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目录生物入侵对生物多样性的影响.......................................................................................................1谁发现了艾滋病病毒？..................................................................................................................5家蚕：吐出基因的秘密..................................................................................................................9近视与遗传....................................................................................................................................14孟德尔的幸与不幸........................................................................................................................23禽类蛋壳颜色及其基因的遗传研究进展.....................................................................................26代谢组学技术及其在临床研究中的应用.....................................................................................31酒精依赖相关基因的遗传多态性.................................................................................................45毒品成瘾与脑组织基因表达谱.....................................................................................................50人猿超科和旧大陆猴 7种高等灵长类 FKN全基因序列的测定及进化.....................................55蒙古马遗传多样性研究进展........................................................................................................59XY染色体决定男女........................................................................................................................69阅读障碍的遗传学研究进展........................................................................................................77人类的体能与遗传........................................................................................................................83肾上腺糖皮质激素与生物钟........................................................................................................90新型定点重组酶系统在植物基因转化和基因叠加中的应用前景.............................................98

——新型分子标记 SRAP与 TRAP及其应用...............................................................................104蛋白质酪氨酸磷酸酶 1B 与 2型糖尿病及肥胖的关系.............................................................109意识载体：揭开大脑之迷的钥匙...............................................................................................113人类长寿相关基因研究进展......................................................................................................118转基因生物技术育种: 机遇还是挑战？.....................................................................................123神奇的模式植物--拟南芥............................................................................................................130“率性而为”——自然界中的孤雌生殖......................................................................................135组织工程发展概况......................................................................................................................139先天畸形的发生原因..................................................................................................................142

—抗体让自身免疫疾病走开......................................................................................................143衰老过程：随机损害还是基因注定？.......................................................................................144白化病..........................................................................................................................................147远缘杂交与小麦的进化..............................................................................................................148

生物入侵对生物多样性的影响

刘梅（枣庄学院生命科学系，山东枣庄 277160）

摘要：生物多样性是人类赖以生存和发展的基础, 生物多样性丧失成为人们关注的一个热点问题。外来入侵物种对生物多样性产生的严重影响，主要表现为排挤本地动植物 ,导致局部种群的消亡,造成局部高密度分布的稀有物种绝灭。关键词：生物入侵生物多样性外来物种影响Effect of biological invasion on Biological Diversity

Liu Mei

（Department of Life Sciences , Zaozhuang University, Zaozhuang, Shandong，277160）Abstract: The biological diversity was the foundation for humanity to survive and develop, and the forfeiture of the biological diversity had become a hotspot problem.Biological invasion constitutes a serious threat to species diver sity: squeezing out in-digenous plants and animals ,making indigenous pop ulation disappearing ,causing the extinction of high locally dist ributed species.

Key words: Biological invasion , Biological diversity, Alien species，Influence

生物入侵是一个影响深远的全球性问题 ,其对各国生态系统、环境和社会经济的影响日益明显,已成为各国政府、国际社会和学术界共同关心的全球变化的问题。在全球范围内, 生物多样性正以惊人的速度消失, 而外来物种入侵是造成生物多样性锐减的主要原因之一。1 生物入侵生物入侵（biological invasion）是指因某种原因,非本地产的生物或本地原产但已绝灭的生物从原产地进入到一个新的栖息地,并通过定居,建群和扩散而逐渐占领该栖息地,从而对当地土著生物和生态系统造成负面影响的一种生态现象。这一过程称为生物入侵；而导致生物入侵的物种称为外来入侵种[1]。外来物种主要通过三种途径实现生物入侵的目的。一是人们出于农林牧渔业生产、生态环境建设、生态保护、观赏等目的有意引进某些物种，尔后却无法加以控制导致外来物种的泛滥成灾。二是随着贸易、运输、旅游等人为活动无意中传入的，三是人为因素以外的自然传入，通过风力、水流、鸟类等途径传播杂草的种子[2]。外来种入侵可分为几个阶段:引入(import) 、逃逸(escape) 、种群建立(establish) 和危害(pest ) ,对许多外来种的统计研究发现,相邻两个阶段间的成功率约为 10%(Williamson & Fitter , 1996) 。但是,一些有目的引入的群体如引种作物等,其成功率要高得多。此外受干扰明显的地区两阶段间的成功率也高于 10 %(Williamson & Fitter , 1996) [3]。1.1 物种的引入外来种跨越地理屏障来到新的区域，社会和经济因素起重要作用。在全球经济一体化的大背景下，人员和货物快速、大量的流动，外来种借助人员、货物及交通工具实现全球范围的旅行。

1.2 物种的定居和建群阶段

定居者是少数。个体面临着恶劣气候、天敌的捕食或者寄生而定居失败，即使少数个体成功建立了小种群，新建的小种群的遗传多样性一般比原产地种群的遗传多样性低，由此产生的近交衰退限制着种群增长，降低种群存活的概率。这个阶段是生物入侵过程中种群发展的瓶颈时期。1.3 外来种的时滞阶段在入侵过程中通常会出现时滞阶段。即种群从建立到扩散、爆发往往需要经历一段时期。这个时期的长短与初始种群的大小、物种的生活史特征、新区域的环境条件、当地群落对入侵种的易感性和人为因素的强度有关。对于时滞的解释有两种观点：一种观点认为这是种群增长的自然过程。种群的指数增长曲线表明，在初始阶段种群增长平缓，所需时间较长相当于时滞期；另一种观点则认为入侵种需要时间积累足够的遗传多样性以克服近交衰退从不同地区多次引入外来种，增加了种群的数量和遗传多样性，以及到达不同的区域的种群经过适应性进化都大大增加了存活的可能性。1.4 外来种的扩散与爆发一个外来种要实现最终的扩散和暴发, 所采用的机制不尽相同。一些物种是通过竞争、捕食、化感作用等方式对其殖民领域进行扩展, 这种情况所引起入侵种的遗传多样性改变很小。也有一些物种是通过杂交、基因渗透等方式对土著环境进行入侵的, 杂交可以减缓入侵种群在建群过程中出现加性遗传变异的丢失, 并产生新的基因型。2 生物多样性生物多样性指地球上所有生物( 动物、植物、微生物等) 、它们所包含的基因以及由这些生物与环境相互作用所构成的生态系统的多样性程度。它包括遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性和景观多样性。生物多样性是人类赖以生存和发展的基础, 是实现经济社会可持续发展的重要保证。但是, 在全球范围内, 生物多样性正以惊人的速度消失, 而外来物种入侵是造成生物多样性锐减的主要原因之一。3 生物入侵对生物多样性的影响3．1 加快了物种灭绝的速度, 使物种多样性锐减物种多样性是地球上生物长期进化的结果。由于人类活动的影响,到 20 世纪末, 全球已有100 多万种生物从地球上消失。据联合国环境计划署预测, 在 21 世纪前 20～30 年, 地球上将有 1/4 生物物种陷入绝境, 到 2050 年将有半数动植物从地球上消失。在全球范围内, 外来物种入侵是继生境破坏导致物种多样性锐减的第 2 大因素。能够成功入侵的外来物种 ,往往具有先天的竞争优势, 在入侵地摆脱了原来的制约, 就会出现疯长现象, 甚至分泌化感物质抑制排挤本地物种, 形成单一的优势种群, 最终导致入侵地物种多样性丧失。飞机草与紫茎泽兰原产中美洲, 从中缅、中越边境传入我国云南南部, 现已广泛分布于云南、广西、贵州、四川的很多地区,在其发生区大肆排挤本地植物, 形成单一植物群落, 导致其他物种消失。豚草原产北美, 传入我国后, 现广泛分布于东北、华北、华中、华东、华南的 15 个省、市, 对禾本科、菊科等1 年生草木植物有明显的排挤作用, 在豚草发生区, 昆虫的种类显著降低。大米草入侵福建等

地沿海滩涂, 导致红树林湿地生态系统遭到破坏, 红树林消失, 滩涂鱼虾贝类以及其他生物也不能生存, 原有的 200 多种生物减少到 20 多种。人们将北疆额尔齐斯河的河鲈引入南疆的博斯腾湖, 从而导致原分布于该湖新疆大头鱼的灭绝。在关岛, 外来入侵物种棕色树蛇引起了关岛本地 10 种森林鸟类、6 种蜥蜴和 2 种蝙蝠的灭绝。愈演愈烈的外来物种入侵对生物多样性的危害往往是不可逆转的, 加快了物种灭绝的速度。3.2 入侵种与本地种的杂交和基因渗透运用分子遗传学作为手段的研究发现,入侵种和土著种之间的杂交与基因渗入较为普遍,对土著种造成严重威胁。3.2.1 杂交导致土著种遗传同化, 小种群遗传特异性丧失当杂交发生在两亲本个体数量悬殊的群体之间时,就要考虑遗传同化的危害,即小种群一方由于“纯”的后代数量的减少而被前者“稀释”掉,导致小种群遗传特异性丧失或灭绝;由于基因漂流或基因污染引起各种形式的杂交,进而导致土著种遗传基因被入侵种“稀释”或遗传同化,使遗传上真正“纯净”的土著种不复存在。3.2.2 远交衰退导致的种群后代适应性降低

当两个遗传差异较大的物种(种群) 混养(植) 在一起时,要考虑远交衰退的危害,即杂交破坏了亲代具有的共适应等位基因组合,导致杂交后代适应性降低,或者发生远缘杂交不育的情况,使物种种群在某一阶段内,育龄期的亲体主要由不育个体组成,使种群中年轻补充个体数目急剧减少甚至消亡。虽然种群自然杂交的远交衰退程度小于人为杂交, 但实验表明, 种群间的遗传距离越大, 远交衰退越强烈 ,与正常交配比较 , 远交导致后代的适合度下降 40 %～50 % [10]。3.2.3 近缘杂交造成本地种的基因污染外来物种入侵使种群破碎化, 导致遗传漂变和近亲交配, 使个体适应性和生活力下降。本地种与外来种杂交还易造成遗传污染 ,如我国北方自然海区虾夷扇贝的繁殖期是 2～4 月, 土著栉孔扇贝是 4～6 月,在时间上, 自然生态条件下的外来虾夷扇贝就有可能与土著栉孔扇贝杂交( 实验室条件下已获得了杂交后代) 。这样的后代若在自然生态环境中再成熟繁殖,与土著皱纹盘鲍和栉孔扇贝更易于杂交, 势必对我国这 2种土著贝类造成严重的遗传污染。3.2.4 杂种优势排挤、淘汰本地种外来种可以和土著种远缘或近缘杂交。当杂交体具有杂种优势时 ,它可取代亲本,威胁到亲本的生存。杂种优势一般产生于外来种与本地种亲缘关系较近的物种之中, 例如, 大米草就是互花米草和一种土著种欧洲米草(S. maritime)杂交后产生的不育种唐氏米草( S.townsendii) 经过染色体加倍形成的。大米草的入侵能力极强, 能占据亲本不能生长的裸滩生境, 对土著种的生长、分布产生严重影响。而互花米草本身还可通过基因渗透对土著米草造成威胁 , 互花米草具有较大的雄性适合度,种间杂交导致加利福尼亚米草种群的基因同质化, 降低了其遗传多样性。

3.3 破坏生态系统, 使生态系统多样性降低在自然界长期进化过程中, 生物与生物之间相互制约、相互协调, 形成稳定的生态平衡系统。外来物种入侵对当地自然生态环境的改变, 使生态系统内部能量流动和物质循环难以进行, 导致生态失衡、生态系统紊乱。例如水葫芦原产南美, 现广泛分布于华北、华东、华中和华南的大部分省市河流、湖泊和水塘中, 往往形成单一的优势群落, 特别在滇池疯长成灾。在河道、湖泊中疯长的水葫芦可以使水面与空气隔绝, 造成水中各种生物窒息而死亡, 使湖泊生态系统崩溃。由澳大利亚入侵我国的桉树能大量吸收土壤中的营养物质和水分, 造成土壤肥力下降、干旱以及水土流失, 使生态环境恶化。外来物种入侵的后果是导致不同生物地理区域生态系统的组成、结构和功能均匀化, 并最终退化, 失去其服务功能。

3.4 破坏景观的自然性和完整性明朝末期引入的美洲产仙人掌属（Opuntia）4个种( 分别在华南沿海地区和西南干热河谷地段形成优势群落，在那里原有的天然植被景观已很难见到；有的入侵种，特别是藤本植物，可以完全破坏发育良好、层次丰富的森林；禾草或灌木入侵种占据空间后，其它的乔木无法生长；许多外来入侵种使植被破坏，变成层次单一的低矮植被类型[6]。4 小结生物入侵对生物多样性造成了影响，随着科学日新月异的发展，我们可以尽量排除那些可能对本土生态系统造成危害的有害物种，利用先进的科学技术让它发挥其对人类有益的作用，减少其负面作用。参考文献[1]苏荣辉, 娄治平, 张润志.对生物入侵研究对策的思考[J].中国科学院院刊, 2002,5: 335- 338[2]黄华，郭水良，强胜.中国境内外来杂草的特点危害及其综合治理措施[J].农业科学环境学报，2003，22（4）：509-512.[3]宋红敏，徐汝梅.生物入侵[J].生物学通报，2004，39（4）：1-3[4]胡淑恒．生物入侵的危害及防治措施[J]．生物学杂志 ,2003,20 (5),12-15[5]王峥峰,彭少麟.杂交产生的遗传危害——以植物为例[J].生物多样性,2003,11(4):333-339. [6]向言词,彭少麟等.生物入侵及其影响 [J].生态科学 ,2001,20(4): 68-72.[7]徐承远,张文驹,等.生物入侵机制研究进展[J].生物多样性,2001,9 (4):430-438. [8]陈毅峰,严云志.生物入侵的进化生物学[J].水生生物学报 ,2005,29.[9]李明阳,徐海根.生物入侵对物种及遗传资源影响的经济评估[J].南京林业大学学报 (自然科学版),2005,29(2):98-102[10]李霖，姚云珍.外来种入侵的遗传侵蚀[J].扬州教育学院学报，2007，25（4）：77-80.[11]方惠敏 .生物入侵及入侵进化生物学 [J].安徽大学学报（自然科学版），2006，30（2）：86-90.

谁发现了艾滋病病毒？

张田勘艾滋病曾经是人们谈之色变的疾病，然而今天尽管人类还不能征服艾滋病，但对它已经有了比较充分的了解。人类认识艾滋病，是和发现艾滋病病毒，即人免疫缺陷病毒（HIV），分不开的。不过，在是谁第一个发现 HIV这个问题上，科学界有过一场一波三折的争夺战。1 两个“独立发现” 1981年 6月 5日，美国亚特兰大疾病控制中心的周刊上发表了一则报道，说洛杉矶的两家医院发现了５个奇怪的肺炎患者，他们都是同性恋者，其中２人已经死亡。３年以后，人们才知道，这则“平常”的报道中提到的病人，正是世界上首例艾滋病病例。1984年 5月，这种病被正式命名为“获得性免疫缺陷综合征”（简称 AIDS），中文音译为艾滋病。不过，对艾滋病的研究并不是从 1984年才开始的。1983年，法国巴斯德病毒研究所的病毒学家卢克•蒙塔格尼尔（Luc Montagnier）从一名患淋巴结病变的同性恋者身上提取出了一种病毒，并将其称为“淋巴腺相关病毒”(简称 LAV)。为了获得世界病毒学界权威的认可，蒙塔格尼尔把病毒样本送与美国国立卫生研究所（简称 NIH）的罗伯特 ·盖洛(Robert C. Gallo)，请他帮助鉴定和审阅。然而，仅仅一年后的 1984年 5月，盖洛及其研究组同事也在《科学》杂志上发表文章，宣布他们独立从艾滋病人外周血淋巴细胞中鉴定出了一种病毒，称为“人类 T淋巴细胞Ⅲ型病毒”（简称 HTLV-Ⅲ)。盖洛的论文自然吸引了蒙塔格尼尔的关注。经过对比之后，蒙塔格尼尔非常愤怒，因为他发现，盖洛所谓的独立发现的病毒正是他送给盖洛请求鉴定的 LAV。这意味着身为国际病毒界权威的盖洛明目张胆地剽窃别人的研究成果。蒙塔格尼尔去信要求盖洛解释，然而盖洛的回答不卑不亢，明确无误地坚持 HTLV-Ⅲ是自己的研究小组独立发现的。这一回复激怒了蒙塔格尼尔，他愤然向法国的法庭起诉盖洛剽窃自己的研究成果。坚信自己清白的盖洛也被惹怒了，也在美国的法庭上状告蒙塔格尼尔诬陷自己。两位在此之前就都颇具声望的科学家为这种新病毒的发现权打起国际官司。2 惊动国家元首的官司两名科学家的诉讼大战立即吸引了全世界的眼球，两国的法庭、科研机构、媒体分别进行了独立的调查。由于蒙塔格尼尔和盖洛都是在本国法庭起诉对方，各自提出的证据使得法庭难以做出判

决，官司一时陷入僵局。媒体的推波助澜终于惊动了两国的最高领导，也许是一种默契，也许是为了息事宁人，更因为法院裁定难以认定证据，1987年 4月当时的美国总统里根和法国总理希拉克亲自出面调解，双方达成了协议，由法美两国科学家共享艾滋病病毒的发现权。法院落得顺水推舟认可了这一调解。官方和法律的层面了断后，美国 NIH的调查结果也随后公布。1990年 NIH公布调查结果认为，盖洛实验室有病毒样本、实验记录证明，还有大量的研究数据，简单可行的检测 HTLV-Ⅲ的方法，确实拥有自己发现的艾滋病病毒样本，即 HTLV-Ⅲ和其他一系列病毒样本，所以NIH认为盖洛实验室不存在剽窃行为。波澜再起然而，树欲静而风不止，官方和学术调查的结论并没有平息蒙塔格尼尔与盖洛之间的恩怨，媒体的调查又把两人的争执推向更汹涌的浪尖。 1989年 11月，美国《芝加哥论坛报》记者约翰•克纽德森在该报发表调查文章，声称他调查的结果表明，盖洛等人论文中提到的病毒就是蒙特尼尔提供的。而《科学》杂志提供的线索更是对盖洛不利，该杂志认为盖洛于 1984年发表论文所用的 HTLV-Ⅲ照片实际上就是蒙塔格尼尔所提供的 LAV的图片。为 LAV进行电子显微镜照相的摄影师也写信给盖洛，让他“不要做不诚实的事”，因为摄影师认为关于 HTLV-Ⅲ的显微镜图片只能证实 HTLV-Ⅲ就是LAV。法国方面也像美国一样进行了独立的学术调查。1991年，法国几个研究所组成的调查组公布了他们的调查结果。他们发现盖洛的病毒样本与蒙塔格尼尔在此前送给盖洛请求检验的两个样本中的一个一模一样。正是这两个一模一样的病毒样本让盖洛百口难辩，这不仅仅是瓜田李下的嫌疑，简直就是剽窃的直接证据。盖洛难以说服世人，同时也说服不了自己，为什么他送去发表的病毒样本会与蒙塔格尼尔的病毒样本一模一样？这个结果好像有些屈打成招，于是剽窃的罪名便牢牢地戴在了盖洛的头上。这场国际官司旷日持久，国际病毒分类委员会不想介入这场官司，但又要在研究和应用中使用这种病毒的名称。于是他们既没采用蒙塔格尼尔的 LAV，也没接受盖洛的 HTLV-Ⅲ，而是给这种发现权尚未“尘埃落定”的病毒取了一个新名字——“人体免疫缺陷病毒（HIV）”，并一直沿用至今。这个名称至少意味着国际病毒分类委员会没有简单地认为盖洛有剽窃行为，因为一种病毒的发现和确认存在非常复杂的现象，而且蒙塔格尼尔和盖洛的争论还有很多细节和事实难以确认。3 峰回路转

盖洛深陷丑闻并蒙上了耻辱，然而事情不久又峰回路转，盖洛从蒙塔格尼尔送给他的病毒样本中发现了问题。1991年，盖洛在英国《自然》杂志上发表一篇文章说，1983年蒙塔格尼尔送给他们的 5个 LAV病毒样本中，有 3个样本的基因序列与蒙塔格尼尔以前发表的 LAV的序列不同，这 3个病毒的基因组中缺乏一个 LAV病毒和 HTLV-Ⅲ病毒共有的特征性基因序列。如果说当初的官司是盖洛有口难辩、羞辱难堪和浑身冒冷汗的话，这次轮到蒙塔格尼尔难堪和冒冷汗了。盖洛指出的事实说明，1983年蒙塔格尼尔送给盖洛及其实验室的 LAV与现在他们所争论的 HTLV-Ⅲ和 LAV不是一回事。很有可能蒙塔格尼尔现在的 LAV是 1984年盖洛送给蒙塔格尼尔的 HTLV-Ⅲ，因为当盖洛的研究小组单独发现了 HTLV-Ⅲ后也曾送给蒙塔格尼尔进行检测和认定。如果盖洛的话是真的，那么事情就有可能来个本末倒置，是蒙塔格尼尔剽窃了盖洛的成果。出了一身冷汗的蒙塔格尼尔马上翻箱倒柜地找出冷冻保存的 LAV样本检测，果然如盖洛所说，原始的 LAV病毒基因组中确实没有那个特征性的基因序列。这就证明他们的 LAV确实不是原来的 LAV。那么现在蒙塔格尼尔的 LAV从何而来？蒙塔格尼尔很快提供了解释。他说，是一个叫做 LAI的病毒样本捣的鬼。蒙塔格尼尔当时研究时，另外从一个代号为 LAI的艾滋病病人体内中分离出了 LAI艾滋病病毒株，它的复制力更强，并且能在体外培养的 T细胞中迅速生长并杀死 T细胞。他们在研究中发生了污染事故，LAV病毒培养瓶“偶然地”被同时进行传代的 LAI病毒感染，由于 LAI的复制力很强，培养中的 LAV很快就被 LAI所取代。蒙塔格尼尔的解释表明，他们一直认为的 LAV病毒实际上是 LAI病毒，而且蒙塔格尼尔把它以 LAV的名义寄给了盖洛以及世界上其他一些实验室，LAI病毒也污染了盖洛的 HTLV-Ⅲ，使之成为了 LAI，但蒙在鼓里的盖洛一直认为自己发现的病毒是 HTLV-Ⅲ，而且后来还把它送给蒙塔格尼尔鉴定。这个解释也说明，为什么盖洛的 HTLV-Ⅲ与蒙塔格尼尔的 LAV如此相像。幸运的是，世界上其他实验室也收到过蒙塔格尼尔以 LAV病毒名义寄出但实则为 LAI的病毒，证实了 LVA实际上是 LAI污染的结果，对蒙塔格尼尔的解释做出了旁证。也就是说，蒙塔格尼尔分离出来的 LAI病毒污染了他自己的 LAV，送去美国后又污染了盖洛的 HTLV-Ⅲ，而盖洛把被污染成为 LAI的病毒当作 HTLV-Ⅲ去发表，那就怨不得为何法国的调查表明盖洛的 HTLV-Ⅲ与蒙塔格尼尔的 LAV（实则是 LAI）一模一样了。这个事实也证实，蒙塔格尼尔与盖洛分别独立发现了 HIV，只是蒙塔格尼尔在前，盖洛在后，但前者的病毒样本污染了后者的病毒样本，才造成后者剽窃前者的污名。毫无疑问，蒙塔格尼尔及其同事是第一个发现了今天被称为 HIV的病毒的科学家。不过，盖洛也独立发现了 HIV，即 HTLV-Ⅲ。实际上，很难说以蒙塔格尼尔和盖洛为带头人的实验室谁对发现艾滋病病毒和以后研究艾滋病的贡献更大。盖洛的白介素-2实验室为早期蒙塔格尼尔和盖洛的共同研究成果奠定了基础，因为白介素-2对于培养支持 HIV复制的 T淋巴细胞生长是必要的。盖洛根据蒙塔格尼尔提供的病毒样本和自己发现的 HTLV-Ⅲ，发明了 HIV

的血液检查法，这种血液检查法证明了由蒙塔格尼尔等人报道的病毒(LAV)实际上就是导致艾滋病的元凶，同样这一方法的发现阻止了千百万人通过输入不洁血液而染上艾滋病。4 憧憬完美的结局盖洛 1937年出生于美国沃特伯里，是意大利后裔。他是第一个人类逆转录病毒的发现者，从事病毒学研究 40多年。毫无疑问，在这场动用法律诉讼的 HIV发现权争夺战中，盖洛声誉受到了很大的影响。由于有学术剽窃的嫌疑，他不得不离开了在 NIH的研究和工作岗位，于 1996年转到美国马里兰大学从事研究和教学，任该校人类病毒研究所和基础科学部主任。蒙塔格尼尔 1932年出生于法国图尔斯，1973年进入世界著名的巴斯德病毒研究所并担任肿瘤病毒室主任。1993年，蒙塔格尼尔创立了世界艾滋病研究与预防基金会，并担任主席。事实证明蒙塔格尼尔错怪了盖洛，他是不是会向盖洛道歉世人不得而知。不过，在经历了这场令人不快的官司后，两位同样卓越的科学家显然是和解了，2002年 2月 13日两名 HIV的发现者在美国共同发表声明，联合研制预防艾滋病的疫苗。因为 HIV的发现及他们以后的研究工作，蒙塔格尼尔和盖洛获得过无数的科学奖励。当人们最终了解了真相后都在内心深处期盼，未来某一年的 12月 10日（每年一次的诺贝尔奖颁奖日），蒙塔格尼尔和盖洛会双双出现在瑞典首都斯德哥尔摩金碧辉煌的市政大厅，接受瑞典国王颁发的诺贝尔生理学或医学奖，因为他们非同寻常地发现了严重威胁人类健康和生命的病毒 HIV，也因为他们经历了严峻的考验，有过误解、不快甚至敌对，但最终和解在实事求是的科学精神之下。

家蚕：吐出基因的秘密

夏庆友(西南农业大学)

2003年 5月 18日，我终身难忘。那一夜，在西南农业大学科技楼的办公室里，向仲怀院士、周泽扬、鲁成、吴大洋和我都彻夜未眠——我们面临着一个艰难而又紧迫的选择。两个月前，日本独自启动家蚕基因组计划，单方面终止了与中国的合作。当时摆在我们面前只有两条路：要么眼睁睁地看着日本科学家绘出家蚕基因组框架图；要么破釜沉舟，自己筹集大量的人力、物力、财力开展测序。而后者需要冒着巨大的风险，如果对方一旦率先完成研究工作，我们所有的努力都将前功尽弃，因为“科学只有第一，没有第二”。天将破晓时，决定终于浮出水面。经过慎重讨论，我们一致同意为了维护国家利益，回应国际竞争，立即启动中国家蚕基因组计划。这一刻，也意味着我们开始了一场没有退路的“攻坚战”。

1 蚕业科学迎来春天近几年，人类基因组计划、克隆、蛋白质组等词汇不但频繁出现在各类专业书籍、期刊上，而且也充斥于各种大众媒体，让很多人都耳熟能详。一门学科的发展受到如此广泛和持久关注，在科学史上也极为罕见。究其原因，除了基因组计划与人人相关，其发展途中各国的竞争与合作极具戏剧性外，从科学角度看，基因组学及后基因组学的发展，对包括人、鼠、果蝇、线虫等模式生物在内的所有物种的生物学研究无不产生了革命性的影响。换言之，生物学研究的各个领域，现在都无法回避基因组学发展所带来的冲击，其发展方向，即使不是当前也会在不久的将来受到来自基因组学发展的决定性影响。现代蚕业科学经过 100多年的发展，取得了很大的成绩，但由于比较封闭，对其他基础学科吸收不足，学科的交叉、融合比较薄弱。尤其是近几十年来，蚕丝产业中科技含量低，整个世界蚕业的发展也长期处于徘徊境地。2000年后，人类基因组计划的完成开创了生物基因组时代。蚕业科学也期待借此赢得新的发展。基因组计划是 20世纪生物科学发展中最受人关注的领域之一，取得了一系列激动人心的成就。地球上的生命千姿百态，而生命的一切奥秘，可以说主要隐藏在其所拥有的 DNA（或 RNA）的碱基序列之中。基因组研究的科学目的，就是阐明生物所拥有的全部遗传信息（DNA序列），并以此为基础，确定所有基因的结构和位置，阐明基因作用的方式，在分子水平上探索所有生命现象的内在机制。迄今为止，主要的模式生物如人、老鼠、果蝇、线虫、拟南芥、水稻和数百种微生物的基因组测序计划已经基本完成。更重要的是，在全基因组水平上对基因的结构、调控、进化等一系列丰硕研究成果的取得，使人们对生命现象的理解产生了质的飞跃。可以说，生物基因组的研究将对人类认识生命、理解生命和促进自身发展的各个方面将产生深层次的和革命性的影响，是未来生命科学发展的主要支撑力量。由于中国拥有丰富的生物资源，有“基因的黄金国”之称，许多大国都把下一轮的基因争夺目标瞄准了中国。此次，家蚕基因组框架图的绘制完成以及相关的研究论文在《科学》杂志上发表，不仅标志着我国在继人类基因组 1%的基因测序工作和“中国杂交水稻基因组计划”之后，又独立地完成了家蚕基因组的测序工作，稳固了基因组研究领域世界强国的地位；同时，还进一步确立了我国在家蚕基因组研究方面的世界领先优势，将带动蚕业科学和蚕丝产业革命性的变化。近日，中国科学院院长路甬祥院士在接受英国广播公司（BBC）记者采访时，特别提到了这项工作。他说，近年来，我国一批有世界影响的、代表着当今国际研究最高水平的成果相继问世，如中国科学家独立完成的水稻及家蚕和鸡的全基因组测序、菠菜主要捕光复合物的晶体结构的测定等研究都走在了世界前列。然而这一“世界级”成绩的背后却充满了曲折与艰辛。2 国际竞争下的艰难抉择中国虽然是蚕丝业的发祥地，但近百年来，世界蚕丝业的中心却发生了几次大的转移：

先从中国转移到欧洲，再从欧洲转移至日本，现代蚕业的技术体系就形成于日本。我国现在应用的整个技术体系，也是日本在上世纪三四十年代所建立起来的。虽然，目前我国茧丝产量和出口量分别占世界总量的 70%和 80%以上，但蚕业科学仍落后于日本。 2001年 8月，由日本组织，在法国里昂召开了国际鳞翅目昆虫基因组计划筹备会议，家蚕基因组国际合作组织开始启动。然而令人意外的是，蚕丝产量占世界总量 70%的中国竟未被邀参加。这次会议还决定，2002年 9月在日本筑波召开国际鳞翅目昆虫基因组计划的正式会议。早在人类基因组公布的前 5年，即 1995年 9月，向仲怀院士和中国科技大学李振刚教授就提出了家蚕基因组计划的设想。在 2002年中国水稻基因组框架图完成后不久，向仲怀院士联合卢良恕、石元春、方智远、郭予元等院士发表了《院士建议》，呼吁尽快启动中国家蚕基因组计划，在 21世纪丝绸之路的竞争中，做出无愧于祖先的贡献。在得知即将召开筑波会议之后，我国科学家一方面呼吁家蚕基因组计划应开展国际合作，另一方面积极做着各项准备工作。2002年 3月～7月的短短 4个月内，中国农科院蚕业研究所、苏州大学、浙江大学与西南农业大学等单位就先后召开了 3次全国家蚕基因组研讨会。与此同时，为了增加中国科学家的发言权，我们西南农业大学迅速启动了大规模的家蚕EST（基因表达标签序列）测序研究，在短时间内完成了 10万条，而当时其他国家一共才完成 3万多条。当我们在筑波会议上发布这一成果时，与会的各国专家大为震惊。 EST是基因编码蛋白质的序列，也可以说是基因的一个身份证，有了这个身份证，科学家们就可以比较容易地找到基因。因此，EST分析是实施基因组测序特别是功能基因分析的重要基础。我们完成了包括家蚕丝腺、胚胎、脂肪体、血液、卵巢和精巢等在内的家蚕主要发育时期和组织、器官的 EST分析，获得了 8万余条高质量的 EST标签序列。这不但是迄今为止最大规模的家蚕 EST分析，而且其数量和覆盖度基本上能满足家蚕全基因组测序和基因注释的要求，为家蚕基因组框架图的绘制奠定了基础。鉴于西南农业大学有着世界上最大的家蚕基因库和已经取得的成就，日本方面表示出十分积极的态度，当即主动与我们商谈合作，并达成协议，确定由日本和中国牵头，开展家蚕基因组框架图的绘制工作，双方各完成工作任务的一半，并决定在 2004年底前完成家蚕基因组序列。会后，国际家蚕基因组计划协作委员会成立，中日各有两位科学家当选为委员会成员。中国正式加入了国际家蚕基因组计划。然而天有不测风云。2003年年初，当我们主动与日本联系，但日本方面反映非常冷淡，要么不回信，要么就遮遮掩掩，最后干脆挑明了宣布，他们打算自己单独干，不与中国合作。更让人难以释怀的是，向仲怀院士亲赴日本，对方却封锁消息，避而不见。原来，日本已经在 2003年 3月单方面启动了这项工作，并提出集中全日本优势，以家蚕基因组计划开创“由日本出发的丝绸之路”，还将 2003年命名为“日本丝绸之路元年。” 正是在这样的竞争压力下，我们才决定立即启动中国的家蚕基因组计划。当时，与日本已经获得的经费相比，我们的研究资金还远没有着落。时间紧迫，根本来不及等国家立项、投入资金。向仲怀院士当机立断，决定把西南农业大学蚕桑学重点实验室多年积累的全部家

底拿出来作为启动资金，先干起来再说。当时，正是我国抗 SARS最紧张的时期。3 300盒盒饭与 18510个基因 2003年 6月 11日，我和同事们住进了中国科学院北京基因组研究所，开始为测序做最后的准备工作。6月 18日，我们与华大基因中心的家蚕基因组测序工作正式开始。测序仪器以每天产生 10万条数据的速度高速运行，我们 300多名工作人员和 120多名技术人员一起，也“高速运转”了 3个月。大家平均每天要工作十四五个小时，吃饭基本全以盒饭为主，就这段时间，光我就吃了 300多盒。我们测序所用的全部样品都来自于 1225只雄蚕，策略则采用了一种叫做全基因组霰弹法的测序方法。全基因组霰弹法又叫鸟枪法，这是测定一个生物全基因组序列常用的一种方法。DNA序列的测定方法要依靠化学反应，但是由于测序技术的限制，每次反应最多只能测定数百到 1000个碱基。而一个生物种的全基因组长度通常都在数百万到数十亿个碱基对。因此，科学家用超声波将长长的基因链随机打断成若干片段，对这些小的片段进行测序。然后根据片段间序列的重叠，将片段组装成原来的样子，这就像把一副完整的拼图打碎了再组装起来一样。因为每次打碎都是随机的，所以总有一些片断是重叠不起来的，所以这一个打碎、测序、拼接的过程就要重复好几次。目前国际上承认的基因框架序列的要求是重复 5倍。而家蚕基因组测序设计的覆盖倍数为 6，即对家蚕的染色体进行 6次重复测序。8月 25日，提前 5天，大家测完了所有需要的数据。这期间，我们共完成 550万个测序反应，每个测序反应获得的平均测序长度为 610碱基。10月 7日，最后拼接完成。基因序列测定后，对基因进行注释是基因组计划中最重要的工作。注释基因就是对全基因组序列中所包含的可能的基因的结构和位置进行鉴定。在高等生物中，基因其实只占全基因组序列的百分之几，在庞大的基因组数据中鉴定基因就像在茫茫的汪洋大海中搜寻孤岛。在测定人类基因组和其他模式生物基因组中，科学家们对如何注释、算法和软件都积累了很多经验。然而，不同的物种基因组的注释并不完全一样，最有效的方法还必须根据具体物种的基因组特性来进行。为此我们专门开发了一个鉴定家蚕基因的计算机算法软件，并根据基因结构的普遍规律和家蚕基因组的特殊性，经过反复研究和校正，最终确定了18510个家蚕基因。在此基础上，我们绘制出一张包括家蚕全基因组序列信息、DNA序列的排列特征、基因的位置和结构等内容的图谱，这就是家蚕基因组序列图。由于这张图谱只覆盖了家蚕真实基因组的 95％左右，所以又叫做家蚕基因组框架图。但是根据计算，这张图谱的错误率仅仅只有千分之一到万分之一，已经达到了国际标准的高质量框架图的要求。 2003年 11月 15日，重庆市人民政府和中国科学院联合在重庆召开新闻发布，向世界宣布家蚕基因组框架图绘制完成。到这个时候，日本方面仍没有传出测序完成的消息。4 挖掘家蚕基因金矿

在家蚕基因组框架图绘制和基因鉴定工作完成后，我们紧接着又在所发现的大量基因中，找到了一些非常重要的基因，并马不停蹄地对它们进行详细研究。蚕丝产量和质量是蚕丝产业最关注的问题，从应用出发，与家蚕丝腺有关的基因是科学家们最关心的。丝腺是家蚕合成茧丝蛋白的器官，是蚕丝产业的生物学基础。这次，我们共在家蚕全基因组中鉴定了 1874个与丝腺相关的基因，其中 97%为新发现基因。通过与其他家蚕组织的基因比较，我们发现，丝腺基因拥有更多的酶调节基因、分子伴侣和结构蛋白基因，这与丝腺主要负责蛋白质的合成和加工功能密切相关。同时，我们还在丝腺中发现了负责激素加工的酶的活动踪迹，表明激素参与了丝蛋白基因的调控，这可能成为今后人们调节丝腺功能，生产更多更好的蚕丝的基础。另外，我们还把家蚕与自然界的另一位吐丝高手、被称为“生物钢”蜘蛛丝的生产者——蜘蛛的吐丝基因做了比较，发现两者有 107个基因相同。这些功能基因的获得和功能分析的深入开展，将彻底突破蚕丝蛋白质合成相关基因克隆和研究的瓶颈，而随着家蚕丝腺特异基因研究的深入，中国将在改造丝蛋白质结构，克服丝绸天然加工弱点等重要产业技术的研发方面取得突破。与丝腺基因一样重要的基因还有很多，我们在关心与蚕丝生产相关的基因的同时，也把目光聚集到了另外一些也很重要的基因上，比如决定家蚕性别的基因、与家蚕免疫相关的基因等等。家蚕是雌雄异体生物，正常情况下雌雄各 50%。但是由于雌蚕需要消耗营养制造蚕卵，因此蚕丝生产能力较雄蚕弱，而且雄蚕健康性比雌蚕强，好饲养。如果能在生产中只利用雄蚕，在不使用任何其他技术的情况下，研究和生产实践数据表明，就能给产业带来 20％～30％以上的综合效益，这是蚕学家们长久的梦想。但是家蚕的性别决定是一个复杂的过程，在分子水平上是由众多的基因组成的一个网络来完成的，在家蚕基因组计划完成以前，人们通过多年的努力，仅仅找到了少数几个与这个网络有关的基因。家蚕基因组计划的完成，我们很快就鉴定了数十个基因，它们都是性别网络的重要成员。其中最关键的一个基因被科学家们定名为“性别开关基因”，它的作用就像电灯的开关一样，决定着家蚕个体是雌还是雄。而其他的基因则主要是为这个“开关”服务。我们相信，以这些基因为线索，当阐明了家蚕性别开关的运作方式后，就可以随意的对家蚕的性别进行人为的调节，那时想让家蚕全部成为雄蚕的愿望就会实现。家蚕和所有昆虫一样，有一套特殊的防卫体系来抵抗病原微生物的攻击，比如当受到细菌和真菌的攻击的时候，它们会立即产生很多很小的蛋白质，这些蛋白质对入侵的病原具有很强的杀灭作用。科学家们将这些小的蛋白质叫做抗菌肽。在家蚕基因组中，我们共发现34个抗菌肽基因，并正在对这些基因进行详细的研究。这样，我们就可以通过这些基因，培育出强健的不生病的蚕品种，让蚕农获得更多的收益。

家蚕是继果蝇和蚊子之后，第 3个被测出全部 DNA序列的昆虫。家蚕属鳞翅目昆虫，果蝇和蚊子是双翅目昆虫。这两类昆虫在 28亿年～35亿年以前就已经分开。现在，根据基因的结构，我们具体比较了这 3种昆虫之间到底有多少相同的基因。例如，尽管家蚕的蚕蛾失去了飞行能力，它仍然拥有大约 300个和翅的发育相关的基因，这与果蝇的情况大致相同。我们通过对每个基因中起关键作用的部分序列进行计算，绘出了这 3个昆虫之间相同的和不同的部分。利用这张图，我们可以宏观认识昆虫之间的遗传相似性和特殊性，甚至可以追踪昆虫的起源和进化历史。上个世纪初，由于家蚕体积大、不容易逃走，科学家曾把它作为模式生物进行研究。但是后来它的地位被果蝇所取代。新的序列结果有可能让家蚕作为一种模式生物再次复兴。比如，有助于科学家研究与家蚕相近的鳞翅目昆虫，更好的消灭某些害虫；科学家们可以利用家蚕丝腺合成蛋白质的能力，来合成生产对人类有用的其他蛋白质，如疫苗和干扰素等。目前，以家蚕基因组信息的研究和利用，已经初步形成了一个庞大的家蚕基因组世界。蚕宝宝随着基因组研究的不断深入，还会为我们做出更多更大的贡献。

近视与遗传

翁蕾鸣 1，2，王昕 1，2，王沥 1，金锋 1，3

(1．中国科学院遗传与发育生物学研究所，北京 100101；2．中国科学院研究生院，北京100049； 3．中国科学院心理研究所，北京 100101)

摘要：近视在生理上表现为屈光不正。亚洲人群的近视发生率与几十年前相比迅速增加，而我国较发达的城市中多数人口已经或正在成为近视。近年来的研究已经报道了 6种近视相关基因。从中国现代化进程和近视人口的迅速增长角度看，这种远远打破遗传平衡的变化已经不能用简单的基因突变或者孟德尔遗传来解释。城乡差别和受教育程度的比较可见，近视的成因受环境和基因两个方面的影响。近视直接关切国家发展和民族的健康，应当是全社会共同关注的一个重要课题。关键词：近视；基因；遗传；环境 Myopia and Genetics

WENG Lei-Ming1，2 ,WANG Xin1，2 ,WANG Li1 ,JIN Feng1，3

(1.Institute of Genetics and Developmental Biology Chinese Academy of Science, Beijing 100101,China; 2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049,China; 3.Institute of Psychology, Beijing; 100101,China)

Abstract: The physiological manifestation of myopia is error of refraction. The incidence of myopia in Asian population is increasing much more rapidly compared with several decades ago.

