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Science:寻找健康的基因敲除人

2014/06/03 来源:生命奥秘
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导读
有些人体内可能就缺少了某些对于人体健康非常重要的基因,但是他们都非常健康,没什么毛病,他们是健康的基因敲除个体。这些基因敲除人可以为我们提供很多生物医药方面的贡献。目前,科学家正在开展雄心勃勃的计划寻找这些健康的敲除基因人。


寻找健康的“基因敲除人(human “knockouts”,即完全缺失某个基因的人类个体)”有望帮助我们发现一条新的生物治疗手段。

Daniel MacArthur对健康“基因敲除人”的寻找工作源于两个患病的小男孩。2000年,当时大学已经毕业的MacArthur开始在澳大利亚悉尼大学(University of Sydney in Australia)遗传学家Kathryn North的实验室里工作,North的主攻方向是罕见的肌肉疾病。她们实验室刚刚发表了一篇论文,介绍了两个早发型肌肉萎缩(muscular dystrophy)病例(而且这两位小患者还是亲兄弟)可能存在的致病因素。她们怀疑ACTN3基因出了问题,ACTN3基因编码一种快速收缩蛋白,能够为肌肉提供爆发力。

之后North实验室继续对这对小兄弟的父母进行了验证工作,因为按照常理,他们的(正常)父母应该是该致病基因的杂合体携带者,即在他们的父母体内,这一对ACTN3等位基因中应该有一个是正常的,另外一个是变异的,父母双方都将变异的那一个基因遗传给了这对兄弟,所以才让他们俩患病。可是检查结果却让North等人大吃一惊,因为这对父母与他们的孩子一样,体内也都携带了一对变异的ACTN3等位基因,他们的肌肉里也没有找到ACTN3蛋白,可是这对父母却没有问题,非常健康。

最终North团队找到了让这对兄弟患病的基因,不过是另外一个基因。在那个时候,她们也意识到,她们可能获得了一个非常重要、非常有意义的新发现。恰好就在这个节骨眼上加入她们实验室的MacArthur介绍道:“我们当时非常兴奋,我们第一次意识到,有些人体内可能就缺少了某些对于人体健康非常重要的基因,但是他们都非常健康,没什么毛病,他们是健康的基因敲除个体。”

后来发现,那个患儿的家庭并不是特例,North等人发现在全球人口中,大约有16%的人都是ACTN3基因的纯合突变体,即他们体内的两个ACTN3基因都是突变基因,没有正常的ACTN3基因。但是这些人都很健康,没有表现出在临床上能观察到的病理症状和体征。MacArthur在North实验室读研究生期间与其他人合作又发现了另外一个非常有意思的现象,他们发现在澳大利亚人当中,优秀的短跑运动员和跳高运动员体内这种正常ACTN3基因的携带率会更高一些。

不过MacArthur对于那些缺少正常基因,但是同样能够健康生活的人更感兴趣。在科研工作中,科学家们经常会对实验小鼠“做一些手脚”,让这些小鼠体内的某个(些)基因失活,或者彻底给“敲除(knock out)”掉,他们通过这种手段来研究这个(些)基因的功能。但是这种动物实验的结果往往都不能够推及到人体上。从伦理上来说,我们也不能够对人体进行这种基因敲除实验。但是这对患儿的父母给科学家们提供了一个非常好的例子——我们可以在日常生活中去寻找那些天然存在的“基因敲除人”,看看他们和正常基因携带者都有哪些区别。目前在美国马萨诸塞州博大研究院(Broad Institute in Cambridge, Massachusetts)和麻省综合医院(Massachusetts General Hospital ,MGH)工作的MacArthur介绍道:“我一下子就被这些上天赐予的人体‘研究材料’给迷住了。”

