基因的首批药物已开始临床试验，针对艾滋病病毒感染者的试验也将在数月内进行。

（3）创建研究基因功能的“荧光鱼”。

2010年2月，北卡罗来纳大学一个研究小组，在《生物化学》杂志上发表的研究成果显示，他们正在利用荧光鱼作为分子“灯塔”，来研究动物的早期发育阶段。研究人员认为，他们创建的荧光鱼，也可为探究肿瘤发展成因提供线索。

研究人员聚焦的Sp2基因，可调节其他基因的表达。Sp2是Sp转录因子家庭的成员之一。Sp蛋白质扮演着细胞“接线员”的角色，它可在需要时开启或关闭。研究人员发现，皮肤肿瘤的发展与Sp2的过量生产呈正相关性，另有研究也指出了在前列腺癌中的类似发现。但除此之外，人们对该蛋白质知之甚少。

研究人员怀疑Sp2的过量产生，也许可作为肿瘤形成的早期指标。于是，他们把荧光标记插入到斑马鱼中。该标记与Sp2基因相连，从而使他们能够在整个生物体内跟踪Sp2的合成。在紫外光下观察斑马鱼时，Sp2标记就会在基因表达的地方发出红光。

研究人员表示，斑马鱼是此项研究很好的动物模型。由于其胚胎在24小时内就可发育完成，且向外发育，因此在显微镜下就能观察到正在发生的情况。此外，其Sp2蛋白与哺乳动物中发现的完全一样，因此在人类和斑马鱼中，该蛋白的功能也是相同的。

此前的研究认为，Sp2可调节发育，而且不只是肿瘤的发展，而是调节整个生物体的发育。研究小组在对斑马鱼进行观察研究时，也很快地发现了Sp2对胚胎发育的重要性。

研究人员注意到，在携带荧光标记的成年斑马鱼中，除了在雌性卵巢中发出红色荧光外，其他地方都是不发光的，且雌性产卵时也能发出红光。这表明，Sp2对于早期发育阶段来说，是十分重要的。不出所料，研究人员在删除胚胎中的Sp2后，胚胎不再进行发育。因此，研究人员认定，他们已发现了胚胎发育的基本机制。

（4）发现同一基因可有完全不同的功能。

2011年3月，有关媒体报道，英国研究人员发现一种名为Grb10的基因，与通常的印记基因表达规则不符的是，它从父母双方遗传下来的等位基因作用截然不同。同源染色体基因表达活性不同的现象，称为基因印记。

所有动物的细胞中，每个基因组都是成对出现：一条来自父亲，另一条来自母亲。多数情况下这两条基因都是活跃的，但对某些基因而言，其中一条被关闭了，基因仅能表达来自一方的同源基因，而另一方的不表达。

巴斯大学与加地夫大学神经系统科学与精神健康研究院合作，发现了一种名为Grb10的基因，其异常之处在于，子代只在大脑中表达来自父方的基因，却在身体其他部位表达来自母方的基因——好像父母双方的印记基因，各自在不同部位有一种无意识的优先权：母亲的基因表达涉及胎儿成长、新陈代谢、脂肪储存，而父亲的基因表达调控着成人的社会行为。

为了证实这一点，他们对缺乏父方Grb10基因的小鼠进行了行为研究。在一项强制遭遇测试中，研究人员把两组小鼠，放在一条狭窄管道的两端，并阻止它们转身，结果发现，Grb10基因在大脑中不活跃的小鼠通常会坚守原地，而其他小鼠则会倒退，并表现顺从。缺乏父方Grb10基因的小鼠，更喜欢控制其他小鼠，与脑中父方Grb10基因活跃的小鼠相比，更有可能获得同伴礼貌的待遇，这在小鼠和其他哺乳动物中是一种处于统治地位的标志。此外，这些小鼠，还更有可能扯断同笼的表达等位基因小鼠的胡须。当母方Grb10等位基因表达沉默时，小鼠通常会变得又大又重。

研究人员指出，这是首次证明，同一个基因根据其来自父母双方的不同，可以有完全不同的功能。好像是父母双方以不同的策略来帮助后代，一方致力于身体，而另一方致力于精神。研究证明，印记基因对人类健康非常重要。Grb10与胚胎发育有关，而在后期生命中，它对身体和精神两方面都很重要。