Most of the people in the relatively developed Chinese cities are developing or have developed myopia. Recently, researches reported six loci related to myopia. Viewing from the modern civilization and development of China, the sharp increase of the size of the population with myopia and the unbalanced change could not be explained only by gene mutation or any model of Mendelian inheritance. The comparison of the disparity of the economic and educational levels between in urban and rural areas showed that the onset of myopia might be influenced by both environmental and genetic factors. Special attention should be paid to myopia now to prevent severe physical problem in the Chinese urban population.Key words: myopia; genes; heredity; environment

1 近视的一般描述近视（myopia），是远处的物体不能在视网膜汇聚，而是在视网膜之前形成焦点，因而造成视觉变形，导致远方的物体变得模糊不清[1]。近视的程度通常用屈光度来评定[2]。高度近视是屈光不正大于或等于 6D。高度近视有多种遗传方式，并且具有遗传异质性[3]。2 近视的现状眼科学研究表明，相对于其他眼科疾患来说，近视有着相当高的发生率。因此近视在眼科学中被定义为疾病。尽管从人类生物学角度上我们对这种定义有所保留，仅把它看作是人类多样性的一种表现，但是不能不重视近视对我国人群身体素质的影响。本文的描述中本着以人为本和人性化的原则，在对近视的描述中尽量避免使用诸如患者或疾病等词语。研究表明，近视在发展中国家十分突出，亚洲国家近视发生率在 70％～90%左右[4]；美国和欧洲近视的发生率在 30%～40%，全世界几乎所有的人群中都存在近视。中国尚无确切数字，但已知，仅在美国每年花费在近视视觉改善上的费用估计高达 2.50亿美元[5]。近视和戴眼镜曾经是欧美国家描述日本人的时候的一个重要特征，日本的眼科健康杂志上报道“日本小学生近视率为 20％，中学生为 40％，大学生为 50％，而我们的邻国中国，大学生的近视率则高达 70％。”近视持续发展将会导致病理性近视以及其他并发症的发生并最终导致失明。病理性近视的个体往往会伴随视觉灵敏度减退，并可能导致重度斜视、开角性青光眼以及晶状体浑浊等并发症[6]。高度近视是近视中较为严重的一种，一般定义为屈光度>＝-6.00 D。高度近视在亚洲和中东极为常见[7]. 在亚洲国家比如日本，高度近视个体占近视总个体数的 6％～18%，占普通人群的 1%[8]。在许多发达国家,高度近视成为导致失明的主要原因[9]，在西欧和美国高度近视的发生率为 0.5％～2.5%，是仅次于糖尿病的导致人群失明的主要原因[7,10,11]。Lacquer crack lesion (LCL)也是高度近视常见的并发症。从全世界的近视分布情况看来，这种生理上的缺陷似乎比较偏爱中国人，其次是犹太人、日本人和阿拉伯人，而且女性的近视发生率是男性的两倍，黑人中近视则较为少见[12]。3 近视产生的原因近视的产生原因至今依然不是十分明确，公认的看法是近视是由多种因素导致的。生物的表现形式是基因＋环境。近年来许多证据都表明环境和遗传因素共同参与了近视的发生[13]。Bear[13]和 Goss[14]提出了近视可能是由多种病因共同作用的，如今已经证实了在高度近视形成过程中，多基因和不同的单基因遗传模式都参与其中。总之，不论我们是否认可它为疾病，至少近视是一种复杂的、由于遗传和环境诱导因素共同导致的眼睛的退行性变

化。近视频率分布表明，亚洲人比欧洲人更为常见[15]，中国如今则又成为世界上近视人口最多的国家。3.1 遗传因素在对近视病因的研究中发现，单一的环境因素并不能够解释所有原因。对双胞胎的近视研究表明，在一定程度上近视确由遗传因素决定[16]。研究者们还发现处于同样学习强度下的人，父母患有近视的人群发生近视的可能性为父母不患有近视人群的 10 倍 (http://www.theage.com.au/articles/2002/04/22/1019441223384.html) [17]。近视的遗传机制十分复杂，至今还没有任何一个家系清晰地表现出孟德尔单基因遗传模式，从发生状况和家系表现来看，它更可能是由于多个基因相互作用，决定是否发生近视以及严重程度。就像多基因遗传的糖尿病、肥胖以及精神分裂症[18]。高度近视在某种程度上比低度近视具有相对简单的遗传模式。目前已知的与高度近视相关的基因座有 5个。3.1.1 MYP1

由于近视个体女性远多于男性，早在 1949年就已经有人提出了近视可能存在 X-连锁的隐性遗传模式[19]。Bartsocas等人在对一个高度近视家系的研究中发现，有三个近视的兄弟，他们的 5个外孙分别通过他们的女儿遗传了近视，这些女性近视基因携带者的表现为轻度近视(不需要戴眼镜)，所有近视个体都同时表现出先天静止性夜盲以及外眼肌麻痹[20]。另一例是一个丹麦的大家系，这个家系的成员均表现出 X连锁的近视并伴有散光，视觉损伤以及中度视神经发育不全，并且所有男性近视个体均有绿色盲[21]。Schwartz于 1990年发现博恩霍姆眼病 (Bornholm eye disease，BED)与 Xq末端的 DNA标记物连锁，当他对一个表现为 X 连锁的近视家系进行连锁分析时，确定了一个与 F8C 连锁的阳性 LOD 值(z=4.8,theta=0时)。这一结果将该综合征暂时定位在 Xq28，从而以临床和遗传为基础，对BED进行了重新定义：包括弱视、近视和绿色盲。此外还可兼有视神经发育不全，以及非特异的视网膜色素异常等等，从而也确定了第一个高度近视的基因座——Xq28 (MYP1) [22]。此后研究了一些具有丹麦血统的来自明尼苏达的有类似 X连锁表现型的家系，通过 X染色体基因分型、fine-point作图和单倍型分析，将两个丹麦血统家系的 MYP1基因定位于Xq27.3-Xq28上的分别为 34.4cM和 6.8cM的两个间隔区[23]。3.1.2 MYP2

1998年对高度近视的家系进行的基因组范围的近视位点扫描中 (同时对 Stickler 综合征、Marfan综合征以及青年青光眼的候选位点也进行了排除分析 ),家系成员平均诊断近视的年龄为 6.8岁，平均的近视度数为-9.48 D。研究结果发现这类近视与 18p存在明显的连锁[18]。标记物为 D18S481时的最大 LOD值为 9.59，基因重组指数为 0.0010。进一步的单倍型分析将这个基因定位在 18p11.31上位于标记物 D18S59和 D18S1138之间的一个 7.6cM的区域[24]。在 2001年 Young进一步提出这个近视基因与标记物 D18S52最为接近，并分析该近视基因可能位于标记物 D18S63与 D18S52之间一个 0.8cM的区域[25]。对 15个香港华人高度近视家庭进行的两代人 10个标记物的连锁分析中也发现，有两个标记物 D18S476和 D18S62与

高度近视相关[18]。在MYP2上有一个重要的基因——TGIF。TGIF是一个 DNA结合同源结构域蛋白，属于 TALE家系同源异形盒，是一种转录抑制蛋白[26]，并且已经证明在 TGF-b调控的转录中起了作用[27]。TGIF突变与前脑无裂畸形、大脑先天性疾病以及颅面畸形相关[28]。因为位于MYP2的区域内，TGIF已经成为的MYP2相关高度近视的候选基因。在对高度近视的中国人的 TGIF基因的编码外显子的分析中，单变量分析发现有 6个 SNPs在近视个体和对照组中表现出明显的不同(P<0.05)，其中只有 657T-G在对数回归模型中表现出统计学意义，因此 TGIF被看作为高度近视的一个候选基因[29]。然而在对MYP2常染色体显性遗传的高度近视 TGIF基因突变分析时，却没有发现序列改变与近视之间存在相关关系。Genara S等人搜寻了整个 TGIF基因中可能与近视相关的SNPs，目的是判断是否 TGIF DNA序列的变异是与MYP2相关的高度近视发生的原因。通过直接测序他们发现存在 21种多态现象：3个错义；2个沉默；10个不翻译；4个在内含子；2个为纯合子缺失；3个错义突变在外显子 10236C->G；244C->T；245C->T。沉默突变在外显子 10177A->G和 333C->T，但是没有发现序列的改变为特异的或与疾病相关[30]。3.1.3 MYP3

在一个德国/意大利高度近视大家系中发现,这个家系的近视基因定位在染色体 12q21-23.这个家系除外了患有结缔组织疾病如 Stickler综合征或Marfan综合征(以近视为特征的疾病)的可能。先证者的平均发病年龄为 5.9岁，平均度数为-9.47 D。2点连锁分析发现在标记物D12S1706与 D12S327之间的最大 LOD值为 3.85；基因重组指数为 0.0010。重组分析将这个基因定位在 12q21-23的 30.1cM的区域。Young指出编码核心蛋白多糖(定位在 12q23)以及lumican(定位在 12q21.3-22)的基因都可能成为候选基因，因为它们都是在不同组织的细胞外基质中表达的小间隙粘蛋白家系的成员，都可以与胶原作用并限制纤维的直径生长。硫酸软骨素粘蛋白-3定位在 12q21，是一种小的间隙粘蛋白，在软骨、韧带和胎盘组织中表达。至今并没有发现它出现在巩膜中。Young等人认为，巩膜的微纤维生成可能是由于这些候选蛋白质的突变造成[31]。3.1.4 MYP4

在对 21个法国和 2个阿尔及利亚家系的研究中发现了第三个常染色体显性遗传的高度近视基因座。对这些家系的研究排除了以前所确定的几个基因座。多位点分析显示这类高度近视与 7q36连锁，最大 LOD值为 2.8，没有不均一性。对其中一个家系进行的重组实验中发现在标记物 D7S798 与 D7S2546之间可以确定一个 11.7cM的临界区域，这个区域从 D7S798一直延伸至染色体的末端着丝粒的尾端[32]。高度近视由遗传和环境因素共同导致，然而其遗传机制仍然不清楚，许多家系分析显示出常染色体显性或隐性遗传[33]，还有较少的病例表现出性连锁遗传。为了找出一个新的高度近视基因座，有人对 23个表现为常染色体显性遗传伴有弱的外显率的家系采用了基因组扫描，并将这个新的基因座定位在 7q。通过基因组扫描进一步将其确定在 7q36的一个 11.7 cM的临界区域。非参数曲线与 LOD曲线有相近表现。基因以及表达序列标签的计算结果又将这个基因定位在标记物 D7S798以及端粒之间，其间含有大量的未确定的转录子，一个开放阅读框的mRNAs以及一些基因。到目前为止仍然没有发现一个比较确定或接近的候选基因，而且在 7q36，12q21-23，18p11.31等值得关注的区域也没有发现任何紧密相关基因。

3.1.5 MYP5

Paluru在 2003年确定了第四个常染色体显性遗传的高度近视基因座。在一个多代的英国/加拿大家系中，同样在排除了所有已经发现的近视基因座后，基因组筛选表明在标记物为D17S1604时的最大 2点 LOD值为 3.17，theta=0。精细定位以及单倍型分析将这个临界区域定在 17q21～22的 7.71 cM的区域，位于标记物 D17S787与 D17S1811之间[34]。从以上五个位点来看，如果说在高度近视的发生中遗传因素相对于环境因素来说起到了更为显著的作用，而对于轻中度近视而言，发现近视易感基因应该是更为实际有效的研究方式。在寻找近视易感基因的同时，人们在其候选基因中发现了一些 SNPs，并在研究中检验其是否相关。这类相关性研究对于发现那些在复杂的特性中发挥很小作用的基因十分有用[35,36]。现已通过相关性研究，确定了相关的 SNPs并且在 RDH8基因内部及其周围建立了连锁不平衡模型[37]。3.1.6 MYP6

目前已经确定的与轻中度近视相关的基因座只有一个:MYP6。 Stambolian等人从 2004年开始寻找与轻度/中度近视相关的易感基因[38]，他们认为这两种近视在中国和日本人群[39]以及北欧犹太人中十分常见，并且在犹太男性中表现出逐渐增强的易感性。作者对北欧犹太后裔的 44个大的美国家系的成员进行了研究，其中每个人都至少有 2个患有近视的同胞，进行睫状肌麻痹验光确定双眼度数至少为-1.00或更低的为近视.在一个标记物 D22S685中观察到最大的多位点参数不均一， lod值为 3.54.共有 4 cM的区域的 lod值超过了 3.0。非参数连锁分析得到一致的结果,P值为 0.002。连锁分析的结果也确定了这个遗传基因可能位于 22q12，因此推断这个基因应该与轻、中度近视相关。众所周知，近视由遗传和环境共同决定，在总结了上述 6个近视相关基因、对近视的遗传基础有了一定了解后，我们接着探讨究竟环境对视力有着什么样的影响。3.2 环境因素环境对视力的影响是比较明显的。用眼过度、阅读距离太近、错误的读写习惯、都将导致视力下降。原因是长时间的阅读或近距离操作精密仪器使眼体视物聚集的睫状肌（ ciliary muscle）处于痉挛状态，从而不能放松到原来位置。曾有人对两个生活在亚马逊河附近的不同种族进行了一个近视发生率的调查，发现在没有受到正规教育和处于乡村生活方式的人群中近视的发生率很低[40]。处于一个大量学习和阅读的环境中，近视的发生率就会相对提高。而且来自世界各地的数据都显示近视在学龄前很少出现，而在上学期间逐渐增加并会在学习紧张的大学期间达到高峰[41]。在本研究组的一项人类生物学调查中显示，北京城区的重点学校的学生中，近视率超过 90％；而在内蒙古的凉城县一所重点中学的学生中，近视率不到 10％。城乡的这种强烈反差表明除了学习因素以外，长时间使用电脑或看电视也是一个重要因素。如果考虑我国城乡人口生活水平的差异和患近视的比率，营养过剩的食物结构可能也是导致城市人口近视的一个不可忽略的因素。曾经有报道提到过在阿拉斯加的爱斯基摩人身上发生的一系列变化，即对于现在的爱斯基摩人来说，由于在儿童时期就开始接受必需的教育并且处在一个相对城市化的环境 ,近视的发生率有了明显的增加[42,43]。在其他相对独立的种群中作的类似的研究也得到了相同的结论[44,45]。形觉剥夺情况下导致的近视也是这种环境因素占主导地位的很好说明[16]。形觉剥夺的动物模型证明了近视是由于神经系统对于发育中的眼球产生了异常的影响而导致

的。该实验在视觉系统发育过程当中进行，人们将幼猴的眼睛缝住，发现幼猴的眼球发生了异常的眼轴延长，正如同近视的眼球所发生的改变。被缝住眼睛的猴子如果生活在有光环境中就会发生近视，而生活在黑暗环境中并不出现近视。同样的，在人类中发现，患有上睑下垂的以及单侧眼睑血管瘤的孩子关闭侧的眼睛都发生近视。携带角膜测量器的孩子倾向于发生近视，因为轻度的晶状体后纤维组织增生会导致视觉变形。对于人来说视网膜产生的生长因子以及大脑的刺激对近视的形成有作用[46,47]. 环境因素除了过度阅读，长时间近距离工作之外，营养因素也是目前考虑的一个范畴。维生素 C对于胶原纤维十分必要。虽然目前还没有确实的证据证明 VC与近视有关，但是维生素 E已经被证明是改善视力的重要成分[7]。3.3 环境和基因的共同作用从以上分析看出，近视是复杂的多因素共同作用的视力退行性变化。近视的形成是环境和基因共同作用的结果。代表性的研究都表明在近视和近距离的工作，学习，阅读之间存在正相关。也就是对于近视的形成来说，环境因素是相当重要的。但是处于相同的环境中的不同个体并不都发生近视，这就是基因作用的结果。不同的个体对于近视的易感性不相同，而目前对于人类的研究正试图在人类基因组中找到可能的标记，一些神经传递素，调节器和生长因子都已经在动物模型中被确认参与影响了近视发生，这都将有助于鉴定出相关基因。而对于高度近视而言，遗传因素的作用相对而言要更为显著，已经确定的 5个与高度近视相关的基因座更加肯定了遗传因素的作用。流行性研究也肯定了遗传因素与环境因素以及基因-环境相互作用对于近视发生的协同作用。因此我们得出的推论是：基因和环境都与近视相关[48]。4 近视与智力之间的关系曾有人对 17～18岁高中生进行了一个成绩评估，发现近视的学生要比视力正常的学生成绩好。由于有证据证明近视可以遗传，人们不禁推测近视基因除了影响眼睛之外是否对大脑也有影响。在都市中近视的高发率可以解释为进化的调节，近视个体在工业化的环境中更有生存优势[49]。无论是巧合还是必然，东方人和犹太人都是兼有高智商和高度近视。智商和大脑大小之间的相互关系、高智商和近视之间的关系、它们之间究竟有什么样的关联等等问题正在被研究人员密切关注[50]。近视和智力的相互关系可以追溯到一个既影响大脑也影响眼球大小的基因；反之，也不能排除另一种可能，高智商倾向来自于大量的读书和学习，从而导致近视[51]。还有一个佐证就是大部分老鼠的大脑包括大脑皮层是由母系的基因决定的，而这又与近视在女性多发不谋而合[52]。5 结语从群体遗传学和 Hardy-Weinberg平衡上评估近视的发生率、递增趋势以及我国城市和农村的强烈反差不难看出，大多数中国特征的中轻度近视更多的可能是由环境因素造成。不论我国的城乡人口分布和流动状态是否完全符合遗传平衡，上述的各种以及尚未发现的近视相关基因频率都不会在两三代人当中发生如此大的变化，如同肥胖病、高血压高血脂症、二型糖尿病以及老年痴呆，我们必须承认环境发生了巨大的和不稳定的变化。就环境因素而言，中国的城市人口抗生素的滥用在近几十年来达到了世界之最，有些抗生素对于其它感

官、比如听觉的影响已经有过比较深入的研究，而抗生素对于人类视力的影响也同样不可忽视。从上述的形觉剥夺研究结果和比较城市乡村的近视分布反差看，眼睛长期处在光亮的环境和黑暗的环境对于近视发生是有明显影响的。我们注意到乡村的学校里很少有高楼和白色反光的建筑物，教室内和屋顶大多不是白颜色的，学生们有很多机会能够通过远眺来调节视觉。而很多城市的学校也许是为了洁净肃穆将教学楼粉刷成白色，在昼间强光之下十分刺眼，几十年以来，白色已经成为中国人群装修房屋粉刷墙壁的首选流行颜色，反光刺眼的教科书以及各种出版物也是很多出版商追求的一种时髦。形觉剥夺研究在此为我们提供了非常有益的暗示，色觉对青少年视力的影响确实值得我们的生物学家认真关注。另外与农村学生完全不同的是，城市的学生们几乎没有或者很少有远眺和调节视觉的条件。我们的生物学家是否应该在研究环境对人类的影响的同时，更多关注光和颜色对人视觉和视力影响。人类的瞳距从小到大随着年龄发育通常在 45~65mm.范围，从眼肌疲劳角度上看，我们做一个简单的视觉模拟，观看位于不同距离的物体：当观看位于 20cm处的物体时角度 α在12.84°至 18.46°之间；而观看位于 5m乃至无限远的物体时，视轴会合角度 β从小于 1°到趋近于 0°。由此可见，观看 20cm和 500cm远的物体的角度变化相差极大，而观看 500cm以外的视角则变化极小。结论是，当物体与眼球的距离减少，视轴的会合角度增大，反之物体与眼球的距离增加，视轴会合角度变小。被视物体到了一定远的程度时，视轴角度的变化可以忽略不计。人的身体状态和精神状态一样，应当具有一个休息位置，从人类的生理活动来看，视觉的休息位置应该是远眺状态，类似于冥想状态。不论是科学研究还是个人体验都告诉我们视轴的角度越大，越容易造成眼肌疲劳，越容易导致近视。因此适当的进行远眺应该可以改善眼肌疲劳的状况，可能也不失为一种积极预防近视的方法。对于高度近视的家庭来说，如果确定在中国人群中高度近视的遗传规律中也是女性个体远多于男性个体的话，是否可以考虑在伴随有严重眼科并发症的高度近视家系的出生监测中进行男女比例的人为调节，从而尽可能地减少先天病理性高度近视个体的出生。当前世界上所有近视相关的研究都表明，中国是近视发生率最高的国家，本研究希望唤起有关部门和民众的重视，努力改善中小学生的用眼环境。尽管可能近视与智商成正比，我们应当考虑用降低或毁坏几代人的视力和身体素质来换取高智商是否值得。学校和教育部门也应该责无旁贷地积极行动，阻止我国青少年视力的退行性变化。我们注意到近年来国内的很多研究人员已经开始注意近视对于中国人群的影响[53～56]，虽然这些研究没有最终确认近视的遗传因素，但是这种努力还是十分值得肯定的。参考文献(References)： [1] Tan D T H. The future is near: focus on myopia. Singapore Med J, 2004, 45(10):451. [2] Angle J, Wissman DA. The epidemiology of myopia. Am J Epidemiol, 1980, 111:220-228. [3] HU Dan-Ning. Epidemiologic and genetic study of several primary genetic ophthalmic

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孟德尔的幸与不幸

方舟子

19世纪中叶，达尔文创建了进化论之后，已为生物科学的大厦立下了一个支柱，但是这

座大厦仍然摇摇欲坠。进化论的自然选择学说的大前提是假定同一物种的不同个体存在着可以遗传的变异。但对于遗传的机理，当时的科学界却一无所知。在 1872年，达尔文写道：“遗传的定理绝大部分依旧未知。没有人能够说明在同一物种的不同个体中的相同特性，或在不同物种中的相同特性，为什么有时候能够遗传，而有时候不能；为什么孩子能回复其祖父母甚至更遥远的祖先的某项特征。” 达尔文以及当时的科学界不知道的是，这些问题在 6年前已经被一个业余的生物学家解决了，生物科学大厦的另一个支柱早就立好了。他就是格里果 ·约翰·孟德尔（Gregor Johann Mendel）。1 考试不及格的代课教师1822年孟德尔出生在奥地利西里西亚（现属捷克）乡村一个贫穷的农民家庭。在当地刚刚开办的一个乡村小学里，孟德尔受了启蒙教育。年轻的孟德尔是一个非常聪明的学生，他的理想是成为一名教师。他以优异的成绩完成了中学教育后，进入了奥尔姆茨（Olmuts）的一所大学，然而家境的贫寒却迫使他无法在继续深造。他的一名物理教授曾经在布尔诺的一家修道院呆过，他向孟德尔建议不妨步其后尘。当一名修道士可以解决饭碗问题，而且当时的修道院有浓厚的学术气氛，许多修道士都是学者和老师，在那里也可以继续学习。1843年，在这位教授的推荐下，孟德尔成为布尔诺修道院的一名见习修道士。作为修道士，孟德尔的成绩乏善可陈。修道士要经常去医院安慰病人，但是孟德尔对别人的痛苦过分敏感，每一次探视病人对他来说都是一种折磨。修道院院长不得不为他另找了份工作，派他到当地的一所学校去当代课教师。他非常喜欢这项工作，也干得非常出色。他决定实现儿时的理想，去维也纳参加国家考试成为一名正式的教师。可惜，由于缺乏自然科学的知识，他没能通过考试。回到布尔诺，孟德尔继续当了 5年备受欢迎的教师，然后到维也纳大学进修自然科学，为下一次的考试做准备。他在这所当时欧洲最优秀的大学进修了两年，学习了数学、物理、化学、生理学、植物学，熟悉了各种实验设备和方法，打下了相当扎实的基础。进修完之后，他再次参加了教师考试，看起来一切都非常顺利。最后考的是植物学。孟德尔是农民的儿子，也非常喜欢植物学，他认为自己非常熟悉植物，对植物学教授的一些看法他有些不同意见。两人发生了争执，结果是考试植物学不及格。他的教师之梦破灭了。但是孟德尔坚持认为自己是正确的，而植物学教授是错误的。他要证明这一点。回到布尔诺后，他说服修道院院长在修道院的花园中划给他一块地方做植物的杂交实验。这块 200平方米的小小实验田，成为了遗传学的诞生地，作为遗传学的圣地至今仍被保留。2 数豌豆的修道士当时生物学的常规研究方法是先进行观察和实验，再分析结果，然后提出假说。但是孟德尔所受到的物理学教育却使他反其道而行之：他先设想了一个假说，然后用实验来证实或否证。他的假说是，生物性状的遗传是靠传递基本因子（也就是现在我们说的“基因”）来实现的，而性状的分布能够被相当精确地预测。他选择了豌豆杂交来验证这个假说。这是一个很

聪明的选择。在他之前，已有很多人做过杂交实验来研究遗传机理，但是他们选择的植物都存在极其复杂多样的性状，无法得出明显的结果。豌豆的不同品种有着一些非常显著的不同性状，有的高，有的矮；有的结黄色种子，有的结绿色种子；有的结饱满的豆荚，有的结有皱纹的豆荚等等。豌豆花的结构也使孟德尔能够仔细地控制受精。豌豆是雌雄同花，孟德尔如果想得到纯种，就让豌豆自花传粉。如果他想做杂交，可以把一朵花的雄蕊去掉以避免自花传粉，然后让雌蕊接受所选择的种株的花粉。从阅读的愉悦角度来看，孟德尔的试验是枯燥的，我们只简单说说孟德尔试验的轮廓和他得出的结果。孟德尔挑出了豌豆 7对明显的性状进行深入研究，在长达 8年的时间里，他一共研究了28000株豌豆，并最终总结出结果，现在我们称为之为“分离定律”和“独立分配定律”。孟德尔认为，生物的性状是由一对基因控制的，在产生配子时，这一对基因分离进入不同的配子，这就是孟德尔第一定律，也称为分离定律；控制两对（或两对以上）性状的基因是相互独立的，在配子中随机组合，这就是孟德尔第二定律，又称为独立分配定律。3 不幸的业余研究者 8年过去了，孟德尔觉得应该向世人公布他的发现。1865年，孟德尔向本地科研组织“布尔诺自然科学研究学会”的成员宣读了论文。结果令人失望，没有人提问或加以评论。他们不能明白生物和数学怎么可以扯到一块，他们也完全不能理解这位修道士浪费了 8年时间究竟在做些什么。第二年，孟德尔的论文按惯例登在了学会的学报上，并随着学报被送往欧洲 100多个大学和图书馆。但是有谁会去注意一个地方组织的学报呢？孟德尔自己是知道这个发现的重要性的，他在收到论文的单行本（共 40份）后，就分寄给世界各地著名的植物学家，试图引起科学界的注意。但是有哪一个植物学家会去理睬一位业余研究者的成果呢？在绝望中孟德尔给当时最著名的植物学家拿戈里(Karl von Nageli) 写了许多封信，希望能够引起这位大植物学家的重视。过了很久，他终于收到了拿戈里的回信。拿戈里告诉孟德尔，他的实验还仅仅是个开端，不能轻易得出结论。他建议孟德尔改用山柳菊（拿戈里喜欢采用的研究材料）重复这些实验。在敷衍了事地回了这封信后，拿戈里就把孟德尔置之脑后。差不多 20年后，他出了一本有关植物遗传的大部头学术著作，总结了他所知道的有关植物遗传的所有实验，唯独没有一个字提到孟德尔。孟德尔收到回信后非常认真地采纳了拿戈里的建议，然而这是一个糟得不能再糟的建议。山柳菊完全不适合于做杂交实验。它与豌豆不同，不具有明显的可追踪的性状，存在着无数的变异。它有时候行有性繁殖，有时候则行无性繁殖（当时无人知道这一点）。而且，它的花非常小，如果想要去掉雄蕊避免自花传粉，极容易使整朵花受到损伤，或者雄蕊的花粉会不可避免地掉到了雌蕊上。孟德尔花了几年时间用于研究山柳菊，一无所获，不得不放弃。 1868年，孟德尔被选为修道院院长，从此他把精力逐渐转移到修道院工作上，最终完全放弃了科学研究。这一年他才 46岁，当修道院院长显得还太年轻了。在当时，修道院院长死后，政府就会派人来查账并课以重税。正是由于这个原因，修道院倾向于选举较年轻的修道士当院长。1874年，奥地利政府颁布了一项严苛的税法。孟德尔认为新税法不公平，拒绝交税，花了大笔的钱与政府打一场旷日持久的官司。其它修道院的院长纷纷被政府收买屈服，只有孟德尔坚拒政府的威胁利诱，决心抵抗到底。结果可想而知。法庭判决孟德尔败诉，修道院的资金被没收了。修道院的修道士们也背弃了孟德尔，向政府妥协。孟德尔的身心完全垮了，在孤独地对抗政府十年之后，于 1884年去世。

4 身后的幸运前面说到，孟德尔的论文随着《布尔诺自然科学研究学会学报》被送往 100多个大学和图书馆，在那里与灰尘为伍，无人理睬。现在我们查阅相关的科学文献用的是计算机检索，而在从前，则主要靠文献目录。1881年，德国学者编了一本植物学杂交论文的目录，力求无所不包，孟德尔的论文也因此很幸运地被列了进去，并最终导致了在 1900年被三位生物学家同时发现。这其中，最重要的一位是荷兰生物学家德弗里斯。1877年，他曾经到英国拜访达尔文，与老人有过一次长谈。这一次的朝圣使他专心致志于解决当时进化论所面临的最大的问题：遗传机理。像孟德尔一样，他以植物为研究材料，不过他用的是月见草。他种了 20年超过 5万株的月见草，从中发现了新种。他认为这些新种是由于“突变”导致的，并认为突变是产生变异的原因。我们现在已知道，他所发现的这些新种并不是基因突变，而是染色体畸变所致，不过他仍然被视为发现基因突变的第一人。在认为自己已发现了变异产生的原因之后，他转往研究性状的传递问题。到了 1900年，他认为自己发现了遗传定律，写成论文，一式两份，分寄法兰西科学院和德国植物学学会。法语版的论文先登了出来，德国植物学家柯灵斯(Karl Erich Correns)读了以后，发觉实际上就是孟德尔所发现的定律，就给德弗里斯寄去了一份孟德尔的论文。德弗里斯赶在德语版论文出来之前，匆匆忙忙在论文中加注了孟德尔的论文，但是声明“在实验就要全部完成并已得出结论后，我才读到了孟德尔的论文”。我们现在知道，至少在一年前，很可能是两三年前，德弗里斯就已经读到了孟德尔的论文。在那以前的论文中，德弗里斯把遗传机制设想得过于复杂，因此得到的实验结果总是不对头，只有在读了孟德尔的论文后，他的实验结果才出现了那个神奇的３：１。柯灵斯也在做植物杂交的实验，在德弗里斯之后也赶紧发表了实验结果。当然，在论文中他提到了孟德尔，但是像德弗里斯一样，也声明是在自己独立地发现了遗传定律之后才读到孟德尔的论文的。柯灵斯是拿戈理的学生，也许很早就从老师那里得知了孟德尔的工作。如果不是柯灵斯的揭发，弗德里斯不会提到孟德尔，但是如果柯灵斯抢在弗德里斯之前，他大概也不会提到孟德尔。但他们没有想到的是，在澳大利亚有一位植物学家丘歇马克(Erich Tschermak) 也在做类似的实验，并在几星期后发表了论文。这时候孟德尔的名字已经传开来，丘歇马克在论文中引用了孟德尔，但是同样声称自己先独立地发现了遗传定律，然后才去验证孟德尔的实验。很可能，在德国那本文献目录出来后不久，这三个人就都读到了孟德尔的论文。不管他们承不承认，不管他们发表论文的动机如何，这三位著名的生物学家在一年之内同时发表论文宣扬孟德尔，使孟德尔定律很快得到了生物学界的重视。生物学界掀起了验证孟德尔定律的热潮。随着研究的深入和拓广，孟德尔定律的的正确性被一一验证的同时，局限性也被一一发现。孟德尔第一定律是普适的，但是第二定律却有很大的局限性。只有当两对（或两对以上）基因是位于不同的染色体（或在同一对染色体上距离很远）时，它们才独立地进入配子。如果这两对基因是位于同一对染色体上，它们就会连结在一起进入配子。我们知道了生物遗传的复杂性之后，再回头来看孟德尔的实验，就会明白孟德尔是多么的幸运！他研究的豌豆的那 7对性状，每一对刚好都由一对基因控制，刚好都有显隐性现

象，而且刚好都在不同的染色体上（或在同一对染色体上距离很远）。如果他不是这么运气，如果他碰上的是更常见的复杂的遗传，他就会对实验的结果百思不解，很难说还能不能发现遗传定律。而如果没有这些简单化的定律为起点，我们也不能进一步了解更复杂的遗传现象。

禽类蛋壳颜色及其基因的遗传研究进展

袁青妍，卢立志（浙江省农业科学院畜牧兽医所，杭州，310021）摘要：介绍了禽类蛋壳颜色的种类、色素组成及其合成，它的可遗传性、遗传力大小、遗传模式，控制蛋壳颜色的基因数量及其相互之间的显隐性关系。关键词：禽类；蛋壳颜色；色素组成；色素合成 The genetic proceedings of avian eggshell color and its gene

YUAN Qing-Yan, LU Li-Zhi (Institute of Animal Husbandry and Veterinary Science, Zhejiang Academy of Agricultural Science, Hangzhou, 310021, China)

Abstract: This review mainly introduces the category of eggshell color, its pigment composition, its pigment synthesis, its inheritance and heritabilities, its genetic model, the number of gene controlling this trait and the dominant-recessive relationship between genes. Key words: avian, eggshell color, pigment composition, pigment synthesis

1　　禽类的蛋壳颜色及其色素组成

禽类蛋壳颜色有 3种：绿壳、褐壳、白壳。蛋壳颜色的色素组成有 3种：原卟啉－IX、胆绿素－IX、胆绿素的锌螯合物(Poole , 1965; Kennedy 和 Vevers, 1976; Ito等,1993 )。原卟啉－IX形成黄色、粉红色、淡黄色或褐色，而胆绿素及其锌螯合物将引起蓝色和绿色。这 3种色素按不同比例，就可以形成从紫蓝色到橄榄绿的不同颜色。 Poole (1965)研究报道，野生型的鹌鹑蛋壳含有原卟啉及胆绿素两种色素成份，而突变型的白色蛋壳只含有原卟啉一种色素成份。Kennedy 和 Vevers（1976）对 108种禽类的蛋壳颜色及色素含量进行了研究，结果发现原卟啉、胆绿素及其锌螯合物是主要的色素成份。Ito等（1993）对一种突变型的呈青瓷色的鹌鹑蛋壳进行了色素测定，发现含有原卟啉及胆绿素两种色素成份，但原卟啉的含量比野生型的低许多[1]。Mikšík等（1996）对禽类的蛋壳色素含量采用高效液相色谱法进行了测定，除了已知的两种色素成份原卟啉、胆绿素外，还发

现了另外一种新的色素成份，即原卟啉 IX的锌螯合物[2]。2　　禽类蛋壳色素的合成 Polin（1957）研究发现，在体外，将匀浆的褐壳蛋鸡和白壳蛋鸡的肝组织块及子宫 (即壳腺部) 组织块分别与 δ-氨基 γ-酮基戊酸（δ-ALA）在 41℃进行孵育 24小时，可合成卟啉，且子宫合成的量是肝的 2倍，而它们的胸肌组织块在体外只能合成痕量的卟啉。子宫组织块在体外主要合成尿卟啉类型，其中，尿卟啉占 91.4%，粪卟啉占 0.5%，而原卟啉占 9.7%。而从完整的子宫及蛋壳中提取的却主要是原卟啉类型，其中，97.1%为原卟啉，2.9%为粪卟啉。同时白色蛋壳的卵卟啉含量比褐壳的少许多，但产这两种颜色蛋的鸡其子宫在体外却合成同样多的卟啉。作者认为，既然禽类红细胞在体内及体外均可以用 ALA合成原卟啉，那么，禽类可能是通过红细胞合成蛋壳中的卟啉的。Baird等（1975）研究发现，当蛋壳形成时，壳腺细胞内充满线粒体且其 PH值发生变化。同时，含蛋时的峡部和壳腺部的卟啉含量为不含蛋时的 3倍。作者认为，当蛋壳形成时，色素最可能的来源是血液，因为血液具有合成卟啉的能力。且此时流经壳腺部的血流量增加，因而血液内的卟啉很容易地通过表面上皮细胞运到蛋壳中。壳腺部 PH值在蛋壳形成时的变化是色素沉积过程中的一个重要影响因子。色素在 PH值低时就处于溶解状态，而当蛋壳形成结束时，PH值又发生变化。在这个阶段，局部的 PH变化将使许多品种蛋壳色素分布的不均匀。 Lucotte等（1975）研究家养的鹌鹑时，发现在体外，用 δ-ALA及不含蛋子宫的抽提液可合成卟啉。其中，尿卟啉占 62%，粪卟啉占 27%，原卟啉占 11%。当用含白壳蛋子宫的抽提液和 δ-ALA时，可在体外合成相同数量的卟啉，但色素组份的比例不同。作者认为蛋形成周期中，参与色素合成的酶的活性的差异是导致这两种情况下，色素含量存在差异的原因。Zhao等[3]（2006）采用紫外分光光度法及高效液相色谱法测定了绿壳蛋鸡和淡褐壳蛋鸡血液、胆汁、排泄物、壳腺部、蛋壳中的胆绿素含量，结果血液、胆汁、排泄物中的胆绿素含量在这两种鸡中差异不显著，而蛋壳和壳腺部的胆绿素含量却差异极其显著（P<0.01），并认为胆绿素极可能在壳腺部合成，然后沉积在鸡的蛋壳中。3　蛋壳颜色性状的可遗传性及其遗传力的大小 Yamamoto和 Tomita（1992）的研究结果表明蛋壳颜色是可遗传的[4]。他们将用 γ标记的来自于褐壳蛋鸡的精子输给产白壳蛋的白来航鸡，同时其中有部分的白来航鸡 24小时后又输进去一次没有标记的来自于白来航鸡的精子。结果前者没有受精蛋产生，而后者有，并且 3.8%的后代产下了褐壳蛋。这些被传递的颜色基因可以在随后的至少 4代中稳定传递，并可以通过选择性交配来达到从一代到另一代的整合。Hocking等（2003）的研究结果也表明蛋壳颜色是可遗传的。他们的研究表明，蛋壳颜色与品种或品系相关，占总表型变异的80%以上。这提示蛋壳颜色不仅是可遗传的，而且遗传力较高[5]。Francesch等[6]（1997）采用约束最大似然法研究三个品种蛋鸡 Penedesenca Negra, Prat Lleonada及 Empordanesa Roja在 39周龄时的蛋数、蛋重及蛋壳颜色的遗传力时，发现蛋壳颜色在这三个品种中的遗传估计值分别为 0.49、0.53、0.27。Zhang等（2005）也采用约束最大似然法研究产褐壳蛋的矮脚鸡其蛋的质量性状的遗传力及遗传相关和表型相关时，发现蛋壳颜色的遗传力为 0.46，同时蛋壳颜色与外在及内在的蛋的质量性状的相关性比较低，相关系数介于-0.23到 0.13之间[7]。4　决定蛋壳颜色基因的数量多少及其显隐性关系

蛋壳颜色的遗传力虽然较高，但其表现度却很大，如同为褐壳蛋，却表现出从棕色到浅褐色之间的不同颜色。那么蛋壳颜色是由一个基因还是由多个基因控制的呢？ Hurst (1905)、 Punnett 和 Bailey (1920)、 Benjamin (1920)、 Kopec (1926)、 Hays (1937)、 Hall (1944)、Farnsworth和 Nordskog (1955)的研究结果表明蛋壳色素的形成是由许多基因遗传决定的，且每一个基因只起很小的作用。Punnett和 Bailey (1920) 揭示了 F2代和回交后代蛋壳颜色的分布规律后，进一步发展了上述观点。提出蛋壳的色素合成是由一个主效基因及几个微效基因控制的。Hutt (1949)提出，只要决定蛋壳颜色的许多基因中的一个发生突变，将会引起白壳蛋鸡产有颜色的蛋。Gowe等（1965）对褐壳蛋鸡的研究结果支持上述蛋壳颜色是由多个基因决定的观点。而对于绿壳蛋鸡，却发现蛋壳颜色是由一个基因决定的。如，Punnett 等（1933）认为鸡的绿壳性状是由 1 号染色体上的一个呈显性的绿壳基因（Oocyan, O）作用的结果。赖垣忠和张松踪（1991）分析了蛋用鸭各种交配方式子代壳色的变异状况后，认为鸭蛋壳色是受一对等位基因控制，白色蛋壳对绿色蛋壳而言，白色为隐性，绿色为显性[8]。 Benjamin (1920)认为蛋壳颜色的遗传呈不完全显性。Axelsson (1932)研究发现白壳及深褐壳对淡褐壳呈显性。Blow等（1950）、Farnsworth和 Nordskog (1955)、Hunton (1962)在发现母系蛋壳颜色的变异组份比父系的大后，认为决定蛋壳颜色的基因呈显性。Redman和Shoffner (1961)研究了父系及母系蛋壳颜色的协相关性后，也认为决定蛋壳颜色的基因呈显性。Punnett和 Bailey（1920）的研究发现，决定蛋壳颜色的基因之间存在上位效应，并认为蛋壳颜色的一个抑制子可能与黑色羽毛相关。Henderson (1957)在研究褐壳蛋系与白壳蛋系杂交后代蛋壳颜色的分布规律时，发现白壳对褐壳呈上位及显性效应。Wei等（1992）用产白壳蛋的白来航鸡与安科纳鸡进行实验研究时，发现了两个主要的常染色体位点控制蛋壳颜色。其中一个基因呈不完全显性，控制色素沉积的量。另一个基因当其隐性纯合时就能完全抑制色素沉积[9]。Ito等（1993）在日本鹌鹑中发现了一个突变的决定蛋壳呈青瓷色的基因（ce），它呈常染色体隐性遗传，对另一个突变的决定白壳的基因（we）呈下位遗传。5　蛋壳颜色的遗传模式 Kopec (1926)和 Hall（1944）认为蛋壳颜色是性连锁遗传的。他们研究发现，正反交时，蛋壳颜色存在差异，父系的影响比母系的大。Shoffner (1961)的研究结果与他们的一致。Axelsson（1932）认为有许多性连锁的基因控制蛋壳颜色。Henderson (1957)及 Polkinghorne (1983)的正反交试验却不能证实性连锁的存在。Lucotte (1975)研究发现，家养鹌鹑的蛋壳颜色是以多基因形式遗传的，并且为雌性性连锁遗传。而 Ito等（1993）对日本鹌鹑的研究表明，绿壳基因呈常染色体遗传。Punnett等（1933）及赖垣忠和张松踪（1991）的研究表明，鸡及鸭的绿壳基因也呈常染色体遗传。6　蛋壳颜色基因的定位 Bartlett等（1996）将鸡的绿壳基因（O）定位在 1号染色体短臂上，它与内源病毒因子（ev1）及豆冠位点（P）连锁。它们在染色体上的排列顺序为 P－ev1－O。它们之间的遗传距离分别为 4.1cM（P与 O之间）、1.8cM（ev1与 O之间）[10]。Bitgood等（2000）的试验进一步验证了 Bartlett等的结论。他们的试验表明，鸡的绿壳基因（O）、豆冠位点（P）及迟发性换羽位点（T）连锁，并分布在 1号染色体短臂上[11]。Sasaki等（2004）通过将产白壳的来航蛋鸡与产褐壳的洛岛红蛋鸡杂交来研究影响体重、蛋品质及产蛋量的QTL遗传图谱

时，发现了两个影响蛋壳颜色的 QTL，其中一个 QTL位于 11号染色体的微卫星标记 LEI0072与 LEI0214之间，占表型变异的 19%。另一个 QTL位于 6号染色体的微卫星标记 LEI0192附近，占表型变异的 6%。其中，蛋壳中的色素测定是采用 L*a*b*系统[12]。杨宁等（2003）筛选出两个与鸡的绿壳性状相关的微卫星标记。其中一个微卫星位点的 BB型与另一个微卫星位点的 CC型可以作为对纯合显性绿壳基因进行标记辅助选择的组合基因型[13]。7　展望关于禽类蛋壳颜色基因，目前也只有鸡的绿壳基因被初步定位，至于其基因序列尚未见有关报道，这将使进一步研究其控制蛋壳颜色的遗传机理变得困难重重。从以上文献可知合成蛋壳色素的部位极可能在壳腺部，在此情况下，可从胆色素合成的关键酶入手来寻找决定蛋壳颜色的基因。若找到基因，可从结构和功能上进一步揭示蛋壳颜色基因控制色素沉积的机理，并以标记辅助选择的形式运用到常规的品种选育种中。 Hudon（1994）认为满意的颜色可以通过改变控制颜色的等位基因来实现。同时克隆控制色素沉积的基因可以破解动物色素沉积的奥秘，并通过对其进行修饰来达到满足特殊的色素需要[14]。这将是我们的最终目标。参考文献（Rreference）： [1] Ito S, Tsudzuki M, Komort M, Mizutani M. Celadon: an eggshell color mutation in Japanese

quail. Journal of Heredity, 1993, 84 (2): 145～147 [2] Mikšík I, HolanV, Deyl Z. Avian eggshell pigments and their variability. Comp. Biochem.

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1994, 12 (1): 49～69

代谢组学技术及其在临床研究中的应用

李灏, 姜颖, 贺福初蛋白质组学国家重点实验室, 北京蛋白质组研究中心, 北京放射医学研究所, 北京 102206

摘要：在后基因组时代，系统生物学研究成为人们关注的焦点。转录组学、蛋白质组学等功能基因组学研究方法可同时检测药物或其它因素影响下大量基因或蛋白质的表达变化情况，但这些变化不能与生物学功能的变化建立直接联系。代谢组学方法则可为代谢物含量变化与生物表型变化建立直接相关性。代谢组学研究的目的是定量分析一个生物系统内所有代谢物的含量，进行全面代谢物分析需要分析化学技术的支撑，核磁共振和基于质谱的分析技术是代谢组学研究的两种主要技术手段。代谢组学研究可产生大量数据信息，对这些数据进行分析离不开化学统计学的应用，比如主成分分析、多维缩放、各种聚类分析技术以及功能差异分析等。本文综述了近年来代谢组学分析技术及数据分析技术的研究进展，在此基础上，对代谢组学在临床研究及临床前研究中的应用研究进展进行了综述。对疾病代谢表型图谱的研究有助于人们了解疾病发生、发展以及致死的机制；在临床条件下，这些代谢图谱可以作为疾病诊断、预后以及治疗的评判标准。代谢物组成的变化是毒物胁迫对机体造成的最终影响，利用代谢组技术可以直接反映毒物对机体的影响。质谱技术、NMR技术的应用使得药物筛选过程可以快速完成，并有助于实现个性化用药。此外，利用代谢组技术还可以进行已知酶的新活性研究，也可以研究未知酶。关键词：代谢组学; 核磁共振; 质谱; 化学统计学; 临床应用; 临床前应用Metabonomics approaches and its roles in clinical researchLI Hao, JIANG Ying, HE Fu-ChuState Key Laboratory of Proteomics, Beijing Proteome Research Center, Beijing Institute of Radiation Medicine, Beijing 102206, China

Abstract: In the post-genome era, systems biology research is a main focus. Functional genomics such as transcri-tomics and proteomics can simultaneous determine massive gene or protein expression changes between subjects, or following drug treatment or other intervention. However, these methods do not provide direct information about how a change in mRNA or protein is coupled to a change in biological function. As a result, metabonomics and its many pseudonyms (metabolomics, metabolic profiling, etc.) have exploded onto the scientific scene in the past several years. Metabonomics is a rapidly growing area of scientific research and is a systems approach for comprehensive and quantitative analyzing of all the metabolites in a biological matrix. Comprehensive metabonomics investigations are primarily a challenge for analytical chemistry. Fundamentally, there are two types of metabonomics approaches: mass-spectrometry (MS) based and nuclear magnetic resonance (NMR) methodologies. Metabonomics measurements provide a wealth of information and interpretation of these data relies mainly on chemometrics approaches to large-scale data analysis and data visualization, such as principal and independent component analysis, multidimensional scaling, a variety of clustering techniques, and discriminant function analysis, among many others. In this review, the background to the approach known as metabonomics is provided, summarizing the analytical and statistical techniques used. Some of the major applications of metabonomics relevant to clinical and preclinical study are then reviewed. The applications of metabonomics in study of liver diseases, cancers and other diseases have proved useful both as an experimental tool for pathogenesis mechanism research and ultimately as a tool for diagnosis and monitoring treatment response of these diseases. Next, the applications of metabonomics in preclinical toxicology, in which this technology is having and will continue to have significant impact, are discussed, then the role that metabonomics might have in pharmaceutical research & development is explained with special reference to the aims and achievements of the Consortium for Metabonomic Toxicology (COMET), and the concept of pharmacometabonomics as a way of predicting an individual’s response to treatment is highlighted. Finally, the role of metabonomics in elucidation the function of the unknown and the novel enzyme is mentioned. Key words: metabonomics; nuclear magnetic resonance (NMR); mass-spectrometry (MS); chemometrics; clinical applications; preclinical applications

《遗传》2008年第 4期即将发表。在后基因组时代，系统生物学研究逐渐成为人们关注的焦点。系统生物学研究的目的是根据细胞内基因、蛋白质、代谢物以及细胞器等组分间的时空相互关系构建生物网络了解生物行为[1,2]。一些组学研究技术的发展极大推动了系统生物学的研究，比如转录组学、蛋白质组学等功能基因组学研究方法可同时检测药物、疾病、环境或其它因素影响下大量基因或蛋白质的表达变化情况，但这些变化不能与生物学功能的变化建立直接联系。代谢组学方法则可为代谢物含量变化与生物表型变化建立直接相关性[3]。实际上，代谢组学的出现甚至早于转录组、蛋白质组等其它组学，早在利用核磁共振（nuclear magnetic resonance , NMR）对体液中的多种代谢物进行研究，并利用多变量统计学方法对产生的复杂数据进行分析时，代谢组学（metabonomics）的概念就产生了[4]。与此同时，主要源于植物组织和动物体外的类似研究导致了另一代谢组学（metabolomics）概念的产生[5]，用于两种概念的研究方法大体一致。

代谢组（metabolome）是指一个细胞、组织或器官中所有代谢物的集合，包含一系列不同化学型的分子，比如肽、碳水化合物、脂类、核酸以及异源物质的催化产物等[5,6]。代谢组学来源于代谢组一词，是研究一个细胞、组织或器官中所有小分子代谢组分集合的科学。代谢组学研究的目的是定量分析一个生物系统内所有代谢物的含量。代谢组学分析可以指示细胞、组织或器官的生化状态，协助阐释新基因或未知功能基因的功能[7~9]，并且可以揭示生物各代谢网络间的关联性，帮助人们更系统地认识生物体[7]。近年来，代谢组学研究越来越得到人们重视。进行代谢组学研究涉及生命科学、分析科学以及化学统计学三大方面的专业知识，代谢物化学分析技术及数据分析技术的进步极大促进了诸多生物、医学问题的研究，这些知识的综合运用使得代谢组研究在疾病诊断、药理研究以及临床前毒理等研究中发挥了极为重要的作用[3,10~12]。本文综述了近年来代谢组学分析技术及数据分析技术的研究进展，在此基础上，对代谢组学在临床研究及临床前研究中的应用研究进展进行了综述。1 代谢组分析实验设计及样品制备在进行代谢组分析前，研究者首先应明确自己的研究目的。代谢组学技术对于研究变化或遗传修饰引起的所有代谢物变化过程是很有效的，比如寻找疾病生物标志物用于早一种大规模研究，对于研究机体对外源性物质（药物或毒物）刺激、环境期诊断。但对于研究特定种类的代谢物，这种大规模研究平台的灵敏度则不如传统的技术手段，比如通过固相萃取浓缩目的代谢物进行研究。明确研究目标后，研究人员进入实验设计步骤。为最大程度的保证数据数据准确性以及数据信息的丰富性，研究人员应尽量采用统计实验设计方法（statistical experiment design, SED），这能通过最少的实验次数获得最大量的数据信息。比如 Antti等[13]利用 SED设计了肼的剂量以及作用时间毒性效应实验，通过 NMR及偏最小二乘法（partial least squares, PLS）分别揭示了剂量、作用时间对毒性的影响以及二者的关联。进行实验设计后，研究者即可开始进行代谢组分析，首先需要进行样品的提取。对于组织和细胞培养液，水相和有机相代谢物可以很容易地被提取。实际上，不论各种代谢物在体内参与何种代谢过程，通过酸和无机溶液抽提程序，所有的胞浆以及膜代谢物均会被提取出来[14]。Dumas等[15]评估了利用 1H-NMR采集人尿液代谢组数据的重复性，由于样品制备过程的不一致性导致结果重复性较差。因此，为最大程度减小操作对代谢组数据产出的影响，人们应严格遵循一套标准的提取程序（Standard Operating Protocols, SOPs）。由于高氨酸可迅速灭活代谢活性，并可通过钾沉淀去除，曾被用于提取脑代谢物。但酸提取增加了样品的盐离子浓度，而且高氨酸会氧化提取的代谢物。目前常用的一种替代方法是利用水和乙腈混合液提取水相，但这种混合溶液也存在灭活代谢活性速度较慢的问题。2 代谢组学研究分析技术与相对成熟的转录组、蛋白质组研究类似，新生的代谢组学领域研究目标在于对细胞、组织以及体液进行整体性分析[7]。将小分子代谢物图谱与转录本、蛋白质表达图谱进行整合，研究者希望辨别与疾病等相关的特异性代谢物和代谢途径。在进行代谢组整体分析时，研究者在许多方面面临一系列问题，这些问题超过了进行转录组和蛋白质组研究所面临的困难。比如，代谢物与遗传密码之间没有直接联系，代谢物是细胞或组织中许多酶反应网络的催化产物。类似地，代谢物不是性状清楚的单体的线性多聚体，而是具有不同化学和物理特性的结构多样的分子组合。基于上述特点，代谢组研究需要比较复杂的分离、鉴定方法，

