寻找杀伤细胞基因

助产士向来都舔舔她们刚接生的新生儿的前额。如果辨出皮肤有咸味，就有理由令人担心，因为经验已表明，这个婴儿会很快生病并死去。因为汗含盐过多就是囊肿性纤维化的症状，这是一种致命的疾病，造成汗腺功能异常，又稠又黏的黏液会堵住肺与消化器官。这种黏液就是细菌的滋生处。为防止肺部受到肺炎等致命感染，每天必须连续重击囊肿性纤维化患者（囊肿性纤维化是一种遗传性胰腺病——译注）数小时，以驱散与去除黏液。囊肿性纤维化病人还必须靠连续口服抗菌素才能活下去。即便十分小心，多数囊肿性纤维化患者还是会死于肺病或心力衰竭，寿命不到30 岁。

在 80 年代初以前，医生们对这种致命疾病折磨病人的机理一无所知。他们只知道膀胱性纤维化在家族中传播。实际上，囊肿性纤维化是在高加索地区的儿童与年轻人中最常见的致命性遗传病，每 2500 个新生儿中就有

1 人左右有这种病。很不幸，还有很多其他“遗传性疾病”，这类疾病共

有 4000 种左右。多数遗传性疾病极为隐蔽与罕见，这类疾病的名称稀奇古怪，反映出它们最明显的症状：痴笑木偶综合症患者长期不适当地痴笑与傻笑，其动作像木偶似的。遗传性惊吓综合症患者被人突然触摸或突然听到音响时，其肌肉运动衰弱且强直，难以自制。槭糖尿病患者出现尿异常，癫痫发作与昏迷。莱希-尼享综合症（一种不常见的遗传性男童病症，症状为精神发育延迟、痉挛、自残肢体等——译注）的特点是患者咬唇与咬手指，不由自主地造成唇与手指伤残。然而受这些疾病影响的人还较少，受下述的大家更熟悉的遗传性杀伤细胞致病的患者有数百万人之多。这类遗传病有：血友病、肌肉退化、镰状细胞性贫血、亨廷顿舞蹈病（一种罕见的遗传性疾病，特征为慢性遗传性舞蹈病和精神衰退，最终导致痴呆，一般发病后 15 年即死亡，由常染色体显性遗传——译注）等。

最理想的情况是，对遗传性疾病所作的医学研究应当能清楚、明确地找出致病的原因，致病原因往往是一种有缺陷的蛋白。而由人体细胞组成的每种蛋白（蛋白有多种）都受到某种特定基因的控制（请参阅《脱氧核糖核酸：生命的阶梯》）。遗传学家通过确定有缺陷蛋白的结构，可将遗传密码（指核苷酸内四种含氮碱基的排列组合——译注）用于破译基因的结构，并最终确定其在染色体上的位置。

遗传学家的最终目标是在完成这类工作的基础上，用一种功能齐全的基因取代有缺陷的基因。在细胞这一最基本的层次上处理（最理想的情况是纠正）遗传性疾病，称作基因疗法。现在，我们利用脱氧核糖核酸的研究成就就有新的希望治好以前医治不好的疾病。

其中，最先取得医疗效果的疾病是镰状细胞性贫血。镰状细胞性贫血患者多见于非洲人，患者严重乏力，而且往往死亡。利用普通显微镜可以清楚地看到血肉红细胞萎陷或镰形化，因而给这种病起了这样一个名称。红细胞镰形化产生很多问题，其中包括贫血、令人非常痛苦的肌肉痉挛、很高的传染病发病率，而且最终损坏人体很多器官。

到 1945 年，人们确定，红细胞镰形化的原因是血红蛋白有缺陷。血红蛋白可确保红血球向人体全身运送大量的氧。然而，在患有镰状细胞性贫血病人的血液中，血红蛋白出了点毛病，造成分子病态扭曲，血红细胞变