这些基因敲除人可以为我们提供很多生物医药方面的贡献。科研人员们一直在寻找致病基因,因为这些基因可以当作药物作用的靶点,在治疗疾病时即可以抑制它们的活性,也可以想办法恢复、代偿它们的活性。随着基因敲除人的出现,我们又多了另外一条思路,我们还可以寻找那些缺失之后对身体健康有益的基因,这样就可以抑制正常人体内与此对应的、“正常的”基因,改善人体的健康状况。比如从事艾滋病研究的科研人员就发现,有些人体内就缺乏一种基因(这种基因编码一种细胞表面蛋白),他们就对HIV病毒具有先天的抵抗力,不会染上艾滋病。这种表面蛋白现在已经成为了一个非常热门的药物作用靶点,为我们开辟了另外一条抗HIV病毒的新途径。最近,制药公司也开始开发一种新型的降脂药物,这也是因为有科研人员发现,在一位妇女体内缺失了一种胆固醇调节基因(cholesterol-regulating gene)。

MacArthur等人曾经在两年前对大量的人类基因组进行过调查,他们发现了大量的基因遗漏现象,平均每一个健康人体内会缺失20个基因。他们实验室以及其他好几个课题组现在正打算对人类基因组中的数千个基因进行一遍彻底的梳理,找到更多的遗漏基因,MacArthur将这项工作称之为“人类基因敲除计划(Human Knockout Project)”。

MacArthur他们认为,也许只有通过这项工作才能够彻底地认识和了解众多人类基因的功能和作用。但是找到缺失的基因还只是整个工作的第一步。在此之后,科研人员们还需要将这些基因与相应的表型(phenotype),比如检测指标或其他的特征给一一对应起来,可是收集这些表型需要花费大量的时间和金钱。美国德克萨斯大学西南医学中心(University of Texas Southwestern Medical Center in Dallas)的心血管疾病研究专家Helen Hobbs表示,与发现有价值的表型相比,基因组测序工作就是不值一提的小儿科。

模范基因

Hobbs的这番评价完全来自于她多年的科研经验。大约在10年前,Hobbs和她在西南医学中心的同事Jonathan Cohen就想了解,PCSK9基因突变是否能够解释为什么在达拉斯心脏病研究(Dallas Heart Study)工作中发现,某些人的血脂(胆固醇)水平就是会低一些。最近开展的一系列研究证明,PCSK9基因编码的一种酶可能具有调控LDL脂蛋白的作用,而我们都知道LDL脂蛋白是心脏病患病的高危风险因素。

事实证明,Hobbs和Cohen的猜测是正确的。她们甚至找到了一位34岁的妇女,这名妇女就是PCSK9基因完全缺失者,她体内就不存在PCSK9蛋白,所以这名妇女的LDL水平也是被调查人群中最低的,而且她非常健康。因此,有些制药公司敏锐的意识到,抑制PCSK9蛋白的酶活性有望降低血胆固醇水平。

而且在临床实验中也证实了这种想法,PCSK9蛋白抑制剂早期临床实验发现,这类药物的确能够降低血胆固醇水平,而且降低比例高达57%。PCSK9基因也因此成为了一面旗帜,证明了我们人类缺失了某些基因非但不会给健康带来损害,反而会给身体带来某些益处,是一种非常好的药物作用靶点。这种健康基因敲除人的出现表明,很多基因并不一定是必不可少的,抑制这些基因的功能也不会带来有害的副作用。美国博大研究院的人类遗传学家David Altshuler认为,天然基因敲除现象提示我们,可以抑制这些基因和蛋白的功能。

不过在此之前,没有人知道在人类基因组当中有多少个类似PCSK9这样的基因。这也是MacArthur启动他的调查计划的原因。在澳大利亚获得博士学位之后,MacArthur来到英国的桑格研究院(Sanger Institute in the United Kingdom)进行博士后研究工作,他们团队对185名参加了人类遗传学变异(human genetic variation)研究工作的志愿者的基因组进行了审查。最终确定了一些功能缺失型突变(loss-of-function mutations)。由于并非所有的基因突变都会让基因失去功能,而且还有很多DNA突变是测序错误的结果,所以需要进行大量的数据分析工作才能够找出真正的基因敲除者。

辛苦的工作也迎来了丰厚的回报。最终发现,每个人平均都携带了100个左右的功能缺失基因,其中有20个左右属于纯和型缺失基因,即完全的基因敲除者,他们的这一发现在2年前(2012年)发表在了2月17日版的《科学》(Science)杂志上,详见该期杂志第823页报道。英国伦敦大学玛丽皇后学院(Queen Mary, University of London)的人类遗传学家David van Heel表示,很多人都被这个结果(基因缺失的数量)给惊呆了。