到目前为止，应用的方法主要包括核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）[16]、电喷雾电离质谱（electrosprary ionization mass spectrometry, ESI-MS）[17]、液相色谱-紫外光谱-质谱联用（ liquid chromatography ultraviolet mass spectrometry, LC-UV-MS）[18]、串联质谱（ tandem mass spectrometry, tandem MS ） [19] 以及液相色谱 - 质谱联用（ liquid chromatography mass spectrometry, LC-MS）[20~22]等。NMR可以快速、无损伤性地进行代谢物的体内（in vivo）[23]或体外（in vitro）[24]比较分析。采用何种分析技术主要取决于待分析生物系统的种类以及解决何种科学问题[12]。直接应用MS进行代谢物分析虽然速度也较快[17]，但具有灵敏度以及分辨率较低的缺点。将 MS与气相色谱（gas chromatography, GC）或 LC联用（GC-MS或 LC-MS），虽然降低了分析速度，但却提高了分析灵敏度以及分辨率。而且基于质谱的分析技术已长期用于代谢物指纹图谱分析，具有比较成熟的样品制备、数据采集以及分析等操作程序[7]。近来，两种新质谱技术傅立叶变换回旋共振质谱(Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry, FTICR-MS)和毛细管电泳质谱（capillary electrophoresis mass spectrometry, CE-MS）被用于代谢物图谱分析。FTICR-MS具有高通量的优点，可检测上千种代谢物[25]，但不能区分异构体限制了它的应用；CE-MS检测灵敏度较高，可以检测低丰度代谢物，Soga等[26]利用 CE-MS在枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）中检测到一千多种代谢物。NMR的灵敏度以及分辨率较低，无法检测复杂样品中丰度较低的代谢物，但是利用 NMR可以确定代谢物的结构[27]，并且具有无损伤性检测的优点，使得 NMR在哺乳动物代谢物检测中优于质谱技术，其中最具代表性的工作是Nicholson研究小组[28]利用 NMR通过研究人血清代谢物评估冠状心脏疾病（coronary heart disease）。利用 1H NMR可以从组织或细胞中获得高通量的代谢组数据，然而并不能获得全部代谢物的信息，部分代谢物信息会损失掉[29]。近年来，研究者对 NMR技术做了许多改进，比如利用低温降低仪器的热噪音，提高样品信号对噪音的比值[4,30]；利用双向核磁共振（two-dimensional NMR, 2-D NMR）提高样品信号识别效率[4]。此外，利用魔角旋转核磁共振（1H magic-angle spinning nuclear magnetic resonance, 1H MAS NMR）可以克服 1H NMR的缺点，从组织获得较全面的高通量代谢物信息[31]。值得注意的是，尽管代谢组学研究的最终目标是无偏性的检测细胞、组织或器官中的全部代谢物，但目前所有的分析技术距离这一目标都还很遥远[32]。3 数据采集与分析

3.1 数据采集与转录组、蛋白质组研究一样，代谢物可以通过与对照样品的比值进行相对定量，但这种定量方法不能进行不同样品间量的比较。通过添加标准参照物以及对代谢物进行同位素标记，可以获得绝对定量的代谢组数据集[7]。此外，数据采集的重复性以及采用何种数据处理方法对代谢组分析结果的影响很大[33]。不同样品的同一个变量应具有相同的特征与含义，因此 NMR产生的峰漂移的差异会影响数据的分析[12]。人们采用不同的方法解决这个问题，比如，应用 1H-NMR分析体液代谢物化学位移的可变性促进了峰存储、排列方法的发展。一个常用的方法是将光谱区域内的信号进行整合存储，或者对峰进行自动识别排列。Stoyanova等[34]利用 PCA消除了位置噪音，Forshed等[35]应用基因算法确定错误排列的 NMR光谱。

3.2 数据分析一旦获得代谢组的定量数据集，可以采用已在转录组、蛋白质组分析中得到应用的多种数据分析策略进行代谢组数据分析[32]，这些分析策略的基本原则是比较实验组与对照组之间代谢物水平差异，并利用统计方法评估这些差异的显著性。利用这些分析方法即可以研究某些代谢物在不同样品间的表达相关性[36]，并利用这些相关性构建相互关系网络[37]；也可以对整体代谢物进行分组研究。代谢组数据的分析离不开化学统计学的应用。广义上，化学统计学是一种应用数学和统计方法进行化学研究的方法[38]，在利用 NMR和MS进行的代谢组学研究中，化学统计学是指利用数学或统计工具进行光谱处理、峰比对、异常值检测以及数据均一化等[39]。基于预测方法的多变量分析是分析代谢组研究产出的复杂数据的一种有效方法，其中主成分分析（principal-component analysis, PCA）是一种将原始特征压缩至最小可能性成分数的维数缩减方法，即用较少的综合性变量代替原来众多的相关性变量，使有关的研究简化[4,10,12,40]。PCA已成为代谢组研究中最常规的分析方法，在这方面有许多应用实例，比如Akira等[41]利用 PCA研究高血压引起的大鼠尿液代谢物变化。PCA可以对代谢组数据进行总体分析，进而区别实验组与对照组，也可以进行代谢物聚类、检测异常的代谢物。然而，较为简单的 PCA分析有时并不能得到令人满意的结果，因此需要开发一些更为复杂的较高级的数据分析方法。其中，一种已被应用的监督方法是偏最小二乘法（partial least squares, PLS），比如Wang等[42]利用 LC-MS和 PLS不仅可区分开 II型糖尿病与对照组，还鉴定到一些潜在的诊断生物标志物。PLS方法中描述性的数据矩阵 X（比如光谱测量值、微阵列芯片信号强度）可以被响应数据矩阵 Y（比如毒性测量值、样品重复信息）所提供的信息识别[4,12]。然而，数据矩阵 X中与数据矩阵 Y不相关的系统变量可影响 PLS分析模型，这将使得矩阵 X、Y中的某些正相关被忽略。正交偏最小二乘法方法（orthogonal-PLS, OPLS）是一种新近发展起来的将正交信号校正方法（orthogonal signal correction, OSC）与 PLS进行结合对 PLS进行修正的分析方法。OSC最早是一种用于分析光谱数据的方法，它的原理就是与一个给定的问题正交（不相关）的结构性变异可以被鉴定、研究，进而被舍弃。 OPLS是一种类似于 PLS的多变量预测监督方法，但其整合了 OSC作为滤噪技术对 PLS方法进行了改进[43]。根据数据矩阵 Y的差异，OPLS将数据矩阵 X的差异分为两个部分，第一部分代表与 Y相关的差异，第二部分代表与 Y不相关（正交垂直）的差异，OPLS可将这两部分差异进行区分。OPLS是 PLS的一种扩展并与 PLS具有相同的分析目标，而且 OPLS可直接与建模结合，近年来 OPLS也得到了一些应用，比如 Stella等[44]利用 OPLS对低肉饮食与蔬菜饮食对代谢造成的影响进行了鉴定。O2PLS是一种泛化的 OPLS，可在两个数据矩阵中进行双向建模和预测。此外，独立成分分析（independent component analysis）[45]、正则相关系数（canonical correlation）、对比分析（correspondence analysis）、神经网络（neural networks）、贝叶斯模型（Bayesian modeling）以及隐含马尔可夫模型（hidden Markov models）等也是代谢组分析中常用到的模型分析方法。这些方法都是建立于代谢物间互相依赖的基础上的，例如以协变量或相互关系矩阵形式呈现的代谢物浓度间的关系[9]。实际上，代谢组学数据分析的一个显著特征是当重复进行测定时，一小批意义重大的代谢物浓度高度相关[46]，代谢物浓度之间的这种相互依赖关系并不存在于转录本与蛋白质之间[47]）。4 代谢组学的应用进行代谢组学研究涉及生命科学、分析科学以及化学统计学三方面的专业知识，这些知识

的综合运用促进了诸多生物、医学问题的研究，使得代谢组研究在疾病诊断、药理研究以及临床前毒理等研究中发挥了极为重要的作用[3,10~12]。4.1 代谢组学在肝病研究中的应用代谢组研究的一个重要部分是比较分析健康状态与疾病状态下小分子代谢物表达的差异，这有助于人们寻找各种疾病早期诊断的生物标志物，并可用于疾病预后及治疗效果的评判[6]。肝脏是机体内负责能量合成和物质代谢的中心器官，各种肝脏疾病严重威胁人类健康，对肝病进行研究很有必要，代谢组技术为肝病的诊断、机制研究等提供了一个比较好的技术平台。 Yang 等 [48]利用 LC-MS 和偏最小二乘法差异分析法（ partial least squares discriminant analysis, PLS-DA）鉴定到 5个慢性乙型肝炎引发的急性肝衰的诊断标志物，其中羟鹅脱氧胆酸（glycochenodeoxycholic acid, GCDCA）是传统标志物，而另外 4个则是新鉴定到的诊断标志物。醋氨酚（acetaminophen, AAP）是一种广泛应用的止痛剂，但过量 AAP易引发严重肝炎，Soga等[49]利用毛细管电泳-电喷雾电离飞行时间质谱联用（capillary electrophoresis with electrospray ionization time-of-flight mass spectrometry, CE-TOFMS）研究表明小鼠血清视晶酸（ophthalmic acid）可以指示 AAP作用下谷胱甘肽（glutathione, GSH）的损耗，视晶酸可能是肝细胞受到氧化胁迫时一种新的生物标志物，可用于氧化损伤的早期预测。因此，视晶酸也有利于研究氧化损伤起重要作用的疾病，比如帕金森病（Parkinsons）、阿耳茨海默氏病（Alzhimers）、心肌梗塞以及糖尿病等[50]。半乳糖胺（galactosamine, galN）是一种经典的肝毒素，已被广泛的用于肝损伤实验研究中[51]。Feng等 [52]用 galN 结合脂多糖（ lipopolysaccharide, LPS）造成 BALB/c 小鼠突发性肝损伤（ fulminant hepatic failure, FHF），然后利用气相色谱 -飞行时间质谱联用技术（ gas chromatography/time-of-flight mass spectrometry, GC/TOFMS）和 PCA对 FHF的代谢图谱进行了研究，结果表明血浆中的 5-羟基吲哚乙酸（5-hydroxylindoleacetic acid）、β-羟基丁酸（β-hydroxybutyrate）以及磷酸盐的浓度变化可作为 FHF的早期诊断标志物。Coen等[53]则利用NMR、主成分分析方法（principal components analysis, PCA）和 OPLS方法研究了 galN以及毒性保护剂甘氨酸对大鼠肝、血、尿代谢造成的影响，结果产生了一些意想不到的发现，甘氨酸保护肝脏免受 galN毒性的机制与尿核苷酸库有关，甘氨酸促进了肝脏尿核苷酸水平，用以对抗 galN造成的尿核苷酸耗竭，使得 galN得到充分代谢。4.2 代谢组学在肿瘤研究中的应用在某些国家，癌症已经取代心脏疾病成为死亡率第一的疾病[54]，肿瘤研究已经越来越受到人们重视。NMR和MS技术是在研究肿瘤代谢图谱中应用不断得到增强的两项关键技术[14]。利用 NMR和MS研究肿瘤引起的代谢变化不是一个新的研究课题，它甚至早于代谢组学（metabolomics或 metabonomics）概念的提出[28]，比如 Jellum等早在 1981年就利用GC-MS对正常脑组织、垂体瘤组织以及脑瘤组织代谢物进行了比较研究。然而，代谢组学概念的提出使得这类研究具有了整体研究思路，即研究肿瘤发生对细胞、组织或器官中所有小分子代谢的影响。近来的研究表明，不同肿瘤制备样品（比如培养细胞、组织切片、体内肿瘤块等）的代谢图谱与肿瘤类型、增殖、代谢活性以及细胞死亡有较强的相关性。对肿瘤代谢表型图谱的研究有助于人们了解肿瘤发生、发展以及致死的机制[55]；在临床条件下，这些代谢图谱可以作为肿瘤诊断、预后以及治疗的评判标准[14,56]。人们利用NMR、MS已对多种肿瘤进行了代谢组研究，这些研究有助于揭示肿瘤增殖与代谢的联系。Yang等[57]利用1H MAS NMR和 PCA研究表明人轻度肝癌（hepatocellular carcinoma, HCC）及重度肝癌与毗

邻的正常肝组织在代谢物表达上有显著差异，且轻度肝癌与重度肝癌之间也有显著差异，这对于肝癌的早期诊断很重要。肿瘤动物模型的应用也极大促进了肿瘤代谢组学研究的发展 [14]，比如 Morvan 等 [58]利用 2-D 1H MAS NMR 研究了抗癌药物氯乙基亚硝脲类（chloroethylnitrosourea, CENU）对黑色素瘤和肺癌小鼠代谢物的影响，结果表明 CENU对能量代谢、DNA修复等代谢途径产生影响。此外，代谢组技术已应用于脑瘤[59]、前列腺癌[43,60]、乳腺癌[61]、卵巢癌[62]等引发的代谢物变化的体内检测。4.3 代谢组学在其它疾病研究中的应用 NMR应用于临床疾病研究已有多年[10]，但此时的 NMR研究与严格意义上的代谢组研究仍有差别，Lindon等[63]报道了 Foxall研究组和 Le Moyec研究组利用代谢组技术研究肾移植的工作，这被看做是传统临床 NMR研究向临床代谢组研究转变的开始。由于代谢组学研究技术具有其它组学技术所不具备的一些特点，比如通过代谢物变化直接反映疾病对机体的影响，因此近年来代谢组技术在疾病诊断、机制及治疗等方面中的研究越来越受到人们的重视[64]。除在肝病、肿瘤等方面的应用外，该技术在其它疾病研究领域也得到应用，比如 Paige等[65]利用 GC-MS研究表明，老年抑郁症可能与脂类、神经递质等的代谢改变有关；Weljie等[66]利用 1H NMR对转基因风湿性关节炎小鼠进行了研究。此外，在肾病[67]、高血压[41]、II型糖尿病[68~70]、心血管病[71,72]、炎症性肠病[73]、哮喘[74]、脑膜炎[75]以及精神分裂症[76]等多种疾病研究中，代谢组技术也已得到广泛应用。除在疾病诊断中发挥作用外，代谢组学技术也已被用于机体健康状况的评价，特别是营养水平对健康的影响[10,77,78]。4.4 代谢组学在毒理学中的应用在毒理学研究中，评判组织损伤的“金标准”是进行组织病理学检测，这种检测并不提示分子方面的信息。此外，由于组织病理学检测往往依赖于病理检测人员的经验，这种检测具有一定的主观性，可提供定性信息，而不能提供定量信息。代谢物组成的变化是毒物胁迫对机体造成的最终影响[79]，利用代谢组技术可以直接反映毒物对机体的影响。它莫西林（ tamoxifen, TMX）是一种常用的抗乳腺癌药物，可引发非酒精性脂肪肝炎（nonalcoholic steatohepatitis, NASH），Lelliott等[80]利用 NMR与转录组技术相结合进行研究，结果表明 TMX作用通过降低脂肪酸合成酶（fatty acid synthase, FAS）的表达及活性严重影响了肝脏内脂肪代谢，为 NASH的形成及相关代谢紊乱提供了一种新的解释。代谢物组成的改变可以直接或间接地反映在流经受损器官地血液中，进而经过肾脏过滤后，这种改变还可反映在尿液中。采集机体尿液或血液，利用代谢组技术分析毒物作用后代谢物组成变化，可以无损伤性的评估目标器官的受损程度[79]。Robertson等[81]利用 NMR以及 PCA研究了两种肝毒剂四氯化碳（ carbon tetrachloride, CCl4）、 α-萘异硫氰酸（ α-naphthylisothiocyanate, ANIT）和两种肾毒剂 2-溴乙胺（2-bromoethylamine, BEA）、对氨基苯酚（4-aminoohenol, PAP）对Wistar大鼠尿液代谢物组成的影响，结果表明利用代谢组技术可以快速进行毒剂的体内检测。4.5 代谢组学在药物研发中的应用在药物研发过程中，确定候选药物的药物代谢动力学、代谢特性以及毒副作用等是必需的，药物代谢物质的检测、鉴定以及表达分析已经成为药物研发的首要任务 [4,21]。传统的药物代谢物质检测、鉴定过程比较耗时费力，质谱技术、NMR技术的应用使得这一过程可以快速

完成，并能鉴定低丰度的药物代谢物质。早在 1980年代，人们就利用 1H NMR研究药物的毒副效应，Plumb等[82]也利用 LC-MS对候选药物进行了筛选。近年来人们开始将 NMR与LC-MS结合用于这方面研究，比如 Lenz等[83]对肾毒素庆大霉素（gentamycin）进行的研究。对候选药物进行大规模筛选需要多家机构进行科研合作，在这方面， 5家大制药公司和伦敦帝国学院（ Imperial College London）发起成立了毒物代谢组联盟（ Consortium for Metabonomic Toxicology, COMET）计划，该联盟开发新的代谢组数据采集、分析方法，利用1H NMR对大鼠和小鼠尿液、血清进行代谢物分析，对候选药物进行临床前毒副效应进行研究[84]。COMET可以评估分析仪器以及生物体的差异对结果的影响，提高结果的可重复性[85]，其最终目的在于建立药物毒副作用的专家预测系统，并对种属间药物毒性差异进行研究[86]。药物基因组学（pharmacogenomic）研究的一个长期目标是了解遗传差异（基因多态性）导致不同个体间药物代谢能力的差异，以及药物在不同个体间作用效果及副作用的差异，从而实现根据个体情况进行个体化用药 [87] 。新近出现的药物代谢组学（pharmacometabonomics）也能帮助人们了解不同个体对药物作用反应的差异 [88]，这种研究方法对遗传差异和环境影响都很敏感，通过对代谢物变化进行分析能很好的揭示这些差异。4.6 代谢组在酶功能研究中的应用阐释真核生物以及原核生物基因组编码的数量众多的各种酶的功能是 21世纪人们面对的一个重大课题。利用 RNAi[89]、基因敲除[90]等遗传策略结合细胞、生物体表型分析，可以有效分析酶在（生理）病理条件下的功能。然而，这些策略不能用于进行内源性酶生化功能的整体分析。此外，由于体内存在蛋白质相互作用网络、蛋白质翻译后修饰以及人们目前对酶与底物相互关系认识不足等原因，传统的体外酶功能研究方法也不适用于体内酶功能整体分析[6]。代谢组学研究方法可以克服上述这些困难，对代谢网络中的酶功能进行有效的整体性分析[91]。酶通过催化特异底物生成产物调节生物变化过程，鉴定内源性底物可推知体内酶的功能。利用代谢组技术研究酶功能有两种策略：代谢物指纹印迹分析以及代谢物发掘，通过这些策略可以进行已知酶的新活性研究，也可以研究未知酶，比如 Chiang等[92]研究了癌细胞中未知功能酶 KIAA1363在醚类信号传导途径中的调控作用。利用代谢物指纹印迹分析酶功能的先驱工作是由 Allen等[17]做出的，他们利用 NMR以及MS快速鉴定了酵母中某些特异性酶缺失突变后代谢物的整体变化，结果表明，基于相同的代谢物表达图谱，酵母中的酶可被分为不同的功能亚族。但正如前文所述，这两种分析方法虽然分析速度较快，但灵敏度以及分辨率较低，无法检测复杂样品中丰度较低的代谢物。Saghatelian等[22]利用 LC-MS在一定程度上提高了代谢物分析的灵敏度和分辨率，使得酶功能研究更为深入。他们利用代谢物发掘图谱方法（discovery metabolite profiling, DMP）比较分析野生小鼠与缺乏脂肪酰胺水解酶（fatty acid amide hydrolase, FAAH）小鼠的脑代谢物图谱差异，鉴定到大量 FAAH的内源性底物，包含中枢神经系统（central nervous system, CNS）富集的 N-乙酰牛磺酸（N-acyl taurines, NATs），尽管目前对 NATs在 CNS中的功能仍不是很清楚，但这些结果仍表明 FAAH促进这类信号分子的体内表达。5 结语和展望与其它所有技术一样，代谢组学技术并不能解决所有问题，但能为生物学多个领域的研

究提供有用信息[10]。代谢组学研究使得代谢物含量变化与生物表型变化建立直接相关性，极大促进了后基因组学时代功能基因组研究的发展。然而，代谢组研究目前仍处于起步阶段[3]，仍有许多问题亟待人们去解决。就研究对象而言，人们已经开始从较为简单的研究个体向较为复杂的研究对象转变。比如，Goodacre等[93]将人体看做是人体自身与体内共生微生物构成的超级生物体，从而对这个超级生物体进行代谢组学研究，这将有助于评估共生微生物对人类健康的影响，并有助于评估共生微生物在疾病条件下对机体的影响。代谢组学研究的目的是定量分析一个细胞、组织或器官内所有代谢物的含量，化学分析技术和数据分析技术对于代谢组研究是必需的。尽管化学分析分析技术与数据分析技术都取得了长足进展，但这些技术仍需要进一步发展以满足研究需要。比如，尽管代谢组学研究的最终目标是无偏性的检测细胞、组织或器官中的全部代谢物，但目前所有的化学分析技术距离这一目标都还很遥远[32]。再比如，如前文所述，较为简单的 PCA分析有时并不能得到令人满意的结果。然而，在多数进行代谢组学研究发表的论文中，PCA仍是最主要的数据分析方法，尽管 PLS、OPLS等较为复杂的分析方法可以使人们获得更多的信息，但目前这些方法的应用仍远低于 PCA的应用[12]。此外，代谢组学的单独应用并不足以解决大量的生物问题。实际上，任何一种组学研究平台的单独使用都只能为系统生物学研究提供有限的认知。不同的实验技术手段都只能测定同一生物体系的不同侧面，而且测定的深度和广度均有所不同。此外，各种高通量分析技术的假阳性率和假阴性率均较高，并且每种技术均有不同程度的系统偏性[2]。因此人们有必要对研究对象进行各种组学的平行研究，并将这些高通量的组学数据进行整合，充分挖掘包含在这些数据中的生物意义。这种整合对于系统生物学研究是必需地，有助于降低整体数据的维度从而使人们获得感兴趣的系统有用信息。人们已对诸如酵母[94]、植物[95,96]以及哺乳动物[97,98]等细胞以及复杂系统进行了大量平行组学技术平台的研究。对这些生物体的不同分子水平进行组学研究并将这些数据进行整合，阐释它们之间彼此的相关性有助于人们寻找特异且可信赖的疾病诊断等各种生物标志物。例如，将蛋白质组学数据与代谢组学数据进行整合，生物代谢的终点（代谢物）有助于验证基于蛋白质组学研究提出的假设。总之，随着代谢组学研究技术的不断进步，其在临床及前临床中的应用也将更为广泛和深入，必将促进更多生物、医学问题的解决。参考文献（References）： [1] Hood L, Heath JR, Phelps ME, Lin B. Systems biology and new technologies enable

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酒精依赖相关基因的遗传多态性

贺艮峰, 钟树荣, 景强昆明医学院法医学院，昆明 650031摘要：酒精依赖综合征受到复杂的生理、心理、个体遗传及环境等诸多因素的影响。有

关研究已经证实了某些候选基因和酒精依赖密切相关。本文主要对与酒精依赖相关的酒精代谢关键酶（乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶以及细胞色素 P450 2E1)基因以及调节神经递质作用的酶和受体（儿茶酚氧位甲基转移酶，多巴胺受体 D2、D4，μ阿片受体）基因遗传多态性研究作一综述。关键词：酒精依赖,遗传, 基因,多态性Genetic polymorphism for genes of alcohol dependenceHE Gen-Feng, ZHONG Shu-Rong, JING QiangDepartment of Forensic Medicine , Kunming Medical College, Kunming, China. 650031

Abstract: Alcohol dependence is a complex disorder which is influenced by physiological, psychological, environmental factors and individual inheritance and so on. Several candidate genes associated with alcohol dependence risk have been identified. The review focuses on several related genes that control alcohol metabolism such as alcohol dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase, cytochrome P450 2E1 and regulate neurotransmission such as catechol-O-methyltransferase, dopamine receptors D2 and D4, and mu opioid receptor.

Keywords: alcohol dependence, heredity, gene, polymorphism

酒精依赖综合征(alcohol dependence syndrome, ADS)指反复大量饮酒引起的特殊心理状态，表现为对酒精的渴求和经常需要饮酒的强迫性体验，可连续或间断出现，停止饮酒常出现戒断症状，是饮酒导致对酒精的精神或躯体依赖。适当的饮酒有利于社会交往，流行病学研究的资料表明少量饮酒在一定程度上有利于身体健康。但是饮酒过量、酗酒则会引起机体的生理异常或组织器官严重的病理状态，长期酗酒使肿瘤及心血管疾病、肝硬化发病率增高。虽然酗酒与社会和文化的因素相关，但传统的多因子疾病研究方法如家系调查、双生子和寄养子等经典的群体遗传学以及大样本前瞻性研究，神经生理与神经化学研究都表明遗传因素在酒依赖发病过程中起重要作用。据报道近亲之间的酗酒习性有很高的一致性，不同种族间的酒精适应能力有很大差异。动物模型研究也证实动物对乙醇的敏感性存在先天性差异, 其嗜酒特征可以稳定遗传。相关研究已经报道了很多与药物依赖有关的候选基因,但是研究结论不相一致。在酒精依赖的研究报告中，乙醇脱氢酶 (alcohol dehydrogenase, ADH)和乙醛脱氢酶(aldehyde dehydrogenase，ALDH)，已经被证实是能影响饮酒依赖性和醉酒等饮酒行为的基因,而许多与酒精中毒关系密切的候选基因例如 :细胞色素 P450 2E1基因

(cytochrome P450 2E1, CYP450 2E1)以及多巴胺受体 D2、D4 (dopamine receptor D2, D4, DRD2, DRD4)等的研究结果目前还有争议。目前已证实酒精依赖的遗传倾向是由多基因决定的，随着分子遗传学的快速发展,遗传因素在酒精依赖中的作用将越来越得到公认和关注。

1 乙醇代谢相关基因与酒精依赖酒精中的主要成份为乙醇。饮酒后，乙醇在体内主要通过胃和小肠吸收进行代谢，在

体内的乙醇脱氢酶 (ADH)、乙醛脱氢酶（ALDH）、微粒体乙醇氧化酶系包括细胞色素2E1（CYP2E1）酶的参与下进行。大部分乙醇主要经 ADH 作用生成乙醛，再经乙醛脱氢酶作用生成乙酸，然后进入氧化循环反应，最终代谢生成二氧化碳和水。一部分的乙醇则由微粒体的细胞色素 2E1酶代谢。部分以原形经呼吸道、尿液、汗液直接排出。

1.1 ADH、ALDH基因与酒精依赖人群中发现有 7种多态性的 ADH（ADH1-ADH7），其中 ADH2在酒精代谢过程中有很

重要的作用，对于其遗传多态性的研究也较多。人类 ADH2基因位于 4号染色体，有 3个等位基因 ADH2*1、ADH2*2、ADH2*3。ADH2*1 在第 3 外显子处发生 G143A 点突变形成ADH2*2，在 ADH2*1 第 9外显子处发生 T1107C点突变形成 ADH2*3。ADH2*1为野生型，表达产物缺乏乙醇脱氢酶活性，ADH2*2和 ADH2*3具有正常的乙醇脱氢酶活性。ADH2*2 基因表达产物的生物活性是 ADH2*1的 40倍，ADH2*3 表达产物的生物活性亦证明高于 ADH2*1表达产物。

人类 ALDH 基因家族中有 12个成员，其中 ALDH2 是和酒依赖密切相关并具有多态性的主要代谢酶，在亚洲人群有高度遗传多态性。ALDH2基因位于染色体 12q24.2，在第 12外显子出现碱基替换（G→A）突变位点，这个单碱基的突变导致 ALDH2第 487位置发生了谷氨酸到赖氨酸的替换，从而使 ALDH2丧失酶活性。ALDH2 基因在人群中有 2个等位基因分布，野生型的 ALDH2*1 型和突变型 ALDH2*2。ALDH2*1 的表达产物具有生物活性 ,而ALDH2*2 的表达产物几乎没有生物活性。基因型 ALDH2*1/ ALDH2*2 个体和 ALDH2*2/ ALDH2*2 个体 ALDH无活性或活性极弱，这两种基因型个体可使乙醛在体内堆积。

携带 ADH2*2 和 ALDH2*2(乙醇清除-乙醛蓄积型) 的个体饮酒后,血液中乙醛的浓度峰值及持续时间均大于携带 ADH2*1 和 ALDH2*1(乙醇蓄积-乙醛清除型) 基因的个体。乙醛促进儿茶酚胺类分泌，可出现烦躁不安、心动过速、面部潮红等，对酒依赖患病可起到一定的被动保护作用。 ADH2*1/*1 型在酗酒者中频率高，ADH3*2 等位基因的个体易产生酒精依赖、酒精中毒，酒精成瘾群体 ADH2*1、ADH3*2 基因型比例偏高。在嗜酒人群中基因型ALDH2*1/ ALDH2* 1分别高于 ALDH2*1/ ALDH2*2 和 ALDH2*2/ ALDH2*2。Crabb等研究发现日本人群中 ALDH2 基因型对应脸红反应表型，无论携带无活性的 ALDH2*2 是杂合子还是纯合子，ALDH2 都没有活性。ALDH2 基因多态性是影响饮酒行为的最有特征的遗传因素，可以影响饮酒行为[16]。研究显示 ADH 基因的多态性频率分布与酒精依赖的关系在不同的人群中差异很大。在日本、韩国、中国大陆及台湾地区等一些国家和地区的研究证实，在东南亚人群中纯合的 ADH2*2/ADH2*2 分布呈高度优势。而 ADH2*3 主要在非洲裔美国人中被发现，Ehlers研究发现，具有 ADH2*3 等位基因的人产生酒依赖的危险因子较低。但又有研究指出ADH 多态性是与 ALDH2 基因连锁才能表现出与饮酒行为相关。而 ALDH2*2在不同地区或民族也可能会有不同的频率分布，罗怀容等在检测中国武汉汉族群体后发现 ALDH2*2 频率是12％。还有研究检测到亚洲人群中携带 ALDH2 杂合子及纯合子基因型总和约 5O％，与亚洲人群中有脸红反应的表型一致。

1.2 CYP450 2El基因与酒精依赖 CYP450 2El 是细胞色素 P450的乙醇诱导形式，在乙醇非 ADH氧化途径中起重要作用。

CYP450 2El 的表达受乙醇浓度影响，在过去的研究中已比较肯定地认为乙醇对 CYP2E1 活性有明显的诱导作用,而且个体活性在诱导激活前后差异较大，慢性酗酒可诱导 CYP450 2El 在体内升高 20倍左右，成为乙醇的主要代谢酶。乙醇对 CYP2E1 酶的诱导有两种方式,当血液中乙醇浓度低时,对 CYP2E1 的诱导主要是增加mRNA 翻译的效率或翻译后蛋白的稳定,从而增加 CYP2E1 的活力和蛋白的水平;当血液中乙醇浓度高时,则增加 CYP2E1 基因的转录和增加CYP2E1 mRNA 的稳定,从而使 CYP2E1 mRNA 的水平增加。CYP450 2El 存在有基因多态性，并且其多态性与酒精依赖的易感性紧密联系。CYP2E1 基因位于人类第 10号染色体上，大小约11.4kb，存在 6个限制性酶切位点[24],它们分别是 5′端编码区 TaqI, DraI, RsaI, MspI 位点和 5′端非编码区的 RsaI 和 PstI 位点。位于第 6内含子的 DraI 和 5′端非编码区的 RsaI/PstI 位点多态性影响 CYP2E1 的表达。DraI-RFLP位点:CYP2E1 基因座第六内含子 DraI 限制性内切酶酶切部位等位基因 D(为野生型等位基因)，因 T7668A突变致 DraI 内切酶酶切部位消失成为变异型等位基因 C，等位基因 C可以增强 CYP2E1表达；RasI-RFLP位点：CYP450 2El 限制性酶 Rsal/ Pstl 酶切位点多态性形成 3种基因型:A 型(纯合子 c1/ c1)、B 型(杂合子 c1/ c2)和 C型(纯合子c2/ c2)。正常人以 A 型为主, B 型次之, C 型罕见，研究表明不同的 RasI 等位基因型表达可以影响 CYP450 2El 活性，C型基因增强子活性是 A型增强子活性的 10倍，说明 c2等位基因使其活性增加。有关研究报道证实 c2等位基因在日本人、墨西哥裔美国人群中是酒依赖患者患病的危险因子，并且 RasI 位点多态性和 DraI位点多态性存在连锁不平衡。不同基因型在不同个体和不同人类群体中表达有差异，表达产物活性不同，导致对酒精依赖的易感性不同。

2 神经递质系统相关基因与酒精依赖& 2.1 儿茶酚氧位甲基转移酶(catechol-O-methyltransferase，COMT)基因与酒精依赖 COMT 是具生物活性或毒性的儿茶酚胺的主要代谢酶，也是中枢神经系统外多巴胺

的主要降解酶。乙醇代谢所产生的乙醛促进儿茶酚胺类分泌，可出现烦躁不安、心动过速、面部潮红等，多巴胺、5－羟色胺释放可致神经精神症状的发生。研究表明，编码儿茶酚胺受体蛋白和儿茶酚胺类代谢酶的基因具有多态性，所表达的不同结构的受体蛋白和酶的自身稳定性和与儿茶酚胺的亲和性不同，从而可以影响儿茶酚胺所致的生理效应，因而推测它可能与酒精依赖的遗传易感性有关。人类 COMT 基因定位于 22号染色体长臂 22q11.2，该基因有 6个外显子，2个启动子，2个开放性阅读框（ORF）。现已了解到，膜结合性 MB-COMT、可溶性 S-COMT的分子量分别是 1.5 kD和 1.3 kD，COMT 活性与其热不稳定性密切相关，人类 COMT 基因第 4外显子存在一个 G→A点突变,使其编码的 S-COMT 的第 108位的缬氨酸（Val）被甲硫氨酸（Met）取代,与此相对应 MB-COMT 的 158位缬氨酸被甲硫氨酸（Val-158-Met）取代,便可引起 COMT 热不稳定性改变，从而导致 COMT活性改变。Val-COMT 和Met-COMT 等位基因分别与酶活性的高、低有关，前者使酶活性增高 3-4倍，当其108 位氨基酸为 Met时, 该酶的活性变为不耐热 , 即使在生理条件下, 其活性也大大降低。Val/Val 基因型的酶具有高活性，Val/Met 基因型的酶具有中度活性，而Met/Met 基因型的酶活性低。

Tiihonen 等研究发现 I型(25 岁以后出现)酒精成瘾患者当中 A等位基因频率明显高于对照组,提示低活性的个体可能易患酒精依赖。有研究发现中国人 COMT 等位基因以 G为主,

占 73%,基因型以野生型 G/G 为主,占 52% ,而低活性的突变型纯合子 A /A 只占 5% ,杂合子G/A 占 43%。中国汉族人群 COMT 基因高活性的等位基因、高活性的基因型明显高于西方人种, 说明 COM T 基因多态性东方人和西方人种间存在明显差异。到目前为止已发现 COMT 基因编码区至少有 8个单核苷酸多态变异，变异可导致 COMT 基因对某一限制性内切酶酶切位点的多态性，这为采用基因分析技术对 COMT 基因进行分析提供了基础。

2.2 多巴胺受体 D2基因与酒精依赖脑内多巴胺能神经细胞主要定位于中脑的黑质致密区、中脑腹侧被盖区、下丘脑及脑

室周围。在人类多巴胺投射通路有 6个部分，其中长纤维投射系统包括：黑质一纹状体系统，中脑一皮层系统和中脑一边缘系统。中脑一边缘系统是介导奖赏效应的关键回路 ,胞体位于腹侧被盖区,神经纤维上行路经内侧前脑束,投射至伏隔核、终纹床核、隔核、嗅结节、杏仁核和前额叶。奖赏效应在成瘾行为中有很重要的作用，中脑边缘多巴胺系统的愉快中枢，几乎参加了所有滥用物质的奖赏效应，大多数滥用物质包括酒精均具有正性加强作用。酒精可以引起多巴胺释放的非自然奖赏效应，目前有充分的实验证据表明多巴胺受体缺失、酒精依赖、对奖赏刺激的敏感性降低这三者之间有关联，多巴胺 D2受体减少或缺失可使个体的酒精依赖阈值降低。而多巴胺受体活性增加时,酒精的强化作用随之增强，临床工作中 D2受体拮抗剂可以用于酒精依赖的治疗,还发现它们能抑制对酒精的强化作用。编码 D2受体的DRD2 基因位于染色体 11q23区,全长 270kb,共有 8个外显子,其中外显子 1(非编码区) 和其它外显子间有 250kb的间隔。关于 D2多巴胺受体基因(DRD2)的一些连锁和相关分析,提示这个高敏位点存在于人类酒精中毒基因中。在酒精中毒的早期,多巴胺 D2受体基因表达增加，有人认为 DRD2 微卫星重复次数增多的等位基因可能导致受体基因表达水平下降，受体数目减少，最终导致多巴胺系统功能低下；也有学者认为 DRD2微卫星重复次数增多的等位基因可能导致受体蛋白质对酒精更加敏感。对 DRD2 受体基因的差异增加酒依赖的易患性这一焦点，已做过了大量的对照研究，其中一些研究主要集中在 DRD2 的三个多态性系统：即TaqlA，Taq1B以及功能性-141C Ins／Del增强子系统，出现不同的研究结果。有的研究表明DRD2 受体基因的 TaqlAI等位基因的不同与酒依赖的形成有关。Wisbeck发现酒精依赖者 D2受体的功能降低不仅受饮酒的影响，而且多巴胺受体亚型基因编码与酒精依赖的易感性有高度的相关性[38]。Noble等研究报道在 DRD2基因的多态性位点，A1(+)型 (A1A1/A1A2 基因型)和 A1(-)型(A2/A2 基因型)在.对照组和酒精依赖组的基因型有明显的不同，A1(+)型与酒精依赖和物质依赖密切相关。Ishiguro等报道了-141C Ins/Del 基因多态性与酒精依赖密切相关, 在研究的日本酒精依赖患者中-141C Ins 等位基因占优势。韦丰等研究发现在汉族人群中多巴胺 D2受体微卫星重复等位基因特别是(CA)15，在酒精依赖家系中的分布与对照相比有差异，DRD2 基因多态分布与酒精依赖患者相关，但二者之间的连锁未得到支持。总之，多巴胺受体在酒精成瘾行为中是起到相当重要作用的, 它的基因多态性是如何在成瘾行为中起作用的，还有待于进一步的研究证实。

2.3 阿片受体基因与酒精依赖酒精依赖与人的兴奋特别是人的欣快感有关，内源性阿片犒赏通路参与奖赏效应可

以引起人的欣快感。酒精的代谢产物乙醛与儿茶酚胺结合可以生成阿片类受体激动剂 TIQ；酒精兴奋内源性阿片类物质如 β-内啡肽的释放，间接兴奋阿片类受体，使摄入酒精能产生吗啡样效应；而且酒精还能提高阿片类受体对内源性阿片物质的敏感性。个体是否在饮酒后有内啡肽（阿片类）分泌的增加以及内啡肽受体存在的多态性影响了其自身的稳定性和

亲和性，使具有某一类型的内啡肽受体的个体易产生欣快感，是研究焦点之一。β-内啡肽是主要由位于下丘脑弓状核神经元产生的一种内源性阿片肽 ,它和脑内阿片受体有极高的亲和性,并且发挥极强的阿片样活性,在物质依赖过程中发挥了重要作用。β2内啡肽是通过 μ受体发挥生理学效应的,并通过内吞作用被神经元内的溶酶体水解而灭活。β2内啡肽作为 μ受体的内源性配体,作用于伏核神经元，可以引起多巴胺释放增加,从而产生强大的奖赏效应,这是形成药物依赖及强迫觅药行为的生物学基础之一。所以 μ受体发挥着重要作用，有动物模型研究发现 μ受体基因与酒精依赖有遗传关系，μ受体基因敲除的小鼠不产生酒精依赖。并且在人阿片类受体基因的研究中已发现，μ阿片受体基因 A118G突变使受体与内啡肽的亲和性提高 3倍，G779A突变则降低了其亲和性，C17T、C1031G、G31A突变也影响受体本身的特点。关于这些多态性在饮酒人群中出现的频率的研究结果不很一致，有研究发现 A1l8G等位基因是物质依赖中的一个普通的风险基因，并不是特定于某种成瘾物质。Bond等报道，A等位基因有可能是物质依赖的危险因子，而杜江等研究认为 G等位基因与酒精依赖有阳性关联关系，但是 G/G 纯合子基因型与酒精依赖无关联，与 Szeto等研究结果一致。内啡肽的分泌量变化及相关受体基因多态性与酒精所致精神障碍、酗酒是否存在关系是值得探究的课题。

综上所述，个体的饮酒行为是一个复杂的机体活动，饮酒发生的精神、生理变化，应与多种遗传因素的协调作用有关。由于单一因素研究有一定的局限性，研究结果可能出现矛盾，不能全面和较准确的揭示事物的本质。应联合分析多个候选基因并结合地域，环境、民族等进行进一步的研究。

毒品成瘾与脑组织基因表达谱

陈峰，李涛，樊栓良，党永辉，陈腾，阎春霞西安交通大学医学院法医学系，卫生部法医学重点实验室，环境与疾病相关基因教育

部重点实验室，西安　710061

摘要：毒品成瘾是由滥用毒品外在因素与遗传易感性等内在因素共同作用而导致的一种慢性脑疾病；毒品成瘾的机制目前还不十分清楚。毒品成瘾研究的一个主要目标是鉴别和分离毒品导致脑功能障碍的分子机制；采用高通量的基因表达谱技术研究毒品成瘾者在不同状态下脑基因表达全貌，对深入认识毒品成瘾的机制具有重要的意义。文章综述了毒品成瘾的遗传机制及高通量脑组织基因组表达技术——SAGE和Microarry在毒品成瘾研究中的进展。关键词：毒品滥用；毒品成瘾；基因表达谱；基因表达系列分析（SAGE）；微阵列；

生物信息学Gene expression profiling in drug addicted brainCHEN Feng, LI Tao, FAN Shuan-Liang, DANG Yong-Hui, CHEN Teng, YAN Chun-XiaDepartment of Forensic Sciences; Key Laboratory of the Health Ministry for Forensic

Sciences; Key Laboratory of Environment and Genes Related to Diseases of the Education Ministry, Xi’an Jiaotong University School of Medicine, Xi’an 710061, China.

Abstract: Drug addiction, a chronic brain disease caused by interaction of in vitro drug toxification and in vive gene susceptibility, has been widely studied but its underlining mechanism is so far been elucidated. A major goal in this field is to identify drug-induced molecular changes and their effects on brain function. By the advance of high throughput technologies in genomics and transcriptomics, the whole gene expression profile in addicted brain could be obtained and proved to be a very powerful tool to unclose the molecular mechanism underlying the addiction biology context. Here, we summarize the progress of serial analysis of gene expression (SAGE) and microarray, as well as their application in drug addiction.

