及时章 反向遗传学概述

及时节 反向遗传学产生的背景

反向遗传学 (eeseeis)是相对于经典遗传学而言的一门方法学 ,在认识反rvregntc向遗传学之前 ,首先要了解遗传学产生与发展的过程 .所谓 "遗传 ",是指生物通过各种方式保障生命在自然界中延续 ,并使子代与亲代保持某些相似特征的现象 .人们很早就开始探讨有关亲代和杂交子代之间的性状遗传规律 ,但一直未取得突破性进展 .直到1866年奥地利学者 Mendel根据他的豌豆杂交实验结果发表了 .植物杂交试验 .的论文,提出两个影响深远的基本遗传法则 ,即分离法则 (定律 )(图1-1)和自由组合法(定律 )(图1-2),这两条法则后来被称为孟德尔定律 ,奠定了现代遗传学的基础 (C则ann,2005 ).1909年英国遗传学家 Bateon提出了 "遗传学 " (genetics)这一学科名称,并对其进行了定义 ,认为遗传学是研究生物的遗传和变异 ,即研究亲子之间异同的生物学分支学科 .其研究范围包括 :遗传物质的本质?遗传物质的传递和遗传信息的实现三个方面 .自此 ,遗传学正式成为一门学科 .100余年来 ,遗传学家们都是在围绕这三个方面进行研究 .

1909年,在 Morgan的领导下 ,一批科学家以果蝇作为遗传研究的材料 ,在广泛和深入研究的基础上 ,提出了第三条经典遗传规律 ,即连锁和交换规律 .但此时的基因被认为只是一个交换?重组和突变时无法再分的单位 ,其物理和化学性质?结构等仍然是个谜 .1930~1952年,美国一个噬菌体研究小组经过一系列的实验 ,最终确定 :DNA是遗传物质 (赵寿元和乔守怡 ,2001 ).这一阶段的遗传学被称为经典遗传学 ,其研究核心是通过研究生物的性状或表型 ,进而研究遗传物质的本质及遗传信息的传递规律 .回顾经典遗传学的发展历程 ,不难发现早期的遗传学家都是通过观察和研究生物表型和性状的改变来探索生物遗传的规律 ,解释遗传的本质 ,所使用的一些研究方法主要是研究系谱和杂交育种 ,上述一些遗传规律或法则就是运用这些研究方法得到的.

图1-1 孟德尔分离定律示意图孟德尔的分离定律可表述为一对等位基因在杂合状态 (Aa)下,互不干预 ,保持其独立性 ,在形成配子时各自 (A或a)分配到不同配子中 .在一般情况下 ,F1代配子分离比为1∶1 ,F2代基因型分离比为1∶2∶1 ,子二代表现型分离比是3∶1?

1953年 Watson和 Crick提出了 DNA的双螺旋结构模型 (图1-3),Crick继而于1958年又提出 "中心法则 ".这些理论不仅让人们了解到遗传信息的分子结构 ,也阐明遗传信息的传递途径 ,从而开创了遗传学的新纪元 ,也标志着遗传科学进入一个新阶段 ,即分子遗传学阶段 .分子遗传学是建立在微生物学和经典遗传学的基础之上,借助生物大分子的研究来阐明生物的遗传和变异规律的遗传学分支学科 .经典遗传学与分子遗传学都是遵循 "性状 →基因"的研究路线 ,从分析生物个体的表型入手 ,研究决定这些表型性状的基因及其调控序列 .可以说分子遗传学是遗传学发展的高级阶段 ,经典遗传学的许多原理已经或正在被分子水平的实验所验证,有的得到进一步发展,有的被修正或摈弃,许多经典遗传学无法解决的问题或无法破译的奥秘也在不断被解决或揭示.分子遗传学的诞生不仅发展了经典遗传学,也为反向遗传学的产生奠定了理论基础.

随着分子遗传学的发展,许多以基因为操作对象的实验方法或技术也在不断被建立与发展.例如,1967年吴瑞博士建立了及时种 DNA测序方法,即引物延伸测序策略; Smith等 (1970)发现了限制性内切核酸酶在分子遗传中的作用,为基因工程奠定了基础;1972年,以 Berg为代表的一批美国科学家发明了人工重组 DNA技术,并得到了及时个重组 DNA分子;1974年,人们首次实现异源真核生物的基因在大肠杆菌中的表达;1975年,美国的 Temin和 Baltimore在 RNA肿瘤病毒中发现了反转录酶,它以 RNA为模板,反转录生成 DNA,等等 (吴乃虎,2003).如此一系列基因工程技术的建立与发展不仅方便了人们在分子水平上对生物遗传规律的研究,也为开展反向遗传学研究提供了技术支撑.