形。

究竟血红蛋白出了什么毛病以至于让科学家们感到吃惊？血红蛋白分子与所有蛋白一样，均由按非常特殊的顺序连成一串的氨基酸长链组成。在镰形细胞中，第 146 号链有 1 个氨基酸不正确。尽管差错并不严重，但足以破坏血红蛋白分子的三维结构。

1978 年，遗传学家运用血红蛋白的氨基酸顺序以及他们对遗传密码的了解，跟踪找到难以捉摸的血红蛋白基因。这是人们首次确定造成基因严重故障的基因。数年后，人们利用这项成就搞了一次镰形细胞性贫血的妊娠试验。现在，人们已对 75 种以上的遗传性疾病作了妊娠试验。

实验发现，血红蛋白所出现的很小差错归因于血红蛋白的基因编码存在甚至更小的差错，即在构成基因的 1720 个碱基中，只有 1 个碱基不正确。

很多遗传性疾病的起因是这类 1 个碱基突变或“点”突变。罗伯特·夏皮罗在他撰写的《人的遗传模板》一书中，将遗传性疾病称作“可怕的错误”。然而，多数遗传性疾病并不像镰状细胞性贫血那样容易服从研究人员

的意志。造成大量遗传性疾病的有缺陷的蛋白很难分离（如果说不是无法分离的话）。好在科学家可以另辟蹊径，利用这些疾病的遗传性质，首先找出并确定有缺陷的基因（这是问题的症结），然后，再回过头来找出是哪种蛋白生成遗传材料。

当然，这种“逆向遗传学”方法并不像听起来那样简单。人体基因中有大量脱氧核糖核酸供大量信息编码使用。如果将人体遗传密码各字母录下来编成册，可成为 5000 本平装密码登记本。更糟糕的是，如果不利用功率最大的显微镜（指扫描隧道电子显微镜）就看不到脱氧核糖核酸的细节。当然，不可能将脱氧核糖核酸分子的单个碱基加以辨别（请参阅《脱氧核糖核酸：生命的阶梯》）。通过人体的基因组（所有的遗传物质）进行组合以发现特定的基因就好比将眼睛蒙住⋯⋯在一个放满书的小图书馆里去找一句特定的句子。

那么，应从何处着手呢？有时，可归结为搜索特定的染色体。染色体为在各细胞的胞核中存在的类似蚯蚓形状的结构（这里不含红血球，因为红血球没有细胞核）。人体有 23 对染色体，这些染色体具有人体的 10 万对基因。22 对基因具有看上去有十分相似的两个染色体，它们是常染色体。第 23 对染色体，即性染色体决定性别。男性有两种不同的性染色体，即 X 性染色体与 Y 性染色体。女性具有两个形态相同的 X 性染色体。

然而，某些基因具有的某些特性可直接归因于 X 染色体（Y 染色体很小，其具有的基因几乎没有什么特性；其中一种特性是耳朵多毛）。这些特性是性连锁特性，很容易识别；这些特性主要见于男性。1911 年发现的首例红-绿色盲归因于 X 染色体的性连锁特性。凡是有一个 X 染色体包含能造成色盲的基因的男性都必然是色盲患者，而女性则受到保护。患这类病的女性，其 X 染色体必然都具有异常基因。再举一个例子，秃发是无害的性连锁特性；而血友病与肌肉营养不良也是性连锁特性，但对人体有危害。

肌肉营养不良

肌肉营养不良是一种很可怕的人体肌肉衰退的伤残疾病。患者心肌或呼吸肌严重衰退，失去功能，大多到 20 岁即可能死亡。性连锁（在遗传学

中，连锁指等位基因存在于同一染色体上——译注）可正确地确定，造成肌肉营养不良的基因归因于一种特定的染色体。然而，X 染色体仍然具有

1.66 亿个碱基对（由氢键结合起来的两对，即鸟嘌呤和胞嘧啶与腺嘌呤和胸腺嘧啶中任何一对嘌呤和嘧啶的配对组成脱氧核糖核酸，在组成核糖核酸时，尿嘧啶代替胸腺嘧啶——译注），并具有数千个基因。那么肌肉营养不良基因是在脱氧核糖核酸螺旋线上什么部位呢？寻找这种基因就好比只知道特定住宅所在的城市而要将该住宅找出来。