Keywords: drug abuse; drug addiction; gene expression profiling; serial analysis of gene expression (SAGE); microarray; bioinformatics

《遗传》2008年第 30卷第 6－7期即将发表。收稿日期：2008-01-11；修回日期：2008-02-29基金项目：国家自然科学基金资助项目 (No. 30672356) [Supported by the Project of

National Nature Science Foundation of China] (No. 30672356)]

作者简介：陈峰（1982—），男，河南商丘人，博士研究生，研究方向：法医学及人类遗传学研究。Tel: 029-82657977；E-mail: [email protected]通讯作者：阎春霞（1967—），女，陕西商洛人，副教授，博士，研究方向：法医学、

人类遗传学研究及毒品依赖机制研究。Tel: 029-82655117；E-mail: [email protected]陈腾（1965—），男，陕西富平人，教授，博士，研究方向：法医学、人类遗传学研

究及毒品依赖机制研究。Tel: 029-82657977；E-mail: [email protected]

毒品滥用和成瘾目前是一种严重危及人类健康并为全球所关注的公共卫生问题，同时也给社会、经济及安全带来严重的危机[1]。对毒品成瘾的问题，不同领域的专家进行了广泛的研究，并取得长足的进展，但其机制仍然还不十分清楚。采用功能基因组和生物信息学技术探索脑功能和成瘾的机制是目前神经生物学领域的一个热点方向；本文综述了毒品成瘾的遗传机制及高通量脑组织基因组表达技术——SAGE和Microarry在毒品成瘾研究中的进展。

1 毒品滥用和成瘾毒品成瘾（drug addiction）是滥用毒品（drug abuse）而导致的一种流行性、复发性

的慢性脑疾病，是反复使用毒品造成中枢神经系统发生适应性变化而导致的耐受（tolerance）、躯体依赖（physical dependence）、心理依赖（psychological dependence）即渴求（craving）、复吸（relapse）等复杂的病理生理过程，并伴有觅药（drug-seeking）、用药（drug-taking）等强迫行为（compulsive behavior）。

目前已有证据表明与毒品成瘾相关的脑区域有：前额叶皮质（FLC）、颞叶皮质（TLC）、蓝斑核（NUC）、苍白球（GP）、中脑腹侧被盖区（VTA）、腹隔阂（NAc）、杏仁核（AMG）、海马（HIP）、下丘脑（HT）、尾状核（CPu）等。常见的毒品，如海洛因、吗啡、杜冷丁、美沙酮等阿片类物质的效应与这些部位都有联系，苯丙铵类兴奋剂的效应与腹隔

阂联系更显著，而可卡因类毒品的作用与皮质额叶联系更显著。各类毒品通过与以上脑区域相互作用之后激活一个或多个者信号转导通路产生各种毒理作用，这些信号通路包括：脑内阿片受体通路、多巴胺通路、大麻受体通、谷氨酸受体通路和丝裂酶原活化蛋白激酶（MAPK）等通路，这些通路可介导多种神经兴奋或抑制功能，并影响突触的可塑性，脑学习、记忆等高级功能。因此毒品成瘾是一种具有复杂症状的脑疾病。

毒品成瘾不但是一种个体脑疾病，同时也是目前严重危及人类健康并为全球所关注的公共卫生问题。据《2004年度世界毒品报告》全球有 1.85亿人滥用毒品；我国大陆在册的吸毒人数达 105.3万，现有吸毒人员 74万余人，其中阿片类、海洛因吸毒者 65万人；吸毒人员遍布全国所有的省市，涉及不同的民族及人群层次。尽管毒品问题进行了广泛的研究成瘾的机制目前并不十分清楚，各种戒毒治疗方法均不理想，戒毒后的复吸率高达 90%，吸毒的人数仍然在持续上升。艾滋病/HIV感染目前在我国进入广泛流行期，其主要特点是HIV感染者以静脉注射吸毒（IVDU）者为主，IVDU也引起了乙肝/HBV、丙肝/HCV传播，导致多系统发生感染；25％吸毒成瘾者会在开始吸毒后 10～20年左右死于中毒、疾病、外伤等，即发生各类毒品相关死亡(drug-related death)[12]，从而造成一系列社会危机。

由于毒品成瘾是一种脑疾病，该疾病可以因为对其发生机制的深入了解而得到有效治疗，从而使患病个体和整个社会受益。因此，采用新的研究策略，在整个中枢神经系统的基因、基因表达产物及系统生物学水平探索毒品成瘾的本质，发现新的治疗药物作用靶标，预防毒品相关死亡的发生将具有重要的社会和科学意义。基因组学及功能基因组学为成瘾研究提供一个新的强大的工具。

2 毒品成瘾具有遗传易感性关于毒品成瘾的形成，目前研究认为 40～60%的易感性与遗传因子即基因有关，是

多个遗传因子及其与环境因素共同作用而导致的一种复杂的脑疾病。目前已经鉴别出很多与成瘾相关的基因；动物实验表明，对动物一些基因的进行修饰或基因敲除之后，动物对毒品的反应性发生改变。如 Bohn LM等敲除小鼠 β-arrestin-2基因，无论急性大剂量给药或慢性给药，基因敲除小鼠中均没有 μ阿片受体的脱敏化表现，也不表现吗啡耐受；但是 β-arrestin-2基因敲除不能阻止慢性吗啡引起的腺苷酸环化酶活性增加，仍能形成对吗啡的躯体依赖。mGluR 5受体基因敲除，小鼠自身给药行为消失；Muscarinic M5受体基因缺乏，小鼠对阿片的偏好消失；Alpha 1b肾上腺素能受体基因缺乏，小鼠对吗啡、可卡因口服给药的行为降低；P物质受体基因缺乏，小鼠对阿片的奖偿效应降低。Olive MF等采用定向基因敲除的技术研究表明蛋白激酶（protein kinase C, PKC）的 γ和 ε亚型基因在小鼠药物成瘾中也发挥重要作用。2006年，Zhang等研究了 D1和 D3受体在可卡因成瘾者细胞内信号传导和基因表达中的作用时发现，D1和 D3受体在脑内发挥相反的作用。D1和 D3受体突变的小鼠与野生型小鼠在可卡因给药后，分别表现为活动抑制和活动增加；且 D1、D3受体在 c-fos的表达中起着相反的调控作用。

在人群中的研究表明 μ和 δ阿片受体基因在不同群体之间存在单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism, SNP），特别是 μ阿片受体基因 118nt位置的 SNP在不同种族之间有很大的差别，具有特定 SNP的人群的阿片受体对 β－内啡肽的亲和力增大 3倍，从而使该人群对阿片毒品的易感性显著增加；前脑啡肽基因、D2、D３、D4和 D５多巴胺受体基因多态性与海洛因依赖易感性有关。

2003年人类基因组完成图在 Science杂志发表，2005年人类基因组变异图在 Nature杂志发表，标志着在基因组学领域研究人员的工作重点从识别各个不同的基因向阐明基因功能方面转移。

基因的功能由其最终表达产物——蛋白质来实现，但是，大量的研究证明，蛋白产物的数量直接决定于mRNA的数量。所以，成瘾脑细胞活动的特定条件和特定时期，含有的mRNA的种类和数目可以反映其功能和生化特性,如突触可塑性、细胞骨架功能、神经元能量的变化、细胞内信号的转导等。这种转录水平的基因表达谱（Gene Expression Profile）[26]可以用脑的转录组（Transcriptome）[27,28]来表示，即特定脑区域转录的所有基因及其表达丰度。

脑内的转录组并不是一成不变的，受神经元内部和外部因素的调控。在毒品成瘾的不同病理状态下，如依赖、戒断、渴求、复吸状态下，一些基因表达增强，一些基因表达降低，各基因表达的丰度不同。因此对成瘾脑转录组的研究不仅能够提供有关神经元的生物学功能的基本信息，还能从脑整体水平反映神经元对毒品刺激的生物学反应，从而探明成瘾的机制、建立有效的治疗方法。这是神经生物学领域目前研究的一个热点方向。

3 毒品成瘾与脑基因表达谱研究早在 2000年美国 NIH国家毒品滥用研究所（NIDA）、国家酒精滥用及成瘾研究所

（NIAAA）为了鼓励毒品和药物滥用的研究，在政府财政年会上发布了毒品应用研究的请求（Request for Application, RFAs）；除此之外，NIDA和 NIAAA还激励研究人员应用基因表达谱技术识别毒品和酒精毒性作用所导致的基因表达谱特征性改变（ http://www.nida.nih.gov）。2003年，我国国家重点基础研究发展计划（973 计划）启动了“精神活性物质依赖的生物学基础及防治”项目，其中涉及对成瘾相关主要脑区研究基因表达及蛋白质功能研究（http://www.nartc.cn/973/index.htm）。2008年，973计划重要支持方向也包含了精神依赖的神经生物学机制研究（http://www.973.gov.cn/）。

研究基因表达谱的方法有很多，包括基因表达序列分析（ serial analysis of gene expression, SAGE）、表达序列标签（ expressed sequence tags, EST）、mRNA 差异显示（differential display, DD）、微列阵杂交（microarray）、cDNA 消减杂交（ substraction hybridization, SM）以及新近发展起来的 GeneCalling技术[34]。但高通量研究基因表达谱的方法目前常用的主要是 SAGE和Microarray技术，并在毒品成瘾研究中得到应用。

3.1 SAGE 技术的原理 SAGE技术是在 1995年由 Velculescu等人[29]提出并首先发表在著名的 Science杂志。

经过不断的发展和改进，SAGE技术目前成为精确定量、综合分析组织细胞中基因表达谱的强有力工具。

SAGE技术主要基于两个原理：首先由锚定酶（anchoring enzyme, AE）Nla III识别并酶切 cDNA 序列 poly A端特定位置（酶切识别位点为 CATG），形成的 10bp的短核苷酸序列，即 SAGE标签；理论上 10 bp的标签能够形成 410（1,048,576）种不同的序列组合，远远大于目前人类基因组中所预测的基因的数量，因此 SAGE标签足以识别人类基因组中所有基因的转录产物。其次，SAGE 标签经随机连接可以形成长的核苷酸多联体（concatemer），这个长的 DNA分子经过克隆、测序，就可以得到代表基因表达的标签，标签的种类代表不同的转录物，而标签重复出现的次数代表该转录物的拷贝数，即基因表达的丰度。

SAGE技术主要应用了多酶切、PCR扩增、纯化、分子克隆、DNA测序及生物信息学分析方法。实验的基本过程为：混合 RNA样本和寡核苷酸（Oligo dT）磁珠，以寡核苷酸为引物反转录合成 cDNA；用锚定酶 Nla III消化，形成含有单标签的末端，末端 10bp为标签序列；将消化所得的 cDNA 等分为两部分，分别与含标签酶（tagging enzyme, TE）位点的接头 A

或接头 B 连接。常用的标签酶常用是 BsmF1，为典型的 IIS类限制酶，能在其不对称识别位点上游的 20 bp处切割 DNA 双链，产生平末端，得到长约 50 bp的标签；混合连有不同接头的标签，经连接形成双标签（ditag）。根据接头序列设计引物，扩增双标签；用锚定酶消化双标签，释放出约 26 bp的双标签；连接酶连接双标签可以得到一个长的 DNA分子，进行克隆及测序。对标签数据采用 SAGE 软件进行分析（http://www.sagenet.org）, 并与已有的 SAGE文库进行比较（ftp://ftp.ncbi.nih.gov/pub/sage/map/Hs/NlaIII），发现表达差异的基因。

3.2 SAGE的技术优化早期的 SAGE 技术对实验材料的数量要求大，在用于活组织检查等少量或微量的生物

样本时受限。实验中在应用 PCR扩增提高标签数量的同时，往往不可避免的产生大量的接头二聚体污染。为此 Datson提出了microSAGE[35]解决方案，该方法将 SAGE步骤从 RNA分离到标签释放的所有步骤简化为“单管”程序，这不仅将原始 RNA用量减少至 1/500～1/5 000，也提高了效率，减少了纯化步骤；另外，该法还采用有限的 PCR循环次数获得足量双标签。Peters等提出了 SAGE-Lite法，将实验材料的初始用量进一步减少到 0.1μg，同时也使SAGE 标签与长 cDNA 更易快速分离。Ye SQ等提出了mini-SAGE法，该方法许多方面都做了改进，且他们用此法成功建立了两个成纤维细胞的 SAGE 标签库，对其中一个库的 3,838个标签的初步分析，证实了一个典型的成纤维细胞基因表达图谱。Vilain于 2003年提出的SAR-SAGE（small amplified RNA-SAGE），在 SAGE实验过程中非常巧妙地引入了一个 mRNA的扩增步骤，从而显著降低了 mRNA的用量，并克服了 SAGE-Lite等方法由于引入了额外的PCR步骤进行样品扩增而产生的忠实性大大降低的问题。2004年 Heiden-blut提出了 aRNA-longSAGE（antisense RNA–longSAGE）技术，他利用扩增得到的反义 RNA 来构建 SAGE文库，起始总 RNA用量减少到了 40ng。总之，SAGE技术的不断革新完善，使其能够更加适应全局分析基因表达谱的需要。为了分析基因的启动子区域和起始位点的变异，Hashimoto等人建立了人类细胞 5’-端 SAGE技术，5’-端 SAGE的数据库也随之建立，通过该技术建立的数据库提供了各种mRNA标签的频率和存在于启动子区域、内含子和基因间区的转录起始位点。更加拓宽了 SAGE技术的应用范围。

3.3 SAGE 技术在毒品成瘾研究中的应用 SAGE技术在人体疾病研究方面，目前应用最多的是对肿瘤的研究，包括肿瘤部位组

织和周围正常组织基因表达的比较，肿瘤不同阶段、治疗前后、不同治疗方案基因表达谱的特征，肿瘤细胞脱离原发环境的基因表达谱的改变。

与 SAGE技术在肿瘤研究及其他方面相比，SAGE在脑基因表达谱研究方面相对较少。2003年, Hauser等为了识别帕金森氏综合征特异性基因表达，建立了 2个正常人脑黑质和相邻中脑的 SAGE文库，识别出 3 700个转录本，其中有 3个表达非常高的 SAGE标签和已知的基因及 ESTs都不相匹配，从而筛选出了与帕金森氏综合症发病可能相关的新的基因。Sun Y等采用 SAGE技术研究了双相性精神障碍患者尸体脑组织大脑额叶皮质基因表达谱，并与精神分裂症、抑郁症患者和正常尸体脑组织额叶皮质的表达谱进行比较，发现编码 5-羟色胺转运蛋白和 NF-kappaB转录因子复合物的基因转录水平在这 3种疾病中均显著升高。

目前用 SAGE技术研究毒品依赖机制较少。Ouchi等用 SAGE技术研究了一次急性分别给予大鼠甲基安非他明（methamphetamine, METH）和苯环利定（phencyclidine, PCP）1小时后大鼠脑皮质中基因表达谱，从两种 SAGE文库中均获得 50,000种标签，18,000种标签

得到注释；通过与盐水对照组大鼠皮质 SAGE文库进行比较，识别出了与METH和 PCP急性反应相关的基因。在两种文库表达显著上调的基因有 7种：钙调蛋白 2（calmodulin 2, CaM2）、基质细胞衍生因子受体 1（stromal cell-derived facor receptor 1）、脑特异性血管生成抑制因子 1 相关蛋白 2（ brain-specific angiogenesis inhibitor 1 associated protein 2）、basigin、Rheb、olfactmedin-reated ER-localized 蛋白和促甲状腺激素释放激素受体（thyrotropin-release hormone receptor）。下调的基因有 5种：lipocalin、醛缩酶 A（aldolase A）、甘氨酸受体 2（glycine receptor 2）、importin 13和脂肪酸结合蛋白 3（fatty acid binding protein 3）。本研究给我们提供了METH和 PCP急性药物作用与不同基因反应之间的联系，但是急性一次给药与人体毒品依赖时反复用药的模式还有很大的差别。目前尚未有对毒品依赖状态下人体全脑组织基因表达谱的系统研究。

3.4 SAGE 和Microarray技术比较与 SAGE 技术同年诞生、并肩走过 12载的Microarray技术也是目前研究基因表达谱的

常用工具，在毒品成瘾、脑组织基因表达谱研究中也得到应用。2006年 Lehrmann E等采用Mammalian Gene Collection（MGC）芯片组分析了可卡因（cocaine）、大麻（cananbis）和苯环利定（phnocyclidine）毒品成瘾死亡者大脑额叶皮质基因表达情况，发现钙调基因（CALM1, CALM2, CAMK2B）转录降低，与胆固醇合成运输相关基因（ FDFT1, APOL2, SCARB1）、与高尔基/内质网（ER）功能相关的基因（SEMA3B, GCC1）转录增加，并且通过与对照组比较，表明这些变化不是细胞和机体代谢应急所导致的一般改变，而是滥用毒品所引起的特异性改变。2007年，Mash DC等采用 Affymetrix公司人类基因组 U133 AB 芯片组（http://www.affymetrix.com）研究了慢性可卡因成瘾者脑组织海马区基因转录情况，与对照组相比，慢性可卡因依赖者显示海马区有 151个基因转录上调，91个基因转录下调，其中转录改变最显著的是 RECK 基因（ reversion-inducing-cysteine-rich protein with kazal motifs），该基因表达产物是一种新型基质金属蛋白酶（MMP）抑制剂，可在转录后调节细胞外基质整合、抑制血管的形成。

尽管Microarray是一种强有力的基因表达谱研究工具，但是芯片杂交过程的很多因素影响实验结果，包括杂交和洗涤时的温度、离子强度、pH值、cDNA用量、非特异性杂交及其荧光燃料的强度、饱和度等，因此各实验室之间所获得的结果难以相互比较；而 SAGE技术不存在这方面的不足。 SAGE 第二优点是不断丰富的电子化的 SAGE 数据库（www.sagenet.org），可以使不同实验室的研究者直接比较所获得的实验结果。与Microarray技术相比，SAGE 最大的优点不需要预先知道所研究基因的序列或者克隆特征，是一种开放的技术平台系统，对于药物依赖等多基因疾病基因表达谱的研究，SAGE技术的应用价值不容忽视。

人猿超科和旧大陆猴 7种高等灵长类 FKN全基因序列的测定及进化

洪晓武 1,张亚平 2,储以微 1,高海峰 1,蒋正刚 1,熊思东 1

1.复旦大学上海医学院免疫学系、免疫生物学研究所，上海 200032；2.中国科学院昆明动物研究所细胞与分子进化开放实验室，昆明 650223

摘要：测定人猿超科（人、黑猩猩、大猩猩、红毛猩猩和长臂猿）和旧大陆猴（猕猴和叶猴） 7 种高等灵长类 FKN 全基因序列，探讨其系统进化分析。用简并引物PCR（Degenerated PCR）法分别扩增 FKN的 3个外显子，其产物经琼脂糖凝胶回收、纯化后测序，然后用 BioEdit软件剪切拼接 FKN基因全序列,用 DNAStar比对后比较基因和氨基酸序列同源性，Mega软件重构 FKN基因进化树，应用 Datamonkey分析 FKN的负选择位点。序列分析发现人猿超科较旧大陆猴 FKN基因除了有散在的点突变外，还有一明显的 30bp的核苷酸缺失突变；人 FKN基因序列与黑猩猩、大猩猩、红毛猩猩、长臂猿、猕猴和叶猴的同源性分别是 99.2%、98.4%、98.1%、96.5%、95.9%和 93.8%，由此推导的氨基酸序列同源性分别是98.5%、98.0%、97.7%、94.7%、93.7%和 90.5%；FKN基因进化树表明人与黑猩猩关系更近，FKN基因进化和通常认为的物种进化一致；Datamonkey分析结果显示 FKN存在 3个负选择位点 53Q、84D、239N。成功获得人、黑猩猩、大猩猩、红毛猩猩、长臂猿、猕猴和叶猴 7种高等灵长类物种 FKN全基因序列，为后续探讨 FKN在高等灵长类物种进化过程中免疫学功能演变及其结构与功能的关系奠定基础。关键词：人猿超科；旧大陆猴；FKN；测序；进化分析Complete sequence determination and phylogenetic analysis of FKN among seven higher

primates including homonids and Old World MonkeysHONG Xiao-Wu1, ZHANG Ya-Ping2, CHU Yi-Wei1, GAO Hai-Feng1, JIANG Zheng-Gang1,

XIONG Si-Dong11.Department of Immunology,Shanghai Medical College, Institute for Immunobiology, Fudan

University, Shanghai 200032, China;2.Laboratory of Cellular and Molecular Evolution, Kunming Institute of Zoology, Chinese

Academy of Sciences, Kunming 650223, China

Abstract：To obtain full-length FKN nucleotide sequences of homonids, including human, chimpanzee, gorilla, orangutan and gibbon and Old World Monkeys, including macaque and leaf monkey and make phylogenetic analysis. Three exons of FKN were amplified by degenerated PCR using obtained human peripheral blood cells DNA as template which was extracted from homonids and Old World Monkeys. After extracting and purifying from agarose gels, PCR products were sequenced and then spliced by using BioEdit. All the FKN sequences were aligned and compared the percent identity by using DNAStar. The phylogenetic tree was constructed using maximum evolution approach in Mega. The negative selection sites were analyzed by using Datamonkey. There is an apparent 30 bp nucleotides deletion mutation in homonids FKN comparing to that of Old World Monkeys besides other point mutations. Homology of nucleotide sequence between human and chimpanzee, gorilla, orangutan, gibbon, macaque and leaf

monkey is 99.2%、98.4%、98.1%、96.5%、95.9% and 93.8% respectively. Homology of amino acid sequence of them is 98.5%、98.0%、97.7%、94.7%、93.7% and 90.5% respectively. In the same time, the genealogical relationship of human is a lot closer to chimpanzee than it is to gorilla and other apes, the evolution rule of FKN gene is in accord with that of the higher primates. In addition, Datamonkey shows that there are 3 negative selection sites, 53Q, 84D and 239N in FKN. The full-length FKN gene of human, chimpanzee, gorilla, orangutan, gibbon, macaque and leaf

monkey were sequenced successfully, and the FKN sequences analysis lays the foundation for further studying its evolution in immunological function in higher primates and the relation between its structure and function.

Keywords：homonids; Old World Monkeys; FKN; sequence; phylogenetic analysis

《遗传》2008年第 30卷第 5期即将发表。图表及参考文献省略。收稿日期：2007-10-23; 修回日期：2008-02-18基金项目：国家自然科学基金(编号：30700737)；复旦大学上海医学院青年科学基金

(编号：06J-1)资助[Supported by National Natural Science Foundation of China (No.30700737) and Program of

Young Science Fund of Shanghai Medical College,Fudan University (No.06J-1)]

作者简介：洪晓武(1975－), 男, 汉族, 安徽绩溪人, 讲师, 博士, 研究方向:分子免疫学。Tel:021-54237362, Email:[email protected]

通讯作者：张亚平(1965－), 男, 汉族, 云南昭通人, 教授, 博士, 研究方向:分子进化学。Tel:0871-5190761, Email:[email protected];

熊思东(1962－), 男, 汉族, 江西南昌人, 教授, 博士, 研究方向:分子免疫学。Tel:021-54237749, Email:[email protected]

灵长类的系统发育一直是进化研究的热点之一，但由于缺乏完整的化石记录，迄今为止仍然存在许多争议，例如关于人猿超科内部人、黑猩猩和大猩猩之间的关系，目前多数结论认为人与黑猩猩关系更近，但也有其他观点认为人与大猩猩的关系近于与黑猩猩的关系或者认为黑猩猩与大猩猩关系更近。因此，对这一问题尚无完全一致的结论。从核基因组序列进行分子水平的研究，对于阐明这一问题必不可少。

趋化因子 Fractalkine（FKN）是迄今为止发现的唯一的 CX3C（δ）型成员，也是第一个发现的以分泌型和膜结合型两种形式同时存在的趋化因子，在人心、脑、肾脏、结肠、前列腺、心肌、骨骼肌、神经元及 DC等多种组织和细胞上均广泛表达，同时 FKN也广泛表达在非人高等灵长类物种。

FKN以其独特的分子结构和存在形式成为研究的热点，但主要集中在其免疫功能方面：包括介导细胞迁移及以不依赖选择素和整合素的方式捕获或吸引白细胞紧密粘附，参与免疫炎症反应；参与细胞间信息传递，促进正常免疫细胞的成熟和分化；抑制 Fas-FasL诱导的细胞凋亡；保护和促进中枢神经系统的小胶质细胞的生存。

Shall T 认为，FKN在白细胞迁移过程中发挥着关键作用，反映了一种进化上的需要。但迄今尚未见 FKN基因在系统进化分析方面的报道。此外，从 FKN基因进化过程预测在其介导的免疫学功能中起关键作用的氨基酸位点，目前也没有报道。

基于此，本文着重于测定人猿超科和旧大陆猴 7种高等灵长类 FKN全基因序列，对序列进行了核苷酸、氨基酸水平的比较，重构 FKN基因进化树，并预测 FKN的负选择位点，这为后续探讨 FKN在高等灵长类物种进化过程中免疫学功能的演变奠定基础，同时也为研究 FKN结构与功能的关系提供理论参考。

1 材料和方法1.1 标本

人猿超科（Homonids）：人（Human，Homo sapiens）、黑猩猩（Chimpanzee，Pan troglodytes）、大猩猩（Gorilla，Gorilla gorilla）、红毛猩猩（Orangutan，Pongo pygmaeus）和长臂猿（Gibbon，Hylobates lar）；旧大陆猴（Old World Monkeys，OWMs）：弥猴（Macaque，Macaca assamensis）和叶猴（Leaf Monkey，Presbytis francoisi）7种高级灵长类物种外周血标本由中国科学院昆明动物研究所提供。

1.2 基因组 DNA的制备、PCR和测序采集 7 种高等灵长类物种外周血各 2 mL，按基因组 DNA 抽提试剂盒（TaKaRa

Biotech）说明书提取 DNA。按照 UCSC（http://genome.ucsc.edu）上对人 FKN基因 Blat结果设计简并引物。PCR反应的总体积为 50 μL，其中基因组 DNA约 20 ng，10×ExTaq缓冲液 5 μL，10 pmol/μL dNTPs 4 μL，ExTaqTM 0.25 U，10 pmol/μL的引物各 1 μL，加灭菌的去离子水至 50 μL。PCR反应程序为：95℃ 1 min；94℃ 30 s，55～60℃（依照不同模板不同引物有所变化）30 s，72℃ 45 s，35个循环；72℃ 10 min。取 2 μL PCR产物进行琼脂糖凝胶电泳检测，回收产物（Watson Biotech试剂盒）并纯化后，在 ABI 3700型自动测序仪上进行核苷酸序列测序。

1.3 基因序列比对、同源性比较与基因进化树、负选择位点分析首先将测序获得的序列用 Seqman进行正反链拼接并转换成 seq文件，然后用 Clustal

W把 3个不同的外显子分别进行排序，接着用 Bioedit剪切掉引物和其他非编码区序列，随后依次将外显子 1，2和 3基因序列串接形成完整的 FKN序列，先用MegAlign进行比对分析，然后比较 FKN基因和氨基酸序列同源性，用Mega软件的ME法重构 FKN基因进化树，应用 Datamonkey（http://www.datamonkey.org/）分析 FKN的负选择位点。

2 结果2.1 外显子扩增分别用简并引物扩增 FKN的外显子 1，2和 3，然后用 1.5%琼脂糖凝胶电泳，得到相

应的电泳条带。2.2 测序和比对将人猿超科和旧大陆猴 7种高等灵长类 FKN基因各自 3个外显子分别进行双向测序，

每个物种用 3个样本，每个样本测序 3次，对旧大陆猴和人猿超科 FKN基因全序列比较的结果显示：除了有散在的点突变外，还发现人猿超科较旧大陆猴 FKN基因在粘蛋白样区有一明显 30bp核苷酸缺失。

2.3 同源性比较与基因进化树、负选择位点分析将所得的人猿超科和旧大陆猴 7种高等灵长类 FKN全基因序列及其推导氨基酸序列

进行比较，结果显示：人 FKN基因序列与黑猩猩、大猩猩、红毛猩猩、长臂猿、弥猴和叶猴的同源性分别是 99.2%、98.4%、98.1%、96.5%、95.9%和 93.8%，由此推导的氨基酸序列同源性

分别是 98.5%、98.0%、97.7%、94.7%、93.7%和 90.5%。FKN基因进化树表明人与黑猩猩关系更近，FKN基因进化和通常认为的物种进化一致。Datamonkey分析结果显示 FKN存在 3个负选择位点 53Q、84D、239N。

3 讨论 FKN mRNA主要表达在脑组织等实质脏器，而在外周血没有mRNA的表达，仅存在基

因组 DNA，由于高级灵长类物种实体组织标本来源困难，很难通过 RT-PCR的方法获得其全基因测序，因此我们考虑用基因组 DNA为模板对 FKN的 3个外显子进行分段扩增，然后进行测序、拼接。基于此，我们抽提了人猿超科和旧大陆猴 7种高等灵长类外周血基因组DNA，用人 FKN基因序列在 http://genome.ucsc.edu上对人基因组做 Blat后设计简并引物进行 PCR，然后用纯化的 PCR产物进行测序，每个物种用 3个样本，每个样本分别双向测序 3次，保证了结果的真实性和客观性。

本研究系统比较了人猿超科和旧大陆猴 7种高等灵长类 FKN的全基因信息，结果显示人猿超科较旧大陆猴 FKN基因除了有散在的点突变外，在粘蛋白样区尚有一明显的 30bp核苷酸缺失，且并不影响基因的“阅读框架”（ORF, open reading frame）。基因的缺失突变大多与疾病有关，因此该缺失片段对 FKN功能影响是一个值得关注的问题，Fong AM等研究表明：FKN的 CX3C趋化功能区独自承担结合其受体 CX3CR1的任务而发挥趋化作用，但单纯的 CX3C趋化功能区对表达 CX3CR1的细胞无粘附作用,必需既有 CX3C趋化功能区又有粘蛋白样区才有粘附作用。因此，这段缺失突变很可能会影响 FKN的粘附作用。

人 FKN基因序列与黑猩猩、大猩猩、红毛猩猩、长臂猿、弥猴和叶猴的同源性分别是99.2%、98.4%、98.1%、96.5%、95.9%和 93.8%，由此推导的氨基酸序列同源性分别是98.5%、98.0%、97.7%、94.7%、93.7%和 90.5%，这说明人与非人高等灵长类物种 FKN基因具有很高的同源性，FKN基因进化树表明人与黑猩猩关系更近，FKN基因进化和通常认为的物种进化一致,这些提示 FKN在高等灵长类物种中可能发挥相似的生物学功能，但随着物种的不断进化，FKN基因的生物学功能有可能发生演变，这种演变可能主要体现在效应的强弱上。Datamonkey分析结果显示 FKN存在 3个负选择位点 53Q、84D、239N，按照进化生物学理论，负选择位点一般是极其保守的，对于基因功能的维持是极其重要的，例如对蛋白质结构维持的位点一般都是负选择位点。一旦负选择位点发生突变，就会被净化处理，从而消失，这提示 FKN的 53Q、84D、239N氨基酸位点可能在 FKN介导的趋化、黏附等免疫学功能维持中起着非常重要的作用。

本研究的发现将为后续研究 FKN基因的进化和免疫学功能演变关系提供良好的理论和实验基础，同时也为研究 FKN结构与功能的关系提供一个新的视点。

蒙古马遗传多样性研究进展

芒　来, 杨　虹

（内蒙古农业大学动物科学与医学学院，呼和浩特 010018）摘要：现代马业的发展使得马匹又重新回到人类的身边，成为休闲娱乐的好对象和

好工具。蒙古马是我国重要的地方马品种资源，它具有耐力强、耐粗饲、抗病性强等优点，这些优势遗传资源成为对其进行深入研究的动力。遗传多样性能够反映出一个物种或某一品种的所有遗传信息，即通过遗传标记来反映品种遗传多样性丰富程度，并确定品种遗传资源独特性程度。本文分别从细胞水平、生化水平以及分子水平对蒙古马的遗传多样性研究进展作了比较详细的综述。重点介绍了对蒙古马进行研究的热点基因的各种分型及其多态性研究成果。通过本文的介绍，以期为以娱乐休闲和赛马为主导的现代马业的发展提供理论依据和技术支持。

关键词：蒙古马；细胞水平；生化水平；分子水平；遗传多样性 Progress in the Study of Genetic Diversity of Mongolian Horse Dugarjaviin Manglai YANG Hong (College of Animal Science and Animal Medicine, Inner Mongolia Agricultural University,

Huhhot, 010018, China)

Abstract: The development of modern horse industry makes horse come back to human beings, and become a good target and a good tool of entertainment. Mongolian horse is a kind of important variety resource for local horse in our country. It has endurance, rough feeding resistance, disease resistance and other advantages. These advantages become the motivation of in-depth study on Mongolian horse. Genetic diversity reflects all the genetic information of a species or a variety, namely, it reflects the richness of variety genetic diversity and confirms the degree of uniqueness of variety genetic resources through genetic markers. This paper introduces the progress in the study of genetic diversity of Mongolian horse in many aspects such as in cell, biochemical and molecular level, and emphatically introduces the various hot gene type and polymorphism. We hope this paper can provide theoretical basis and technical support for the development of modern horse industry.

keywords:Mongolian horse; cell leve; biochemistry level; molecular level; genetic diversity

作者简介：芒来（1962～），男，蒙古族，内蒙古镶黄旗人，教授，博士生导师，农学博士，兽医学博士，博士后，研究方向：分子数量遗传学与马科学。

Tel：13514712653， E-mail：[email protected]

《遗传》2008年第 3期即将发表。当前，中国传统马业正在萎缩，而现代马业正在悄然兴起。现代马业发展的主要特

点是马匹以非役用为主，主要满足人们体育休闲娱乐的需要，包括赛马、马术运动、马上休闲娱乐以及马肉、马乳、马生物制剂生产等相关产业。因此，马的遗传育种工作也开始以现代马业的需要为中心，根据品种和用途来确定育种目标。现代马业的发展对于提高人民生活质量，促进青少年身心健康发展，培养大众娱乐兴趣以及开发健康保健食品等方面都起到积极作用。

我国马种资源丰富，其中蒙古马就是中国马种在北方的代表，久为国际所共知，由不同地方类群组成。主要分布于内蒙古自治区、东北和华北大部分地区及西北部分地区。目

前在内蒙古自治区蒙古马仍然是牧区主要的生产和交通工具。新中国成立后，内蒙古养马业发展较快，由 1949年的 47.77万匹，发展到 1975年的 240.32万匹，而到 2006年马匹数量减少到 69.81万匹。由于我们对生物学发展规律认识的局限性，认为蒙古马生产性能不高，无特殊经济价值而忽视了其蕴藏的遗传资源。生物资源是国家的战略性资源，蒙古马在内蒙古自治区现存栏只有 36万匹，如果再不加以保护，就会使品种内和品种间的遗传变异越来越窄，最终导致品种资源的枯竭。我们只有做好蒙古马品种资源合理的保护、开发和利用工作，保存其遗传多样性，这样才能有利于维持人类生存环境的良好发展，保持食物长久的供给与安全，才能实现人类可持续发展。蒙古马是独立起源的世界上最古老的马品种之一，据报道早在四、五千年前我国北方游牧民族就已驯化马匹，也许它们就是蒙古马作为家马的祖先。由于长期生活在我国北方的高寒地带，经过自然和人工选择，形成了抗严寒耐粗饲，抗病力强、持久力好以及适应性强等优良特性。蒙古马作为中国优良畜种资源之一，现已被录入我国畜禽保种名录，在遗传资源上是一个极为宝贵的基因库，对人类有着不可忽视的社会及经济意义。蒙古马因其数量大、分布广，各类型马的形成和所处生态环境条件不同，加之地理相对隔离、中性位点基因频率的漂变等使得各类型间发生遗传变异，逐渐形成了一些适应草原、山地和沙漠条件的优良类群。比较著名的有乌珠穆沁马、百岔铁蹄马、乌审马等[1～3]。

蒙古马原产地在海拔 1000米以上地区，该地区冬季严寒，夏季酷暑，年温差及日温差较大，为大陆性气候。蒙古马全年在纯牧区群牧条件下放牧，长期受外界自然环境条件的影响，能充分利用高寒草地的牧草资源，对高寒草地的生态环境条件具有极强的适应性在牧草生长期短、寒冷、枯草期较长的恶劣环境条件下，蒙古马依然自如生活，繁衍后代，不仅为当地农牧民提供役力、交通、肉、乳、皮、骨、血、鬃、尾毛等生产生活必需品，还用于赛马、竞技表演、马术等文化娱乐活动，在我国少数民族地区人民的日常生活中起到重要作用，是他们重要的经济来源，在这些地区的畜牧业经济和旅游业发展中占有重要地位。为促进这些地区人民生活、健康发展做出积极贡献。

我国自古就是养马大国，2005年全国存栏马匹 740万匹，居世界之首，但与马匹存栏最高的 1977年的 1144万匹相比减少了 35.3%，其递减速度已达到惊人程度。我国的马品种流失也是非常严重的，其中蒙古马就位于数量减少马种之列，更值得一提的是蒙古马中的锡尼河马类群已濒临灭绝[4，5]。蒙古马的保种工作不容乐观，在此形势下进行蒙古马遗传多样性研究刻不容缓。遗传多样性的保护和可持续利用是维持全球经济稳定和发展的重要因素，对动物遗传多样性的研究已成为近年来的一个热点。

遗传多样性是生物多样性的基础和重要组成部分。对遗传多样性的理解有广义和狭义之分，广义上的遗传多样性是指地球所有生物所携带的各种遗传信息的总和，而狭义的遗传多样性是指物种内的遗传多样性，主要指生物种内不同群体之间或同一个群体内不同个体间的遗传变异的总和。保存马遗传多样性的目的是保存现有遗传资源以备将来育种需要。马的品种随时代和社会对马产品要求的变化而演化。我们应该承认人类对未来的预测是不可能完全准确的，不可能准确预测现有的马遗传特性在未来相当长的一段时间里哪种“有用”（有利、好），哪种“无用”（不利、坏）。也许某些遗传特性在目前看来好像是缺点，但有朝一日它也可能转变成为优点，马遗传特性的“优点”和“缺点”是相对的，两者在一定条件下也可能相互转化。遗传多样性是生命进化和物种分化的基础，群体遗传结构上的差异是遗传多样性的一个重要的体现。一个物种的进化潜力和抵御不良环境的能力既取决于物种内遗传变异的大小，也有赖于群体遗传变异的结构。物种的遗传多样性可以从形态特征、细胞学特征、生理特征、基因位点及 DNA序列变异等不同方面来体现[6，7]。

群体的遗传多样性大小和分布是物种长期进化的产物，也是其生存适应和发展进化的前提。遗传多样性的存在是选择和突变动态平衡的结果，经过选择后保留下来的并非都

是对个体有利的基因，但是对于整个群体是有利的。遗传多样性变异越丰富，物种对环境变化的适应能力越强，越容易扩展其分布范围，进化潜力越大，从而有助于保护物种和整个生态系统的多样性，减慢由于适应性差和进化不良所导致的灭绝过程。

国际上对马的遗传特性研究较我国开展得早，上个世纪五十年代国外就开始了马血型研究，在七、八十年代开始了染色体核型、带型及血液蛋白多态性研究，近些年又深入到马的基因水平的研究，美国、英国、澳大利亚和日本在这方面的研究处于国际领先水平。尽管蒙古马是世界上最古老的马种之一，但国内对其遗传特性的研究却仅在最近几年才开展起来。由于蒙古马分布地域所限，对蒙古马进行系统研究也主要集中于我国内蒙古自治区的科研院所。本文将对目前我国蒙古马遗传多样性研究进展情况作一综述，希望能为对蒙古马的遗传学与遗传多样性研究提供理论依据。

1 蒙古马细胞水平的遗传多样性研究细胞水平的遗传多样性取决于染色体的遗传变异，染色体变异主要表现为数目变异

（整倍性、非整倍性）和结构变异（缺失、易位、倒位、重复），包括染色体普通核型（相对长度、臂比值、着丝点比值、臂指数），带型（高分辨 G带、C带显色）。通过比较不同类群蒙古马的核型、带型，查明其染色体间的差异及相似度，从而了解类群间的遗传分化程度及亲缘关系。

目前，对于蒙古马细胞水平遗传多样性的研究还很少，晁玉庆等（1992）分析了蒙古马的染色体核型，明确了蒙古马染色体普通核型为 2n=64，公马核型为 64，XY，母马核型为 64，XX[8]。张焱如等（2005）采用第二届国际家畜染色体标准化会议中马染色体核型分组的方法，对乌审马染色体核型进行的分组分析。乌审马染色体核型 2n=64, 雄性核型为64，XY；雌性核型为 64，XX。32对染色体中，31对为常染色体，1对为性染色体；常染色体中，13对为亚中和中着丝粒染色体，18对为端着丝粒染色体；X染色体为较大的亚中部着丝点染色体，Y染色体为最小的短着丝点染色体。该研究对于了解乌审马品种起源、种质特性、积累中国马种染色体资源具有重要的意义，同时为乌审马的杂交、改良，优势基因的染色体定位等研究提供科学依据[9，10]。

2 蒙古马生化水平（血液蛋白、酶多态）的遗传多样性研究对血液生理生化和遗传物质的研究，有利于搞清不同马种的遗传基础，并为马遗传

育种研究提供理论依据。此外，血液蛋白质和酶的多态性能够从基因水平反映动物的种质特征和生物的多样性[11]。采用成熟发展的电泳技术，可方便地对蛋白质、酶类进行实验分析，蒙古马生化水平遗传多样性研究主要集中在血液蛋白质和酶两方面。血液蛋白质主要有血红蛋白（Hb）、血清转铁蛋白（Tf）、前蛋白（Pr）和后蛋白（Pa）等；血液酶主要包括碱性磷酸酶（APR）、血清酯酶（Es）和乳酸脱氢酶（LDH）等。通过检测各类群蒙古马的血液蛋白和酶位点多态性，确定其等位基因数、基因型频率、基因杂合度及优势基因型分布。

吴树清等（2003）对 26匹蒙古马和 29匹纯血马的白蛋白、总蛋白、丙氨酸氨基转移酶、门冬氨酸氨基转移酶、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶及尿素等 7项血液生化指标进行了比较研究。结果表明蒙古马各项指标中总蛋白、白蛋白、乳酸脱氢酶、碱性磷酸酶等 4项差异极显著。蒙古马中青年马的乳酸脱氢酶和碱性磷酸酶高于老龄马，总蛋白、白蛋白、尿素、碱性磷酸酶、门冬氨酸氨基转移酶和丙氨酸氨基转移酶等 6项指标差异不显著。通过对蒙古马与纯血马的部分血液生化指标的初步比较研究，分析差异，建议采取合理的饲养方法及措施，从而使内蒙古地区马场管理和训练进一步科学化，对赛马的疾病防治和品种繁育具有一定

的参考价值[12]。侯文通等（1995）对蒙古马的乌审马和乌珠穆沁马两个不同类群血液蛋白多态位点

Alb、Tf和 Es基因频率进行了遗传学分析，经 t检验两类型平均位点杂合度（H）差异极显著（P<0.01），结果表明两类型各具明显的种群特异性。乌珠穆沁马保持等位基因的能力相对比乌审马强。建议考虑单列为品种。对蒙古马东西两大类型所测得的血液蛋白质多态位点基因频率进行群体遗传学分析，为全面评价蒙古马的遗传资源提供基础资料[13]。

孟克（2006）对包括乌审马、乌珠穆沁马、巴尔虎马和锡尼河马在内的 4个类群蒙古马的 8项血液生化指标进行了检测。发现蒙古马运铁蛋白 (Tf)、血清酯酶(Es)、白蛋白（ALb）、碳酸酐酶（CA）、6-磷酸葡萄糖脱氢酶(PGD) 和前白蛋白（Pr）均存在多态性；α1-B糖蛋白（A1B）在 4个蒙古马品种中均呈单态；维他命 D结合蛋白（GC）位点在巴尔虎马和锡尼河马中呈多态，在乌珠穆沁马和乌审马中呈现单态。所检测的 4个品种的 Nei 氏预期基因杂合度大小依次为：锡尼河马(0.3783)、巴尔虎马(0.3666)、乌珠穆沁马(0.3296)、乌审马(0.3056)。4个蒙古马类群中的 8个血液蛋白位点分布均处于 Hardy-weinberg平衡状态。通过聚类分析得出巴尔虎马和锡尼河马之间的遗传距离最近，它们与乌珠穆沁马和乌审马的遗传距离均较远，这些群体的聚类结果与它们形成的地理环境及育成历史基本相符[14]。

3 蒙古马分子水平（微卫星）的遗传多样性研究 DNA分子标记是 DNA水平上遗传变异的直接反映，可稳定遗传，多态信息量大且不

受环境影响、检测快。随着分子生物学技术手段的进步，检测 DNA分子标记的方法也在不断更新。美国保健研究所（NIH）和人类基因组研究所（NHGRI）首先完成了马的基因组全序列图谱，并于 2007年 2月 7日向全世界正式公布。为今后在分子水平的更广阔范围内研究马的遗传多样性提供了便利。

生长激素（GH）是脑垂体远侧部腺垂体分泌的一种单链蛋白质类激素，由 191个氨基酸组成，具有调节新陈代谢、促进生长发育等作用。对其他畜禽的研究表明，生长激素可显著提高动物的生长速度，促进生产效率，因此成为近些年的研究热点之一。克隆 GH基因组 DNA序列对于了解 GH基因的结构、表达调控及探索物种的分子进化等诸方面研究均有十分重要的意义。张焱如等（2005，2006）首先克隆了蒙古马生长激素基因。该基因全长1923bp的序列，包括全部 5个外显子和 4个内含子，与猪、狗、牛、羊的 GH基因 cDNA序列同源性分别为 94.47%、92.63%、90.06%和 90.37%，其 cDNA所编码氨基酸与猪、狗、牛、羊同源性分别为 97.21%、96.74%、88.84%和 88.37%，表明该基因在进化过程中是保守的。她还首次发现蒙古马 GH基因存在 SmaⅠ和 StuⅠ酶切多态位点。SmaⅠ酶切后产生 AA、BB、AB三种基因型，StuⅠ酶切后产生 CC、DD、CD三种基因型。蒙古马 GH 基因 5′端具有极强的保守性；该基因序列核苷酸组成富含 GC（60%以上）；蒙古马 GH基因所编码的蛋白质中，20种氨基酸的含量极不平衡，亮氨酸（L）含量最高，达 14.28%，色氨酸（W）最低，为 0.93%。采用不同方法构建的蒙古马 GH基因进化树表明，该基因不同区段进化速率不同 [15～17]。该研究从重要的核功能基因入手，揭示马与其他物种及不同马品种之间分化的遗传基础，找出合适的遗传标记，为科学合理的确定不同品种马的起源与分化积累一定的资料。从育种实践讲，该研究为马 GH基因的育种提供了素材，为找到导致不同品种马生长发育差异的遗传标记做了必要的基础性研究，同时为我国新兴马业发展及我国北方地区特有的蒙古马品种的开发利用与品种改良提供了科学依据。

肌生成抑制素（MSTN）基因是近几年来发现的对动物骨骼及生长发育有重要调控作用的因子。该基因对维持动物肌体的生理平衡可能起着一定的作用。更重要的是MSTN基因活性的降低或丧失会出现“双肌”现象，并且不会带来任何病理问题。MSTN在发育和成熟

的骨骼肌中特异表达，并对肌肉发育和再生具有负调控作用。王全喜等（ 2005，2006）首先克隆了蒙古马肌生成抑制素基因。该基因全长 4979bp序列，包括 3个外显子和 2个内含子。cDNA全序列为 1128bp，共编码 375个氨基酸和一个终止密码子。与文献报道的其他物种同源性达到 99.64%，只有 5个碱基发生改变，而且其中有 2个碱基的改变并未改变所编码的蛋白质，充分证明蒙古马MSTN基因的高度保守性，这对稳定蒙古马的遗传性状至关重要。蒙古马MSTN基因具有 TGF-β超家族典型的结构特点，即 C-末端有保守的水解加工位点，有 9个半胱氨酸的节点，C-末端有高度保守的功能区。蒙古马MSTN基因 GC含量较低（34%以下），该基因所编码的蛋白质是分子量为 42.86kd，等电点为 7.59的大分子，其中20种氨基酸含量不均衡，亮氨酸（L）最多（8.80%），色氨酸（W）最少（1.60%）[18～20]。通过抑制MSTN基因活性而增加骨骼肌肌纤维量或调节肌肉的再生，这在畜牧业和马术业及医疗方面都具有重大的应用价值，对于提高肉马的产肉量同样具有积极意义。

自 20世纪 80年代以来，线粒体 DNA（mtDNA）分析在动物进化遗传学、分子生态学、种群遗传结构分析、遗传多样性、物种及品系鉴定等方面都得到了广泛的应用。mtDNA与核DNA相比，具有分子量小、结构简单、进化速度快、母性遗传、无组织特异性及提取方便等特点。现在mtDNA作为一种遗传标记，在各种家畜上的研究较多，发现了一些畜种mtDNA的多态性，并且已用于种间及品种间起源进化关系的分析。特别是对各种家畜mtDNA的控制区 D-Loop高变区的研究更为深入。mtDNA D-Loop区是动物线粒体基因组的调控区和唯一的非编码区，位于 tRNA-Pro和 tRNA-Phe的基因之间，由少数碱基构成一个突出结构，D-Loop区的变异必然影响mtDNA 的复制和转录，从而改变生物体的代谢速率，D-Loop区是整个线粒体基因组序列和长度变异最大的区域。D-Loop区在种内变异水平高，可用于分析进化、遗传多样性、品种分布、基因流、遗传漂变和物种扩张等。孟青龙等（2004）、芒来等（2005）和李金莲等（2006）对蒙古马mtDNA D-Loop高变区序列进行了比较分析。马的mtDNA全长为 16670bp，该研究中所扩增的 5匹蒙古马的 D-Loop高变区的长度除一匹马为 399bp外，其他均为 400bp。5匹蒙古马mtDNAD-Loop高变区的平均核苷酸变异率为 3.65%，包括转换、颠换和缺失 3种形式，其中以转换最常见。研究表明蒙古马的不同类型间出现了显著的遗传分化；中国蒙古马在过去没有出现群体扩张或持续增长模式，群体大小保持稳定；中国蒙古马具有多个母系起源；与蒙古国蒙古马亲缘关系较近；乌珠穆沁马和乌审马亲缘关系最近，锡尼河马和巴尔虎马亲缘关系较近[21～23]。细胞色素 b基因（Cytochrome b，Cyt b）是构成线粒体氧化磷酸化系统复合体Ⅲ的蛋白质之一，也是其中唯一由线粒体基因组编码的蛋白质。Cyt b基因在线粒体基因组中进化速度适中，较短的 1个 DNA片段就能包含从种水平到属水平乃至纲水平的系统发育信息。Cyt b基因不受饱和效应的严重影响，所提供的系统发育信息和遗传分化水平更适于分析种间和属间差异。安丽萍等（2006）对蒙古马全长 1140bp的细胞色素 b基因的遗传多态性进行了分析，表明蒙古马具有丰富的遗传多态性（单倍型比例为 33%），核苷酸多样度（Pi）在蒙古马中较高为 0.00309，DNA多态性分析发现存在 33个多态位点，其中有 5个转换，没有颠换存在[24]。李金莲等（2006）对包括乌珠穆沁马、乌审马和锡尼河马在内的 3 个蒙古马类群 mtDNA Cyt b 基因用BamHⅠ、TaqⅠ、Hae Ⅲ、RsaⅠ和 HincⅡ5种限制性内切酶通过 PCR-RFLP技术进行部分序列多态性检测。用 8%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳将酶切产物分离，并用银染法显色。结果 BamHⅠ和TaqⅠ表现出多态，5种酶共检测到 7种态型，归纳为 3种单倍型，以单倍型Ⅰ和Ⅲ为主体单倍型，但通过一个特殊的酶型 BamHⅠ-B分析推测所研究的马可能起源于一个母系祖先——普氏野马[23，25]。

微卫星（Microsatellite）是一类散在分布于整个基因组中的短串联重复序列，又称简单重复序列（Simple Sequence Repeates，SSRs），其核心序列是 2～6bp的短核苷酸重复 10～20次左右，并与两侧的侧翼序列构成微卫星座位。微卫星具有数量多，分布广，多态性

丰富，呈共显性遗传以及检测快速方便等优点。微卫星技术已在许多家畜上应用，但在马上应用较少。对不同类群蒙古马进行微卫星位点检测，可以查明蒙古马不同类群间及类群内个体间基因变异程度、遗传距离及遗传多态性的丰富程度，同时可了解其遗传分化关系并以微卫星作为遗传标记进行蒙古马亲子鉴定，建立其遗传谱系。李金莲等（2005）利用13个微卫星标记对 60匹蒙古马遗传多样性进行了研究。用 8%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳分离 PCR产物，并用银染法显色。通过软件计算了个微卫星座位的等位基因频率、有效等位基因数（Ne）、多态信息含量（PIC）和杂合度（H）。结果 13个座位中 UCDEQ440变异最大，TKY16变异最小[26]。布仁其其格等（2007）利用微卫星标记技术分析了巴尔虎马、锡尼河马、乌珠穆沁马和乌审马等 4个蒙古马类群在 9个微卫星基因座的遗传多样性，结果表明 9个微卫星基因座都有优势等位基因存在；在 9个位点中只有 UM022在乌珠穆沁马表现为中度多态性，其余位点均为高度多态位点；通过聚类分析，乌珠穆沁马和乌审马聚为一类[27]。该研究选择了多态性较好的微卫星引物对部分蒙古马类群进行遗传多样性研究，对于揭示我国马遗传多样性的现状、各个群体间的遗传联系，分析探讨蒙古马群体间的遗传分化以及我国家畜品种的进化关系及其在世界家畜系统发生树中的地位等方面都有重要的意义，为进一步保护和利用我国现有蒙古马的遗传资源提供了依据，同时也必将对我国马匹品种改良及育种工作提供广阔的遗传基础并产生深远的影响。

MHC（Major Histcompatibility Complex）即主要组织相容性复合体，主要参与机体的免疫应答调控、抗原识别及提呈和诱导免疫反应等，是免疫系统中最复杂、最具多态性的体系。马的MHC（Equine Lymphocyte Antigen，ELA）是用人的Ⅰ类分子的 cDNA探针进行原位杂交将其定位于第 20号染色体上，分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类基因，其中Ⅱ类基因包括许多高度表达、高度多态的基因，DRA就是其中之一。孟青龙等（2006）通过 PCR-SSCP技术对蒙古马的锡尼河马和巴尔虎马两个类群各 50匹的 ELA-DRA*exon2进行了检测，用 12%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳将已变性的 PCR扩增产物分离，并用银染法显色。锡尼河马只检测到 AA和 AB两种基因型；巴尔虎马也只检测到三种基因型，分别是 AA、AB和 BB。在锡尼河马和巴尔虎马中并未检测到等位基因 C，由此说明品种之间的基因交流较少，可以说均属于封闭群体[28]。孟青龙等（2005）还应用 PCR-SSCP技术对 4个类群蒙古马的 ELA-DRA、DQA、DRB及DRB*exon2多态性进行研究，结果表明四个功能基因的第 2外显子中都存在多态性；核苷酸的变异类型均为转换和颠换；四个位点的优势密码子及其相对使用频率综合考虑存在一定的差异，即密码子及其相对使用频率存在不均一性；对 DRB和 DQB两个位点构建了基因树，表明锡尼河马和巴尔虎马在这两个位点的进化关系最近，与乌审马较近，与乌珠穆沁马最远[28]。