如前文所述,经典遗传学遵循 "性状→基因"的研究路线探讨遗传物质的本质及遗传信息的传递规律.但事实证明,要进一步探索生命世界的奥秘,从根本上揭示生命的遗传规律,仅走这一条研究路线是不够的.随着越来越多生物体基因的发现及其序列的测定,人们发现可以直接从基因入手开展遗传学研究,即采用 "基因→性状"的研究路线.由于这种研究生物遗传学的思路是与经典遗传学研究中所使用的思路逆向而行,所以称之为反向遗传学.目前反向遗传学已经广泛应用于生命科学研究的各个领域中,如反向疫苗学?转基因动 (植)物?寄生虫学以及微生物学等.当今比较流行的 RNA干扰(RNA interference,RNAi)?基因敲除 (gene knockout)?反义 RNA (antisense RNA)?基因过表达 (gene overexpression)?定点诱变 (site-directed mutagenesis)或体外诱变(in vitro mutagenesis)等都属于反向遗传学范畴.

第二节 反向遗传学的概念

广义的反向遗传学泛指从生物基因组及其所含生物信息出发,采用 "基因 →性状"的研究路线,对生物体进行遗传和变异规律的研究,揭示生物的表现型与基因型之间的关系,探讨生命遗传规律的分子遗传学分支学科.从方法学角度而言,反向遗传学是在获得生物基因信息的基础上,对基因进行操作,来研究生物基因结构和功能的策略.其所涉及的技术包括:基因的定点突变?基因插入/缺失和基因置换等.目前,反向遗传学已成为最能有力推动植物学?动物学及微生物学研究的前沿学科之一.

狭义的反向遗传学仅是指对微生物 (包括细菌和病毒)的反向遗传操作和研究,尤其是 RNA病毒的反向遗传学操作.这是由于 RNA病毒的基因组一般比较小,更有利于反向遗传操作.目前已有许多病毒的反向遗传学研究系统被建立起来,成功实现了病毒的体外 "拯救".在此基础上,人们可以很方便地从基因组入手研究病毒的分子特征?致病机理?病毒与宿主之间的相互作用以及开展新型疫苗的研究等工作,从而开创了分子病毒学研究领域的新局面.

第三节 反向遗传学的原理

由于几乎所有的基因工程技术都是以 DNA为操作对象,因此 DNA病毒的反向遗传操作相对容易,许多 DNA病毒的基因组结构与功能?基因的复制与表达机制?分子致病机理等不断被揭示,其研究领域也因此得到不断扩展和纵深.相比之下,RNA病毒的分子生物学研究则显得较为滞后.因为非反转录 RNA病毒的复制周期并不经历 DNA阶段,其基因组分别以各自特有的 RNA形式存在于自然界中,RNA的分子结构特征决定了它的不稳定性和易降解性,病毒 RNA一旦脱离病毒核衣壳的保护就难以存在.因此,在体外操作 RNA病毒基因组比较困难.而反向遗传操作技术的发明改变了这种状况,通过将病毒 RNA转换为cDNA,在 DNA分子水平上研究 RNA病毒成为可能,RNA病毒的研究也因此取得巨大进展.