有一个从华盛顿的斯玻坎收养的名叫布鲁斯·布赖的孩子曾得到肌肉营养不良研究人员的帮助。布鲁斯生下来就患有破坏性很大的 X 染色体三重疾病，其中一种疾病就是肌肉营养不良。只要对布鲁斯的白血球作简单的显微镜检查即可发现，其中有一块很小的 X 染色体已失踪。寻找特定的住宅这项工作现在缩小到只需要查找该城市的十来个街区。

为了了解怎样继续进行这项查找工作，必须了解脱氧核糖核酸，这是组成人体基因的材料。我们在《脱氧核糖核酸：生命的阶梯》一文中已谈到，脱氧核糖核酸是一个双股分子。两股通过各自的碱基顺序的配对与键合沿着自身的长度结合在一起。可见，这两股的顺序并非是随意的。一股的顺序决定了另一股的顺序，因为一股上的 A 碱基只能与另一股上的 T 碱基配对，一股上的 C 碱基只能与另一股上的 G 碱基配对。因此，如果一股的顺序为 ATACCGT，则邻近的（互补的）一股必须是 TATGGCA。

而碱基配对都具有这种选择性，因而科学家才得以找到一种杀伤细胞基因。寻找这种基因的主角是很小的单股脱氧核糖核酸（通常是全长十来个碱基的一对），名叫探子；现在已确定其在染色体上的行踪。探子具有单股性，因而可以与具有一互补碱基对顺序的任何其他单股脱氧核糖核酸键合。互补的两股的这种键合叫杂交。探子在与从所研究的一种染色体上取下的很多不同的单股脱氧核糖核酸分段混合时，极其精确地发现其配偶，并与之杂交，真是不可思议。在采用所谓的凝胶电泳法时，电流促使脱氧核糖核酸分段移动，再用一块明胶将其分开。接着用经过处理而具有放射性或能发荧光的探子洗涤已分开的脱氧核糖核酸分段。在经过杂交之后，就很容易确定已加好标签的探子。利用探子就可以将脱氧核糖核酸某特定的一段在染色体的同一部位上确定下来（见图 1）。

遗传学家采用这种得力的研究手段着手寻找肌肉营养不良基因。到 70 年代，已经有了很多取自一个染色体的探子。将这些探子放在细菌的脱氧核糖核酸内，与细菌性脱氧核糖核酸一起复制。

遗传学家们采用从健康人体上取下的探子，对很多肌肉营养不良的患者的脱氧核糖核酸分段进行杂交试验。如果发现一种与肌肉营养不良脱氧核糖核酸杂交不了的探子，遗传学家们就会知道，这段脱氧核糖核酸在肌肉营养不良患者身上已有了变化。遗传学家们会证明这种变化有希望成为肌肉营养不良基因的一种突变（这种基因是致病基因）。

哈佛医学院的路易斯·孔克尔与安东尼·莫纳科最后将一种与很多脱氧核糖核酸样品杂交不了的探子分离出来。这是很小的遗传物质（其全长为 200 个碱基），而且是肌肉营养不良基因的一部分，很小的一部分。到

1985 年，发现了扩展为 250 万碱基对的很大一段脱氧核糖核酸，具有这样数量庞大的碱基对，真叫人难以置信。

最后一步是用基因的脱氧核糖核酸顺序来确定它所生成的蛋白。这又

谈何容易。尽管基因特别长，但是其中已给必要的肌肉蛋白编码的还不到1％。其余基因为“废弃”顺序叫基因内区。尽管这样，到 1988 年春天，孔克尔的课题组获得了一种造成肌肉营养不良的基因。这个课题组将这种基因称作营养不良酶。半年后注射营养不良酶纠正了一只小鼠的肌肉营养不良变体。至此，寻求基因工作告一段落。再也用不着找猎犬了⋯⋯我是说再也不用找探子了。