应激反应能引起机体特殊部位分泌多种内源性阿片肽，包括内啡肽、脑啡肽和强啡肽。内源性阿片肽与不同的受体结合，参与性格、情绪及个体和种属生存行为的一些最基本反应，包括对伤害刺激、应激、奖赏和呼吸、体温调节、胃肠运动及免疫等主动性反应。Mu受体（MOR）就是其中之一，为 G蛋白藕连受体，是亲和力和选择性最高的阿片受体。额日很宝力格（2006）对蒙古马Mu阿片受体基因的多态性进行研究，经 PCR-SSCP分析发现蒙古马第一外显子扩增片断对应的基因编码区存在多态性，该区存在两种基因型，即 AA和AB；蒙古马MOR基因经 TaqⅠ酶切，RFLP分析具有多态性，存在 AA、AB和 BB三种基因型[30]。该研究为蒙古马Mu阿片受体基因与性格行为的后续研究奠定了基础。

多巴胺是中枢神经系统中主要的神经递质，作为一种内源性神经递质，主要通过多巴胺受体调控椎体外系的运动功能、精神活动、脑垂体激素的分泌和心血管功能。作为最早被确定为与动物性格相关的基因之一的多巴胺 D4受体（DRD4）基因在性格性状中潜在作用已经引起广泛关注。DRD4基因由 5个外显子组成，编码 387个氨基酸的蛋白质，已证实此基因编码序列存在多态性变量。范彩云等（2007）首先克隆了马多巴胺 D4受体基因，并

对蒙古马 DRD4基因的多态性进行了分析。通过 PCR-SSCP分析，在所检测的第 1、第 4外显子及第 2、第 3内含子区域均较保守，未发现任何多态现象；通过 PCR-RFLP分析，采用限制性内切酶 StuⅠ进行酶切，分别检测到 A、B、C三种等位基因，蒙古马的巴尔虎类群在该位点的多态信息含量（PIC）最高，其次为锡尼河马和乌审马，乌珠穆沁马最低；采用限制性内切酶 StyⅠ进行酶切，分别检测到 D、E、F三种等位基因，在该位点上锡尼河马的多态信息含量最高，其次为巴尔虎马和乌珠穆沁马，乌审马最低；对不同类群蒙古马 DRD4第三外显子序列比对发现，检测到 40个核苷酸变异位点，共 24种单倍型，其中 26个单一多态位点，14个简约信息位点[31]。该研究为优良马匹的鉴定、合理利用与品种建立提供了理论基础，从理论上丰富了马 DRD4基因研究内容，为下一步对马 DRD4基因的表达调控及其与性格行为、生产性能相关性和进化等方面研究提供了必要的理论基础，为寻找马行为性状的分子标记、开展标记辅助选育新技术及行为性状候选基因的连锁不平衡分析提供了理论依据。对马性格行为性状进行筛选，不但可以扩展家畜选择育种的途径，而且可以丰富家畜遗传育种的理论基础，对动物的选择育种、生产管理、以及家畜品种资源的评价、保护方面均有重要作用。该研究开展了蒙古马性格候选基因的行为遗传学研究，建立了蒙古马的性格综合评价体系，对马匹早期标记辅助选择（MAS）、日常饲养管理和调教训练将有重要的意义。

4 结语在不同层次水平上对蒙古马的遗传多样性进行全面、系统的研究对于科学发展马产业

具有指导意义。通过调查和确定蒙古马遗传资源背景状况以确定品种遗传特征，即通过遗传标记来反映品种遗传多样性丰富程度，确定品种遗传资源独特性程度。了解蒙古马各类群间亲缘关系，进而分析蒙古马的起源和遗传分化问题。为定向培养改良品种、新品种和新类群，合理开发利用其遗传资源，生产更多更优质的马产品提供重要的理论依据。遗传多样性是保护生物学研究的核心内容，只有了解蒙古马主要遗传变异的程度、时空分布及其与环境的关系，才能够采取科学有效的措施，保护蒙古马这一宝贵的遗传资源库。

此外，对于蒙古马的深加工产品，如酸马奶、孕马血清、孕马尿、马胃液等的研究也在不断深入，为人们提供更加优质的医疗及生物制品，同时也为我国新兴的现代马业发展提供更加广阔的发展空间。使得蒙古马不仅在促进人类物质生活水平上做出积极贡献，而且在保护人们健康和丰富人们精神生活上发挥重要作用、做出更大贡献。参考文献（References）： [1] Editorial Committee of the “Breeds of Domestic Animal and Poultry in China”, Editorial

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XY染色体决定男女

最新基因组学即将破解“男女的性别密码” 翻译/王鸣阳

人体的细胞内有 23对总共 46条染色体。其他动物，例如黑猩猩有 24对（48条）染色体，犬有 39对（78条）染色体。但是，人类同黑猩猩和犬一样，都有一对十分特别的染色体，男性和女性的这对染色体不同。女性具有的这对特殊染色体是由两条 X染色体配对而成，而男性的这对特殊染色体是由一条 X染色体和一条 Y染色体配对而成。男性的这对染色体就像是一只脚穿了皮鞋，另一只脚穿了布鞋。男女都具有的 X染色体上包含有 1098个基因，而只有男性才具有的 Y染色体上只包含有 78个基因。不过，说起来男性倒要比女性多出 78个不同的基因。

本文欲根据最新的基因科学，追根究底，探究一下 X染色体和 Y染色体究竟是怎么回事。染色体上保存着人体的设计蓝图 “染色体”这个术语的由来同人类观察和了解细胞的历史有关。早在纺织业刚开始兴

起的 19世纪，人们为了给布匹着上各种各样的颜色而开发出了许许多多的染料。当时的布匹全都是利用生物纤维制成的，其实，布匹就是聚集在一起被加工的生物细胞。当时，有一些细胞学家在显微镜下仔细观察用某种染料染过色的这些细胞，注意到只有细胞内的一个“核”状的东西着上了比较深浓的颜色。后来，德国解剖学家弗莱明（W.Fleming，1843～1905）又发现在染过色的细胞核内有一种形状像丝一样的物质，并将它们命名为“染色质”。

那以后，细胞学家们继续观察，希望知道染色质还会有怎样的变化。结果发现，在细胞进行一分为二的分裂时，由染色质构成的细胞核会变成为许多的棒状物。这种由染色质聚集而成的棒状结构，就被叫做“染色体”。人类身体的一个细胞中所包含的这种染色体的数目是 46条。

构成染色体的成分是染色质，那么，染色质又是由什么物质构成的呢？这个问题是进入 20世纪以后才搞清楚的。原来，构成染色质的成分是脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）以及让 DNA 缠绕其上起着好似线轴作用的组蛋白。DNA是一种像长梯形状的分子，碱基形成那一级一级梯蹬的部分，每一个碱基都好像是记录信息的字符。

这些字符所代表的信息，就是存放着建造生命的设计蓝图的“基因”。令人惊奇的是，人体总共具有的 46条染色体上所包含的 DNA，加起来全长不过 2米，其中竟然存放了相当于多达 60亿个字符所代表的庞大信息。经过许多曲折才确定“人有 46条染色体” 染色体作为一种遗传单元，最早是在 1842年由瑞士的植物学家内格利（1817～

1891）注意到的（他称之为“异胞质”）。后来，奥地利的修道士孟德尔（1822～1884），通过豌豆杂交实验，于 1865年发现了遗传的机制。孟德尔几次将自己的研究结果以论文和信件的形式告知他十分尊重的内格利，可是内格利却十分轻视，竟然没有认真阅读。

孟德尔发现，亲代（用作杂交的一代）的性状是通过一些“遗传因子”传递给子代（杂交后代）的。但是，这种遗传因子体究竟是什么实体，他并不知道。直到孟德尔和内格利都已经去世多年的 1902年，美国一位没有取得博士学位的研究生萨顿（1877～1916），发表了他关于遗传的“染色体理论”，指出：“染色体就是（孟德尔所说的）遗传因子实体”。今天，孟德尔所说的“遗传因子”被改称作“基因”，而且已经证实，染色体所包含的 DNA就是基因的载体。

不过，在那以后很长一段时间里，科学家并没有确切地搞清楚人体的染色体究竟有多少条。在 1882年和 1898年，前面提到过的弗莱明，曾两次发表论文报告人体的染色体有22～24条。从他开始，以后又不断有研究者报告过各种各样的数字。关于人体染色体的确切数目，就这样持续争论了数十年之久。甚至到 20世纪 60年代，学校教科书上仍写着“男性47条，女性 48条”。

最后，一位美籍华裔学者蒋有兴（1919～2001）和一位瑞典籍生物学家莱温（1905～1998）的工作结束了这场关于人体染色体数目的长期争论。他们在 1956年发表的论文中无可辩驳地证明：“男女同样都具有 46条染色体。男女性别的差异，仅在于 X染色体和 Y染色体的组合不同。”男女同样具有 23对染色体，其中 22对染色体男女相同，只是剩下的一对染色体男女

不同在明确了人体染色体的数目为 46条以后，科学家更是加紧了对人体染色体的研究。

1960年，来自世界的有关科学家在美国丹佛召开了一次有关染色体术语定名的国际研讨会，接着于 1963年又在伦敦召开了类似的会议，两次会议最后制定出一套叫做“丹佛－伦敦命名制”的关于人体染色体的国际统一命名法。

比较男女的染色体，结果发现男性和女性有 44条染色体是完全相同的。这些染色体被叫做“常染色体”，有 22种不同类型，总是每两条配成一对。根据国际统一命名法，按照这 22种常染色体从大到小的顺序，依次编号称为 1号、2号……和 22号染色体。

剩下的两条染色体，对于男性和女性，组合方式有所不同。女性的这两条染色体全是“X染色体”，而且就像常染色体那样配成一对。X染色体比较大，仅比 7号染色体稍小一点。

然而男性却只有一条 X染色体，与之配对的染色体是女性所没有的“Y染色体”。就好像女性两只脚穿的是同一种鞋子，而男性却是一只脚穿皮鞋，而另一只脚穿了布鞋。只是男性才有的这条 Y染色体非常小，大约比 21号或者 22号染色体还要小些，长度仅为 X染色体的 1/3。X染色体和 Y染色体都叫做“性染色体”。

归纳起来，男性和女性的染色体有两个重要的差别。一是 X染色体的数目不同，男性只有一条，而女性有两条。另一个是有无 Y染色体的差别，男性有一条 Y染色体，而女性没有 Y染色体。如此小小的差别会带来什么后果呢？

“导致生出男孩的精子”和“导致生出女孩的精子”两种不同的精子在 2004年，日本新出生的男孩是 56万 9559人，女孩是 54万 1162人。这就是说，每

100个新生婴儿中有 51.3个男孩，有 48.7个女孩。这个比例，在日本过去和其他国家，都大致相同。这马上就会引出两个问题：“为什么自然生产的男孩和女孩的数量会大致相同？”同时，“为什么自然生产的男孩会比女孩稍多一些？”

新生婴儿具有来自母亲的 23条染色体和来自父亲的 23条染色体。也就是说，卵子和精子各自提供了 22条常染色体和 1条性染色体。由性染色体为 XX的母亲所产生的卵子的性染色体必定是 X染色体。但是，由性染色体为 XY的父亲所产生的精子，则有半数精子的性染色体是 X染色体，另半数精子的性染色体是 Y染色体。

由此可见，决定婴儿性别的，不是卵子，而是精子。如果卵子是被具有 X染色体的精子（X精子）授精，形成的是具有 XX的受精卵，最后生下的就是女孩。如果卵子是被具有 Y染色体的精子（Y精子）授精，形成的是具有 XY的受精卵，最后生下的就是男孩。理论上，

X精子和 Y精子在数量上是一样的。因此，如果对足够多的婴儿进行统计的话，男女比例本来就应该是一比一。这就是自然生产的新生婴儿男女数量大致相等的原因。

既然如此，那么，男孩为什么会比女孩稍多一些呢？这是因为，Y精子的“体重”比X精子的“体重”稍微轻一些，在向前追赶卵子并使其授精的竞争中多少占有一点优势。在X精子和 Y精子中都有 23条染色体，其中 22条完全一样，只有一条性染色体不同。X染色体是比较大的染色体，而 Y染色体却属于最小的染色体。因此，同 X精子比较起来，Y精子负荷的总重量就要稍轻一些。推测起来，这稍轻一些的 Y精子自然比较容易赶在 X精子的前面到达卵子。不过，这样一种猜测还没有得到科学的验证。

Y染色体上的一个基因决定了胎儿体内发育出睾丸受精后 7周内的胎儿还无法分辨出男女。但是再往后，胎儿根据在受精时是否获得了

Y染色体，就将显示出男女的差别。具有 Y染色体的胎儿（XY）在受精后的第 8周，将会开始发育睾丸。而不具有 Y染色体的胎儿（XX），则不会发育睾丸，而是从第 12周开始发育卵巢。

在胎儿体内发育睾丸的时候，Y染色体究竟起什么作用呢？直到 20世纪 80年代末，科学家才找到了解开这个谜团的线索。在那之前，科学家就知道有一类很少见的病人，他们具有 XX性染色体，但却是男性。经过仔细检查染色体，结果发现，这类病人所具有 X染色体出现了异常，其上附加有 Y染色体末端附近的那一小段。这就使得科学家相信，决定发育出睾丸的“睾丸决定基因”就存在于 Y染色体的末端附近。根据这一发现，科学家们紧接着便积极行动起来，开始了寻找“睾丸决定基因”的工作。

英国的古德费罗博士等人，终于在 Y染色体的末端附近找到了一个基因，并将它命名为“SRY基因”（Sex-Determining Region on Y Chromosome，意思是 Y染色体上的性别决定段）。紧接着在 1991年，英国的洛威尔巴奇等人进行了一项实验，他们将 SRY基因移植到雌性的老鼠受精卵内，结果那只老鼠体内长出了睾丸。这项使雌性变为雄性的性别转换实验引起了很大的轰动。于是，寻找“睾丸决定基因”的工作算是告一段落。获得了 Y染色体的受精卵发育成男性，其原因就在于 Y染色体上包含有睾丸决定基因。雄激素发挥作用必须要有 X染色体的基因如前两页所述，因为有 Y染色体上的 SRY基因在发挥作用，男性胎儿的体内才得以长

出睾丸。睾丸是青春期以后的男性产生精子的器官。不过，睾丸的作用不只是产生精子而已。在胎儿体内一旦形成了睾丸，它就还有一个非常重要的作用，即产生和分泌“雄激素”。

睾丸分泌的雄激素作用在胎儿的外阴部分，使那里长出阴茎等外生殖器官。到了青春期，从睾丸等处分泌的雄激素还会随血液流动，到达身体内的各个角落，使身体显示出各种男性特征，如肌肉发达和声音低沉等。然而，具有正常的 Y染色体，而且睾丸的机能也发育正常，但是却具有女性外生殖器

的人也不是没有。这样的例子虽然十分罕见，但很早以来就一直有所发现。为什么会出现这种意外呢？科学家经过细致研究，结果发现，出现这种女性化，原因是雄激素没有正常发挥作用。这种疾病被称为“雄激素不应症”。

雄激素不应症的患者，身体内的雄激素为什么会失去作用呢？到了 20世纪 80年代，科学家终于查明原因竟然在于 X染色体。那是因为 X染色体所包含的一个“AR基因”（Androgen Receptor，意思是‘雄激素受体’）出现了异常。此后，科学家很快就搞清楚了雄激素发挥作用的详细过程。

雄激素在到达身体的各种细胞之后，穿过细胞膜，侵入细胞内部，在那里等待着，直到 AR基因产生出“雄激素受体”。雄激素只有同雄激素受体相结合，才能够发挥作用。然而，雄激素不应症的患者，X染色体的 AR基因有异常，制造不出雄激素受体。所以，患者的雄激素根本发挥不了作用。

Y染色体使得男性长得较高男性成人的平均最后身高为 174.7 厘米，女性成人平均最后身高为 162.2 厘米（根据

英国人的统计数据）。这里所说的最后身高，是指青春期结束，身体不再长高时候的身高。统计数据表明，平均说来，男性要比女性高近 13 厘米。这是为什么？日本国立成育医疗中心研究所小儿青春期发育研究部的部长绪方勤博士是这样解释的：

“观察发现，具有 XY性染色体的患有雄激素不应症的‘女性’，其最后身高，比具有 XX性染色体的正常女性的最后身高要高约 9 厘米。这就是说，具有 Y染色体将会使最后身高增加约 9 厘米。根据这个事实可以合理地推测，Y染色体上应该包含有一个增加最后身高的‘Y生长基因’。因此，在男女平均最后身高的大约 13 厘米的差异中，在理论上，至少有 9 厘米是可以用有无 Y生长基因来加以说明的。”

不过，Y生长基因的具体作用方式，目前还不清楚。绪方博士继续解释道： “在性染色体中，除了 Y生长基因，应该还包含其他也能影响最后身高的基因。那就是在 X染色体上和在 Y染色体上都具有的一种‘SHOX基因’（short stature homeobox containing gene）。有极少数女性患有特纳（Turner）综合征，她们只有一条 X染色体。因而，她们本应该具有的两个 SUOX基因缺少了一个，这样一来，她们的最后身高就十分矮小。”

关于 SHOX基因的具体作用方式，目前还正在研究之中。已经知道，SHOX基因会对骨骼中的软骨细胞施加影响，是保证身体长高、伸长骨骼不可缺少的一种基因。骨骼伸长，就必须有软骨细胞的增殖。SHOX基因大概就是在引导软骨细胞的增殖上具有某种重要的作用。建立脑神经网络离不开 X染色体。男性患认知障碍症的比女性多，是因为没有后备 X染

色体无论什么时候，精神方面的疾病发病率总是男性大于女性。例如，认知障碍的发病率，

男性是女性的 1.5倍。至于自闭症，相差更大，男性患者竟是女性患者的 3～5倍。这种发病率的差异究竟是什么引起的呢？对人类基因组有深入研究的人类遗传学家中搡弥男博士给出了这样的解释： “认知障碍的发病率在男女之间存在着差异的原因，已经用 X染色体得到了说明。X染色体上集中了大量同认知能力有关的基因。X染色体上同患自闭症有关的基因有 17个之多。”

最近进行的一些研究工作，已经使我们逐渐了解到这些基因的作用。神经细胞（神经元）之间是靠一种叫做“突触”的结构互相连接在一起。在 X染色体上发现的那些同认知障碍和自闭症有关的基因，已经查明，要通过协同作用才能够促使突触正常生长。因此，在这些基因中，只要有一个基因出现异常，就会影响突触的正常形成，从而使人出现认知障碍或者患上自闭症。

然而，女性有两条 X染色体，这就有了一层保险。即使其中一条 X染色体出现了异常，还有一条后备，能够替补那失去的基因而继续发挥作用。遗憾的是，男性却没有这样的后备，惟一的一条 X染色体所包含的基因一旦出现异常，其不良后果马上就会显现出来。如此说来，相对于女性的脑，男性脑的处境是不太安全的呢。

X染色体上包含有许多对于免疫系统必不可少的基因，所以男性对感染性疾病的抵抗力要差于女性

“民间一直流传着一种说法，说是男孩不如女孩容易养大。的确如此，男孩的抵抗力比女孩弱，时不时地就会咳嗽发烧。不论是感冒还是艾滋病，凡是感染性疾病，男性都更容易受到感染。”这里引用的是中搡博士所讲的一段话。

在日常生活中，我们免不了要接触到各种各样的细菌和病毒，受到感染。我们体内有一种识别这些入侵者，并将它们排出体外的机制，这就是“免疫机制”。那么，这种免疫能力，男女之间是否有差异呢？对此，中搡博士是这样回答的：

“到目前为止，我们确切知道的 13个保证免疫系统正常发挥作用的基因，全都是 X染色体上的基因。这其中，有一些基因是绝对不可缺失的，否则便会导致完全丧失免疫能力的遗传病。此外，还包括有抵抗日常感染的免疫基因。”

正如我们从前面的介绍所知道的，男性只有一条 X染色体。这惟一的一条 X染色体一旦出了毛病，马上就会产生严重的后果。然而女性有两条 X染色体。X染色体上包含了许多对于免疫系统非常重要的基因，因此，相对于女性，男性更容易失去免疫能力。女性的细胞，两条 X染色体中有一条在休眠。为什么？ 1949年，加拿大的一位解剖学家巴尔（1908～1995）在观察猫的脑细胞的染色质的

实验中，发现在细胞核内有一个染色较深的小颗粒。而且有意思的是，这样的颗粒只存在于雌性的细胞中，而在雄性的细胞中则从未看到过。那以后，科学家又知道，巴尔发现的那种奇怪的颗粒不单是在猫的细胞里才有，事实上，在包括人类在内的各种哺乳动物的雌性体内都有发现。

这样的细胞内颗粒就是后来所称的“巴氏小体”。日本的生物学家大野乾（1930～2000）多年后查明了那种巴氏小体究竟是什么。他在 1959年发现，那原来是一条凝缩成团的 X染色体。结合巴尔和大野乾两人的发现，英国的遗传学家莱昂（1925～）在 1961年揭开了藏在背后的奥秘，提出了他的一种假说：“雌性的两条 X染色体中，有一条总是处于休眠状态。我们观察到的巴氏小体，就是这条休眠的 X染色体。”

莱昂还进一步说明了两条染色体中是哪一条在休眠。他指出，胚胎（发育初期）中的每一个细胞，其中两条 X染色体各自都有二分之一的概率选择休眠。一条 X染色体一旦选择了休眠，那么它在以后的一生中都会稳定地保持无活性状态。所以，身体中的细胞，总是一些细胞的活性 X染色体来自母亲，另一些细胞的活性 X染色体来自父亲。女性体内的细胞，则是这两类细胞一半对一半的混合。

莱昂的观点后来被证明是正确的。在所有哺乳动物的体内全都发现了这种“X染色体失去活性”的现象。这种现象当然是难以理解的：为什么女性的两条 X染色体中会有一条要休眠？关于 X染色体失去活性的现象，日本北星学园大学的高木信夫教授有如下的解释：

“有一种严重的遗传疾病叫做“唐氏先天愚征”。一个细胞中本来应该只有两条 21号染色体，而这种病人的细胞却有了 3条这种染色体。这种染色体超过了必要的数目，对于细胞当然是有害的。这个道理也适合于 X染色体。绝大多男性只有一条 X染色体，活得健康。但是，本来是一条 X染色体就很好了，倘若多出一条能够正常发挥作用的 X染色体，变成具有两条 X染色体，对于细胞自然就是严重的威胁，这是必须要加以避免的。” 不过还是有疑问。女性不是正因为有两条 X染色体，才避免了许多性连锁遗传病吗？

高木教授说：“女性的每一个细胞中其实只有一条 X染色体在起作用。女性的全身细胞，一部分是来自父亲的 X染色体在起作用，一部分是来自母亲的 X染色体在起作用。这两

类细胞可以互相弥补对方因出现异常而失去的功能，所以女性不容易患上性连锁遗传病。”

X染色体是交叉拼接之后传至下一代，而 Y染色体则是保持原样传至下一代一条染色体包含许多基因，染色体与基因之间的关系则恰似一辆公共汽车与它所承

载的乘客之间的关系。假定汽车上乘坐了 10个人，那么，只要不出意外，公共汽车便会将这 10位乘客全部运送至下一站。同样，假定一条染色体携带有 100个基因，如果不出意外的话，这条染色体也会把这 100个基因全部传至子代。

但是，美国的托马斯·摩尔根（1866～1945）在对果蝇繁殖的观察中发现，经常有违背这项规则的例外。也就是说，若在亲代的一条染色体上有两个基因，常常只有一个基因传给了子代。摩尔根做了如下的推测：“在将染色体传给子代的时候，也许有两条染色体彼此之间有一部分发生了交换。”如果用公共汽车作比喻的话，那就相当于有两辆载人的公共汽车，各自都被切成两半，然后再把一辆车的前半部分连同其中的乘客与另一辆车的后半部分连同其中的乘客重新拼接起来，接着再继续开到下一站。摩尔根把这种染色体拼接的现象称作“交叉”。

后来，证实这种染色体交叉现象对于所有的生物都会发生。不过，这种交叉现象只会在—比如说—1号染色体自身或者 X染色体自身之间，也就是只在结合成一对的两条同种类染色体（叫做“同源染色体”）之间发生。母亲所具有的两条 X染色体也是交叉之后再传给子代。于是，一条 X染色体在一代接一代的传递中，其内容就会逐渐发生变化。

那么，这种染色体交叉现象对于 Y染色体也同样会发生吗？回答是，Y染色体除了两个末端极小的一段之外，基本上是不会发生交叉的。因此，父亲才具有的 Y染色体是不发生变化按照原样传给儿子的。日本德岛大学医学部的中堀丰教授仔细研究过 Y染色体的特点，他是这样说的： “不论经过多少代相传和经过多少万年，只看男系的后代，那么，除了偶然发生的突变，Y染色体的碱基排列方式基本上是不会变化的。Y染色体的这个特点，对于亲子鉴定或者研究人类迁徙等问题是非常有用的。”

X染色体和 Y染色体的基因图谱 X染色体上有 1098个基因，而 Y染色体上只有 78个基因人体具有 22种常染色体，连同 X染色体和 Y染色体，一共是 24种染色体。人体基因

组工程的任务，就是要一个不漏地解读所有这些染色体的 DNA上的碱基排列方式（遗传密码）。此项所费人力和资金都十分巨大的工程开始于 1991年，到 2003年，也就是适逢沃森和克里克查明 DNA分子双螺旋结构 50周年之际，正式宣告完成。

现在我们已经知道了编码在基因组内的全部碱基排列，但是并没有完全搞清楚人体各个基因的具体作用。研究人员目前正在对基因组工程所得到的碱基排列进行认真的分析谁都希望尽早查明每一条染色体上究竟包含了哪些基因。

研究的成果之一，是在 2003年 6月发表了对 Y染色体所包含的基因进行分析的结果。根据美国麻省理工学院佩奇所领导的一个研究小组的分析，Y染色体上的只有 78个基因。除去重复的基因，Y染色体上的基因种类，其实仅有 27种。同人体全部基因的总数 22000个相比，Y染色体上的基因数目真是太少了。不过，佩奇等人的分析仅限于位于 Y染色体末端极小的一段，而没有计入“PAR（Pseudo Autosomal Region，意思是‘伪常染色体区’。这是 X染色体和 Y染色体两者碱基排列基本上一样的区域）”部分。

到 2005年 3月，接着又发表了对 X染色体基因的分析结果。这项成果，是由工作在英国桑格实验室的一个国际性研究小组公布的。研究发现，X染色体包含有 1098个基因，其中会导致某些性连锁遗传病的基因就有 113个。尽管如此，X染色体仍然非常重要，是对人体维持生命具有关键性作用的染色体。应当指出，对于 X染色体和 Y染色体上的基因，尤其是它们的作用，不清楚的问题还

很多。要搞清楚 X染色体和 Y染色体上全部基因的作用，还有待将来做进一步的研究。X染色体和 Y染色体与男女的一生 X染色体和 Y染色体决定了男女一生的特征通过前面的介绍，我们已经知道了 X染色体和 Y染色体的各个基因是如何在男性和女

性的一生中发挥作用的。这里利用图解将这些内容做一个小结。从这里的图解我们可以看到，男性和女性，在他们从婴儿发育为成人再进入老人的一生中，X染色体和 Y染色体上的基因所起的作用其实有很大的不同。

以前，对于男女的差别，特别是在医学领域，注意到的基本上就是两者生殖器官的不同或者性激素的不同等明显的差别。对于其他方面，则认为大致相同。然而，只要把眼光投向“性染色体不同”，我们马上就会进一步发现，男女之间其实还存在着许许多多其他的差别。事实上，在基因层次，人体的免疫细胞和神经细胞，乃至构成身体的每一个细胞男女之间都有所不同。

男女之间的许多差异，我们都还没有找到隐藏的秘密所在。比如说，女性的语言能力为什么强于男性？风湿病患者为什么总是女性比男性多？一个人在心理和生理上出现性别矛盾的所谓“性别同一性障碍”的发病机制是什么？男性与女性，乃至同性之间，为什么会发生爱恋？等等。关于诸如此类的问题，刚刚开始的 21世纪的科学能够告诉我们些什么呢？

X染色体和 Y染色体的历史与未来 3亿年前，X染色体和 Y染色体本是同一种染色体。1000万年以后，Y染色体是否会消

失？本文的内容到这里，对于科学家解读铭刻在 X染色体和 Y染色体上性别密码工作的现状，就算介绍完了。最后，我们再来追溯一下人体所具有的 X染色体和 Y染色体的历史，并推测一下它们的未来。人类遥远的祖先并没有性染色体，那时也许是温度决定性别人类从什么时候才开始有 X染色体和 Y染色体？现在生息在地球上的哺乳类动物全都

具有性染色体，也是雄性为 XY，雌性为 XX。这就是说，哺乳动物一诞生出来就有了 X染色体和 Y染色体。而且，除了像鸭嘴兽一类单孔目动物，所有的哺乳动物同人一样，Y染色体上也有睾丸决定基因 SRY。即使单孔目动物，它们的 Y染色体上也有别的睾丸决定基因。由此可见，“具有 Y染色体就是雄性”这种决定性别的方式，是在哺乳动物刚出现的时候就已经确定下来，并一直沿袭到我们人类，其间并无变化。

那么，比哺乳动物更早的祖先又是靠什么决定性别呢？日本北海道大学的松田样一教授专门从事各种动物的染色体及其进化的研究，他是这样说的： “现存的蛇类和鸟类是将与哺乳类动物不同的染色体用作性染色体。在爬行类动物中，则有许多种类根本就没有性染色体。例如某些品种的龟类，所有的鳄类，在它们身上就见不到性染色体。它们的卵，

是取决于孵化时的温度，或者孵化出雄性，或者孵化出雌性。由此推断，我们更早的祖先还没有从爬行类动物分化出来的时候，应该要么是将别的染色体当作性染色体，要么就像龟和鳄鱼那样，干脆就由温度来决定性别。经过 3亿年漫长的岁月才分别独自进化出 X染色体和 Y染色体大概是在 3亿年前，我们的祖先脱离爬行类向哺乳类动物进化之时，才具有了 X染色

体和 Y染色体。日本德岛大学的中堀教授谈到了 X染色体和 Y染色体的起源：“日本生物学家大野乾博士提出过一种观点，认为‘X染色体和 Y染色体本来是一对常

染色体，经过长期的独立进化，才得以分化。’基因组科学取得的许多成果都支持大野的观点。今天，他的这种假说已经得到生物学家的广泛认可。”

在过去的 3亿年中，X染色体和 Y染色体一直分别各自进化，才成为现在这种样子。其间发生的最显著的变化是 Y染色体已经变得比 X染色体小多了。至于 Y染色体逐渐退化的原因，松田教授是这样说的： “先是在 Y染色体上出现了像 SRY那样的睾丸决定基因，自那以后，X染色体和 Y染色体就一点一点地变得不同起来。后来，Y染色体有一部分的结构发生了重大变化，它与 X染色体的差异才慢慢变得越来越大。”

两种染色体的差异变大以后，X染色体与 Y染色体之间就停止了交换基因的交叉。尤其是，在卵子形成的过程中，对于 X染色体虽然仍然存在着有利于基因交换的那种同源染色体之间的交叉，但是 Y染色体却自我封闭，完全不与其他染色体发生交叉，这就产生了很坏的后果。Y染色体出现的任何突变，全都会一点一点积累起来，这便注定了它只能是不断地遭到毁坏而退化。

1000万年后，Y染色体会消失吗？难道那时会没有男性？自哺乳类动物出现以来，Y染色体就一直在衰退。现在，X染色体有 1098个基因，而

Y染色体却仅有 78个基因。随着时间推移，倘若 Y染色体继续退化下去的话，将来人类的身体内岂不是就会没有 Y染色体吗？

这会使得现在有 Y染色体的男性听后感到震惊，事实上，确实有这样的推测：“按照 Y染色体上的基因数量在过去减少的速度计算，人体的 Y染色体在 1000万年以后就会完全消失。”Y染色体消失，且不说女性会怎么想，那肯定是要令男性担忧的一件大事呢。松田教授却认为用不着烦恼：

“即使没有了 Y染色体，也不会‘没有男性’。例如在日本的奄美岛上生活着一种刺鼠，已经没有了 Y染色体，但是，它们仍然有雄鼠和雌鼠，过得很好。性别区分是一种极其复杂的生命现象，是不会像某种性染色体那样简单地消失的。”

X染色体，还有那正在退化的 Y染色体，控制着极其复杂的许许多多的生命现象。X染色体和 Y染色体不止是携带着男女的性别密码而已，其中还隐藏着人这个物种的许多不为我们所知的奥秘，不论对人的过去还是将来，都是如此。

阅读障碍的遗传学研究进展

王丽梅 2, 杨拯 1, 张晓 1（1. 成都医学院实验技术教研室 2.成都医学院 2004级临床本科甲班 , 成都，四川，

610081）【摘要】阅读是由于组成大脑的不同认知元件的共同作用才得以实现的。阅读障碍一种

常见的神经系统发育障碍，其患病率为 5–12%。从基因表型水平研究来看，遗传因素对阅读障碍的影响约占了 80%。采用基因的连锁分析也有同样的发现，在一些染色体的特定区域发现了变化，它们是 1p34–p36, 6p21–p22, 15q21 和 18q11等。最近有四个候选基因 6p21–p22等,通过基因的连锁不平衡和染色体断点的克隆已被证实与阅读障碍有关系。本文就近期有关阅读障碍的研究做一简要总结，以及对未来研究的展望。

【关键词】阅读障碍；遗传学；研究进展Evolving landscape of Genetics to the Dyslexia

WANG Limei2, YANG Zheng1,ZHANG Xiao1(1. The experimental technology center of chengdu medical college; 2. 2004 clinical A class,

chengdu Sichuan province , PR, china 610081)

Abstract: At the phenotypic level, various cognitive components enable reading. Dyslexia is among the most common neurodevelopmental disorders, with a prevalence of 5–12%.Depending on the phenotype dimension investigated, inherited factors are estimated to account for up to 80%. Linkage findings in dyslexia are relatively consistent across studies in comparison to findings for other neuropsychiatric disorders. This is particularly true for chromosome regions 1p34–p36, 6p21–p22, 15q21 and 18q11. Four candidate genes have recently been identified through systematic linkage disequilibrium studies in linkage region 6p21–p22,and through cloning approaches at chromosomal breakpoints. This review presents a summary of the latest insights into the genetics of dyslexia and an overview of anticipated future developments.

Key words:dyslexia;Genetics;evolving landscape

[基金项目]: 四川省教育厅科学研究基金资助(项目编号:06S012)作者简介：王丽梅(1985-)，女，云南会泽人，成都医学院 2004级临床本科在读学生，

研究方向：阅读与记忆的遗传学相关研究。联系电话：13458676478,Email:[email protected]

通讯作者：张晓(1959-)，男，广东人，博士，教授，成都医学院实验技术教研室主任，研究方向：神经损伤与阅读记忆的遗传学相关研究。联系电话： 13086616376，E-mail:[email protected]

阅读障碍( Dyslexia)是一种常见的神经发育障碍，其患病率为 5–12%[1]。目前对阅读障碍的诊断有着许多不同的标准，在国际组织对 10种疾病分类的定义中，阅读障碍是一种在传统学习和阅读过程中存在着明显缺陷，表现为哪怕是有足够的学习知识的机会，也与正常人有着显著的差异[2]。一项长期的研究显示阅读障碍可能在儿童发育的过程中出现，而随着他们年龄的增长这种阅读上的困难将会消失[3]。阅读障碍的受累者与正常人相比，他们受教育的机会比较低，不被雇佣的高比例，同时还存在着巨大的心理压力[4]。研究表

明，在阅读障碍的儿童中约有 20%的儿童有注意力缺陷多动症（ADHD），并且一部分人还会有青春期抑郁症；研究还发现社会行为困难者和阅读障碍者也有一定的联系[5]。

Hinshelwood认为阅读障碍存在家族聚集现象 [6]，研究发现，如果一个孩子的父母有阅读障碍，那么他们生出的孩子有阅读障碍的可能性将高达 40–60%。在双胞胎的研究中发现，在同等的条件下，双胞胎的患病风险率高[7]。在家族聚集的条件下，遗传学因素在阅读障碍中起着重要的作用[8]。遗传因素在阅读障碍中占了 40%-80%，在文字阅读中高达58%，在拼写中高达 70%。但是，值得注意的是此次的双胞胎研究所给出的结果中没有考虑环境因素，尽管环境因素对阅读者的影响是比较小的，但是从音韵学上来看，在有阅读和拼写困难者身上受影响的程度却高达 14%[9]。性别对阅读障碍是否有影响还是一个有争论的问题，虽然，美国科学家对双胞胎的研究显示男孩和女孩的阅读障碍的患病率都差不多[10]，但是，Harlaar[11]等却发现男孩患病率较女孩的高，流行病学调查也显示男性的患病率是女性的 2倍[12]，因此，性别对阅读障碍的影响可能是很大的，在一些 IQ指数和认知的评估的资料中也有相关记载[13]。通过对有阅读障碍的家族成员的基因连锁分析发现一些染色体的区域与阅读读障有关，以下将对此进行简要综述。

1 阅读障碍的基因连锁研究迄今为止，通过对阅读障碍的家族成员的基因连锁分析发现了与阅读困难高发的染

色体部位是(DYX1 DYX9)，人类基因组也指出这些易感基因是很可疑的。因此，依靠基因的连锁分析弄清楚与阅读困难有关的认知元件将成为可能。目前，有不少于两个研究小组的结果表明在四个染色体区域的可疑基因 1p34–p36,6p21–p22,15q21 和 18q11与阅读困难有关。用差异基因表达的方法和采用智力测试的方法得出了同样的结论。然而，这些基因连锁的发现与其他的精神神经病的关系将会给人们留下更多思考的空间。

1.1 DYX1—chromosome 15q21

DYX1位于 15q21, 有四个研究小组在他们的两个家族的样本的基因连锁分析研究都有报道[14]。在连锁不平衡的研究中发现，在 DYX1的区域使用短串联重复标记获得了约 4Mb的基因。在这两个研究中，他们采用的是三人一组的模式，其中两个样本分别来自于加地夫和意大利 [15]，结果表明 15q21与 ADHD有密切的关系。另外，在 164对荷兰的挛生儿的研究中发现 ADHD与此区域的关系很大[16]。也许，在 DYX1中就是这些风险基因的紊乱促成了他们的阅读障碍。

1.2 DYX2—chromosome 6p21–p22

6p21–p22曾被认为是阅读困难的可疑基因。在音韵学与字的加工和处理研究中发现阅读困难与 DYX2相关 [17]。同时，在 DYX2的连锁不平衡中也发现 DCDC2和 K1AA0319两个候补基因[18]。更为有趣的是，在 ADHD身上发现了 6p21–p22[19]。但是，阅读困难是否与DYX2有更多的关联，还不是很清楚。

1.3 DYX3—chromosome 2p15–p16

通过五个样本连锁分析发现 2p15–p16 (DYX3)与阅读障碍有关[20]，但是在个体的研究中却发现与其关系并不大，并且是否是易感的基因区域也还有待证明。

1.4 DYX4—chromosome 6q11–q12

虽然在加拿大和温哥华的样本研究中 6q11–q12 (DYX4)被发现[21]，但是更多的学者支持音位学和拼写障碍的说法，对 DYX4到目前为止也还没有更多的发现。

1.5 DYX5—chromosome 3p12–q13

3p12–q13 (DYX5)在芬兰的样本和在 77 个有发音困难的美国样本中被发现 [22]。ROBO1(roundabout Drosophila homolog of 1)证实 3p12–q13有很大可能作为阅读困难候补基因的。

1.6 DYX6—chromosome 18p11

在两个独立的样本中，通过数量性状遗传位点的方法 18p11（DYX6）被发现[23]。关于字的阅读困难已有很多的发现。后来这个实验被重复的进行，第三个样本是牛津大学提供的，研究发现阅读困难与音素区分方面的问题[23]。但是这个结果却在另外一个研究中被怀疑，来自于两个牛津样本的多变量分析发现，数量性状遗传位点在 DYX6中的影响与表型无关[24]。

1.7 DYX7—chromosome 11p15

DYX7仅在温哥华一个样本的研究[25]中被提及，科学家们选择了 DYX7作为一个侯选的多巴胺基因受体，发现 ADHD可能和多巴胺受体有关[26]。

1.8 DYX8—chromosome 1p34–1p36

1p34–p36是三个研究组在耶鲁和温哥华的研究[27]中发现的，在这些个体的研究中发现了不同表型的阅读障碍，同时，还发现音韵学上的困难对阅读障碍有影响。

1.9 DYX9—chromosome Xq26–q27

Xq27是在荷兰的多个有阅读障碍的家中被发现[28]的。然而，同样的研究在 67对有阅读障碍的双胞胎的身上的研究效果却不如期待的那样，仅在牛津的一个样本中发现 DYX9与 Xq27有关。

2 与阅读障碍有关的其它区域 HGNC报道 DYX1–DYX9的区域与阅读障碍有关，同时也报道了一些其它的区域，只

是在这些区域没有更多的重复研究。包括与字的阅读[28]有关的 13q12和与音韵学的编码缺陷有关的 2q22[29]。对于阅读障碍和 ADHD将做更进一步的研究。在美国科罗拉多州 ADHD的样本中发现了 14q32, 13q32 和 20q11[30]。在有 ADHD的家庭中还发现 10q11, 16p12 and 17q22[31]。

3 小结科学家们的研究对于我们从分子生物学方面来认识是什么导致了阅读障碍是很重要

的，就目前被叙述的候选基因来看，DCDC2和 KIAA0319是比较重要的阅读障碍候选基因。然而，在将来的研究中还有许多问题有待进一步解决。在这些研究中，要明确阅读障

碍是与种群特异起源的不同有关？还是与基因表型的不同有关，以及在众多的候选基因中证实是那一个基因的改变引起的遗传改变？编码区基因的缺失与基因调节和表达有关，有研究提示阅读障碍与患者的大脑皮质神经细胞的迁移和左脑半球的神经细胞活动减少等病理生理有关，用 RNA干涉技术发现在胎鼠的大脑皮质中 DCDC2和 KIAA0319抑制二乙基溴乙酰胺的转移[32]。这个观点同时还在有阅读障碍个体的尸体解剖的脑研究中得到支持，报告称在特定的皮质中发现了畸形[33]。但是，DCDC2 和 K1AA0319 在发展性阅读障碍的作用还有待进一步的研究。对易感基因的认识也还有待深入。对此科学家们采用 ERP和MRI做了一些研究，这方面的研究对于生物学机制和特殊的基因效应是非常重要的。如果有了详细可靠的临床资料，那么通过特殊的表型来分析阅读障碍的风险基因将成为可能。雌雄混株的表型是相互联系而不孤立的。当然也不是特殊的基因会在系谱中有同等程度的影响。通过一些小样本的研究还不能完全确立基因型和表现型的关系，通过大样本和各种各样的原因的研究来证明基因型和表现型的关系也比较困难。

到目前为止，阅读障碍的分子遗传方面的研究还没有考虑性别因素，从男性和女性的现患率来看也许存在着与性别有关的特殊基因效应。一个令人满意的答案只有在性别因素被考虑的研究中才行，这也是有待进一步解决的问题[34]。确认阅读困难易患基因应该采用分子技术，这些技术也将为观察和治疗同一种阅读障碍的基因表型提供方便。从基因连锁分析的水平上，已经有八个基因座与诵读困难和 ADHD有关[35]。这种可疑基因也在伴随有阅读困难和语言缺陷的患者身上得到证明，在阅读障碍的研究中，基因 DYX5的重叠连锁已经为普通的基因效应提供了有力的证据[22]。对可疑基因的研究是以基因与基因的相互作用作更进一步的分析，关于此 DCDC2和 KIAA0319可能是较好的方向[33]。将来研究的目标是基因-环境因素的相互作用，这样将有利于分析外在的危险因素。目前，人们已经意识到了环境因素对发展性阅读障碍的影响，只是还需要一定的时间来证明 [38]。如果这种影响因素是可以调节的，那么在将来对阅读障碍的风险预测和预防将会成为可能。就一般来看关于复杂的遗传病的研究将会随着科技和知识的发展而取得相应的进步，将来的努力方向将是各学科相互交叉和资源共享的大样本研究。参考文献

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人类的体能与遗传

张传芳，王沥，张涛，金锋 (中国科学院遗传与发育研究所，北京 100101)

摘要: 近年来分子遗传学的研究已经在不断揭示：人类的很多能力与遗传因素相关，

如肌肉力量、耐力、肌肉动作能力、平衡力、神经肌肉动作技巧和协调性、柔韧性、有氧运动能力、无氧运动能力、训练应答，以及疲劳恢复等都有重要的生物学背景。在过去的几十年中，研究人员通过孪生子分析、过继亲属分析、同胞兄妹分析、父子母子分析等，对健康和体能表型的遗传率作了大量的分析，从而确切认知遗传对人类的健康和体能有重要影响。简言之，在环境条件大致相同的情况下，不同个体在健康、体能、领悟力以及训练应答存在明显差异性。本文对近年来人类体能遗传学方面的研究进行综述，重点讨论在一定环境因素下遗传因素与人类体能各性状的相关性，及其在各性状表现方面的大小，并对体能相关的基因座作一概述，并对当前的研究状况和研究思路作一总结，旨在提示人类遗传学研究中一个新的视点。我国的国防和科学技术的发展，以及航天技术的应用需要我们在特殊体能的个体选材中重视相关的遗传因素，以便在后期培养和系统训练中节省经费和时间。

关键词：体能；最大摄氧量[VO2max]；主基因效应人类的体能与遗传因素是否相关？这是长期以来人们普遍关注且讳忌的问题。环境对

体能有重要作用，但在现实生活中发现，在同等环境下，人的体能是有差异的。黑人运动员持久的耐力与超常的爆发力，并不是其他肤色运动员都具备的；日本冲绳地区的海女在无防护条件下深水作业的能力，也并不是其他地区女性都具有的。由此，人们不能不关注并探究，体能与遗传的关系。事实上，生命科学的研究正在不断揭示，人类的很多能力或者说天资，都是与自身的遗传因素相关，近年来，很多研究都充分表明，在人类的体能特征方面，或多或少地表现出群体或个体间的差异，而且这种差异在孪生子或同胞兄妹的调查中得到进一步印证。目前，这方面的研究正在深化并越来越引起更多科学家的关注。

人类的健康和体能由遗传和环境共同决定。关于个体间相似和差异原因的讨论也持续了几个世纪。如果单从体能表型方面来讨论遗传因素或是环境因素哪一个更重要，是不会有结果的。遗传与环境是不可分割的两个方面，一方不可能脱离另一方而单独存在，两方面有本质的内在的联系。反之，在遗传学研究中，如果没有对环境作出某些假设，也很难充分理解性状的遗传基础。在过去的几十年中，研究人员通过孪生子分析、过继亲属分析、同胞兄妹分析、父子母子分析等，对健康和体能表型的遗传率作了大量的分析，从而确切认知遗传对人类的健康和体能有重要影响。简言之，在环境条件大致相同的情况下，不同个体在健康、体能、领悟力以及可训练性方面存在明显差异性。

在环境因素基本相同的情况下，个体间存在较大的差异，而且仅凭环境因素是无法解释这种差异的。由此可见，遗传因素对体能的差异有重要贡献。到目前为止，对体能的遗传贡献的研究虽然已经有了相当的积累，但由于其中大多研究仅限于对孪生子、同胞兄妹和双亲－子女之间对比性的遗传学分型，因此很难排除共享环境背景的干扰，从而所确定的遗传贡献率并不一定符合客观状况。反之，应用不同的多变量模型来评估遗传和环境作用的大群体的综合研究并不多见。尽管已经有大量的关于特定基因或遗传座对体能影响的报道，但是这些基因或遗传座的作用尚不明确，甚至不同论文出相矛盾的结论。此外，某些测试体能表型的方法并不一定适用于所有人群，例如冲刺、跳远和耐力跑就不适于测定老年对象的表型，所以在研究中不同表型研究对象可能是不同年龄段或不同类型的人群，这也造成了研究之间结果比对及综合的困难。本文就体能与遗传关系以及运动医学遗传学的研究进展情况作以下综述。