三、基因遗传信息研究的新成果

1.遗传基因研究的新发现

（1）发现遗传基因具有分割组织器官的功能。

2009年5月，日本奈良先端科学技术大学，一个生物科学研究小组发布消息称，他们经过试验发现，在脊椎动物背部骨骼形成过程中，有一种特定的遗传基因，能够把原本细长的组织器官分割开来。

研究人员首先开发出一种在鸡受精卵由胚胎分化成长过程中，在特定时期导入遗传基因的试验方法。他们利用这种新方法，研究分析胚胎中可发育成背部骨骼的，被称为体节的组织中约20种遗传基因的活动情况。结果发现，一种被称为“艾弗琳”的遗传基因，不但可以把组织器官分割开来，而且还有使分割后的断面变得平滑，使之呈现“上皮化”的功能，而如果阻止其活动，那些比较杂乱的组织就可以结合在一起。研究人员认为，通过控制“艾弗琳”的活动，就达到修饰组织器官形状的效果。

以往研究发现，“艾弗琳”是一种可将相连的细胞分离开的遗传基因，在分离开动脉静脉和大脑的区域划分方面，发挥主要作用。

研究人员称，该研究成果，有助于在再生医疗领域，按需培育与患者更加匹配的器官和组织，在整形方面也大有用武之地。

（2）发现基因调控程序在进化中被循环利用。

2011年4月，奥地利和美国联合组成的一个研究小组，在《自然·遗传学》杂志上发表论文称，他们通过对一种关键转录因子结合位点的研究发现，调控生物中胚层发育的基因程序，一直是被“循环利用”的，而不是动物们各自的独创。

生物的每个细胞中遗传信息都是一样的。不同细胞之所以显出不同的性质，是因为基因活性受到遗传程序的调控，通过基因开关，形成了肌肉、骨骼、肝脏及其他多种类型细胞。胚胎发育过程有着严格的时间和空间次序，基因程序控制着这种次序性，使DNA（脱氧核糖核酸）上的一维信息，逐渐发展成生物体的三维结构。胚胎干细胞定向逐级分化由复杂的调控网络控制，涉及多个功能基因开启与关闭，转录因子在决定基因是否表达及转录效率中，起重要作用。

联合小组选择了6种不同果蝇，研究一种名为Twist的转录因子，在它们胚层发育过程中的作用机制。中胚层是所有高等生物胚胎的三个基本起源细胞层之一。中胚层细胞会分化成肌肉细胞、心脏细胞、结缔组织和骨骼组织等。研究发现，Twist在不同种类果蝇DNA上的所有结合位点都是相似的，而且Twist通过和其搭档转录因子相互作用，能在恰当的位置与DNA结合。

研究人员解释说，这6种果蝇中，有些基因和人类的相似度很高，而另一些基因则与人类差异很大。这表示，调控中胚层发育的程序，在进化中一直是被“循环利用”的，而不是不同的动物分别进化出不同的程序。深入理解这些机制，有助于我们理解人类等高等生物是如何发育的，基因调控程序中的缺陷如何导致癌症等疾病。

（3）揭示线粒体由母系遗传的原因。

2011年10月，日本群马大学教授佐藤健等研究人员，在《科学》杂志网络版上发表论文认为，线粒体是存在于大多数真核生物细胞中的细胞器，其基因只能形成母系遗传，而与细胞的基因组不同。他们发现，线粒体的这种母系遗传原因，可能是由于“自噬”作用，父系的线粒体在受精卵中就被消化掉了。

为了探明线粒体如何遗传，研究人员利用体长1毫米左右的秀丽隐杆线虫，进行实验。他们把线虫精子内的父系线粒体着色，然后观察受精卵的情况。结果发现，来自精子的线粒体，在受精后不久，就被特殊的膜包裹起来，由于酶的作用而不断分解并最终消失，只有卵子的线粒体保留下来。

这种现象被称为“自噬”，也就是吃掉自身的一部分。这在细胞处于饥饿状态时，也会发生，细胞会分解自身的一部分作为营养源。为什么父系的线粒体会被消化？目前尚不清楚其中原因，据研究人员推测，可能是由于携带父系线粒体的精子运动量很多，受精的时候已经很疲劳了，它的基因不宜遗传给下一代。