很多非常常见的缺失基因都与人体的嗅觉有关,这些基因也许曾经为帮助我们的祖先找到食物立下过汗马功劳,但是对于我们现代人而言却显得没那么重要了。还有一些缺失的基因在基因组内拥有具有类似功能的“亲戚”基因,这表明这些缺失基因还有其它的替补,所以它们也不是必不可少的。

除此之外还有一小部分缺失的基因,它们的作用可不容小觑,这些基因与抵御疾病有关。美国国立卫生研究院(National Institutes of Health, NIH)的院长Francis Collins就在一次会议上指出,MacArthur的研究表明,有一种系统的、全面的办法可以发现其它的“PCSK9”基因。

发掘金矿

在MacArthur发表论文之前,其他一些从事相关疾病研究的科研人员早就紧跟Hobbs和Cohen的工作,开始寻找对人体健康有益,帮助人们抗病的缺失基因了。比如在今年早些时候,Altshuler等人就报告称,他们发现有一种基因如果有一个等位基因丧失了功能,那么携带者换上2型糖尿病的风险就会降低65%。

MacArthur他们这些寻找健康敲除基因的人目前正计划扩大搜寻范围。他们将对更多健康人的DNA序列进行发掘,找到更多具有潜在价值的基因,并且要看看缺失了这部分基因是否会给人带来额外的益处,比如患上急性心梗或者高血压病的几率更低,抑或也能发现这些人的“独特”之处等等。NIH的人类遗传学家Leslie Biesecker就是这种策略的忠实粉丝,他认为这种研究策略能够帮助科研人员发现更多之前不知道的信息。

开展这项工作最有效的手段不是大海捞针一般的在人群中进行寻找,因为这种缺失基因的正常人都是非常罕见的。所以更有效的办法应该是在特定的人群中进行搜寻,比如芬兰人(Finns)这种从历史角度来说相对独立、隔离的人群。早在4000多年前,有一小部分人来到芬兰并定居下来。据美国博大研究院,同时也是芬兰赫尔辛基大学(University of Helsinki)的研究人员Aarno Palotie介绍,由于芬兰人的祖先数量比较少,所以基因库叶相对比较小,这样功能缺失基因的比例就被无形中给放大了。有20万名芬兰人的生物样品或数据进入了Palotie等人的研究工作,Palotie与MGH的Mark Daly以及美国博大研究院一起开展了一个研究项目,他们对3000名芬兰人的外显子(即编码基因的DNA序列)序列进行了分析,结果发现,这些芬兰人基因缺失的比例要比对照组的北欧人群高一倍。

另外一个对3.5万名芬兰人的DNA序列数据和医疗保健记录数据进行分析的研究工作也获得了非常重要的结果,该研究发现有227名芬兰人是LPA基因敲除个体,LPA基因编码一种与心血管疾病相关的脂蛋白(lipoprotein)。据该课题组去年在美国人类遗传学协会(American Society of Human Genetics)的年会上介绍,一项回顾性研究(retrospective analysis)显示,这种人患上急性心血管事件和中风的几率非常低。

Palotie认为,这从概念上证明了,对一个相对封闭的群体进行搜寻更容易找到这种良性的、对身体健康具有保护作用的可缺失基因。令人兴奋的是,他们可以找到更多的同类基因。芬兰健全的医疗档案及死亡档案电子系统给我们帮了大忙。

文化传统也有利于科研人员寻找这种有益的缺失基因。在某些文化传统中,近亲结婚是非常普遍的一种现象。据美国耶鲁大学(Yale University)的人类遗传学家Richard Lifton介绍,这就增加了后代遗传同一种功能缺失突变基因的几率。如果这些功能缺失突变发生在必需基因内,那么这种近亲结合就会带来非常严重的后果,因此土耳其和沙特阿拉伯等国遗传性疾病的发病率都非常高,可是如果这些功能缺失突变发生在非必需基因内,那就可以帮助我们找到更多的可缺失基因。