1 肌肉力量和耐力力气是肌肉力量的表现，是个体对抗外部抗力的能力。肌肉耐力是指发挥力量持续时

间长短的能力。据有关研究分析，从儿童到青年的孪生子 [3]和同胞兄妹[5]相关性及对遗传

率的评估。评估的遗传率不同研究的力量试验中存在差异，通常男孩高于女孩，孪生子高于同胞兄妹[6]。在特定肌肉群的力量、几个肌肉群加合的力量及每单位体重的力量诸方面，遗传率的估计趋于一致。女性之中相对较低的遗传率表明，环境差异对肌肉力量和耐力也具有重要作用。研究人员在波兰大的群体中进行了父母-子女的肌肉力量相关性研究[5]，所得的结果表明，父母－子女的相关性并不完全一致，相关系数变动范围为 -0.24到 0.62。在肌肉力量方面，同胞兄妹之间的相似性是显著的，但相像的程度并未定量；父母－子女的相似性也是显著的，并且没有年龄效应，女性与父母的相像程度比男性更高。

然而，在非遗传的个体间[过继]显著的相关性表明，环境因素和生活在一起的家庭成员共享的生活方式，可能对家庭成员的相似性有一定贡献[7]。配偶之间的力量相关系数变化范围从 0.01到 0.30[7]，虽然较低，但也说明共有的生活方式对力量和耐力有影响。

2 肌肉的动作能力在 3~42岁之间的孪生子[3]和同胞兄妹[5]研究中动作能力的估计遗传率变动范围从

0.14到 0.91。两性之间遗传率的差异不如肌肉力量和耐力那样大。对波兰城郊一群体进行的父母与子女在立定跳远方面相关性研究[9]表明，相关系数变化范围为 0.17~0.54。中年父母与子女的相关性高于其他年龄段的父母与子女之间的相关性。儿子更像他们的父亲(0.46)，女儿更像他们的母亲(0.48)。另外，立定跳远表现出明显的配偶之间的相关性(0.35)。一项有趣的父母与子女的动作能力相似性的研究，是比较 24个大学生当前与其父亲 34年前大学时代的动作能力[10]，父亲与儿子助跑跳远能力相关系数为 0.86，100米冲刺为 0.59。这充分说明遗传因素在肌肉的动作能力方面的作用。

3 平衡性平衡性是一种技巧，它需要粗和细两种肌肉群动作控制的结合以维持静态和动态的

稳定性。8~18年龄段孪生子在各种平衡实验研究中遗传率评估值为 0.27~0.86[4]。动态平衡的遗传率低于静态平衡的遗传率。父母与子女之间的平衡率相关系数相当低[11]。由已得到的研究结果可以发现，遗传和家庭对不同平衡试验的贡献率存在较大差异，但总体上遗传率较低。配偶之间在某些平衡试验中无相关性(-0.05)，但是也有一些测试认为表现出某种程度的相关性(0.25)[11]。在个体发育阶段的环境因素可能对平衡性有更为重要的作用。

4 神经肌肉动作技巧这一表型所包含的动作项目是不均一的。某些项目需要快速爬升的动作，而另外一些

需要额外的精细动作控制，也就是说它们需要动作的精确性，通常还需要一定的速度。作为一组，把它们总称为神经肌肉动作。反应与肌肉动作，例如空间感知能力，反应速度及其他的一些特征对于技巧的表现是十分重要的[12]。已有的孪生子的臂部动作数据显示，女性孪生子除了在臂部速度和精确度动作之外，其他臂部动作遗传率均较男性孪生子稍低[4]。中学生孪生子在习惯用手精细肌肉动作技巧研究中，估计遗传率为 0.37~0.71，相应的非习惯用手估计遗传率变化范围更大，0.05~0.71，而且对于大多数项目其值较低[28]。兄弟姐妹在手的灵活性方面也表现出相似性，其相关系数变化范围 0.23~0.44[13]。反应时间具有个体特征，通常在某些肌肉动作表现方面是一个重要因素。小学生孪生子对轻微刺激的反应时间的研究结果产生差异非常大的遗传率估值，0.22[28]和 0.55[4]。而在另一对 16岁孪生子的外周神经传导速度试验中却得到 0.77的高遗传率[14]。在波兰两个人群中，对父母－子

女几项神经肌肉动作的相关性研究，所得结果变化范围非常大，城区人群-0.10到+0.75，城郊人群-0.01到+0.41[15]。由于该实验在设计中存在缺陷，其结果不一定可靠。在神经－肌肉动作中的个体差异，如空间感知能力、领悟力、方向感等具有显著的遗传特征。但遗传因素对技巧表现的作用需要进一步的研究。

5 柔韧性关节柔韧性方面的数据并不多，11~15岁男性孪生子群体腰部柔韧性遗传率估值为

0.69[16]，而 12~17岁男女孪生子的混合样品躯干、臀部和肩膀的遗传率估计值分别为：0.84，0.70，0.91[3]。兄弟姐妹和父母－子女的腰部柔韧性的遗传率在Mennonite人群分别为 0.43和 0.29，在加拿大人群中分别为 0.36和 0.26[7]。虽然数据有限，但以上结果在某种程度上表明遗传因素对柔韧性的影响比肌肉动作和肌肉力量的影响大。

6 有氧运动能力大多数有氧运动能力的遗传研究均基于孪生子模型，在这些研究中，遗传率估值的

变化范围较大，从接近于 0到大于 0.9。已有的各种血缘关系之间在有氧运动能力相关性研究显示，MZ之间的相关系数达到 0.6~0.7，DZ之间相关系数达到 0.3~0.5。不同类型亲戚关系[包括有血缘关系和无血缘关系]之间有氧运动能力的相关系数总结于表 4。这些研究结果比较一致地表明在有氧运动能力方面，遗传因素有重要的贡献，主要表现在 MZ的相关系数明显高于其他血缘关系。

7 无氧运动能力对于各种短距离冲刺[20m、30m、40m……]遗传贡献率的差异相当大[6]，孪生子、同

胞兄妹、过继兄妹的研究数据表明，无氧运动能力具有显著的家庭相似的特征，MZ对于每单位体重和每单位 FFM[Fat-free Mass]的相关系数分别为 0.88和 0.77，DZ相关系数为 0.58和 0.44；同胞兄妹之间为 0.46和 0.30，过继兄妹之间为-0.01和 0.06[2]。通过这组数据的对比，充分表明遗传因素对无氧运动能力有重要影响。

8 训练应答肌肉动作学习[29]、肌肉力量训练[30]、有氧运动能力训练[9]等体能相关的表型的训练

应答均具有显著的遗传特征，某些特定的血缘关系之间的相关系数较高[MZ]。近年来的研究表明，有氧训练应答和有氧能力的个体差异的分子遗传基础并不一致，可能分别由不同的基因组决定，虽然两组基因之间存在相互作用，但它们是相对独立的。

从以上对家系的研究结果表明，遗传因素对体能各性状均有重要的贡献。在对体能的遗传基础有了一定认识的基础之上，人们很早就在寻找与体能相关的分子标记。目前主要的研究结果均在有氧能力方面。首次对运动员进行分子标记检测的研究是在 1968年墨西哥城的奥林匹克运动会。当时的研究目的是探索运动员与单基因血型系统之间是否存在相关性[31]，结果没有发现运动员的红细胞血型和酶型等位基因频率分布有与众不同之处。第二次努力是在 1976年蒙特利尔奥林匹克运动会[32]。当时的研究是在参加耐力项目的白人运动员中检测与有氧运动能力相关的分子标记，主要考虑红细胞抗原和４种红细胞酶，结果也未发现显著相关性。

1998年，Montgomery HE等[33]研究表明，ACE I/D(插入／缺失) 多态性与运动能力有关。他们在优秀登山运动员中发现 II基因型频率明显高于正常人群，从而认定体能与 ACE I/D 多态性相关。在过去 5年中，与体能及运动相关的遗传学研究论文每年都在递增，新的基因座也被不断地发现。但大多数功能尚未得到确证。ACE I/D多态性的研究表明其与耐力密切相关，但也有研究表明其与耐力相关性并不明显[34]。CKMM是另一个研究较深入的基因，但大量的 CKMM与最大摄氧量的相关性研究[35]，也存在前后的不一致，褒贬不一。

以上这些基因和基因座均有其特定的生理生化功能，但与体能相关的机理尚不清楚。其多态性即便在某些体能表型上具有统计学意义上的相关性，但是否与体能相关还需要进一步分析。目前从生理生化功能的研究结果来看，ACE和 CKMM两个基因与体能相关的可能性较大，但其主基因效应并不明显。而其他一些基因的与体能相关的研究论文非常少。目前这类研究有些在实验设计上不够合理，也有些研究比较粗糙，无重复性或重复性差。此外大多数研究因样本量少而无法保证结果的可靠性。这些基因的详细功能及相关研究将在另篇综述中进行详细讨论[51]。近年来随着基因组学的发展，QTL位点在人类多基因性状的研究中受到越来越多的关注，其有可能成为今后研究的一个有效手段。

遗传学的实验往往以找到主基因效应为目的，但是对于体能表型这样复杂的性状是否存在主基因效应？是否是由多个微效基因相互作用？目前尚无定论。若存在多个微效基因相互作用的遗传模型，这种相互作用是通常的累加模型吗？是否存在 1+1大于 2或者 1+1小于 2的情况？而基因之间的相互作用是否有包含或相交的遗传模型？包含是指 A基因作用和 B基因作用相同，但 A的作用强于 B，只有在 A突变的情况下 B的作用才会表现出来。相交是指 A基因作用和 B基因作用部分相互重叠，两者共同作用并不明显表现出比单一基因作用更强的作用模式。包含或相交的遗传模型只是假设，并无实验验证。体能遗传即使存在主基因效应，这一主基因也绝不可能是简单的完成专一生理功能的表达单一蛋白质的基因座，而极有可能是某一调节基因。因此以往研究设计上的缺陷在于，虽然人们都在尽力排除环境因素的影响，但无法避免所研究的某一特定基因之外可能还有一组基因与这个基因相互作用，正向调节或负向调节；在试验中另一个难题是对世代之间共享的家庭环境因素与遗传因素无法明确区分，这些均可能掩盖所研究基因的真正效应。特别是以不同人群的混杂群体作为研究对象，如来自不同地区、不同籍贯的人，其研究结果无相关的可能性极大，反倒是小样本的单一群体，由于遗传背景基本一致而容易得到所研究基因的阳性结果。所以实验中需要从三方面考虑试验的整体设计：

1 通过小样本量单一群体确定于特定功能相关的候选基因功能组； 2 在某一特定的大群体中对候选基因定型，考虑多基因效应对体能的影响，在这一过

程中也不能排除主基因效应； 3 在候选基因或基因座中需要特别关注那些没有明确功能的、可能是调节基因的位点。9 展望：具有特殊体能的个体，如飞行员、宇航员、潜水员、特种部队成员和优秀运动员，都是

经过特殊的和系统的训练，他们除了具有先天的优秀体能及运动能力外，还能够接受刻苦的训练和通过最严密的选拔，并达到超凡的体能表现。在系统培养特殊体能人才的过程中需要耗费大量资金，如果忽略遗传学或生物学上的因素，人员的筛选和淘汰过程可能会导致巨大的人力和资金的浪费。具有特殊体能人才的系统训练表明，并不是所有的人都能通过后天的刻苦努力而达到超凡的体能指标或者创造优秀成绩。生物学、生理学、心理学等因素已经被确证有着群体或个体的差异。尤其是在体育运动中，顶尖的运动员决不是偶然产生的，他们所达到国家级和世界级的运动成绩也决不可能仅仅靠后天的努力。直至上个世

纪中叶，不具有先天优势的个体还可能靠后天的努力，在某些运动项目中取得国家级或世界级的运动成绩，这主要归因于当时的选材条件宽松，竞技水平也相对较低，体育运动所表现的成绩与人类的运动极限还有较大距离。但是，当今的体育竞技水平已经提升到几乎只有具有先天能力的个体，经过系统科学地训练才能达到世界级的状态水平。而具有这种先天体能的人才的选材方法，随着生命科学尤其是分子生物学和分子遗传学的进步及运动科学的发展，可能会发生巨大改变。当然，仅依靠特定的“体能基因型”也不可能对谁将成为候选人的预测提供正确答案，因为还存在很多影响体能的其他因素。但至少可以肯定地说，遗传基础是特殊体能者的必要条件。

10 结束语：体能的表型性状是不能用简单的孟德尔性状模型来解释的，因为大部分性状在家系

分析中没有检测到过与体能相关的孟德尔遗传方式的基因分离，而且基因型的作用可能会被非遗传因素所削弱或掩盖。而传统的数量遗传学是通过外在性状的量化建立遗传模型，预测基因型，从而建立基因型与表型的关系，但在基因型与表型的之间形成黑箱。在对人类基因组已有深刻认识的基础之上，在人类遗传学的研究中应逐渐过渡到以基因组型为输入，以表型性状为输出的遗传控制模型，从而使黑箱逐步打开，体能的研究也应遵循这一思路。但是在体能研究中我们要充分意识到，体能由复杂的多因素决定，除遗传因素之外社会、行为、生理、代谢等许多其他因素均可以影响体能，因此体能遗传学研究必须满足以下条件：

1、具有严谨的理论概念框架基础; 2、对各种体能表型的标准化测定及数据的检验； 3、采集不相关人群、纯家系及其扩展宗族的样本，进行合理分组； 4、建立真正的随机人群对照机制，尽量排除环境因素对于遗传学研究的影响。 5、必须区分“必需”基因和“易感”基因两个概念，尤其是要弄清易感基因的概念。参考文献(References)： [1] Lortie G, Simoneau J A, Hamel P, Boulay M R, Landry F, Bouchard C. Responses of

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肾上腺糖皮质激素与生物钟

倪银华，吴涛，王露，夏李群，张丹萍，傅正伟浙江工业大学生物与环境工程环学院，浙江杭州 310032

摘要：由生物体内源性生物钟所产生的昼夜节律是近年来生命科学的研究热点之一。哺乳动物中的昼夜节律系统由位于下丘脑 SCN核内的主钟和位于多数外周细胞中的子钟组成。生物钟基因及其编码的蛋白质组成反馈回路,维持振荡系统持续进行并与环境周期保持同步。光照和食物是生物钟重要的授时因子，光照刺激能引起肾上腺中基因表达变化以及糖皮质激素的分泌，而肾上腺糖皮质激素能减缓由食物因子引起的外周生物钟时相的移动可见，肾上腺糖皮质激素与生物钟有着非常密切的关系。本文综述了两者的相互影响并对今后的研究方向做了展望。

关键词：糖皮质激素; 肾上腺; 生物钟; 生物节律 Advances in interactions between glucocorticoid hormones and circadian clock

NI Yin-Hua, WU Tao, WANG Lu, XIA Li-Qun, ZHANG Dan-Ping, FU Zheng-Wei College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology,

Hangzhou, 310032, Zhejiang, China

Abstract: Circadian rhythm, which is internally generated by cell autonomous biological clocks, has been greatly concerned in recent years. This circadian system in mammals is composed of a master pacemaker in the suprachiasmatic nucleus (SCN) of the hypothalamus and slave clocks in most peripheral cell types. The clock genes and their coding proteins compose the feedback loops of the circadian system. Light and food are two major Zeitgebers to set circadian clocks. It has been known that light can induce clock gene expression and glucocorticoid release in the adrenal gland, while glucocorticoid can slow down the food-induced phase-shifting of peripheral circadian oscillators, suggesting that a close relationships may exist between glucocorticoid and the circadian clock. This article briefly reviews the recent progress in the interactions between them and suggests the direction of the future research.

Keyword: glucocorticoid； adrenal gland； circadian clock； biological rhythm

基金项目：浙江省自然科学基金(编号：Y204240),，浙江省新苗人才计划项目(编号：2007G60G2020059)资助 [Supported by Zhejiang Provincial Natural Science Foundation (NO. Y204240), Natural Science Foundation of Zhejiang Province for Distinguished Young Students (NO. 2007G60G2020059)]

作者简介：倪银华(1985—)，男，汉，浙江杭州，学生，本科在读，研究方向：生理调控。Tel：0571－88320742；E-mail：[email protected]

通讯作者：傅正伟(1963—)，男，汉，浙江杭州，教授，博士，研究方向：生理调控。Tel：0571－88320599；E-mail：[email protected]

昼夜节律是自然界最普遍的一种自然现象，它的存在使生物体的生理、生化、行为等生命现象表现为以大致 24h为周期的振荡。昼夜节律发生的物质基础是分子计时器，即昼夜节律生物钟 (circadian clock) 。它由一组特异的核心元件组成，包括Clock、Bmal1、Pers、Crys、Tim等基因及其相关蛋白产物[1]。在高等的多细胞生物中，生物钟可以分为母钟(中枢钟)和子钟(外周生物钟)，哺乳类动物的母钟已被定位于下丘脑前部的视交叉上核(suprachiasmatic nucleus, SCN)，由此发出的信息控制机体的行为和生理节律，包括运动、睡眠、体温和许多内分泌等全身的节律活动。子钟位于外周组织(如肝脏、心脏等)细胞内，调控效应器的节律。外源光信号的强弱变化通过视网膜 -SCN-松果体之间各种信号的相互联系，形成一个统一协调的昼夜节律整体振荡系统。正常情况下，母钟可以通过各种神经信号和体液信号控制子钟，使两者的时相与外界环境保持一致，即母钟与子钟是偶联的。子钟也可能与母钟解偶联，例如在肝脏和胃中，食物的摄入就可以调节它们中的振荡子的节律[2]。在自然状态下，生物钟接受外界光-暗、食物和温度等环境信号，调整自身的时相，与外界环境保持同步[3,4]。但是，生物体内不同的生物钟受到不同环境信号的影响亦有差别，研究人员发现哺乳动物位于 SCN的母钟受光-暗信号的影响比较强烈，而对食物信号的影响不敏感；相反，位于其它部位(如心脏、肝脏等)的子钟却更容易受到食物信号的影响。当环境信号发生改变时(如光-暗信号和食物信号发生不同步的变化)，生物体内部时间与外部时间信号之间就会产生时差，即生物钟的“错点”，同时生物体内部各生物钟之间也会产生时差(如母钟和子钟之间的错点)。这种时差将造成生物体内一系列生理紊乱、功能失调等不良生理反应。

1 生物节律的产生机制

生物体的昼夜节律是内在固有的，具有内源性的特征。当外界环境的节律信号消失时，机体自身的昼夜节律仍然存在，即机体表现出内在的固有的节律特征，称为自由运行节律(free running rhythm)，简称自由节律。一般来说，自由节律的周期不正好为 24小时，而为24小时左右，如小鼠为 23.8小时，人为 24小时多一点。生物节律系统能够接受外界环境的信号，通过时相重置效应，调整内源性的生物节律，使之适应外界环境的变化。

尽管不同种属生物的节律系统的组成有很大的不同，但生物节律的产生机制却极其类似，均由一系列称为节律基因的转录和转录后调控所产生的分子振荡引起。生物节律的自律振荡由多个负反馈环组成，在昼夜振荡反馈回路中，正性成分(positive element)启动生物钟基因，使之进行表达，包括 CLOCK/BMAL1等蛋白因子；负性成分(negative element)阻断正性成分的作用，使表达减弱或停止[5]，包括 CRY、PER等蛋白因子。其中有两个环路是最主要的: (1)转录因子 CLOCK和 BMAL1通过 bHLH-PAS结构域形成异二聚体，结合到节律基因 Per1-3和 Cry1-2上游启动子的 E盒，从而激活基因转录，其表达产物 PER和 CRY系列蛋白从胞浆转移至核内，PER和 CRY蛋白可作为负性元件，与 CLOCK和/或 BMAL1直接作用，抑制 CLOCK-BMAL1的活性，从而抑制 Per1-3和 Cry1-2的转录。(2)CLOCK和 BMAL1异二聚体在激活 Per和 Cry系列基因转录的同时，也激活孤儿核受体 Rev-Erbα基因转录，其表达蛋白 REV-ERBα可与 Bmal1启动子结合，阻遏 Bmal1的转录。由于基因转录和蛋白入核需一定时间，使生物节律分子振荡的周期正好维持在 24小时左右。这种分子振荡不但使许多节律基因如 Per1-3和 Cry1-2等的表达呈现生物节律，而且使 CLOCK和 BMAL1异二聚体的转录活性也具有生物节律的特征。目前研究认为，也正是 CLOCK-BMAL1异二聚体通过调节和控制下游的钟控基因(Clock controlled genes, CCGs)，使其呈现节律性表达，从而使生物节律的节律信号得以输出。

2 糖皮质激素及其生理作用肾上腺皮质激素(adrenocortica hormones)是肾上腺皮质所分泌的激素的总称，属甾体

类化合物，包括糖皮质激素和盐皮质激素等。糖皮质激素(glucocorticoids，GC)由束状带合成和分泌，有氢化可的松(hydrocortisone)和可的松(cortisone)等，其分泌和生成受促肾上腺皮质激素(ACTH)调节。正常情况下，每人每天分泌糖皮质激素的量约在 10-30毫克之间，分泌进入血液中的糖皮质激素可以和糖皮质激素结合球蛋白(CBG)以及白蛋白相结合，但以与CBG结合为主。因此血液中含有结合型和游离型两种糖皮质激素，相互转化发挥着缓冲调节作用，但只有当结合型糖皮质激素转化成游离型糖皮质激素时，才能进入细胞发挥其生理效应。人体糖皮质激素分泌有明显的昼夜规律，并具有自主性，早晨 8时左右，糖皮质激素分泌达到高峰，此时血液中糖皮质激素浓度最高；夜间 12时左右，血液中的糖皮质激素浓度降至最低点。在机体遭受突然打击(刺激)的应激情况下，糖皮质激素分泌量可达基础值的10倍(约 300毫克)以上。

糖皮质激素作用广泛而复杂，对维持机体的正常生长发育及内环境的稳定等几乎所有的生理过程都具有重要的调节作用。正常生理情况下所分泌的糖皮质激素主要影响物质代谢过程，具有调节糖、脂肪和蛋白质的生物合成和代谢的作用，超生理剂量的糖皮质激素则还有抗炎、抗免疫等药理作用。糖皮质激素广泛的生物学效应主要是由糖皮质激素受体(glucocorticoid receptor, GR)介导的，它在大多数外周组织中都有表达，而在 SCN中没有表达[6,7]。糖皮质激素有胞内受体(intracellular glucocorticoid receptor, iGR)和膜受体(membrane glucocorticoid receptor, mGR)两种存在形式，目前普遍认为糖皮质激素通过 iGR介导的基因组机制(genomic mechanisms)发挥作用，iGR是一种配体依赖性的转录调节因子，与配体结

合后，活化的 iGR以同源二聚体的形式与靶基因上游调控区中的糖皮质激素反应元件(glucocorticoid response elements, GREs) 结合，通过调节靶基因的表达导致生物学效应[8]。此外，iGR还具有自身调控机制。当 iGR与糖皮质激素结合后，iGRmRNA和蛋白质水平均会呈不同程度的下调；并且 iGR-糖皮质激素复合物与靶基因结合后，还会导致效应细胞的核染色质结构发生变化，使靶基因 GREs数目减少，从而下调 iGR的 DNA连接活性。此外，糖皮质激素还存在着mGR介导的非基因组机制(non-genomic

mechanisms)，业已证实，糖皮质激素介导的快速效应(如膜通道的开放等)与mGR密切相关[9]，可能是通过选择性mGR介导所产生的生理和药理作用，在行为效应、应激反应、对下丘脑-垂体的促肾上腺皮质激素分泌产生负反馈及抗过敏中起作用[ 10,11]。

3 糖皮质激素与生物钟的相互影响3.1糖皮质激素对生物钟的影响糖皮质激素对生物钟有着重要影响。研究表明，SCN必须周期性的调整外周生物钟，

以防止肝脏、心脏、胰脏等外周组织中生物钟基因表达量的减少，但是 SCN对外周组织中生物钟的调控机制目前还不清楚。机体内引起生物钟基因表达量发生变化的信号有很多，如糖皮质激素受体[12]、维甲酸受体(Retinoic acid receptor)和维甲类受体(Retinoid X receptor)、钙离子以及使激酶 A、激酶 C或激酶MAP活化的化学物质[13-16]，而且其中一些信号还可以引起外周生物钟基因表达时相的移动[13]。在对人的生物钟研究中发现，糖皮质激素能有效抑制 SCN母钟的生物钟信号输出途径中的钟控基因 AVP的表达，从而影响母钟的生物钟信号的输出[17]。不仅如此，糖皮质激素还能有效影响外周组织中生物钟基因以及钟控基因的表达[12,18]。Balsalobre研究证明，地塞米松作为糖皮质激素受体的兴奋剂，在不同时间注射可引起小鼠外周生物钟时相的前移或延后。而肝脏生物钟基因表达的时相在糖皮质激素受体缺陷型与野生型小鼠中是完全一样的[12]，这说明糖皮质激素受体并不是肝脏生物钟基因表达与 SCN同步所必需的，SCN和肾上腺之间可能还存在着除了受体之外其它通路和信号调控分子。由此可知，糖皮质激素是参与内部生物钟网络调控的有效信号之一。

在小鼠实验中，将喂食时间由晚间改到白天，肝脏等外周组织中生物钟时相随之完全颠倒，但与主钟完全解耦联需要几天的时间[19]。研究发现，改变喂食时间后，外周生物钟时相的缓慢重置不是由生物钟本身的惯性引起的，而是通过与时相快速重置有关的信号(如糖皮质激素信号等)调控来实现的。在没有糖皮质激素或其受体的情况下，喂食时间的改变可以使外周生物钟的时相在较短时间内重置，例如在改成白天喂食的第二天，正常小鼠肝脏中的基因表达时相只移动了 4个小时，而摘除了肾上腺的小鼠中基因表达的时相已经基本恢复过来 [20]。综上所述，糖皮质激素的作用是有效促进外周生物钟与母钟的偶联，而当外界信号干扰外周生物钟时它有效的减缓外周生物钟时相的重置速度。

糖皮质激素分泌是周期性的，它是由 SCN通过下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA)和其它路径[21]控制的。据报导，正常光周期下小鼠和大鼠糖皮质激素分泌量在暗明转变时最低，在明暗转变时最高[22]，因而只有一个峰。然而，改变喂食时间后，糖皮质激素的分泌有两个峰，第一个峰是受喂食时间影响的，即在白天喂食开始时（暗明转变时）出现；第二个峰与正常的分泌情况类似，也是在明暗转变时达到峰值[20]，它可能主要是由 SCN控制的，因为其在外周生物钟时相几乎完全颠倒的情况下分泌时相也几乎没有改变。以上实验现象表明，外界食物信号的改变可能是通过影响糖皮质激素的分泌方式来调控外周生物钟的，即改变的食物信号引起了第一个峰的出现；而生物体内部的母钟 SCN同时也在控制着各个子钟的时间，使糖皮质激素仍然保留了第二个正常峰，并使各个子钟的时间与母钟继续保

持一致而不受外界干扰。由此可见，糖皮质激素分泌的这种调控方式正是 SCN实现对外周生物钟控制的一种有效途径。

3.2生物钟对糖皮质激素的影响生物钟系统功能的完整性对糖皮质激素的节律性分泌也有着重要影响。Per和 Cry基

因是生物钟基因中的核心基因，在负反馈环路输出的 PER和 CRY对维持生物钟功能是必需的。当 Per和 Cry或 Cry基因被敲除，小鼠会立刻在行为上表现无节律变化[23-27]。基因缺陷型的 Per1Brd小鼠在连续黑暗的情况下自发节律缩短，而在连续光照的情况下自发节律延长，相反，Per2Brd小鼠在连续几天的黑暗后自发节律消失，在连续光照下还有较短的自发节律。此外，Per1Brd和 Per2Brd小鼠在光照刺激后时相移动方面的能力明显下降[28-31]。由此可见，Per和 Cry基因对生物钟有着显著的影响，它是生物钟系统发挥作用必不可少的。

研究表明，与野生型小鼠相比，Per1Brd和 Per2Brd小鼠中与 HPA兴奋性有关的生理参数表现出显著的不同。通过对糖皮质激素含量的测定发现，Per1Brd小鼠中 HPA的兴奋性已经明显改变，在野生型和 Per2Brd小鼠中，糖皮质激素的分泌在一天中仍然保持原有的波动规律，即在黑暗之前达到峰值而在光照之前达到谷值，这种节律已经通过对血液或排泄物[32-34]的检测在很多研究中都有报导。而与此大不相同的是在 Per1Brd小鼠中这种节律消失，无论在白天还是黑夜糖皮质激素的分泌都保持较高的水平。这种现象非常奇怪，因为 Per1Brd小鼠在光照-黑暗交替条件下并没有反常的行为方式，而且排泄物的量与野生型和 Per2Brd也无很大差别[35]。但是进一步研究表明这种节律消失的现象在 Per2Brd/Cry1-/-小鼠中也存在，而其糖皮质激素分泌却持续保持在较低水平[36]。因此，糖皮质激素的分泌节律在一定程度上与生物钟的完整功能有关。

4 光照对肾上腺基因表达及糖皮质激素分泌的影响光照是母钟最重要的授时因子，哺乳动物中，视网膜细胞接受光信号，并将之转化

成神经信号传递到 SCN，从而使生物钟与环境保持同步。在肾上腺中，夜间光照暴露 60-120分钟后作为生物钟核心基因的 Per1基因表达达到最大值，而其它内脏器官如肝脏和肾脏等器官中，Per1基因表达都没有显著的变化[37]。由此可见，在外周组织中光刺激可特异性的引起肾上腺 Per1基因表达。光照还可引起肾上腺中其它很多基因表达变化。研究人员通过对持续黑暗环境中的小鼠进行强光刺激，一个小时后用 DNA芯片技术检测肾上腺中的基因表达情况，发现有 156个基因表达上调，39个基因表达下调，表达量至少发生 1.4倍的变化，而且大量基因（包括很多生物钟基因）表达主要发生在皮质层[37]。光照的影响还表现在肾上腺交感神经的兴奋上，在夜间进行白光刺激后肾上腺交感神经兴奋增强，在 60-120分钟后达到峰值，并且随光照强度的不同而不同；而在白天进行同样的光照刺激几乎没有效果。

同时，光照刺激也可以改变糖皮质激素短期内的分泌量，而且这种分泌量的增加不是由于促肾上腺皮质激素分泌量增加引起的。肾上腺处于激素调控和神经调控的交接点，接受来自下丘脑－垂体－肾上腺轴的促肾上腺皮质激素的刺激和内脏器官神经的交感神经节前调控，节律性的分泌糖皮质激素。在小鼠实验中，通过对光照刺激后血液中糖皮质激素和促肾上腺皮质激素含量的检测发现，糖皮质激素在光照刺激后最初的 30分钟内几乎没有改变，但是 60-120分钟时显著上升，在 180分钟后恢复到基础水平。这种激素水平的升高不是由于糖皮质激素周期分泌影响的，因为研究人员发现在光照刺激后 60分钟血液中糖皮质激素的含量是正常情况下的 4倍左右，而促肾上腺皮质激素水平在整个过程中几乎没有变化[37]。另外通过对动物进行强制游泳后发现，糖皮质激素和促肾上腺皮质激素的分泌

量都迅速上升，此时，糖皮质激素分泌突然增加是由促肾上腺皮质激素引起的。因而两种情况下，糖皮质激素的水平的上升是受不同机制调控的，光照引起的糖皮质激素分泌量增加可能是受生物钟系统调控的。

研究表明，肾上腺交感神经的兴奋增强与糖皮质激素的分泌增加在时间上的一致性说明肾上腺对光照的反应可能是经过 SCN-交感神经系统的[37,38]。根据以上实验结果，产生上述现象的原因可能是光照刺激使 SCN中的生物钟基因表达时相发生移动，造成母钟与子钟的“错点”。然后，SCN可能首先通过交感神经信号使肾上腺皮质内的生物钟基因表达发生变化，即 SCN首先与肾上腺生物钟耦联。这就造成了光照刺激后短时间内 Per基因在肾上腺中的表达量升高，而在其它外周组织中没有显著变化。肾上腺生物钟的基因表达引起了糖皮质激素短期内的分泌发生变化，这种糖皮质激素信号的改变随后作用于其它外周组织，使它们与 SCN保持时相同步。

5 光照、食物、糖皮质激素和生物钟之间的相互关系在正常情况下，外源光信号通过视网膜传递到 SCN，调节 SCN的时相，然后 SCN通

过神经和体液信号传递到外周组织，使之保持同步偶联；而当食物信号发生异常改变时，可引起外周生物钟和 SCN母钟的解偶联。肾上腺糖皮质激素作为体内母钟调控子钟的有效信号之一，在正常情况下它促进了母钟与子钟的偶联；在食物信号发生异常的变化时，它能有效减缓外周生物钟与母钟解偶联的速度。然而，其具体调控机制以及各种神经和体液信号在此过程中的作用尚不明了，有待进一步的研究阐明。

6 结束语与展望随着科学科技的进步，对生物钟的研究也越来越深入，但是由于其分子机制相当复

杂，完全解明其调控机制还有待于更进一步的研究，而且生物钟对全身各系统的功能都会产生影响，但是其影响方式及途径亦不十分清楚。肾上腺是机体中非常重要的腺体，它产生的各种激素对维持机体内环境的稳定，促进机体生长发育等方面都起着重要作用，其分泌的糖皮质激素不仅在生物合成和代谢过程中起着重要作用，而且还有抗炎、抗免疫、抗休克等药理作用。糖皮质激素在参与体内生物钟调控方面的作用是近年来研究的最新热点，本文概述了糖皮质激素在调控外周生物钟的基因表达、作用途径及其自身的分泌调控方式等方面的研究进展，这不仅有助于进一步阐明体内生物钟网络的调控机制，而且为将来在生物钟紊乱治疗方面的研究提供了新的方向。参考文献 [1] King DP, Takahashi JS. Molecular genetics of circadian rhythms in mammals. Annu Rev

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新型定点重组酶系统在植物基因转化和基因叠加中的应用前景

周银 1，王跃驹 2，王瑛 1 1．中国科学院武汉植物园，武汉 430074； 2．Department of Pediatrics, Weill Medical College of Cornell University, New York, NY

10021, USA

摘要: 定点重组转基因技术是调节外源基因表达，提高转基因效率的重要手段之一。核苷酸的重组反应介导基因之间的易位、倒位、删除和整合，从而影响基因在不同组织器官和不同发育阶段的表达。将位点特异性重组系统应用在转基因技术中，不仅可以用来在短时间内获得大量结构正常，表达稳定的转化植株，提供育种新资源，还可用于高效鉴定新基因的功能。基于定点重组的基因叠加技术使转基因作物向复合型性状聚合体的方向发展加快了新品系的研发进程，将为我国转基因作物的研发提供新的技术思路。

关键词: 转基因；定点重组；基因叠加 Application prospect of new site-specific recombination systems in gene transformation

and gene stacking

ZHOU Yin1, WANG Yue-Ju2, WANG Ying1

1． Wuhan Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430074, China 2． Department of Pediatrics, Weill Medical College of Cornell University, New York, NY

10021, USA

Abstract: Site-specific recombination technology provides an important means for regulating transgene expression and improving efficiency of gene transformation. This technique can lead to the translocation, inversion, deletion, and integration, and the expression of the affected genes can be manipulated in different tissues and organs at different developmental periods. Using site-specific recombination system in gene transformation, we can not only acquire plenty of transformants with precise structural fidelity and faithful expression, but also understand the function of new genes efficiently. Gene stacking technology based on the site-specific recombination can produce transgenic crops with good complex traits, which will accelerate the process of research and development of elite cultivars and provide technical support for the exploration of transgenic crops in China.

Keywords: transgene; site-specific recombination; gene stacking

收稿日期：2007-08-09; 修回日期：2007-09-06 基金项目：国家自然科学基金（30570172）、武汉市晨光项目（20045006071-34）和

中国科学院百人计划项目资助 [Supported by the National Natural Science Foundation of China

(30570172), Wuhan Chenguang Project (20045006071-34) and 100 Talents Program of Chinese Academy of Sciences]

作者简介：周银（1983-），女，湖北人，硕士研究生，专业方向：植物学。Tel: 027-87510024；E-mail: [email protected]；

共同第一作者：王跃驹（1972-），男，山东人，博士，研究方向：分子技术和分子生物学。Tel: 212-746-3955；E-mail: [email protected]

通讯作者：王瑛（1973-），女，山东人，博士，研究员，研究方向：植物分子遗传学和比较功能基因组学。Tel: 027-87510675；E-mail: [email protected]

1 转基因技术发展的现状转基因技术是将外源基因导入到生物体基因组中，其目标是利用优良基因进行遗传

改良，从而获得人们所需要的高产优质的品种[1]。目前，随着转基因技术的日臻完善，许多转基因作物已投入大田生产，如：棉花、玉米、油菜、大豆、小麦等。自 1996年开始实现商业种植以来，全球转基因作物的种植面积正在逐年增加。根据国际农业生物技术获取与应用协会 2006年统计的数据表明：发展中国家的转基因作物种植面积及其增长率（700万公顷，21%）明显高于工业化国家（500万公顷，9%）；而且全世界在 2006年转基因作物种植面积超过了 1亿公顷，其中美国仍然是种植面积最大的国家，中国排名第六 [2]。转基因作物不仅为各个国家的经济增长做出了巨大贡献，而且由于杀虫剂和化学农药用量的削减在减轻环境污染方面也有着卓越的成效，英国著名经济学家 Nicholas Stern 爵士在《气候变化经济评价》中也指出转基因作物可以减少温室气体的排放[3]。

随着转基因技术的快速发展，转基因食品也进入了消费市场，人们可以通过转基因技术改造生物的遗传基础，使其在性状、营养品质、消费品质等方面向人类所需要的目标转变。面对越来越多的转基因食品，消费者的态度并非一致，对转基因食品的安全性问题质疑颇多。而这些安全性问题都是由传统转基因技术的瓶颈问题所决定的：第一，转入的基因除了靶基因，还有选择标记基因。而这些选择标记往往是抗生素抗性基因，这些基因进入可食部分后，对人类健康的长期影响效应仍然未知，有可能通过人体大肠内的细菌进入人体，使人体对抗生素产生抗性[4]。但是也有研究表明 DNA从植物细胞中释放出来后会很快降解，不会对人体健康造成危害[5]；第二，转入的外源基因如果是抗除草剂等抗性基因，当转基因植物与杂草杂交后，使后者也具备了抗性特征，达不到改良转基因性状的目的[6]；第三，转入的外源基因由于组织培养、整合位点、转基因残余、或遗传突变等原因造成其表达不稳定[7]，可能发生基因沉默、超量表达，甚至转基因个体发生畸变，这些性状一旦遗传到后代，可能对生态环境和物种进化产生很大的影响[8]。因此，亟需研究开发出新型高效安全的转基因的方法，既能将外源基因导入到基因组的特定位点，使其稳定高效地表达，又能避免通过花粉等途径引起基因漂流，以开发转基因作物的巨大市场潜力。

为了满足市场对高产、优质、高抗优良品种的需求，目前国际上的转基因技术正在从单基因转导向多基因复合性状转基因作物转变，使获得的一个转基因个体同时具有多种优良性状，如同时抗病、抗虫、耐旱、耐盐和高产等[9]。因此，基于定点重组技术基础上的基因叠加技术应运而生[10]。基因叠加技术是在特定位点插入第一个外源基因时，同时附带一个插入位点，这样在插入第二个基因时，能迅速与前一个基因后面的插入位点识别并整合进去，依次叠加，可以获得在一个位点同时累积多个外源基因的转基因个体。特定位点的基因叠加技术不仅可以减少转基因的随机性，保证外源基因稳定高效的表达，还可以多次利用同一特定插入位点，降低插入位点对外源基因的影响，并将多个优良性状逐个逐次累加到单一个体中[11]，实现优良品种中多个外源基因的高效叠加，以缩短新品种的研发和市

场化时间。2 定点重组 (Site-specific recombination) 系统及其优点2.1 定点重组系统简介对于基础科学研究来说，将复杂的基因结构随机整合到植物中，只要转入的外源基

因能稳定表达并遗传给后代，能够进行基因功能的研究即可。但是对于经济作物的转基因改良而言，则需要在获得的转基因植株中筛选出不仅能稳定表达，而且导入的外源基因只有一个拷贝或者接近一个拷贝的植株，以保证结构上和功能上的稳定性[11]。利用随机插入和整合的转基因技术，筛选优良株系是非常烦琐的过程，而且费时费力，转基因技术的最新突破在于通过高效定点重组反应介导外源基因在特定位点的导入或删除，并进行稳定表达和遗传[12]。

植物中已被应用的定点重组系统有 3种：大肠杆菌噬菌体 P1的 Cre/lox[13]重组系统、酿酒酵母 2μm质粒的 FLP/frt[14]重组系统和接合糖酵母的 pSR1质粒的 R/Rs[15]重组系统。位点特异性重组系统包括重组酶和一段能被该酶识别的 DNA序列。Cre/lox重组系统中的 DNA识别序列大小为 34 bp，非对称的间隔序列(8 bp)两侧各有一段对称的反向互补的序列 (13 bp)。重组酶与该序列特异性结合，介导间隔序列处 DNA双链的交换，从而发生重组。间隔序列的方向将决定两个重组位点间的间隔序列是被删除还是发生倒位[16]。

除了以上 3种重组系统之外，还有两种不可逆的重组系统[17]，一是 β-six和 γδ-res重组系统，该重组系统具有相同的重组酶识别位点，但是只能催化 DNA片断的删除，而不能催化 DNA的整合，因此重组反应是不可逆的。另一种是 phiC31,TP901-1,λ,Bxb1等重组系统，该重组系统最大的特点是识别两个不同的重组位点(attB和 attP)，重组反应发生后产生两个与原来不同的位点 attL 及 attR；而重组酶不能催化新生成的位点间的重组反应，说明该重组系统介导的反应也是不可逆的。最近研究表明 phiC31重组系统中的 Int重组酶，除了能将外源 DNA整合进靶基因组外，还能有效删除质体基因组中的标记基因[18]。由于 attB和 attP位点为非同源序列，phiC31重组系统介导的删除作用更稳定且不可逆。

2.2 定点重组系统的优点定点重组技术体系的优点主要体现在以下六个方面：（1) 特异性的外源基因整合位点。定点重组技术可以避免大量的筛选工作[19]，一旦

发现某个合适的靶位点，该位点就可以被重复使用，保证导入的外源基因在目标位点插入和表达，而且受插入位点的调控序列调控[12]。这样既能避免随机插入位点对内外源基因的影响，又能更加稳定地表达外源基因。

（2) 删除标记基因。在选择标记基因两侧插入两个同向的重组酶识别位点，介入重组酶之后，删除作用发生的同时，选择标记基因也随之删除[20]，解决了转基因技术由于选择标记基因而引起的安全性问题。例如：构建含有 lox位点的载体时，在特征基因和选择标记基因之间也插入一段重组位点序列，Cre重组酶通过识别相近的两个 lox位点，催化重组反应，使标记基因得以删除[21]。

(3) 获得单拷贝或者接近单拷贝的外源 DNA。转基因技术在导入外源基因时，常常在靶位点产生多个拷贝，而多拷贝的转基因又会导致功能和结构的不稳定[22]。通过世代杂交减少转化株中基因拷贝数的几率比较小，采用位点特异性重组系统导入外源基因则可以解决该问题。如图 2所示，多拷贝转基因最远端的重组酶识别位点，在重组酶的催化作用下发

生重组，最终留下一个单拷贝的转基因和一个残余的重组酶识别位点。 (4) 外源基因在不同株系中的定点易位交换(transgene translocation)。经济作物基因工

程改良需要将有用的基因转化到生产栽培品种中，但是很多栽培品种的转基因体系复杂且效率低[23]。目前一般先在基因转化效率高的实验室品系中筛选出结构完整，表达良好的株系再与大田栽培品种进行多次（大约 6～10次）回交，将外源基因转移至栽培品种当中。回交过程冗长且将外源基因与选择标记基因同时转移至栽培品种中，影响其生物安全性能。定点重组技术可以通过外源基因在不同株系中的定点易位交换过程，将外源基因准确高效地转移至栽培品种中[11]。在构建植物载体过程中，在外源基因两端分别加上反向 loxP序列，实验室转基因株系与大田栽培品种进行杂交时，同时引入 Cre重组酶。重组酶将催化染色体之间的定点重组，将实验室植株中的外源基因成功转入到栽培品种的染色体中，然后通过基因分离技术筛选出纯合的栽培品种植株，同时去除选择标记基因。

（5) 多次重复使用同一特定位点进行基因叠加(gene stacking)。目前建立的基因叠加技术利用噬菌体和细菌 DNA发生重组交叉的特异位点 attP和 attB位点，将后续基因逐一重组到同一特定位点，再由可逆的重组系统将同时转入的非必需基因（如：选择标记基因）删除，从而达到基因叠加的效果[11]。该特点为多基因复合性状的转基因技术提供了理论依据。

（6) 特定组织器官或发育时期删除转入的外源基因。转基因作物中外源基因转化位点包括外源基因的 DNA片断及两侧的重组酶识别位点。当植物发育进行到某个特定的阶段，或者在某个特定的组织器官内，重组酶可以诱导重组反应的发生，删除两个重组酶识别位点间的外源基因片断[11]。例如，在特异性发育阶段（如花粉形成时期）外源基因的删除，重组酶在花粉中特异性表达，从雄配子中删除外源 DNA片断，从而避免外源基因对环境产生负面影响，提高转基因作物的生态安全性。

3 新型定点重组酶系统的探索为了给植物遗传修饰提供更多的 DNA调控工具，研究人员正在探索更多的原核生物

重组系统，并在酵母和植物中进行实验检测。就重组系统介导的删除作用来说，有 4种 DNA删除系统：CinH，ParA，Tn1721和 Tn5053，它们是小丝氨酸解离酶亚家族的成员。CinH重组系统来源于 Acetinetobacter质粒 pKLH2,pKLH204和 pKLH205[24]。CinH重组酶有 189个氨基酸，识别 113 bp的 RS2重组位点。ParA系统来源于质粒的操纵子 parCBA [25]，其中 ParA重组酶有 222个氨基酸，识别 133 bp的MRS(multimer resolution site)重组位点。Tn1721重组系统来源于 3.8 kb的 Tn1721转座子，tnpR编码的重组酶有 186个氨基酸，识别 120 bp的重组位点[26]。Tn5053重组系统来源于 8.4 kb的 Tn5053转座子，tniR编码的重组酶有 204个氨基酸，识别两个 176 bp的重组位点[27]。新的位点特异性重组系统不仅具有其他重组系统的基本特征，而且其重组酶的识别位点较长(113～176 bp)，大大降低了重组时与植物体内本身内源序列的重组机率；同时这些小的丝氨酸重组酶不介导整合反应，因此避免了在删除之后将 DNA重新整合到植物基因组中去[17]。

最近发现了 3种新的介导整合作用的重组系统： Bxb1、TP901-1和 U153。Bxb1重组系统来源于Mycobacterium smegmati 噬菌体 Bxb1[28]，Bxb1重组酶有 500个氨基酸，识别位点最小，分别为 39bp和 34bp的 attP和 attB位点。TP901-1重组系统来源于温和性噬菌体TP901-1，TP901-1 重组酶有 485 个氨基酸，可以识别 56bp 和 43bp 的 attP 和 attB 位点[29,30]。U153重组系统来源于 Listeria monocytogenes 噬菌体 U153，U153重组酶有 452个氨基酸，可以识别 57bp和 51bp的 attP和 attB位点[31]。

4 特定位点的基因叠加 (Gene stacking) 技术及其应用前景传统的转基因体系由于耗时长，筛选困难，不同基因间易发生分离或诱发沉默，且

每次转化均需要不同的筛选标记，因而很难反复多次地对同一个体进行外源基因导入。特定位点的基因叠加技术是在定点重组技术的基础上建立起来的一种新的简化的高效安全的转基因方法。定点重组反应在特异性位点插入了目的基因，并在目的基因后端保留一个重组酶的识别位点，而基因叠加技术则利用该识别位点，将含有相应识别位点的第二个外源基因整合进去，植物体中的重组酶识别位点和外源载体中的重组酶识别位点在重组酶的作用下发生交换重组，就可以达到在特定位点进行基因叠加的效果[11]。而且每发生一次重组的同时，选择标记基因也被删除，因此进行第二次重组时，可以使用与前一次同样的选择标记基因，从而降低转基因技术中选择标记基因的负面影响。