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囊肿性纤维化

我们再来看看含盐皮肤疾病。研究囊肿性纤维化的研究人员并不像寻找肌肉营养不良基因的研究人员那样走运。囊肿性纤维化不属于性连锁，因而不能很容易地指定一种特定的染色体。人们也找不到一个像布鲁斯·布赖那样的、在显微镜观察中能见到染色体异常的患者来缩小基因寻找范围。因而，我们又该从哪儿着手呢？

最初，我们可设法找到囊肿性纤维化与其基因已查明在某种特定的染色体上的其他特性之间的连锁。早在 20 世纪初，托马斯·亨特·摩根（1866

—1945，美国胚胎学家、遗传学家，因建立遗传的染色体学说获 1933 年诺贝尔奖金——译注）就是用这种方法画出数十个果蝇基因的基因图的（显示基因在同一染色体上的直线排列——译注）。他寻找一起遗传下来的成对特性，推断出这些成对特性必然实际上连在同一染色体上。摩根通过指出已发生多少次杂交（指基因在同源染色体间杂交，见《脱氧核糖核酸：生命的阶梯》——译注）来确定基因在染色体上的相对位置。用来确定其未知基因的已知基因叫标记（用以研究群体中基因的分布和连锁分析—— 译注）。

摩根之所以成功是因为他能够将数千个果蝇在很多很多代上有选择地进行交配。然而，对人不可能这样做，因而遗传学家们寻求人的有缺陷的基因就是个大问题。他们能期待的最好办法是找到这种病的发病率很高的同系交配大群体，这并不意味着要找到一般说来十分罕见的疾病。一旦发现试验对象，需要在尽可能多的家族世系图的很多代中坚持采用一种遗传标记，以期发现与这种疾病连锁的一种特性。只要将标记图画出来，任何标记都可以做到这一点。问题在于画出来的标记图目前尚不尽人意。

到 80 年代初，囊肿性纤维化研究人员发现该领域的研究现状令人不安。他们对囊肿性纤维化基因在什么染色体上仍然一无所知。这并不是因为缺少尝试，说得更确切些从那时起情况开始突然变化，人体的遗传学研究工作突然好转。简言之，其原因可概括为发现了限制性内切酶。这种酶是 1970 年发现的，在寻找杀伤细胞基因中显示出极有价值。

在细菌中自然出现限制性内切酶，将它们用于断开侵袭人体的病毒性脱氧核糖核酸。人体中的限制性内切酶的功能就是断开脱氧核糖核酸。它犹如分子剪，将长股的脱氧核糖核酸剪成小段。但是，并非随机或随意剪短脱氧核糖核酸。特定的限制酶仅仅辨认与断开位于特定的碱基对顺序的部位上的脱氧核糖核酸（限制性内切酶断开双股脱氧核糖核酸）。限制性内切酶就是这样有选择地断开脱氧核糖核酸，因而它们在生成借以画出未知基因图的遗传新标记中极有价值。为了了解这些脱氧核糖核酸断开手段是怎样让遗传学家从中受益的，让我们打一个比方：一句句子代表一段脱

氧核糖核酸，而其字母代表各个碱基（在双股脱氧核糖核酸中则为碱基对）。这句句子是“Suzy sells seashells”，我们将所有字母改为大写，并将词间的空间省略，以便这个例子更清楚：