英国伦敦大学玛丽皇后学院的van Heel和Richard Trembath,以及MacArthur等人就利用了这一点,计划对居住在伦敦东部的2.5万名巴基斯坦和孟加拉人进行外显子测序。他们正与这些社区的领袖接触,计划向Wellcome基金会(Wellcome Trust)申请科研经费,于明年启动研究工作。在一项涉及1103名健康英国籍巴基斯坦人的前期研究工作中已经发现了大约200个潜在的可敲除基因,这些基因都是在其他研究工作中从未发现过的。van Heel介绍道:“其中有20多个基因在小鼠敲除实验中被证实敲除之后对小鼠是致命性的,但是很明显,我们人类的情况可不是这样。”

沙特阿拉伯的一个科研团队于今年夏天刚刚启动了另外一个科研工作,据该项目的负责人,费萨尔国王专科医院(King Faisal Specialist Hospital)及利雅得研究中心(Research Center in Riyadh)的Fowzan Alkuraya介绍,他们计划到公园或商场这些健康人聚集的地方招募一批志愿者,收集他们的血样和最基本的临床信息开展研究。他们计划到明年一共招募1万名志愿者(这些志愿者的父母必须是近亲),对这些人进行全外显子测序。与其他的科研团队一样,这个课题组在有所发现之后也会继续开展相应的临床研究工作,Alkuraya自信地说道:“我相信我们也能找到像PCSK9那样的基因。”

崇高的目标

并非所有人都认为只应该在健康人群中寻找可敲除基因。Lifton就认为也可以从非正常人群(这些人可能因为缺失了某个基因而致病,或者导致了某种明显的异常)中发现更多的药物作用靶点。Lifton以一种基因为例,这是一种与神经递质(neurotransmittor)合成有关的基因,如果该基因发生纯和型功能缺失突变,携带者就会表现出嗜睡(narcolepsy)的症状。通过对该基因的研究开发出了一种新型的安眠药,目前该药正在等待药物监管部门的审批。另外一个例子就是比较罕见的痛觉缺失患者,这部分人由于缺失了一种编码细胞受体的基因,所以不能感受痛觉。通过对该基因的研究也有望开发出一种新型的镇痛药。

Hobbs和Cohen也认为,对大量健康的,缺少有价值临床信息的正常人进行测序研究可能会一无所获。他们认为自己当年之所以能够发现PCSK9基因等缺失基因就是得益于完善的、多达数年之久的、详细的临床资料。他们发现某个突变之后,就能够立即找到大量相关的医疗信息供他们分析。

由于缺失某个基因之后并不一定会带来直接的后果,所以能够拥有详细的医疗资料就显得尤为重要。据Hobbs介绍,缺失了某个基因也许对某些人毫无影响,也许只会等我们老了之后才会显现出缺失的效应,甚至可能只有在我们吃下了某种食物,或者患上某种疾病之后才会显现出缺失的效应。

MacArthur也接受了这样的意见,他决定在他的人类基因敲除数据库中同时收录健康人和患者的数据,而且要尽可能收集到最详尽的临床资料。除了收集已经发表的,因为功能缺失基因致病的相关信息之外,MacArthur的团队还在新建一个最新的缺失基因列表,他们为此对博大研究院和其他研究中心研究过的8万名患者和健康人的测序数据进行了梳理。MacArthur希望他自己以及来自英国、芬兰、沙特阿拉伯等世界各地的科研人员最终能够将大家的基因数据和临床数据汇集到一起,形成一个完善的数据库。

MacArthur也承认,这个计划是一个雄心勃勃的计划,所以还需要更多遗传研究同行们的积极参与,他说道:“现在才只是个开始。”

在所有质疑的声音当中,几乎没人对人类基因敲除计划的重大意义表示过不同的意见。Hobbs和Cohen在一封电子邮件里强调道:“我们认为,工作的关键就是建立一个出色的、集中的数据库,里面收录了每一种基因敲除之后对应的表型信息。” Lifton也补充道:“显而易见,这是一定要完成的一项工作。”

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