特定位点的基因叠加技术可以多次利用同一插入位点，将多个优良性状累加到一个优良品种中，减少外源基因结构的不确定性，并保证外源基因的稳定表达，降低外源基因对基因组中其他基因的影响。同时，大大缩短了新品种的育种年限，加快转基因作物的研发进程。另外，特定位点的基因叠加技术是研究基因家族和同一代谢途径中多个基因功能的优良平台。通过将多个基因整合到同一插入位点，可以系统地比较每个基因的功能，并有效地研究基因间的拮抗和协同作用。

总之，定点重组转基因技术可谓转基因技术上的一个飞跃，不仅能将外源基因准确导入到植物基因组的特定位点，保证其高效稳定的表达，并且能够迅速将外源基因导入到优良品种中。定点重组介导的定点易位交换体系则可以在实验室和栽培品系中引入重组酶的特定识别位点，再利用其定点重组的准确性和高效性将优良的基因易位转入栽培品种，可显著缩短新品系的筛选过程并加速新品系的市场化进程。基于定点重组的基因叠加技术还可以多次重复使用同一特定位点，逐次逐个叠加多个外源基因，快速培育出复合型性状的转基因作物，不仅可以保持外源基因的结构正确性，使其在同一位点稳定表达，降低外源基因对基因组中其他基因的影响，避免基因间的分离和沉默，还可以缩短育种年限，同时基因叠加技术只使用一种选择标记基因，可以保证该技术的生物安全性，减少对生态环境的负面影响。

我国的转基因技术已经进入了国际领先水平，可是我国转基因作物的种植却并不乐观，除了人为因素之外，更多的是消费群体对转基因技术的质疑，因此，只有不断完善转基因技术，提高转基因作物的安全性，才能让转基因作物在我国普遍推广。目前对重组技术的研究还在逐步完善中，不断有新的重组系统被发现和研究，定点重组转基因技术在转基因研究中的优越性不言而喻，它不仅显著提高了转基因技术的安全性和高效性，而且还在新基因功能鉴定方面有着突出的贡献，为后基因组时代的来临奠定了坚实的基础。参考文献 (References):

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新型分子标记——SRAP与 TRAP及其应用

柳李旺，龚义勤，黄浩（南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室；南京农业大学园艺学院，南

京 210095）传统作物育种过程主要依赖于植株的表型选择（phenotypic selection），性状选择效

果难以提高。遗传标记特别是基于 DNA多态性的分子标记在作物遗传连锁图谱构建、重要性状基因标记定位与克隆、种质资源遗传多样性与系统发育分析、品种指纹图谱绘制及遗传纯度检测等方面广泛应用，尤其是分子标记辅助选择(molecular marker-assisted selection, MAS)为育种工作提供了极大方便，可显著提高育种的选择效率与育种预见性。

1 现有的分子标记目前分子标记技术主要有 RFLP、RAPD、ISSR、 AFLP、 SSR、SCAR和单核苷酸多态性

(SNP)、表达序列标签 (EST)等。由于 PCR技术的优点，基于 PCR的标记体系类型多样，应用广泛，但各自的复杂性、可靠性与遗传信息不同。如 RAPD方法简单、成本低，但重复性较差、检测位点不多；SSR多为共显性、重复性好，但位点较少、引物开发成本高；AFLP谱带多，但分析程序复杂、成本高，有时要用到同位素，而且甲基化敏感的限制酶由于基因组 DNA的甲基化可导致“假多态性”产生，识别 AATT位点的MseI酶常会引起一些物种基因组中标记分布不均衡；多数情况下，RAPD与 AFLP标记测序需要克隆，增加了工作量。

2 SRAP标记体系分析原理与方法相关序列扩增多态性(sequence-related amplified polymorphism, SRAP)是一种新型的基

于 PCR的标记系统，由美国加州大学蔬菜作物系 Li与 Quiros博士于 2001年提出，又叫基于序列扩增多态性（sequence-based amplified polymorphism，SBAP）。

2.1 SRAP标记引物设计原理引物设计是 SRAP分析的核心。SRAP标记分析共有两套引物。在一组正向 SRAP引物中

使用“CCGG”序列，其目的是使之特异结合可译框（ORFs）区域中的外显子。研究表明外显子一般处于富含 GC区域，如拟南芥 2和 4号染色体的全序列中，外显子 CG比例分别为46.5%和 44.08%，而内含子中则为 32.1%和 33.08 %；而且除着丝粒区域有较低基因密度外，基因几乎平均分布在这两个染色体上。从 GenBank中随机选择 20个 BAC序列，发现约 66%的 CCGG序列位于这些克隆中的外显子内。据统计，拟南芥约 1/3基因组外显子位于 2、4号染色体上。运用 CCGG序列就可特异扩增出包含这些组分的序列。

当然，由于外显子序列在不同个体中通常是保守的，这种低水平多态性限制了将它们做为标记的来源。由于内含子、启动子和间隔序列在不同物种甚至不同个体间变异很大，富含 AT的区域序列通常见于启动子和内含子中，SRAP中使用的反向引物的 3′ 端含有核心AATT，以特异结合富含 AT区，这就使得有可能扩增出基于内含子与外显子的 SRAP多态性标记。

2.2 引物设计与应用引物大小和引物组合是成功进行 SRAP分析的关键。SRAP-PCR反应体系中使用两个引

物：17碱基正向引物（F-primer）和 18碱基反向引物(R-primer)；早期反向引物在 3’端选择性核苷前多一个 C（19个）；使用同位素检测时引物可用 33P-ATP标记。正向引物含有一段14 碱基的核心序列（ core sequence）： 5′端前 10 个碱基为“填充”序列（ filler sequence），无任何特异组成，接着为 CCGG序列；随后为 3′ 端的 3个选择性碱基，选择性碱基的变化与相同核心序列组合成一套正向引物。反向引物的组成与正向引物类似，但“填充”序列后连接的为 AATT；AATT序列后为 3个选择性可变碱基，位于引物 3′ 端。当然，构建正向与反向引物的总体要求是它们不形成发夹结构及其他二级结构，且 CG含量为 40%－50%，且两者“填充”序列在组成上必须不同，长度为 10或 11个碱基。

目前文献中报道的部分标准引物序列如下：正向引物 Forward primer 反向引物 Reverse primer me1:5′TGAGTCCAAACCGGATA-3′ em1:5′GACTGCGTACGAATTAAT-3′ me2:5′TGAGTCCAAACCGGAGC-3′ em2: 5′GACTGCGTACGAATTTGC-3′

me3:5′TGAGTCCAAACCGGAAT-3′ em3: 5′GACTGCGTACGAATTGAC-3′ me4:5′TGAGTCCAAACCGGACC-3′ em4: 5′GACTGCGTACGAATTTGA-3′ me5:5′TGAGTCCAAACCGGAAG-3′ em5: 5′GACTGCGTACGAATTAAC-3′ me6:5′TGAGTCCAAACCGGTAA-3′ em6: 5′GACTGCGTACGAATTGCA-3′ me7:5′TGAGTCCAAACCGGTCC-3′ em7: 5′GACTGCGTACGAATTCAA-3′ me8:5′TGAGTCCAAACCGGTGC-3′ em8: 5′GACTGCGTACGAATTCTG-3′ em9: 5′GACTGCGTACGAATTCGA-3′ em10: 5′GACTGCGTACGAATTCAG-3′ em11: 5′GACTGCGTACGAATTCCA-3′

实验表明，用单引物扩增只能扩增几条大约 0.5~1kb的片段；使用较短引物，10碱基RAPD引物，以及含有 SRAP引物核心序列的 14－15碱基大小的引物，这些引物组合可得到多种扩增片段，但是扩增产物不稳定，特异性不强；20-22碱基引物放射自显影的结果背景太强；合适的引物大小在 17－18碱基。

2.3 SRAP-PCR扩增反应模板多数是基因组 DNA，也可以是 cDNA。在一个标准 PCR 反应体系中，

0.2mmol/L dNTPs,1.5mmol/L Mgcl2,0.3µmol/L引物，1U Taq酶。SRAP-PCR反应采用复性变温法：开始 94℃变性 5min；反应前 5个循环在 94℃ 1min，35℃ 1 min，72℃ 1－2 min条件下运行；之后 30－35个循环复性温度提高到 50℃，最后延伸 5~7 min。

前 5个循环复性温度设为 35℃ ，主要是考虑到低的复性温度能确保两个引物与靶DNA部分配对；随后循环中复性温度升到 50℃，可保证前 5个循环的扩增产物可在余下循环中进行指数式扩增；如果复性温度在 40个循环中都保持在 35℃，扩增片段重复性将很低。

2.4扩增产物检测与片段测序扩增产物在变性聚丙烯酰胺凝胶上分离，通常胶板 35 cm×43cm，厚度 0.8mm，每孔

加样 8－20 微升，以保证单条带足够量回收。可使用同位素，也可采用银染技术；用 2.0%的琼脂糖凝胶也可分析多态性，但分辨的条带较少。

对标记测序有可能获得更多的遗传信息。由于多数 SRAP产生高强带，很少有重叠，而且引物较长，故比 AFLP易测序。获得的 SRAP标记差异片段，从胶上割下、回收后，用相应引物直接测序，必要时可采用克隆测序。

2.5 SRAP标记特征由于在设计引物时正反引物分别是针对序列相对保守的编码区与变异大的内含子、启

动子和间隔序列，因此，多数 SRAP标记在基因组中分布是均匀的，通过利用 RIL系构建的遗传连锁图也说明了这一点。同时发现在 130个 SRAP标记中，约 20%为共显性，这种高频率的共显性则明显优于 AFLP标记。

利用同一引物组合，从甘蓝类不同作物中（包括花椰菜、青花菜等）可获得多个SRAP标记。单个组合在每个个体中可检测到至少 10条多态性谱带，其中一些为作物特异的；在不同的实验中多态性条带重复性极好。 SRAP标记测序显示多数标记为外显子区域。25条

多态性带中 16条（64%）序列 GC含量超过 35%，表明可能是外显子部分；Blast搜索表明60%条带与已知基因序列高度一致，这就确认了 SRAP产生的多数标记包含了可译框中的外显子。测序还表明 SRAP多态性产生于两个方面：由于小的插入与缺失导致片段大小改变，而产生共显性标记；核苷酸改变影响引物的结合位点，导致显性标记产生。

3. TRAP标记原理与方法靶位区域扩增多态性 (target region amplified polymorphism，TRAP)也是一种新型的基

于 PCR标记，由美国农部北方作物科学实验室 Hu与 Vick于 2003年提出。与 SRAP、RAPD和AFLP等标记技术无须任何序列信息即可直接 PCR扩增不同，TRAP技术是基于已知的 cDNA 或 EST序列信息。目前已获得许多物种基因组序列的丰富信息，包括人类、拟南芥，以及重要作物水稻和多种微生物的基因组序列草图绘制成功，有大量的 EST序列可供使用，从而使得可以利用生物信息学工具和 EST数据库信息产生出许多靶基因序列的 TRAP多态性标记，而且极易将性状与标记相关联。

TRAP技术是从 SRAP技术改进而来的。SRAP使用两个任意引物；而 TRAP是使用长度为 16~20核苷的固定引物（fixed primer）与任意引物(arbitrary prime)，固定引物以公用数据库中的靶 EST序列设计而来；任意引物与 SRAP所用的一样，为一段以富含 AT或 GC为核心、可与内含子或外显子区配对的随机序列。固定引物的设计步骤为：从 EST数据库中鉴别所需序列，再采用有关引物设计软件（如 Primer3等）设定核苷酸序列合理长度（18碱基）与最适、最大和最小 Tm值（53、55、50℃），最后选定最适的引物; 任意引物设计完全同 SRAP技术。TRAP-PCR反应条件与 SRAP-PCR完全一致。每次 TRAP-PCR反应在 6.5%聚丙烯酰胺测序胶可产生 50－900bp的片段 30-50 个。

4 应用 SRAP分子标记系统最早是在芸薹属作物开发出来。目前已在其他作物如马铃薯、水稻、

生菜、油菜、大蒜、苹果、樱桃、柑橘与芹菜中也成功扩增。TRAP技术是在向日葵中开发的，目前已成功应用于其他作物如水稻、菜豆、大麦、小麦、甜菜。主要用于种质资源的鉴定评价、遗传图谱的构建、重要性状基因标记、gDNA与 cDNA指纹分析乃至图位克隆等方面。

4.1种质资源的鉴定评价由于在不同物种、不同个体间具有一定的多态性，SRAP技术也成功应用于种质鉴定

与评价工作中。Ferriol等（2003）对甜瓜（Cucurbita pepo）的 2个变种 69份类型代表性材料遗传多样性进行了 SRAP、AFLP标记与形态学分析，结果表明，与形态学变异及类型的进化历史一致性方面，SRAP标记提供的信息比 AFLP标记更优良；11个 SRAP引物组合获得88条可重复的条带，平均 8条，其中 64条（72.7%）为多态，大小在 154-653bp 之间；测序发现多个标记序列与已知 cDNA 或 EST 高度同源。另外还利用 SRAP 标记对笋瓜（C.maxima）19 份种质及 8份南瓜属材料遗传多样性进行分析，24个引物组合产生的 114个标记中多态性占 33%，虽然低于 RAPD比例，但聚类分析与主坐标分析表明，SRAP标记分析可将材料按照使用类型（食用、饲用、观赏用）来分组。因此，在对育种目标性状的评价方面，明显优于 RAPD标记。

野牛草（Buffalograss）生长缓慢、耐旱、耐瘠、抗虫，倍性多样，遗传基础广泛。Budak等利用 SRAP标记分析了 buffalograss的 43个基因型遗传多样性，结果也表明 SRAP是一个

评价遗传多样性、品种鉴定和系统发生的有效工具。向日葵属野生种在栽培品种遗传改良方面很有价值，对于重要病害，尤其是霜霉病

是很好的抗源，但大部分野生种是多年生，从野生种中鉴定基因非常困难。Hu等设计了与向日葵 EST数据库中编码富含亮氨酸重复（LRR）类似蛋白序列配对的固定引物，利用TRAP标记分析，对向日葵属 16个野生种及其 2个杂交种的遗传变异性进行评估。结果表明TRAP标记可用于评估向日葵的遗传多样性，材料的聚类结果与经典分类相一致；其中一个TRAP引物结合到与抗病性有关的基因序列。表明 TRAP技术将在种质基因型鉴别和重要目的农艺性状的基因标记方面存在广泛的应用前景。

4.2 遗传图谱构建利用 collard × cauliflower形成的 RIL86个群体，构建了由 130个 SRAP、120个 AFLP标

记组成的遗传图谱。类似 AFLP标记，SRAP均匀分布平衡在 9个重要连锁群上。高频率共显性与在基因组中均匀分布的特性将使其优于 AFLP标记而成为一个构建遗传图谱的良好标记体系。

4.3 绘制基因组转录图谱（transcriptome map）转录图谱（transcriptome map）是进行比较基因组学研究极为有效手段。利用基于

PCR的 cDNA-SRAP分析来检测编码区的多态性将简便、高效、快捷。利用花椰菜 DH植株与青花菜杂交产生的 F2群体 88个单株，使用 48引物组合，从 88个 cDNA中检测到 281个多态性 cDNA -SRAP标记，平均每个引物对产生 6个，21.1%为共显性；构建了由 247个标记组成的转录图谱。利用这个图谱，成功进行了甘蓝类蔬菜作物与拟南芥基因组的基因排列与组成分析，发现这两类基因组的广泛同一性，在 190个多态性 cDNA-SRAP标记中，共有169个相似序列；这种同一性集中在某些染色体片段而非整个染色体上；甘蓝中大多数重复区段集中对应于拟南芥 1号与 5号染色体，而不是 2号与 4号染色体。

4.4 重要性状基因标记重要农艺性状基因紧密连锁标记的获得，将可进行性状分子标记辅助选择，提高育

种的选择效率与预见性，加快新品种的选育进程。常用的标记作图群体有 F2、BC1、DH、RIL等，标记策略有 BSA、NIL以及 GRA等。BoGLS-ALK基因是十字花科中调节脂肪族芥子油糖苷脱饱和基因。利用 RIL群体，采用 SRAP技术，将该基因定位到连锁群 L1，距显性标记SRAP133 1.4cM。

Li等于 2003年在大白菜中也发现了一个与雄性不育基因有关的 SRAP标记，在油菜中筛选到一个与 Rf连锁的 SRAP标记，在芹菜中获得一个与病毒抗性基因紧密连锁的 SRAP标记。

4.5 SRAP标记测序与基因克隆多数 SRAP标记包含了可译框中的外显子，这为特定性状基因的分离克隆提供了极大

方便。进一步测序与 Blast分析发现，通过 RIL群体获得 BoGLS-ALK基因的显性标记 SRAP133 与拟南芥中 BAC克隆 F4C21中一未知基因的可译框高度同源，该基因位于 5号染色体上，此基因座已经定位了一个去饱和基因。据此推测标记 SRAP133也在这个基因内部。

综合运用拟南芥相关基因序列信息，应用 SRAP技术对青花菜 BAC克隆测序，最终克隆了芥子油糖苷合成途径中一关键基因 BoGLS-ELONG。

Li等利用 SRAP技术获得一个与 BoGLS-ALK基因共分离的标记，再用此标记序列来筛选青花菜 BAC文库的一个 BAC克隆，成功分离到 BoGLS-ALK基因；并通过遗传转化导入拟南芥，进行了该基因的功能分析。同时正在从结球白菜的花粉母细胞、减数分裂期的花蕾分离出mRNA，进行 cDNA的 SRAP指纹图谱分析，以期克隆一些特异表达的基因，并初步获得 PMC特异表达的基因。

蛋白质酪氨酸磷酸酶 1B 与 2型糖尿病及肥胖的关系

王辰 1，王沥 2，杨泽 1 (1．卫生部北京医院，卫生部老年医学研究所遗传室，北京 100730； 2．中国科学院遗传与发育生物学研究所，北京 100101)

Role of Protein Tyrosine Phosphatase 1B in the Type 2 Diabetes and Obesity WANG Chen1 WANG Li2, YANG Ze1 (1.Beijing Institute of Geriatrics, Beijing Hospital, Key Laboratory of Genetics, Ministry of

Health of P. R. China, Beijing 100730, China; 2. Institute of Genetics and Developmantal Biology, Chinese Academy of Sciences,

Beijing 100101,China)

Abstract: PTP1B is a ubiquitously expressed intracellular protein tyrosine phosphatase. Several lines of evidence support an important role for protein tyrosine phosphatase 1B(PTP1B) in metabolism, and specially in type 2 diabetes and obesity. Overexpression of PTP1B protein has been observed in insulin-resistant states associated with obesity. PTP1B is a negative regulator of insulin and leptin signaling, PTP1B inhibitors might be efficacious in the treatment of type 2 diabetes and obesity by increasing insulin and leptin sensitivity.

Key words: protein tyrosine phosphatase 1B(PTP1B); type 2 diabetes mellitus; obesity; insulin signaling

2型糖尿病是我国中老年人的常见慢性病。我国肥胖者中有 30%患有 2型糖尿病。由于2型糖尿病和肥胖均属于与生活方式密切相关的多基因遗传性疾病，其发病机制尚不十分明确。近来在遗传学方面取得的研究进展中，蛋白质酪氨酸磷酸酶 1B（protein tyrosine phosphatase 1B，PTP1B）基因成为越来越引人注目的靶基因之一。

蛋白质酪氨酸磷酸化是细胞代谢、信号传导及细胞周期调控的重要调节步骤。PTP1B属于蛋白质酪氨酸磷酸酶家族，该家族 40余种磷酸酶都具有一个约 240个氨基酸组成的同源序列，位于酶催化活性部位，以跨膜受体样蛋白和胞内酶形式存在，催化蛋白质酪氨酸去磷酸化反应。PTP1B通过对胰岛素受体激酶（insulin receptor kinase，IRK）或 IRK活性片段的磷酸化酪氨酸残基去磷酸化作用对胰岛素信号传导进行负调节。越来越多的证据表明：

PTP1B在调节胰岛素敏感性和能量代谢的过程中均起着重要作用，通过抑制 PTP1B可增加胰岛素和瘦蛋白的活性。

1 PTP1B基因结构、表达调控和蛋白质结构1. 1 基因结构及定位人类 PTP1B基因于 1990年首次克隆成功, 定位于 20q13.1―q13.2，为单拷贝基因。

2000年 Forsell克隆并确定了人及大鼠 PTP1B基因包括启动子的结构，人与大鼠 PTP1B基因的结构十分相似，但人类 PTP1B基因的 3′末端比大鼠多一个外显子。人类 PTP1B基因全长约74kb，共有 10个外显子，其中内含子 1长度超过 54kb。其 cDNA全长 1305nt，编码 435个氨基酸的蛋白质，分子质量为 49，966Da。大鼠的 PTP1B基因被定位于 2号染色体的远端H2―H3区，该区域与大鼠肥胖的数量性状基因座相关联，与人类 20号染色体有保守性同源序列。小鼠和人类的 PTP1B基因启动子区域均不含 TATA框，但富含包括保守 SP-1结合位点的

GC序列。用 8kb的 5′侧翼序列在 Hep3 G2细胞中研究 PTP1B启动子活性，表明位于 ATG上游的一个 432bp的启动子构件能够产生最大的启动子活性。此区域至少包含 3个富含 GC的序列和一个 CCAAT框。这些元件任何一个缺失都会导致启动子活性降低。

1．2 表达调控人类 PTP1B基因mRNA有两种选择性剪接产物。一种长约 4.7kb，终止于 9，另一种长

3.5kb，内含子 9被剪切，序列终止于外显子 10。发生选择性剪接的原因目前尚不清楚。Susan等人通过对 21名 Pima印第安人测试后发现，在加入胰岛素培养的人成纤维细胞中可观察到两种剪接体的比率发生了变化，在单核细胞中两者的比率与血浆胰岛素浓度及体脂百分比相关联, 两种剪接体在分离的血细胞中均可表达。两种剪接体比率变化的生化意义目前仍未明确，可能是反映了信号传导水平的高低。

1．3 蛋白质结构和活性位点 PTP1B的 N端是其催化结构域，C端将其锚定于内质网。PTP1B通过 N端结构域与胰

岛素受体结合并负调节胰岛素信号。发生于该区域的点突变虽不影响 PTP1B的磷酸酶活性，但会干扰 PTP1B和胰岛素受体的结合，使这一突变体不能在胞内对胰岛素受体有效地去磷酸化，从而无法有效抑制胰岛素信号。C端有一富含脯氨酸的区域，可对整合后的信号传导过程进行负调节。

2 PTP1B与信号传导2．1 PTP1B与胰岛素信号传导胰岛素信号传导过程十分复杂，胰岛素受体是四聚体（α2β2）分子，可以看作由两

个 αβ组成的二聚体。与配体结合引起受体四聚体分子的两对 αβ亚基之间的别构作用，使催化结构域自身磷酸化，继而将胰岛素受体底物-1（insulin receptor substrate，IRS-1）的多个酪氨酸（Tyr）残基磷酸化，IRS-1的这些 pTyr成为细胞内信号蛋白的高亲和力结合位点

和激活位点。对该过程的调节涉及到正负调节蛋白的协同作用，在众多负调节因子中 PTP1B作用突出。研究发现：与野生型大鼠相比，PTP1B基因剔除大鼠的胰岛素敏感性增加，肝脏及肌肉组织中的胰岛素受体磷酸化水平增强[6]。表明 PTP1B是调节胰岛素信号的关键因子。

胰岛素受体属于受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase，RTK)，SRC蛋白是 SRC基因表达的膜蛋白，也是一种激酶，是 RTK的靶蛋白。SRC蛋白结合于活化的 RTK后，某些 Tyr残基被磷酸化，从而激活了它的酪氨酸激酶活性。SRC蛋白有 3个重要结构域：SH1-SH3。其中 SH3在某些信号传导途径中介导蛋白质之间的相互作用。PTP1B基因 N端串联的 Tyr 残基和 C端富含脯氨酸的区域对于 SRC激酶的激活是不可缺少的。无法正常结合胰岛素受体或SH3结构域的 PTP1B突变体仍完全保留其抑制信号传导的功能。以上结果提示，PTP1B可独立调节胰岛素信号及整合后的信号。

研究表明，在体内胰岛素刺激后，胰岛素受体对多个 Tyr 残基进行自身磷酸化，这增强了受体固有的酪氨酸激酶活性[8]。活化的胰岛素受体短暂地结合于 PTP1B，PTP1B作为活化的胰岛素受体酪氨酸激酶（insulin receptor tyrosine kinase，IRTK）的直接底物,与其结成复合物，随后 PTP1B的 Tyr66、Tyr152和（或）Tyr153被 IRTK磷酸化，增加了它的磷酸酶催化活性。由胰岛素受体催化的 PTP1B的酪氨酸磷酸化绝对依赖于胰岛素刺激后受体的自身磷酸化，并须具备一个完好的激酶结构域，包含有胰岛素受体 Tyr1146、1150和 1151。这一发现显示 PTP1B催化活性的上调是通过增加其酪氨酸磷酸化水平实现的，由此可能强化了PTP1B对靶分子的去磷酸化作用，比如活化的胰岛素受体和 IRS-1，并因此减弱或终止胰岛素的信号传导。此外胰岛素刺激的 PTP1B酪氨酸磷酸化水平的增加可能也调节了 PTP1B对自身的去磷酸化作用，使 PTP1B回到无活性的基础状态。Stein―Gerlah等人曾报道过在对PTP1D的研究中有类似发现。但也不能排除其他 PTP酶参与了调节 PTP1B磷酸酶活性的可能。这些结果提示，PTP1B可能是通过维持其磷酸化或去磷酸化水平的平衡来调节其自身的活性。 PTP1B活性的调节机制到目前仍不十分清楚。由于 PTP1B在体内广泛表达，人们在对不同组织中表达的 PTP1B进行研究时发现，体内还有一些小分子物质，如 NO、过氧化氢（H2O2）也可能参与了 PTP1B活性的调节。

NO在脊椎动物中有信号分子的作用，因为它是疏水性较强的胞外小信号分子，很容易通过扩散越过靶细胞质膜，一旦进入胞内就直接调节细胞质中特异蛋白质的活性。最近有实验证实，小鼠血管平滑肌细胞中的 NO可增加 PTP1B的活性， NO可通过 PTP1B对胰岛素信号传导下调机制减弱胰岛素刺激细胞的能动性。在胰岛素敏感的肝癌和脂肪细胞中，胰岛素刺激使胞内过氧化氢（H2O2）突然升高，PTP1B活性被抑制 88%以上。表明氧化还原信号可使 PTP1B氧化失活，加强了胰岛素刺激早期酪氨酸磷酸化的级联反应。

2．2 PTP1B与瘦蛋白信号传导瘦蛋白是由 OB基因编码的一种分泌性蛋白质，与瘦蛋白受体结合后可发挥调节体重

和能量消耗的作用。许多肥胖以瘦蛋白抵抗为主要特征。缺乏 PTP1B的瘦蛋白基因敲除（ob/ob）大鼠表现为体重不增加，脂肪组织减少及静息代谢率提高，而且对瘦蛋白介导的体重减轻和食欲抑制有增强效应。PTP1B在大鼠下丘脑瘦蛋白应答神经元聚集区表达，实验表明，PTP1B可通过对瘦蛋白受体相关激酶 JAK2的去磷酸化作用引起瘦蛋白抵抗。

3 PTP1B与糖尿病和肥胖 2型糖尿病属于多因子病，由于其遗传异质性及多因子参与发病，其遗传机制目前并

不十分清楚。2型糖尿病的主要特征是胰岛素抵抗。胰岛素抵抗是指胰岛素作用的靶器官或

靶组织，如肝脏、肌肉、脂肪组织等对一定量的胰岛素的生物学反应低于预计正常水平。因此了解 PTP1B在胰岛素信号传导中的作用途径，以及调节 PTP1B活性的机制可为治疗胰岛素抵抗和 2型糖尿病提供理论依据。

3．1 PTP1B的多态性与糖尿病目前已发现多个 PTP1B的单核苷酸多态性（SNPs）。其中 1个多态位于 5′端非翻译区，

4个多态位于 3′端非翻译区。除 3′端非翻译区的 1484insG等位基因频率为 7.7%外，其他多态性的等位基因频率都在 12%。另外还有外显子 6的沉默突变 A669G，外显子 8的沉默突变C981T和外显子 9的一个错义突变 C1207T(Leu379Phe)。另两处突变分别发生于内含子 3和内含子 5。其中 1484insG和 C981T均已有报道与糖耐量异常（IGT）或 2型糖尿病的风险相关。

Di Paola使用 PCR―SSCP方法在 PTP1B的编码区及调节区寻找多态。在意大利两个不同人群中确定了在 3′非翻译区的 1484insG变异与胰岛素抵抗的几项指标有关。通过对基因型不一致的同胞对进行家系相关研究也得到了同样的结论。携带 1484insG的受试者骨骼肌中的 PTP1B mRNA 呈现过度表达。在人胚肾细胞中分别转染 1484insG PTP1B 和野生型PTP1B，前者mRNA的稳定性显著高于后者。因此，携带 1484insG基因型的个体可能对于治疗胰岛素抵抗的 PTP1B抑制剂比较敏感。

2002年Mok在加拿大的 Oji―Cree人群中发现了一个位于外显子 8的单核苷酸多态（SNP），命名为 981CT。在该人群中，这一 SNP与患 IGT和 2型糖尿病的风险都有相关性。经测定，653名受试者中有 68人是杂合子，无一例 981T/981T纯合子。C等位基因频率为0.948，T等位基因频率为 0.052。基因型为 981T/981C的受试者与基因型为 981C/981C的受试者相比，患 IGT或 2型糖尿病的可能性降低了约 40%（P=0.040）。但在根据 PTP1B 981CT基因型区分的受试者组群之间并没有数量形状的差异。数据表明，PTP1B基因的变异可能与降低糖尿病患病风险相关 Di Paola 也发现了这一 SNP，T等位基因频率为 7%，但未见报道与糖尿病相关。

3．2 PTP1B与肥胖发生于其靶组织中，如肝脏、骨骼肌和脂肪细胞中的胰岛素信号通路缺陷是人类肥胖

病因的主要特征之一，并导致超重人群中 2型糖尿病的发病率逐步上升。研究表明，肥胖者体重减轻后胰岛素敏感性得到改善，同时他们脂肪组织中的 PTP1B活性也相应下降。在胰岛素抵抗者中也观察到 PTP1B过表达与肥胖相关。PTP1B基因敲除大鼠的肝脏和骨骼肌中胰岛素敏感性增高，而脂肪中并未增加。但这种大鼠却可抵抗高脂膳食诱导的体重增加。PTP1B在肥胖动物的脂肪组织中所起的作用引起了人们的兴趣。

研究人员用 PTP1B 反义核苷酸（ PTP1B ASO）治疗胰岛素抵抗的高血糖肥胖（ob/ob）大鼠后发现，伴随脂肪中 PTP1B水平的下降肥胖程度明显减轻。PTP1B ASO通过调低一系列涉及编码脂肪生成的基因的表达水平使脂肪细胞中的甘油三酯含量下降。编码脂肪生成的基因表达产物主要有甾醇调节元件结合蛋白 1（sterol regulatory element binding protein 1，SREBP1）、其下游靶蛋白 spot14、脂肪酸合成酶以及其他脂肪生成基因的产物：脂蛋白酯酶、过氧化物增殖体激活受体（peroxisome proliferator-activated receptor gamma ，PPARγ）等。其中 PPARγ可以通过对解偶联蛋白（uncoupling proteins,UCPs）表达水平的上调减少肥胖的发生。

SREBP1属于转录因子。目前认为它与脂肪细胞能量储存、肥胖增加有关，可能调节着几种与脂肪酸和甘油三酯代谢有关的重要基因。在用 PTP1B ASO治疗的 ob/ob大鼠的脂肪组

织中，SREBP1及其下游靶基因的表达均调低，该效应可导致脂肪生成减少。此外，SREBP1的表达在一定程度上依赖于 PPARγ。最近发现，SREBP1可通过内源性配体或 PPARγ1和 3的启动子激活 PPARγ并刺激瘦蛋白的表达。肥胖不仅涉及脂肪细胞大小的增长，而且与脂肪细胞数量有关。SREBP1可以通过加强 PPARγ的转录活性，增加被分化成脂肪细胞的细胞的百分比。PTP1B在脂肪组织中的减少调低了 SREBP1和 PPARγ的表达，一方面使与脂肪形成有关的基因表达减少，脂肪数量降低；另一方面使可分化至脂肪细胞的前体细胞的数量减少现已发现，在体外 SREBP1基因的表达可被胰岛素和葡萄糖水平调高，但这些因素在体内对SREBP1的调节效应仍存在争议。

4 PTP1B作用研究的临床价值 PTP1B通过去磷酸化作用影响了胰岛素和瘦蛋白信号传导，对胰岛素抵抗和肥胖的

发生起重要作用。寻找高效高选择性的 PTP1B抑制剂为治疗 2型糖尿病和肥胖开辟了新的途径。目前研究人员已在这方面取得了较大进展。近来发现在 PTP1B启动子序列内有一增强子序列是转录因子 YB―1(Y box―binding protein-1)的结合位点，用特异的反义核苷酸抑制 YB-1表达可导致 PTP1B表达水平下降约 70%，对胰岛素敏感性加强，同时与 PTP1B结构非常相似的 TC―PTP的表达水平却未受影响，显示 YB-1在有效抑制 PTP1B表达的同时具备较好的选择性。Compound 2是到目前为止报道的作用最强的选择性 PTP1B抑制因子，在确定了与 Compound 2形成复合物的 PTP1B的晶体结构后发现，PTP1B的 Lys41、Arg47及 Asp48组成了临近 PTP1B活性位点的特有的非催化位点，该区域的确定为挑选高效高选择性的PTP1B抑制剂提供了新的结构基础。

PTP1B在胰岛素和瘦蛋白信号传导中的作用途径和调节机制尚未完全明确，它可能是从不同层面、不同环节发挥其作用。继续深入这方面的研究不但可以阐明 PTP1B的生理功能,而且为治疗 2型糖尿病、肥胖提供了光明前景。遗传 ISSN: 0379-4172 CN:11-1914/R 2004; 26(6) :941-946

意识载体：揭开大脑之迷的钥匙

邹韦书（贵州六盘水市盘县职业中学 553536）摘要：采用寻找意识载体来揭开大脑之迷，肯定是一个非常有效的思路。现在所发明

的技术已可以帮助我们进行这方面的探索。关键词：意识载体意识蛋白意识基因Consciousness carrier: The key to open brain puzzle

Zou Wei-Shu

Abstract: Adoption looking for the Consciousness carrier to open the brain’s mystery, affirmation is a very valid way of thinking, now have already invented the technique to help us

proceed this explore。 Key words：Consciousness carrier； Consciousness protein；Consciousness gene

大脑如何工作？被《纽约时报.科学时代》列为 25个挑战性的科学问题之一，正如译者所说，人类从来都是研究客观世界，探索大脑中意识和自我意识是人类第一次研究自己[1]。其实 ,用意识来研究意识本身就是一个怪圈，但如果用意识去寻找意识载体（Consciousness carrier）就可以跳出这个怪圈。所以,要弄清大脑如何工作这个问题，就要弄清人类的意识在大脑中是被什么物质承载的，这一研究思路对揭开意识之迷也许是最直接的。而现在所发明的技术已可以帮助我们寻找这些物质。一. 存在意识载体（Consciousness carrier）在生物体中，DNA上的遗传信息负责指导蛋白质的合成，遗传信息的传递又要靠生

物体中的能量（如 ATP）来完成。可以说生命是物质、能量和信息的复合体。爱因斯坦著名的物质与能量转换公式：E=mc2把物质和能量统一了起来，但现在人们还没有发现物质与信息或能量与信息的转换公式，当然也没有发现信息能脱离物质而单独存在。在自然界生物体中 DNA上的遗传信息要传递和表达得靠生物体中的能量来帮助，在人的造物计算机上的信息要传递和表达也得要有能量（如光、电、波等）的参与。这就预示：物质是负责承载信息的，能量是负责传递信息的。人的意识作为一种信息，它的传递需要能量，它的承载肯定需要物质。

现在的物理学已经证明，物质的不同层次都可以用来存储信息。而且当用更小层次的物质来存储信息（如分子、原子、电子甚至是夸克或超弦）时，物质的热力学熵和香农熵就会在算法不同的条件下，得出相近的结果[2]。现在的计算机是用元件来储存信息的,它的熵可以称为元件熵,等到可以用分子、原子、电子甚至是夸克或超弦等来储信息时的熵就可以称为相应的分子、原子、电子等熵。

神经学的研究表明，神经元内的兴奋或抑制传递是靠电脉冲完成的，神经元间的兴奋或抑制传递是靠只存在于轴突末端的突触小体内的神经递质来完成的。由于递质只存在于突触末端，只能由突触前膜释放，然后作用于突触后膜，使后一神经元发生兴奋或抑制所以神经元之间的兴奋或抑制的传递是单向的。而神经原间兴奋或抑制传递的本质是对刺激信息的传递，即神经原间信息的传递是单向的。神经原要进行信息传递，就必然存在着信息载体。所以神经原之间信息载体的合成传递走向也是单向的，是由前一神经原走向后一神经原。

人们早就发现大脑的功能是分区的，活动越复杂的器官在大脑皮质中所对应的控制区域越大。如果由该部分皮质控制的器官失缺，则该部分皮质就转而控制与该器官相邻的器官，甚至较远的器官[3]。而对于大脑某个区域受损或发生病变的患者，却不会发生转由脑的其他区域来控制原来由该区域控制的器官，从而使该器官的功能得以恢复。所以脑对器官的控制也如神经原的兴奋或抑制传递一样是单向的。所以，当脑某个区域受损或发生病变时，便不能合成指挥该器官的信息载体，或合成了传递的通道也受阻，该器官的功能自然就失缺。

在意识上，大脑的某个区域受损或病变，则会失去某方面的记忆或理解能力，根据现在神经学的研究成果，比较合理的解释应该是：该区域的受损或病变导致了该区域负责产生相应信息载体的神经细胞不能合成该信息载体，或原来脑中已产生的该信息载体上的

信息不能有效传递而致。人们希望用药物来增强人的记忆,尽管有对这些药物的作用机理解释[4]。但不论用什

么药物来增强人的记忆，我们都应该搞清楚原记忆的内容在大脑中是被怎样存放，又是怎样被释放出来的。不然用药物来提高人的记忆的成果就永远只有统计意义，而无真正意义上的机理说明。

广东省三九医院对吸毒人员的戒毒开始探索的采用手术治疗法，有媒体称这是“足够获得诺贝尔奖的课题”。采用手术治疗的依据是毒品在人脑形成了一个“病理性犒赏性中枢”，由毒品引起的快感在脑部 8条神经环路上运行，手术就是要把在人脑中形成的这个“病理性犒赏性中枢”的神经原杀死(《南方周末》，2004、4、1：9-10版)。这正说明每种刺激只在脑中引起特定的神经细胞有反应，以脑的功能是分区的理论是一致的。然而人们对手术戒毒一直存在着许多疑问，毕竟手术戒毒对大脑的物理性损伤是不可避免的 ,所以卫生部对手术戒毒进行了紧急叫停。对于手术戒毒能否继续进行下去还待观察（2004、11、11和 12、2《南方周末》）。但大家知道，毒品对人的控制是使人产生精神依赖，而产生这种精神依赖的物质基础则应该是：由于吸毒人员的大脑中合成了对毒品有依赖的物质，这种物质在缺毒品时被激活，导致吸毒者产生强烈的需毒意识而无法自控，如果是这样，那么只要让毒品依赖物在大脑中失去活性或它所承载的需毒信息不能传递，问题不就解决了吗？

Norman M.Weinberger[5]通过研究音乐对各种年龄段（包括胎儿）的人引起的反应认为：人天生懂音乐。这说明在人脑中本身就存在着音乐信息的意识载体。一旦有了音乐的刺激，这种载体就被激活，并把刺激它的音乐信息记录下来，从而载上该音乐信息。　

所以人的意识在大脑中就一定会被相应的物质所承载，该意识载体（Consciousness carrier）应是由某个或几个脑神经细胞在一定刺激条件下，偶然产生的。这个或这几个神经细胞再通过神经传递物质把意识载体上的信息传递给与之相连的其他脑神经细胞，从而引起一片脑神经细胞由该意识载体激起的同样兴奋，并产生同样的意识载体，当这种意识载体达到一定的阈值时，就产生了意识。如果一开始的某个或几个脑神经细胞偶然产生的某种智慧承载物的信息，不能被神经传递物质传递给与之相连的其他脑神经细胞，引起一片脑神经细胞兴奋，并产生同样的意识载体，那么，由这个或这几个脑神经细胞所产生的意识载体上的信息就不能被察觉到而表现出意识来。既然脑功能是分区的，神经原之间的信息传递是单向的，而神经递质又是多样的，所以神经原之间的信息传递也应该是专一的，即某种神经原只合成一种神经递质，传递一种信息。二. 意识载体就是意识蛋白（Consciousness protein）上述的种种迹象表明，在大脑中应该能合成意识载体，但这种载体是什么，它是怎

样产生，又是怎样承载意识信息？我们的古人早就从现象的观察中指出：水火有气但无生，草木有生但无知，禽兽有知但无义。对于人来说，就是我们体内本身就存在的各种信息传递、生理生化的调节反应我们也不能直接意识到，而是要通过相应的办法让感官感觉到这些现象并将信息传递到大脑后，才能产生意识。对于外界的事物，则更是观之不到、闻之不到、嗅之不到、触之不到、思之不到、悟之不到而不能产生意识。

琳达．巴克（Linda．Buck）和理查德．阿克塞尔（Richard．Axel）因发现嗅细胞上的气味受体对气味分子的察觉有高度的特异性，嗅细胞能将气味分子上的气味信息通过嗅神经传递到大脑的特定区域，将之保存下来，并在不同的时候被记起而获 2004年诺贝尔医学或生理学奖。在这个过程中涉及到诸多的基因和蛋白质的活动。这一发现表明了物质信息（气味分子的信息）可以在大脑中转变成意识信息。

通过对双胞胎（特别是孪生双胞胎）的 DNA分析寻找与精神病有关的基因的研究发

现，同卵双胞胎中一个人患精神分裂症，那么另一个患此病的概率为 45%；如果双胞胎中有一个患自闭症，那么另一个患自闭症的概率为 60%，这个数字远远高于一般人患这两种病的风险（患精神分裂症为 1%，患自闭症为 0.2%）；尽管基因相同，但有些双胞胎并没有患相同的病。所以 Steven E.Hyman[6]预言，大脑是基因、环境和概率的产物。

R.Dougls Fields[7]的研究则直接证明了某个被刺激的神经突触要长久的记住这个刺激，就会合成突触强化蛋白来加强这个被刺激的突触的联系，使短时记忆转化为长时记忆。如果阻断 DNA到mRNA的转录或mRNA到蛋白质的翻译过程，会防碍长时记忆的形成，但对短时记忆没有影响。由于每个神经突触会遇到何种刺激完全是随机的，由此证明了 Steven E.Hyman预言的正确性。但 R.Dougls Fields的研究却不能说明转为长时记忆的突触是否还能接受别的刺激，更不能说明长时记忆的内容被什么物质承载，又是怎样被释放出来。

现在对自杀这种由意识支配的行为研究表明：自杀者的大脑生理结构与众不同，且具有先天性和遗传性。脑部背侧中缝核传送到前额皮质眶回的血清素少于正常水平。背侧中缝核神经原比其它原因致死的含有更多能合成血清素的酶[8]。

有人进行了人猿 DNA的差异研究，发现仅有 1.2%的 DNA碱基不同[9]。生物学的研究告诉我们，相同的基因所编码的蛋白质在不同的生物体中的功能都是相近的，而人猿之差异又表现在意识上，所以，我们有理由相信，人猿之间的差异基因组就是意识基因（Consciousness gene），由它们编码的蛋白就是意识蛋白(Consciousness protein )，而且意识基因还应该只在脑细胞中开放，它编码的蛋白也只在脑中承担存放意识的功能。但是人猿之间的 DNA差异是如此的小（仅 1.2%），而人类的意识又浩如烟海，如此少的意识基因是如何控制如此多的意识呢？

基因组非编码区的功能研究被 Science杂志评为 2004年的十大科学突破之一[10]。现在的研究表明，DNA存在编码区和非编码区，编码区的作用是表达基因编码，非编码区的作用是识别信息和控制基因编码。生物的进化程度愈高，非编码区越大，病毒的非编码区仅占 5%，真核生物的非编码区占 95%以上[11]。这说明生物愈高等，它的调控越多、越复杂，特别是对意识的调控就更加复杂。已完成的人类基因组计划表明，用于编码蛋白质的基因只有不到 2.5万个，而人类要产生的蛋白质有 9万种不同的类型。人类通过如此少的蛋白质编码基因来编码如此多的蛋白质，是通过一种叫做选择性剪接（alternativ splicing）的机制由一种 DNA上的基因编码出多种mRNA，从而编码出多种蛋白质来完成的。一个含有外显子和内含子的 DNA基因，先转录成含有外显子和内含子信息的初级 RNA转录本，然后由剪接调节（splicing regulatory SR）蛋白控制初级 RNA转录本的剪接编辑。SR蛋白剪接编辑初级 RNA转录本时，有对所有的内含子进行剪接；对内含子的部分进行剪接；对“选择性剪接的外显子” 进行选择剪接等方式。所以，一种初级 RNA转录本可被 SR蛋白编辑成多种不同的mRNA，从而被翻译成不同的蛋白。而不同的组织和细胞中或同一组织和细胞的不同阶段，可产生不同类型的 SR蛋白，这就保证了同一个 DNA基因能在不同的组织和细胞中或同一组织和细胞的不同阶段编码出不同的 mRNA，以产生不同的蛋白质来适应生命的各种状态。由 DNA转录成的 RNA中，有的永远不会被翻译成蛋白质，而是在细胞中发挥看家作用和调节功能[12]。蛋白质之间也常常发生非常紧密的相互作用，形成具有明确空间形态的复合物，即“模块”（module）。而且一种蛋白质常常可以参与几个不同功能的模块构成[13]。用计算方法研究蛋白质相互作用的工作正在深入的进行，全世界已建立起了相应的数据网络，可以做到研究成果的资源共享[14]。这些成果说明:

1 在人体中巨量的 DNA非编码区，是较多的用来调控人的意识蛋白之间的组合。因为人的意识是很复杂的，往往随人的感觉、观察及思考等表现出多样性。所以要用大量的调控来完成。

2 少量的意识基因会通过择性剪接产生较多的意识蛋白。

3 意识蛋白通过改变结构或不同组合承载不同的意识信息。根据以上推论和计算机芯片是靠蚀刻在它上面的微晶体管的开、关状态来存储信息的

技术原理的启示，按照人脑功能是分区的理论，大脑产生和存放意识的机制是，意识基因是分类的，某类基因控制着人的某种意识。意识基因在刺激的作用下通过转录、翻译产生意识蛋白质并承载感知的刺激信息。意识蛋白质又通过调控机制改变结构或相互结合而成为新的信息承载体，从而表现出新的意识。由于意识活动特别易受各种感觉的刺激而发生变化，所以由只在脑细胞中开放的意识基因指导合成的意识蛋白质，肯定会比普通的蛋白质更为活跃而频繁的改变结构或相互结合，形成不同的意识蛋白。三.如何寻找意识蛋白既然人脑中存在着意识基因组和由其编码的意识蛋白，那么如何去寻找这些基因和

蛋白呢？现在核磁共振（NMR）技术也被用在了有机化合物和药物结构分析上[15]，功能核磁共振成像技术 (fMRI)和正电子断层扫描技术（PET）都被用在了脑功能的研究上 [6][16]，我国也开始用 fMRI和 ERP等脑成像技术开展了汉语认知加工的脑机制研究[17]。这些技术在脑研究中的应用能够拍摄到人脑在不同刺激下的各区域成像图，使大脑变得“透明起来”，我们便能从人脑在不同刺激下的反应中找到相应规律。所以“读脑时代”已经来临的话题已成为新闻面向普通大众。用基因晶片（即芯片）可以发现某一细胞或组织中哪些基因已启动[6]，DNA芯片技术和蛋白质芯片技术已经成熟到了一个本科生都可以对它有深刻理解和掌握的程度[18]，用该技术可以准确测出相应的基因和蛋白。而人类基因组计划已完成了人类 DNA的全部测序，对人类的每个基因已能准确定位。在这些技术的基础上，对人脑细胞中的基因开放情况和由其编码的蛋白进行测定已完全可能。所以 ,用这些技术对不同特长的人或对人猿之间进行的差别基因筛选,并对这些基因所编码的蛋白质的功能进行研究，就有可能在人脑中找到意识基因和由其编码的意识蛋白，并最终弄清如下问题：

1 意识蛋白是怎样存放意识，意识在脑细胞间又怎样传递。 2 意识蛋白的结构与意识的对应关系。 3 大脑中的意识基因在什么条件下开放，以

指导意识蛋白的合成。 4 人在进行相应的观察、学习或思考时怎样激活相应的意识基因，并编码出相应的意

识蛋白来支撑这种观察、学习或思考。 5 意识蛋白在什么样的条件下具有稳定的结构，并把它所存放的信息保存完好，到需

要用时再释放出来。 6 意识蛋白及其所承载的意识信息的代谢途径。 7 哪些在接受或理解某方面知识有困难的人，是不是在其大脑中很难合成相应的意识

蛋白，或合成了结构也不稳定。 8 异体之间的意识蛋白可不可以互相交换。弄清这些问题后，我们就能真正弄清精神病的机理，改造我们的大脑，造出真正的

“读心机” [6,16]，解码意识蛋白上信息的内容，读出人的思想。参考资料 [1] 沈致远译. 科学，2004，56（1）：59 [2] Jacob D Bekenstein. 科学 Scientific American, 2003，10：47--53 [3] Marguerite Hollowey. 科学 Scientific American(脑科学特刊)，2003、11：58--63

[4] Stephen S.hall. 科学 Scientific American(脑科学特刊)，2003、11：39 [5] Norman M.Weinberger. 科学 Scientific American，2005、1：65--71 [6] Steven E.Hyman. 科学 Scientific American(脑科学特刊)，2003、11：74--78 [7] R.Dougls Fields.　科学 Scientific American, 2005、4：5７—63 [8] Carol Ezzell. 科学 Scientific American,2003、4：35--39 [9] 直耐. 科学，2004，56（2）：17 [10] http//www.scienc.emag.org/sciext/btoy2004/

[11] 魏雅川，卢贺起. 中国中医药报，2004、7、12：7版 [12] Gil Ast. 科学 Scientific American，2005、6：40—42 [13] 吴家睿. 科学，2003，55（3）：27—28 [14] 曹建平，马义才，李亦学，石铁流. 生命科学，2005，17（1）：84 [15] 薛思佳，柯少勇. 科学，2004，56（3）：12--14 [16] Philip Ross. 科学 Scientific American(脑科学特刊)，,2003、11：52—55 [17] 吉永华. 生命科学，2005，17（3）：194 [18] 包日月，刘之景. 科学，2004，56（2）：14—17

人类长寿相关基因研究进展

孔放 1,2, 张根发 2, 孙亮 3, 朱小泉 1, 杨泽 1

(1．卫生部北京医院老年医学研究所 ,北京 100730； 2.北京师范大学生命科学学院 ,北京 100875； 3.中国科学院遗传与发育生物学研究所 , 北京 100101)

摘要：人类长寿是基因和环境等多因素共同影响的结果，并有随社会和科学进步而逐渐延长的趋势。本文在介绍长寿的遗传性状基础上，首先对模式生物长寿相关基因进行概述；然后进一步综述人类长寿相关基因的研究，其包括细胞核内和线粒体两部分重要基因；最后简述人类长寿研究的策略和思路。

关键词：长寿；相关基因；人类；线粒体；SNP位点；模式生物 Progress in the Research of Genes Related to Human Longevity

KONG Fang1.2 ZHANG Gen-Fa2 SUN Liang3 ZHU Xiao-Quan1 YANG Ze1

（1. Institute of Geriatrics, Ministry of Health, Beijing Hospital, 100730 Beijing2. College of Life Science, Beijing Normal University, 100875 Beijing3.Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Beijing

100101, China） Abstract: Human longevity is the result of combined actions by many factors including

genetics, environment and so on . Although longevity can take its natural course, it can be extended with social and scientific advances. This review presents the recent progress in longevity studies, especially on the research of longevity related genes in model species. It also summarizes the research of longevity related genes in humans in both the nuclear and mitochondrial genome. The prospect and strategy of human longevity research is also discussed.