SUZYSELLSSEASHELLS

这里，我们讲一下限制性内切酶。这种酶只辨别 ELLS 顺序，总是将 E 与 L 之间的脱氧核糖核酸断开。在限制性内切酶完成这一功能后，将上述顺序断为：

由限制酶断开由限制酶断开

↓ ↓

SUZYSE LLSSEASHE LLS

分别生成各有 6 个、9 个和 3 个碱基的较小分段。我们来看一下拼写错误，即脱氧核糖核酸中的突变。在脱氧核糖核酸的复制过程中，A 错误地取代了 SELLS 中的 E。这句句子写成：

SUZYSALLSSEASHELLS

在这个发生突变的脱氧核糖核酸中加进限制性内切酶则得出下述结果：

由限制酶断开

↓

SUZYSALLSSEASHE LLS

你们可以清楚地看到，只生成两个分段，长度分别为 15 个碱基与 3

个碱基。在脱氧核糖核酸中 1 个碱基对有 1 个错误则可形成明显不同的分段。脱氧核糖核酸的任何差异或变化称作多态现象（在一个群体中长期存在着两种或两种以上的基因型的现象——译注）。棕色眼睛与蓝眼睛是眼睛颜色基因的两种多态现象。血型 A、B、O 是某种特定血蛋白基因的 3 种多态现象。限制性内切酶分解某个脱氧核糖核酸分段的两种变异的差异称作限制分段长度多态现象。遗传学家们往往将组成这个名词的一长串拼写简称为 riflips，而且这种多态现象在人体基因组中到处都可以形成。

随着人们发现越来越多的限制性内切酶，限制分段长度多态现象犹如天赐食物一样开始向遗传学家大量涌来。它们不愧为天赐之物，基因组中的无害的改变十分醒目。只要在由白细胞提取的脱氧核糖核酸中施加限制性内切酶就可以逐代得到限制分段长度多态现象。

1985 年，崔拉奇运用这些限制分段长度多态现象以及从多伦多医院对

红细胞镰形化囊肿性纤维化病人的大量取样，将囊肿性纤维化基因定为 7 号染色体。采用更多更好的限制分段长度多态现象作连锁的进一步研究，捕获了相隔 160 万碱基对的两个标记之间的基因。最后，到 1989 年夏末，崔先生等人获得了他们想要的基因。尽管这一基因还没有肌肉营养不良基因那么大，然而结果仍然证明相当大：它具有 27 个分离的蛋白编码脱氧核

糖酸分段；这些分段叫编码顺序，供 1480 个氨基酸的产物编码使用。基因、

间断和所有一切都计算在内的总长度为 25 万碱基对。

找出可怕的错误已经给数十万遗传疾病患者带来新希望。1990 年，发现了象皮病的基因。到 1993 年 3 月，随着新基因的发现，在基因疾病名单上多了一种疾病，叫卢格里克疾病（抗淋巴细胞血清）。1 个月后，据称经过 10 年努力，成功地找到了伍迪·格思里杀伤细胞、亨廷顿舞蹈病的基因。1994 年 9 月这个月显得特别好：遗传学家们宣布已识别了胰岛素依赖

性糖尿病与一种造成遗传性乳腺癌的基因。随着继续发现杀伤细胞基因，成功地发现其他疾病的事例一再出现。然而这类事例不是以绘制基因的碱基顺序图并将这种顺序确定下来而告终的。最后，还必须发现疾病的疗法，即必须运用基因疗法。

基因疗法

中国有句古话：“授之于鱼，不如授之于渔。”遗传学家们在处理遗传性疾病时也在寻求让病人终生受益的疗法。给肌肉营养不良患者注射营养不良酶或给血友病患者注射血栓因子，能给患者带来数天的医疗效果。修复遗传编码错误，可使患者完全治愈。基因疗法是将患者完全治愈的疗法。

基因疗法的目标非常简单易行：将有缺陷基因的正确变体放入遗传性疾病患者的细胞中。首先在一个名叫琳达的 4 岁小女孩身上作试验。她患

有腺苷脱氨酶缺陷，这是一种极为罕见的遗传性免疫缺陷。美国只有 50 人左右有这种病，其病因是有缺陷的基因无法生成重要的酶，使得名叫 T 白血球细胞的免疫系统无法消除患者体内的某种毒素，患者完全自毁。曾在 1976 年的一部名叫《塑料泡中的孩子》的电影中出任主角约翰·特拉沃尔塔的戴维也患有这种病。