RNA病毒反向遗传学研究的核心是构建感染性cDNA分子克隆,即在获得病毒基因组序列的基础上,借助载体构建病毒的全长cDNA分子克隆,同时将 RNA聚合酶的启动子元件也导入该分子克隆中,通过体外转录过程,合成病毒 RNA,然后用该转录物侵染宿主或敏感细胞系,拯救出与母本病毒具有相同特性的活病毒.这种病毒拯救过程是针对正链 RNA病毒而言.由于负链 RNA病毒裸露的基因组或由其cDNA转录而来的 RNA没有感染性,它们必须与核衣壳蛋白?RNA依赖性 RNA聚合酶等形成核糖核蛋白复合物 (RNP),才能进行正常的复制和病毒粒子的包装.因此,建立负链 RNA病毒的反向遗传学研究系统,不仅要构建含有病毒全基因组的 cDNA分子克隆,而且要构建一些辅助质粒,其中含有 RNA复制酶及核蛋白的编码序列,然后将这些重组质粒共同转染宿主细胞,经过内转录过程实现负链 RNA病毒的拯救,如 Schnel等 (1994)将含狂犬病病毒 NP?P和L基因的重组表达质粒与含病毒全长反义基因组的质粒共转染能稳定表达T7 RNA聚合酶的细胞系,在细胞内形成 RNPs,然后在T7RNA聚合酶的作用下进行转录和翻译,并装配成完整的病毒粒子,实现了狂犬病病毒的拯救 (MertensandDiprose,2004).早期的禽流感病毒的拯救则需要共转染12个质粒,其中包括能转录8个基因片段的8个转录质粒,以及表达PB2?PB1?PA和 NP蛋白的4个表达质粒,后来建立起转录/翻译载体后才把质粒数减少到8个.由于这种拯救病毒来自于病毒基因组的cDNA分子,因此,可以在 DNA水平上对病毒基因组进行操作,研究拯救病毒基因型的改变对病毒表型的影响,进而对病毒基因组结构与功能?表达与调控进行研究,甚至还可以研究病毒的致病机制?分子免疫机理等.另外,依赖于反向遗传学系统,研究者还能设计出一种能输送治疗基因的载体,甚至研制出一种毒力减弱的活病毒疫苗以预防由 RNA病毒引起的许多疾病,这种研究疫苗的方法被称为反向疫苗学 (reversevac inology)(Sommerfelt,1999).

理论上所有的 RNA病毒都可以通过构建感染性克隆来开展病毒的分子生物学研究,然而,这种研究策略取决于病毒是否有体外增殖系统 (主要是敏感细胞系).因为,所构建的感染性克隆必须首先能在体外培养系统内实现病毒的拯救,然后才能进行反向遗传操作.事实上,许多 RNA病毒都缺乏敏感细胞系,如丙型肝炎病毒?诺瓦克病毒?兔出血症病毒 ,等等 .显然 ,利用感染性克隆技术研究这些病毒的致病机理?遗传变异和毒力进化等是行不通的 .但是 ,利用反向遗传学技术在研究这些病毒的基因组复制或表达机制等方面仍具有明显的技术优势 ,这就需要引入复制子 (replicon)的概念 .通常复制子是指 DNA中能发生独立复制的一段 DNA序列 ,在该序列中不仅有复制原点和复制终点 ,而且含有调节 DNA复制的一些顺式元件 .在真核生物中 ,DNA的复制是从许多起始点同时开始的 ,所以每个 DNA分子上有许多个复制子 .每个复制子都含有一个复制起点 .原核生物的染色体和质粒?真核生物的细胞器 DNA都是环状双链分子 ,它们都是单复制子 ,都在一个固定的起点开始复制 ,复制方向大多数是双向的 ,少数是单向复制 .就 RNA病毒而言 ,复制子是指保留了病毒基因组复制所必需的非结构蛋白编码基因和非编码区的顺式作用元件的一种缺陷型基因组 ,它能够在宿主细胞内有效复制 ;但由于缺失了结构蛋白编码基因 ,因此复制子在细胞内无法形成感染性的病毒颗粒 .图1-4是黄病毒科昆津病毒复制子的结构示意图 ,该复制子以外源基因置换了病毒的结构蛋白编码基因 ,而保留了所有的非结构蛋白和两侧的非编码区 (5′/3′ UTR),为便于筛选能支持复制子持续性复制的细胞系 ,在非结构蛋白的下游还插入一个抗性基因 .由于抗性基因的表达受控于外加的内部核糖体结合位点元件 (IRES),而外源基因的表达则利用昆津病毒的表达元件来实现 .因此 ,这种复制子又被称为选择性 (双顺反子 )复制子系统 .

图1-4 昆津病毒复制子结构示意图 (引自 Pjmata.,2006 )

复制子在 RNA病毒研究中应用非常广泛 ,而且它的应用不受培养系统限制 .因为可以将 RNA病毒复制子构建成重组质粒 ,然后将质粒直接转染细胞系 ,通过报道基因的瞬时或稳定表达来评价反向遗传操作对 RNA病毒的复制或表达的影响 .此外 ,复制子系统对研究一些生物安全级别比较高的病毒 ,如口蹄疫病毒?新城疫病毒和禽流感病毒等也提供了一个很方便的操作平台 ,研究这些病毒的复制和表达调控的分子机理等不需要操作具有感染性的病毒就可以实现 .但复制子在 RNA病毒研究领域中的应用 ,更多地体现在新型病毒 ……