1990 年 9 月 14 日开始对琳达实施基因疗法，然而这是搞了多年研究

之后才做到这一点的。早在 1983 年，就已经将造成腺苷脱氨酶缺陷的基因分离出来。采用限制性内切酶这种用来切断限制性分段长度多态现象的不可思议的切断工具，从人的脱氧核糖核酸中移接正常的腺苷脱氨酶缺陷基因（这种基因产生重要的酶），并变为细菌性脱氧核糖核酸。随着细菌的繁殖，在每次细胞分裂时复制它们的脱氧核糖核酸，也可以复制数千份腺苷脱氨酶基因。这叫做基因的克隆。

如果将已产生的足够数量的腺苷脱氨酶基因克隆出来，那么就可以找一种既安全又可靠的方法向人体的细胞提供基因。我们来看看病毒。病毒是由蛋白壳和壳内的脱氧核糖核酸（或核糖核酸）组成的一种很小的传染性粒子。鉴于基因是病毒的传染方式，那么是什么因素让病毒成为十分合适的媒介或媒介物的？病毒直接进入细胞，并利用细胞的机构生成更多的病毒蛋白和脱氧核糖核酸。某些病毒（例如逆转录酶病毒——一种致肿瘤病毒——译注）甚至将其自身的遗传物质与其宿主细胞的遗传物质合并，与其一起复制。

在控制逆转录酶病毒的基础上，利用限制性内切酶将正常的腺苷脱氨酶基因植入病毒基因组。

我们回过头来看看琳达和 1990 年 9 月 14 日那一天。在美国马里兰州贝塞斯达的美国国家卫生研究所，肯尼思·卡尔弗、R·迈克尔·布莱埃斯与 W·弗伦奇·安德森将琳达与 1 台去除她身上的白血球细胞的机器相接。把这些细胞与已改变的逆转录酶病毒一起放在培养皿中使其发育。将她的白血球细胞繁殖 10 天，很有希望始终与正常的腺苷脱氨酶基因一起植入。

最后，琳达回到该医院，在一次不到 1 小时的操作过程中，通过静脉将她的经过孵育的白血球细胞注入她的身体。

数周内，琳达的免疫系统明显改进。她的 T 细胞数明显上升，她对旨

在引起免疫反应的皮试呈阳性反应。她甚至长出了扁桃体（她天生缺少扁桃体），这是白血球细胞的存储处。但白血球只能生存数个月，然后又会呈下降趋势，因此，琳达必须每隔 6 周～8 周注射一次。

此后，医生们对长寿命骨髓细胞作类似的基因治疗；这种细胞叫干细胞，是制造白细胞的（参阅《人体的免疫系统》）。在 1 个有免疫缺陷的新生儿中，从该婴儿的脐带中重新得到干细胞；在脐带中，这些稀有的细胞很多。如果经过改变的干细胞能产生正常的 T 白细胞，那么就可以实现对腺苷脱氨酶缺陷这种致命的遗传性疾病的终生治疗。

然而，致死的囊肿性纤维化又怎样呢？基因疗法怎样治疗这种疾病？ 1993 年 4 月 18 日，仍然是位于贝塞斯达的美国国家卫生研究所的肺专家罗恩·克里斯特尔将一根名叫支气管镜的软管通过喉头蜿蜒地置于囊肿性纤维化患者的体内。然而将一种聚藏囊肿性纤维化基因的正常变体的普通感冒病毒滴入患者肺中。这些病毒粒子将有希望侵袭呼吸系统细胞，并实现脱氧核糖核酸的持久治疗。迄今为止，这方面的研究成果似乎很有希望。

（董福海译）