Key words: longevity，gene, human life span，mitochondrion, SNP, model species

社会环境、经济、医疗保健等条件的改善，使得人类的平均寿命显著提高。在原始社会人类平均寿命仅为 20～30岁。1948年全球人口平均寿命为 48岁，1995年延长至 65岁。到二十世纪末，人均寿命最高的日本已达到 80岁以上。长寿是由基因，环境以及生活方式等多因素相互作用的结果。遗传决定自然寿限，环境影响自然寿限的实现。随着长寿研究的逐渐深入，长寿的遗传作用得到越来越多科学研究的肯定。长寿的基因家族性研究表明，长寿具有显著的遗传性状。关于长寿遗传性状报道最早的是 1934年 Pearl 和 Pearl 研究发现长寿群体具有明显的祖先长寿表型。随后，1974年 Abbott作了随访研究，并绘制长寿子代的生长曲线，证明长寿父母有更长寿的子女。但是，这种影响并不一致，父亲遗传到女儿的影响最弱，母亲遗传到儿子的影响最强。同卵双生子比异卵双生子的死亡年龄更接近（分别为 3年和 6年）。这些研究结果都从不同侧面反应了长寿具有遗传性 ,同时也提示长寿具有母性遗传的特征。

1 模式生物长寿相关基因研究简介长寿一直是人类期盼的目标，在对长寿现象的探索过程中相继提出许多理论，其中

基因决定长寿的论断得到各种实验结果的支持。而真正意义上对长寿相关基因的研究，首先在多种模式生物中取得突破性进展。

1.1酵母内长寿相关基因研究在以酵母为材料的寿命研究过程中，1990年报道，通过控制 V-Ha-ras基因的表达可以

使酵母的寿命延长约一倍，并确定 RAS基因为酵母中的长寿相关基因。4年之后，美国科学家在该领域中又取得突破，研究发现 LAG1基因的缺失可延长酵母寿命达 50％，同时也证明该基因对酵母寿命具有决定性影响作用。在对 LAG1基因及功能的进一步研究发现，新生酵母中 LAG1表达旺盛。而随着细胞的生长衰老过程，该基因的表达量明显降低。大量深入研究结果进一步揭示，LAG1基因直接或间接影响着细胞的寿限，是酵母中长寿相关的基因。

1.2线虫内长寿相关基因研究 1999年,Johnson等人在前人研究的基础上指出，线虫中 AGE-1和 DAF-2基因的突变不

仅可以扩展成熟期，而且还可以延长寿命二到四倍。该成果为证明基因对长寿的影响提供另一有力科学依据。进一步的研究发现 DAF-16基因的突变可阻止由于 AGE-1和 DAF-2基因突变所引起的寿命延长状况，说明 DAF-16基因对寿命的延长具有抑制作用。目前，线虫中已确定 6种基因与其寿命相关，并对基因间相互作用的路径进行了初步研究。决定线虫寿命的有关路径是性腺信号路径。生殖系统通过 IGF1信号路径调节寿命，IGF1激活线虫 DAF-2受体，抑制 DAF16转录因子，而 DAF16通过增加 CTL1催化酶活性延长寿命，DAF-2则通过抑制此酶活性来缩短线虫寿命。

1.3果蝇内长寿相关基因研究在对酵母长寿开展大量研究的同时，1994年 Orr和 Sohal通过对果蝇研究提出了氧自

由基影响衰老进程的理论。他们通过对具有三拷贝超氧化物歧化酶和过氧化物酶基因的转基因果蝇研究发现，转基因果蝇寿命较之正常果蝇延长了三分之一，说明由于超氧化物歧化酶和过氧化物酶的过量表达而使转基因果蝇体内氧自由基大量分解，进而减少其对细胞内遗传物质的损伤，从而延长果蝇的寿命。

2 人类长寿相关基因的研究概述在对人类长寿的探索过程中，许多科学研究以长寿老人作为研究对象，并通过细胞

及分子水平上的研究确定一些影响人类长寿的基因，这些基因对长寿产生了正向或负向影响。同时，人类基因组计划的开展，又为更深入研究这些人类长寿相关基因提供广阔平台。20世纪 90年代，对人类长寿相关基因研究，成为遗传学研究的新热点。期间发现、确定并深入研究了一系列人类长寿相关基因，如 ApoE、ACE、IGF-1和 lASS1等。

随着细胞凋亡及衰老研究取得突破性进展，特别是人类线粒体基因序列的确定，使得对人类长寿相关基因的研究从细胞核内基因逐渐扩展到线粒体基因。“衰老的线粒体学说”指出，衰老过程中mtDNA发生损伤、突变、诱导凋亡并最终影响寿命。随着对人类长寿研究的深入，线粒体 DNA长寿相关位点确定将成为今后研究另一新热点。

2.1细胞核内人类长寿相关基因研究在过去的十年里，对长寿的研究多集中在细胞核内长寿相关基因的确定方面，已经

取得广泛的成就。2.1.1血管紧张素转化酶血管紧张素转化酶（angiotensin converting enzyme， ACE）基因编码产物催化从Ⅰ型

到Ⅱ型血管紧张素的转换。通过对 ACE基因的克隆研究显示，50％个体变异是由于该基因第 16位内含子中存在插入或删除基因的多态性位点，即 ACE存在 ID多态性。同时也推断ACE的多种等位基因与 Alzheimer病有关。法国科学家通过对长寿老人中与长寿相关基因的筛选研究发现两种与长寿有关的重要基因[12]，他们分别是 APOE和 ACE。其中 ACE与冠心病、高血压和心肌梗死的发生有关，百岁老人体内该基因发生变异的频率明显增高，研究还证明 ACE通过调节血管紧张素Ⅱ进一步参与调节体液、电解质和血压平衡，而血压与电解质的平衡代谢又直接影响着人类的寿命。

2.1.2载脂蛋白 E

载脂蛋白 E 基因(apolipoprotein E , APOE)编码产物是一种乳糜的脱脂酶。其与肝细胞和外周细胞特异性受体结合，并与富含甘油酸三脂脂蛋白组分的代谢密切相关。APOE的 3个等位基因分别编码产生三种主要的同源异型物，分别是 APOE2，APOE3, APOE4。进一步研究确定 APOE启动子中连接位点是与转录因子结合的结构域。通过对 APOE基因 30余种变异研

究发现，有些突变可以提高血浆胆固醇和甘油三脂水平，从而增加动脉粥样硬化发病几率而在对长寿人群研究中发现，该基因中与早期动脉粥样硬化发病相关的 ε4等位基因出现的频率显著减少。通过对 405个家系中 1873个研究对象每个基因的一些 SNP位点进行研究，结果证明 APOE还与肥胖的表型相关。不仅如此，该基因也与白内障，Alzheimer病等一系列老年疾病相关[17]。证明它与人类的寿命密切相关的直接证据来自于对我国红河长寿人群的研究，据报导，巴马长寿者中最具显著性正相关的基因型是 APOEε3/ε3纯合子（80％），而负相关的是 APOEε4携带者（11％）。

2.1.3 胰岛素样生长因子胰岛素样生长因子基因（insulin-like growth factor 1， IGF-1）包括 6个外显子，他们

的剪切分别依赖于组织种类和激素内环境，是人体中最重要的一类生长因子。IGF-1除参与机体生长发育、细胞分化外 ,还可加强蛋白质的合成，在蛋白代谢方面具有独特的调节作用；此外，IGF-1直接参与糖、脂肪代谢，促进胰岛细胞自我修复，降低血糖，对糖尿病有辅助疗效。由于很多胞内的信号传导通路由 IGF-1与其同源受体结合而激活，这些信号通路相互关联，特别是它可以区分代谢性胰岛素信号和与生长刺激相关胰岛素类似信号，这一与长寿有关的 IGF-1/insulin途径在动物长期进化过程中保存下来。2003年,意大利国家长寿研究中心的研究发现，IGF-1基因表达的抑制直接影响小鼠的寿命。同时在分子水平的研究也首次发现，一系列重叠基因协同调节 IGF-1在胞浆中的水平以及人类的长寿。另一方面，依赖于 IGF-1的神经内分泌调节中，IGF-1特定的循环周期也决定着人类的寿命。

2.1.4 沉默信号调控因子和核辅激活因子沉默信号调控因子 2（silencing information regulateor 2, SIR2）作为影响寿命的关键性

细胞因子，是 NAD+(nicotinamide adenine dinucleotide)依赖性组蛋白脱乙酰基酶。在对线虫和酵母的研究中发现，SIRT可通过对能量限制性信号的应答而诱导长寿[21]。在哺乳动物中，SIR同系物（SIRT）可引起靶蛋白MyoD, p53和发夹样转录因子脱乙酰基。到目前为止，很多物种中都已发现 SIRT参与衰老调节过程。过氧化物酶体增殖物激活受体 γ辅激活因子 1α (PGC-1α)可通过信号通路调节糖原异生途径。研究发现 SIRT1与 PGC-1α相互作用，在特定赖氨酸位点脱去乙酰基，激活糖原异生相关基因的转录，并通过 PGC-1α作用的信号通路产生肝糖原。因此在肝脏中,能量限制引起葡萄糖代谢机制的改变，而 SIRT1作为 PGC-1α的调节因子可控制葡萄糖的代谢平衡，最终延长寿命。进一步的研究也证明这两种基因与人类寿命相关。

2.2 线粒体内人类长寿相关基因研究 1997年,在大量实验结果的基础上，提出衰老是人类线粒体点突变大量积累结果的理

论。线粒体是细胞内生成活性氧基团(reactive oxygen species, ROS)的主要场所，ROS可攻击细胞内多种成分，如膜脂、蛋白和 DNA等。尽管超氧化物歧化酶，过氧化物酶，谷胱甘肽氧化酶等可以修复对 DNA的各种损伤，具有一定的防御功能，但仍有部分错误和损伤随年龄的增长而积累，最终引起组织和器官功能的衰退。由于线粒体内大量 ROS的产生，使得线粒体基因的 SNP位点数量是核内基因 SNP数的 3.2倍。通过群体遗传学研究证明这些位点中很大一部分与人类长寿关系密切，例如 5178C/A,3010G/A,9055G/A,150C/T等。

在线粒体长寿相关基因研究中，以 5178位点研究最为深入。1998年日本科学家

Tanaka 等人研究发现 ND2 (NADH dehydrogenase subunit 2)中 5178位置存在多态性位点 C/A,通过对 37名长寿老人以及 252名健康人的血样研究，发现Mt5178A具有很高的差异显著性，其在长寿老人中的比率是 62％，而正常健康人群中的比率为 45％。该 SNP位点使得编码蛋白 237位点发生 Leu到Met转变。深入的蛋白功能研究发现蛋氨酸残基结构是细胞的一种重要抗氧化机制，因为暴露在蛋白表面的蛋氨酸残基对于氧化反应具很高的反应活性，可作为有效的氧化反应的清除剂。在衰老过程中产生氧自由基的积累，形成了氧化损伤的压力而 ND2亚基里 237位点的Met转化对于线粒体内氧化损伤产生了积极的保护作用。进一步研究证明Mt5178A的基因型对于老年性疾病的预防具有积极作用，是延长寿命的重要遗传因素之一。

除对 5178位点外，其他一些位点的研究也在积极的进行中。下面分别介绍具有组织特异性的 3243位点，及具有群体分布差异性的 9055位点。 1993年日本学者报道在多种组织线粒体中存在与衰老相关的 3243A/G碱基颠换现象[31]。1997年在以澳大利亚人群为对象的研究中进一步肯定 3243位点颠换与衰老相关，并存在于心脏，脑，肝脏，肾脏等多种器官。在对美国人群该位点的研究中也指出其与老年性疾病 MELAS（mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis, and stroke-like episodes）密切相关；1998年 Ivanova et al 在对法国人群研究中观察发现，Mt9055A多态性位点在 248名长寿老人中比率为 13.2％，而在 285名成年人中比率为 6.6％。2001年对爱尔兰人群研究发现，对照人群中其比率为5％，而衰老人群中为 9％。研究推断Mt9055位点与人类的长寿相关，但不是衰老过程的主要因素。

以上列举的 3个基因位点还多停留在群体遗传研究水平。在未来研究中，对不同人群进一步确证，并在此基础上向功能性研究深入，将对深刻揭示线粒体对长寿的影响提供科学的依据。

3 关于人类长寿基因研究的策略和思路健康长寿是人类长久的追求，令人欣慰的是该领域在遗传学研究中已经取得了很大

的成就。通过多种方法，许多模式生物寿命已经得到一定程度延长，而深入研究将侧重于将模式生物中已摸索成功的技术方法和获得的长寿相关基因应用于人类长寿研究。一方面在不影响正常生命活动的前提下，用干预的方法达到延长寿命目的等。另一方面，因为衰老与疾病之间存在联系，所以可以通过对模式生物长寿相关同源基因序列在人类基因组中查找，发现人类长寿相关基因；以及从医学遗传学的角度探索延长人类寿命的机制，以便更全面和系统地发现长寿相关基因。

此外，在线粒体内长寿相关基因研究中，由于 mtDNA序列多态性在不同人群中有所不同，例如 5178位点的 SNP在亚洲日本长寿人群中确定为长寿相关基因, 而在法国高加索地区长寿人群中却检测不到。因此，未来线粒体内长寿相关 SNP位点的研究将注重其与研究群体基因型相结合。比较、总结、分析不同地区mtDNA的基因型频率及其与 SNP位点之间的关系。另一方面，在现有已确定 SNP位点基础上进一步研究其对编码蛋白功能影响，为系统研究线粒体对长寿影响的机理提供更为准确而深入的依据。

科学家指出二十一世纪将在人类衰老机制和延长寿命方面取得突破，并可望通过基因工程方法调控衰老过程相关基因，以达到延缓衰老、健康长寿的目标。总之，这些不同层次的研究对探索人类长寿的奥秘必将产生深远的影响。以上摘自中国遗传网。以下摘自中国科学院遗传与发育研究所网站科普栏目。

转基因生物技术育种: 机遇还是挑战？

（作者：储成才，单位：中科院遗传发育所）

摘要

　　转基因生物技术是一项全新的育种技术, 也是当前国际上进展最快、竞争最激烈的研究领域之一。自 20世纪 90年代生物技术育种诞生以来, 转基因作物的商品化应用及由此引发的一系列问题就引起公众的广泛关注。该文就世界上转基因生物技术育种及产业化现状、几个主要转基因作物安全性案例及最终结果, 以及如何科学推进我国转基因作物的产业化等提出了自己的思考, 以期帮助公众科学地理解和面对转基因生物技术所带来的育种技术上的革命。

关键词

　　作物, 转基因作物, 生物技术育种, 商业化, 生物安全

　　矮秆育种的推广和杂交水稻技术的应用, 使我国粮食产量从 20世纪 60年代中期到90年代中期连续 30多年稳步提高。然而近 10多年徘徊不前的粮食单产表明, 传统的育种技术已难以承载我国未来粮食安全面临的巨大挑战。我国人口的不断增长和人民生活质量的不断提高、可用耕地和水资源的日益紧缺、生物及自然灾害的频繁发生、生态环境压力的持续加大以及农业生产劳动力数量的急剧下降等国情都时时警醒我们, 中国已进入更加依靠科技创新以保障粮食供给、促进现代农业可持续发展的历史新阶段。诞生于 20世纪 80年代的转基因技术经过短短 30年的发展, 已成为新的科技革命的主体之一, 相关研究的进展和突破也大大加速了农作物更新换代的速度及种植业结构的变革, 转基因技术因此也被认为是继工业革命、计算机革命后的第 3次技术革命(Abelson, 1998), 正推动生物经济的形成: 一个基因一个产业, 一项技术一项产业。正因为如此, 美国、德国、瑞士等发达国家以及大型跨国公司如孟山都(Monsanto)、杜邦-先锋(DuPont Pioneer)、先正达(Syngenta)、拜耳(Bayer)及巴斯夫(BASF)等投巨资开展新基因的挖掘、转基因技术研发以及水稻(Oryza sativa)、玉米(Zea mays)、大豆(Glycine max)等基因组学研究, 目的就是取得并控制基因及相关技术的知识产权。一些发展中国家更是抓住生物技术发展的良好机遇大力发展转基因育种产业。因而, 农业生物技术已成为国际科技竞争乃至经济竞争的重点, 同时也被认为是发展中国家赶超世界科技前沿难得的突破口。

1.转基因技术是发展最为迅速的农业生物育种技术　　转基因技术是通过将人工分离和修饰过的基因导入生物体基因组中, 借助导入基因

的表达, 引起生物体性状可遗传变化的一项技术。1983年, 几个实验室几乎同时通过农杆菌方法成功获得转外源基因植物 (Bevanet al., 1983; Fraley et al., 1983; Herrera-Estrella et al., 1983; Murai et al., 1983)。到 1987 年 , 短短 4 年时间 , 第 1 例抗虫转基因番茄 (Solanum lycopersicum)就在美国进行了田间实验。1994年美国农业部(USDA)和美国食品与药品管理局(FDA)批准了第 1例转基因作物——延熟保鲜转基因番茄进入市场。1996年, 全球转基因作物种植面积达到 160万公顷。在随后的十几年中, 转基因技术的应用得到了迅速发展, 已成为近代育种史上发展最快、效率最高的作物改良技术。2011年, 全球转基因作物种植面积已超过1.6亿公顷, 比 1996年增加 94倍, 16年累积种植面积为 12.5亿公顷。按种植面积计算, 全球75%的大豆、82%的棉花(Gossypium hirsutum)、32%的玉米以及 26%的油菜(Brassica napus)是转基因品种。耐除草剂性状是转基因作物的主要性状。2011年, 耐除草剂大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜(Beta vulgaris)以及苜蓿(Medicago sativa)的种植面积达 9 390万公顷, 占全球转基因作物种植面积的 59%, 具抗虫性状的转基因作物种植面积为 2 390万公顷, 占总种植面积的15%。聚合 2种或 3种性状的转基因作物种植面积为 4 220万公顷(James, 2011)。

　　截至 2011年, 全世界已有 29个国家进行了转基因作物商业化生产, 10个为发达国家, 19个为发展中国家。其中 9个国家的种植面积超过 200万公顷, 发展中国家种植的转基因作物占全球转基因作物的 49.9%(James, 2011)。预计 2012年, 发展中国家的转基因作物种植面积将超过发达国家。美国依然是世界上最大的转基因作物种植国家, 2011年其转基因作物种植面积达 6 900万公顷, 约占全球转基因种植总面积的 43%。转基因作物涵盖大豆、玉米、棉花、油菜、南瓜(Cucurbita moschata)、番木瓜(Carica papaya)、苜蓿和甜菜。2011年一个引人注目的事件是, 在转基因植物的发源地欧洲, 西班牙、葡萄牙、捷克、波兰、斯洛伐克和罗马尼亚这 6个欧盟国家种植了创纪录的 11.45万公顷的 Bt抗虫转基因玉米 , 比 2010年增加了26%, 并且瑞典和德国也小规模种植了含新型淀粉组成的转基因马铃薯“AMFlora”。同时, 日本也批准了美国抗病毒番木瓜用于新鲜水果/食物消费。2011年, 澳大利亚棉花种植面积达到了有史以来的最大值, 其中 99.5%为转基因棉, 转基因棉的 95%为抗虫和耐除草剂复合性状品种。此外, 澳大利亚还种植了约 14万公顷的耐除草剂油菜(James, 2011)。

　　在发展中国家, 作为“金砖四国”之一的巴西, 2003年才开始推动转基因作物发展。巴西以政府为主导, 抓住生物技术发展和国际农产品价格上涨的机遇, 大力推进转基因作物产业化。2007年巴西颁布支持转基因作物产业化法案, 并投资达 70亿美元(其中 60%来自政府, 40%来自企业)开始实施为期 10年的专项, 其国家生物安全委员会(CNBS)直属总统办公室, 负责制定政策并作为最高仲裁机构。2011年, 巴西转基因作物种植面积上升到全球第 2位, 主要包括大豆、玉米和棉花, 总面积达 3 030万公顷, 占全球种植面积的 19%, 成为全球转基因作物增长的引擎。2009年, 巴西农业科学院与德国巴斯夫公司共同研制的抗咪唑啉酮(Imidazolinone)除草剂大豆获准商业化种植。2010年通过快速审批制度批准了 8个转基因产品, 2011年又额外审批了 6个。2011年, 该国首次批准了聚合抗虫和耐除草剂 2种性状大豆的生产。值得注意的是, 2010年拥有巴西自主知识产权的转基因抗病毒大豆获批商业化生产(水稻和大豆为拉丁美洲的主要产品), 证实了该国研发、生产及审批新型转基因作物的能力

(James, 2011)。目前, 农产品出口约占巴西出口总值的 35%, 而大豆及其加工品出口占其出口总值的 27%, 达 165亿美元。可以说, 农业的成功是近年巴西经济快速起飞的重要标志之一。

　　同为“金砖四国”之一的印度, 2011年转基因抗虫棉种植面积达 1 060万公顷, 占其棉花总种植面积的 88%, 2002–2010年期间 Bt 棉花为印度农民增收 94亿美元。非洲的南非、布基纳法索以及埃及共计种植 250万公顷转基因作物, 肯尼亚、尼日利亚以及乌干达已经开始了转基因作物的田间实验(James, 2011)。

　　目前, 转基因作物已在全球五大洲推广应用, 在减少农药施用、降低病虫害损失、改善环境、减少劳动力投入上取得了巨大的经济效益。2011年全球转基因作物种子销售额约为130亿美元, 而转基因作物商业化最终产品年产值为 1 600亿美元(James, 2011)。我国虽是种植转基因植物最早的国家之一, 但相比其它国家, 种植面积在世界上的排名已从 2005年之前的第 4位下降至 2006年的第 5位和 2011年的第 6位, 先后被同为“金砖国家”的巴西和印度赶超。

2.我国农业生物技术具有良好的技术储备　　中国是世界上最早开展农业生物技术研究和应用的国家之一, 已初步建立了世界上

为数不多的包括基因克隆、功能鉴定、遗传转化、品种选育、安全性评价及应用推广等完整的转基因植物研究和产业化体系, 拥有高产、抗病虫、抗除草剂、抗旱耐盐、营养品质改良等重要基因、调控元件及转基因技术等自主知识产权。水稻、棉花、玉米等主要作物的基础研究和应用研究已形成了自己的优势和特色, 虽与美国相比整体实力仍有差距, 但大幅领先于其它发展中国家。

　　我国的农业生物技术发展经历了早期的跟踪国际科技前沿(1986–2000年)和近期的自主创新(2001–现在)2个阶段。早期阶段主要从事建立和优化包括水稻、小麦 (Triticum aestivum)、大豆和棉花等不同作物的组培再生及遗传转化体系(李向辉, 1990; 卫志明和许智宏, 1990; 陈志贤等, 1994; 王国英等, 1995, 1996; 卢爱兰等, 1996; 梁辉等, 1999; 易自力等, 2000, 2001); 水稻等重要农作物遗传图谱的构建(毛龙和朱立煌, 1993; 张志永等, 1998); 对国际上已有相关研究的重要功能基因进行优化并开展转基因功能验证及大田试验, 最具代表性的就是中国农业科学院的 Bt基因的克隆优化和转基因抗虫棉的创制与推广(谢道昕等, 1991; 郭三堆, 1992; 郭三堆等, 1992), 以及中国科学院微生物研究所创制并应用的转基因抗病毒烟草等(周汝鸿和方荣祥, 1993)。这一阶段的工作为我国后期生物技术的发展奠定了坚实的基础。

　　进入 21世纪, 随着我国在生物技术研究领域投入的加大, 以及一批在生物技术基础和应用研究领域学有所成的学者的回国加盟, 在前期工作积累的基础上, 我国农业生物技术研究进入了以基因组测序、重要农艺性状功能基因的定位及克隆和鉴定等为主的自主创新期。

　　我国牵头或参与组织完成了包括水稻 (Fenget al., 2002; Yu et al., 2002)、黄瓜(Cucumis sativus) (Huang et al., 2009a)、白菜 (Brassica rapa)(Wang et al., 2011b)、马铃薯(Solanum tuberosum)(Xuet al., 2011)、谷子(Setaria italica)(Zhanget al., 2012a)、番茄(Sato et al., 2012)、二倍体棉花(Gossypium raimondii)(Wanget al., 2012a)等重要农作物的全基因组序列分析, A、D二倍体小麦基因组草图也已完成(凌宏清等, 贾继增等, 私人通讯)。此外, 还开展了一些经济作物如西瓜 (Citrullus lanatus)和柑橘 (Citrus sinensis)等和独特资源植物如小盐芥(Thellungiella salsuginea)的测序及功能基因的克隆和鉴定工作 (Guoet al., 2012; Wu et al., 2012; Xu et al., 2012)。

　　在重要农作物(特别是水稻)功能基因组研究方面也取得重要成果, 已建成包括水稻大型突变体库、全长 cDNA文库、生物芯片及转录组检测等功能基因组研究平台。更为重要的是, 分离克隆了一大批控制高产、优质、抗逆和营养高效等重要农艺性状的基因, 如控制水稻籽粒大小及粒型基因 GW2 (Song et al., 2007)、GW5 (Weng et al., 2008)、GS3 (Fanet al., 2009; Maoet al., 2010)、GW8 (Wanget al., 2012b)和 qGL3 (Qiet al., 2012; Zhanget al., 2012b); 大穗基因LP (Li et al., 2011b)、控制直立密穗基因 DEP1 (Huang et al., 2009b)和 DEP2 (Liet al., 2010a); 控制水稻株型基因MOC1 (Liet al., 2003)、EUI1 (Luoet al., 2006; Zhuet al., 2006)、LAZY1 (Liet al., 2007)、TAC1 (Yuet al., 2007)、PROG1 (Tanet al., 2008)、OsBAK1 (Li et al., 2009)、DLT (Tong et al., 2009, 2012)、IPA1 (Jiaoet al., 2010)、OsARG (Maet al., 2013)、LPA1 (Wu et al., 2013); 控制抽穗期基因 Ghd7 (Xueet al., 2008)、RID1 (Wuet al., 2008)、DTH8(Weiet al., 2010)和 LVP1 (Sun et al., 2012); 控制水稻光温敏不育的分子调控机制(Long et al., 2008; Zhou et al., 2012); 控制广亲和基因 Sa (Wanget al., 2005)和 S5 (Yanget al., 2012); 影响籽粒灌浆和品质性状基因 Waxy (Wanget al., 1990; Tianet al., 2009)、GIF1 (Wanget al., 2010)、PHD1 (Liet al., 2011a); 控制水稻抗性的基因, 如抗虫基因 CrylAb13 (檀建新等, 2002)、Cry1Ah1 (Xueet al., 2011), 水稻褐飞虱抗性基因 Bph14 (Du et al., 2009), 抗病基因 Pi-d2(Chen et al., 2006)、OsNPR1/NH1(Yuanet al., 2007; Fenget al., 2011)、Pid3(Shanget al., 2009)、OsBBI1(Liet al., 2011c); 耐逆基因, 如抗盐基因 SKC1 (Renet al., 2005)、OsDREB1F (Wang et al., 2008), 抗旱基因 SDIR1 (Zhang et al., 2007; Gaoet al., 2011)、SNAC1 (Hu et al., 2006)、OsSKIPa (Houet al., 2009)、OsWRKY30 (Shen et al., 2012), 耐低温和耐旱基因 OsbZIP52 (Liu et al., 2012); 控制营养高效吸收利用的基因 , 如磷营养高效基因OsPFT1 (Yiet al., 2005)、OsPHR2 (Zhou et al., 2008a)和 LTN1 (Huet al., 2011), 钾吸收利用基因AKT1 (Xu et al., 2006), 锌高效利用基因 OsMT1a (Yanget al., 2009); 新型高效抗除草剂 EPSPS基因(Jin et al., 2007; Yan et al., 2011)等。除了在水稻功能基因组学上的进展以外, 在其它作物如玉米、小麦及大豆等的重要功能基因鉴定及生物技术育种改良等研究方面也取得了很大进展(Liaoet al., 2008; Zhouet al., 2008b; Lai et al., 2010; Cao et al., 2011; Hao et al., 2011)。在植物基因调控元件的分离鉴定(谢迎秋等, 2000; Chen et al., 2001; Si et al., 2002, 2003)、高通量基因克隆鉴定技术(Liu et al., 2002, 2005; Lin et al., 2003; Liu and Chen, 2007; Li et al., 2010b; Wang

et al., 2011a)、无标记系统(Bai et al., 2008)等转基因技术研发上也做了大量工作。这些重要基因和调控元件不仅具有自主知识产权, 也为分子设计育种奠定了坚实的基础。

　　我国现已批准转基因棉花、番茄、甜椒 (Capsicum frutescens)、矮牵牛 (Petunia hybrida)、杨树(Populus alba)和番木瓜的商业化生产, 但实际上仅有转基因棉花和番木瓜真正进入市场应用。1997年, 我国批准转基因抗虫棉商业化生产伊始 , 美国孟山都公司转基因棉花占中国抗虫棉市场的 95%。2011年我国抗虫棉种植面积达到 390万公顷, 占全国棉花总种植面积的 71%, 目前自主抗虫棉品种已占中国抗虫棉市场的 95%以上(Lu et al., 2012)。至 2011年, 全国累计种植抗虫棉约 2 500万公顷, 14年的应用, 减少农药用量 80多万吨, 新增产值440亿元, 农民增收 250亿元。仅因种植抗虫棉一项, 每年减少的化学农药使用量, 相当于我国化学杀虫剂年生产总量的 7.5%左右; 棉农的劳动强度和防治成本显著下降, 棉田生态环境得到明显改善。可以说转基因棉花在减少农药投入、增加产量和农民增收方面起了重要作用(Huang et al., 2002, 2005; Wang et al.,2009)。

　　我国在玉米和水稻的分子改良上也有非常好的技术储备, 2009年批准了抗虫转基因水稻和转植酸酶玉米, 但仍未进入商业化生产应用。可以说, 中国的农业生物技术在基础性研究领域与国际前沿水平相距较小, 但在应用方面还存在较大的差距。另一方面, 中国也是世界上最大的生物技术产品消费市场之一。因此, 如何充分利用我国在该领域技术上的优势, 培育革命性新品种并推动其产业化进程, 对保障我国农业可持续发展和粮食安全具有重要的战略意义。

3.转基因生物的安全性需要通过科学来回答　　转基因作物自商业化以来, 一直面临着安全性的质疑, 公众最为担心的是转基因植

物是否能够通过花粉与近源种杂交从而产生对农业有害的超级杂草, 以及转基因作物和由此衍生的转基因食品对动物和人类会否产生直接的危害？从科学角度来说, 这些质疑是合理的, 也需要且只能通过科学来回答。有关转基因安全性最为典型的有以下几个案例。

　　1999年康奈尔大学 Losey指称, 用拌有转基因抗虫玉米花粉的马利筋 (Asclepias curassavica)叶片饲喂帝王蝶(Danaus plexippus)幼虫, 发现幼虫生长缓慢, 死亡率高达 44%, 从而认为抗虫转基因作物对非靶标昆虫产生威胁(Loseyet al., 1999)。由于该实验是在室内进行的, 不能反映田间情况, 且没有提供花粉量的数据而遭到同行科学家的质疑 (Beringer, 1999; Crawley, 1999)。上世纪 90年代初, 加拿大公众也担心早期抗除草剂转基因油菜的种植会导致超级杂草的产生, 造成生态灾难。Crawley等(1993)通过详细的研究证明, 转基因油菜与普通油菜相比在自然生态种群中没有任何生存优势。我国种植转基因抗虫棉伊始, 也有很多质疑的声音。后来的研究发现, 抗虫棉的种植不仅显著减少了农药的使用量, 而且由于农药使用量的减少, 捕食性天敌数量增加, 其它害虫如蚜虫的数量也显著减少, 有助于通过区域性天敌控

制害虫, 促进生物防治, 改善生态环境(Luet al., 2010, 2012)。

　　2001年 Quist和 Chapela宣称, 在墨西哥南部 Oaxaca地区 6个玉米样本中发现了一段 CaMV 35S启动子序列, 以及一段与 Novartis种子公司转基因抗虫玉米所含“Adh1基因”相似的基因序列(Quist and Chapela, 2001)。后来证明所测出的 CaMV 35S启动子为假阳性(Christou,2002; Kaplinsky et al., 2002)。随后, 墨西哥科学家于 2003和 2004年连续 2年对从Oaxaca地区 125个玉米田块收集的 153 746份材料逐一进行检测, 证明墨西哥任何地区的材料里都没有发现 CaMV 35S启动子和来自农杆菌的 NOS terminator(Ortiz-García et al., 2005)。

　　2012年 9月, 法国卡昂大学 Séralini等发表了一项毒理学研究, 表明转基因玉米和农达除草剂会引起实验室大鼠的乳腺肿瘤, 并可能导致其过早死亡(Séraliniet al., 2012)。这篇文章一经发表就在全球范围内引起广泛关注。为此 , 欧洲食品安全局(EFSA)成立了专门工作小组, 由监管产品部门负责人担任主席, 小组成员包括生物统计学、实验设计、哺乳动物毒理学、生物技术、生物化学、杀虫剂安全评价和基因修饰生物安全评价相关的专家, 对该论文的相关研究工作展开深入调查。调查结果表明, 该研究中实验设计和数据分析等诸多重要细节被省略, 仅凭文章给出的信息并不能得出相关结论, 不能作为评估转基因玉米健康风险的有效依据(http://www.efsa.europa. eu/en/efsajournal/doc/2986.pdf, European Food Safety Authority, 2012)。法国卫生安全管理局(ANSES)和德国联邦风险评估研究所(BfR)等也进行了详细的论证, 总体结论认为 , 研究设计、结果描述和统计方法等存在不足 , 无法支持其结论(http://intlcorn.com/seed%20site%202012/Locations/ansesnk603.html)。

　　迄今我国仍然没有批准大宗转基因粮食作物的种植, 但进口数量逐年增长。目前我国大豆消费超过 80%依赖进口。我国 2003年开始进口大豆, 并逐年增多, 2011年进口量达到5 260万吨。海关总署数据(http://www.customs.gov.cn/default.aspx?tabid=400)显示, 2012年前11个月已进口大豆 5 249万吨, 比去年同期增长 11%, 进口大豆主要来自美国、巴西和阿根廷, 大多数是转基因产品。我国年进口转基因油菜籽大约 350万吨。2010年我国首次批准 150万吨转基因玉米的进口, 2011年玉米进口量增长了 57%, 2012年前 11个月进口比 2011年同期增长 318%, 进口量迅速攀升(Rapoza, 2012)。也就是说, 转基因食品已经大量地摆上了我们的餐桌。

　　那么转基因食品有没有安全性问题？人们更关心的应该是已经大量进入到我们生活中的转基因作物, 如转基因大豆、转基因玉米和转基因棉花等。它们分别转入了什么基因？是否会影响人体健康？是否会给环境带来不良影响？这些问题都需要我们用科学来回答。

　　目前进入商品化生产的转基因玉米和棉花 , 主要转入的是 Bt抗虫基因和 EPSPS抗除草剂基因, 而大豆主要转入的是 EPSPS抗除草剂基因。以转基因 Bt抗虫作物为例, Bt蛋白为什么能够杀死昆虫？Bt进入昆虫的消化道, 昆虫的消化道是碱性环境, Bt蛋白和昆虫消化道上的受体结合, 引起肠穿孔, 从而导致害虫生长缓慢, 直至死亡。人的消化道结构和昆虫不一样, 而且人的肠道环境是酸性的, Bt蛋白进入胃中后很快在胃液中被消化降解为氨基酸, 对人体消化道没有任何作用。也就是说 , Bt基因的杀虫功能具有很强的选择性, 只在鳞翅目昆虫的碱性消化道中发挥作用, 对人和哺乳动物都不会产生影响(Sheltonet al., 2002)。抗除草剂性状由于其巨大的经济效益和环境效益, 成为作物的第一大改良性状。2011年抗除草剂大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜以及苜蓿种植面积达 9 390万公顷, 占全球转基因作物种植总面积的59%。其中使用最为广泛的抗除草剂基因是从根瘤农杆菌中分离的编码 455个氨基酸的抗草甘膦基因 CP4-EP- SPS。安全性评价表明, CP4-EPSPS蛋白在哺乳动物消化系统中极易分解, 小鼠经口食入高达 572 mg·kg–1(高于转基因大豆、玉米等植物中的 1 300倍)的 CP4-EPSPS蛋白, 亦无不良影响, 其在胃中的半衰期小于 15秒, 在肠系统中小于 10分钟。以上结果结合种子成分分析及动物营养研究表明 , 转基因抗草甘膦大豆对人和动物是安全的 (Harrison et al., 1998)。

　　联合国粮农组织 2007年的数据显示, 美国当年大豆产量的 41%用于出口, 其余主要用于美国国内消费, 其中 93%为食用; 美国每年生产玉米达 3亿 3千多万吨, 其中仅有 17.5%用于出口, 而美国国内食用消耗占 28.7%。迄今为止, 美国已种植转基因作物 16年, 包括婴儿食品在内, 美国市场转基因食品已超过　 3 000种, 直接使用人数超过 2亿人。可以说, 美国既是转基因作物生产大国, 也是转基因产品消费大国。16年的历史应该是空前规模的人体实验, 到现在为止并没有发现 1例转基因食品的安全事故。

　　按照食品安全定义, 一方面转基因食品不含有毒有害物质, 更不要说量的问题。从科学上来说, Bt蛋白不是有毒物质, 且在作物籽粒中的含量约为 2 μg·g–1, 这个浓度甚至低于国家稻米中农药残留标准。所以说, 转基因食品并不构成食品安全问题。更何况, 转基因作物的研发及产业化受到严格的安全管理。在中国, 为了规范转基因作物的研发及产业化, 2001年国务院颁布了《农业转基因生物安全管理条例》; 2002年农业部又出台了《农业转基因生物安全评价办法》、《农业转基因生物标识管理办法》、《农业转基因生物进口安全管理办法》和《农业转基因生物加工审批办法》等多项管理办法, 从保障生态环境安全、人体健康和农产品贸易秩序等方面进行了全方位的监督和管理。并设立专门的研究课题, 对转基因安全性进行方方面面的综合评价以及长期的跟踪研究。转基因植物食用安全评价内容涵盖营养学、毒理学、致敏性及结合其它资料进行的综合评价。仅毒理学评价就包括对外源基因表达蛋白的毒理学评价, 转基因生物及其产品因基因修饰而改变特性所产生的潜在毒性效应评价(全食品毒理学评价包括亚慢性毒性实验, 如果必要, 还需参照传统毒理学方法进行其它必要的毒理学实验, 如生殖发育毒性、慢性毒性/致癌性评价等) , 外源蛋白与已知有毒性的蛋白和抗营养成分在氨基酸序列相似性上的特征比较, 动物经口毒理学实验(急性毒性实验), 外源蛋白在加工过程和胃肠消化系统的稳定性, 外源蛋白在可食部位的含量, 并结合人群的暴露水平和已有的科学数据, 进行食用安全性的评估。可以说, 我国的转基因植物食用安全评价原则和技术指标要求涵盖了食品法典委员会等组织颁布的转基因作物食用安全评价指南里的所有内

容。

4 结束语　　转基因作物已经推广了 16年, 为什么公众对转基因作物和食品的安全性越来越关

注？从好的方面看, 说明转基因食品已经真正走入了大众的生活, 公众需要了解有关转基因技术、转基因作物和转基因生物安全性等方面的知识。当今时代, 网络技术发展的最大特点就是信息量非常庞大, 大量报道可以不经核实不受限制地迅速传播, 而其中相当一部分信息缺乏科学依据。这时候, 最需要的是政府部门及时发布权威性科学信息, 让公众理解转基因技术研究和应用的重要性和科学依据, 以避免消费者对转基因食品安全性的过度担心。同时, 科学家也有责任走出象牙塔, 走向公众, 积极进行科普宣传, 让公众了解转基因技术的原理、安全性管理和评价过程的严密性。

　　总之, 全球转基因作物产业在激烈争论中迅速崛起, 也许激烈争论的实质并非简单的对“转基因安全性”的歧视和偏见, 也在一定程度上反映出政治、经济和利益等诸多方面的博弈。政府部门需要科学审慎, 积极面对, 权衡利弊, 做出科学决策。转基因食品的安全性评价是以科学为基础的, 因而, 批准上市的转基因食品是安全的。广大民众要相信科学, 相信政府决策部门。中国人多地少的国情, 加上节能减排、环境保护等的巨大压力, 转基因作物的应用是难以逆转的趋势。如果中国一方面大量进口别国的转基因产品, 另一方面又限制自主产品走向商业化应用, 势必影响我国生物技术育种的健康发展, 使我国失去发展现代农业、赶超西方发达国家的良好机遇。

神奇的模式植物--拟南芥

　　拟南芥与油菜、萝卜、卷心菜等同为十字花科植物，向下细分为鼠耳芥属。拟南芥又名鼠耳芥、阿拉伯芥、阿拉伯草，拉丁文名为Arabidopsis thaliala (L.) Heynh。拟南芥作为一种草本植物广泛分布于欧亚大陆和非洲西北部。在我国的内蒙、新疆、陕西、甘肃、西藏、山东、江苏、安徽、湖北、四川、云南等省区均有生长。我国古人常将身边的一些卑微、低贱之物“视若草芥”，拟南芥早先也就是一种无声无息、名不见经传的小草。拟南芥既不好吃、也不好看，对人类毫无经济价值。但近一百年来，随着生物学和经典遗传学的蓬勃发展，科学家们逐渐注意到它的研究价值。长期以来，科学家一直希望在植物中找到像动物中的黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）那样繁殖快、易于在实验室培养、适于遗传操作的实验材料，进而从根本上改变植物遗传学研究的长期落后状况。

http://www.hudong.com/wiki/%E6%B9%96%E5%8C%97

http://www.hudong.com/wiki/%E5%AE%89%E5%BE%BD

http://www.hudong.com/wiki/%E9%99%95%E8%A5%BF

http://www.hudong.com/wiki/%E5%86%85%E8%92%99

　　拟南芥植株较小（一个 8cm见方的培养钵可种植 4-10株）、生长周期短（从发芽到开花约 4-6周）、结实多（每株植物可产生数千粒种子）。拟南芥的形态特征分明（图 1），莲座叶着生在植株基部，呈倒卵形或匙形；茎生叶无柄，呈批针形或线形。侧枝着生在叶腋基部，主茎及侧枝顶部生有总状花序，四片白色匙形花瓣，四强雄蕊。长角果线形，长约 1-1.5cm，每个果荚可着生 50-60粒种子。

图 1 拟南芥的形态

　　这些特点使得拟南芥的突变表型易于观察，为突变体筛选提供了便利。拟南芥是典型的自交繁殖植物，易于保持遗传稳定性。同时，可以方便的进行人工杂交，利于遗传研究。

　　拟南芥的另一个优点是易于转化。经过不断的实践，浸花法（floral tip）已成为拟南芥转化最常用的方法。对生长 5-6周已抽苔的拟南芥打顶来促进侧枝生长（图 2A），待花序大

量产生时将其在含有转化辅助剂 silwet和蔗糖的农杆菌溶液中浸泡几分钟（图 2B），3-4周后对转化植株收种子（图 2C）。在含有合适抗生素的平板上对种子进行筛选，能够健康生长的幼苗为转基因植株（图 2D）。这种转化方法不需要组织培养和再生植株的过程，操作简便、转化效率较高，为研究人员建立突变体库、改变目的基因的表达特征以及开展互补验证等实验提供了便利。

图 2 拟南芥转化过程（浸花法）

　　拟南芥基因组小，由五对染色体组成。其基因组序列已于 2000年由国际拟南芥基因组合

作联盟联合完成，这是第一个实现全序列分析的植物基因组。拟南芥基因组约为 12,500万碱基对，包含约 2.6万个基因，编码约 2.5万种蛋白质。通过物理（如辐射处理）、化学（如EMS诱变）及生物（如利用植物内源转座子或者根瘤农杆菌将DNA片段转入拟南芥基因组）的手段，已获得大量的发生在不同基因位点的突变体。研究人员建立了若干种质资源中心，方便了突变体的获取和交流。如今拟南芥已成为全球应用最广泛的模式植物，被誉为“植物中的果蝇”。

图 3 微笑的拟南芥

　　经过科学家们长期的研究，对拟南芥发育过程的认识取得了长足的进步，其应用价值也逐渐得到认可，下面举两个例子。

　　增加粮食产量和提高粮食作物对于干旱等灾害天气的耐逆性是植物研究的重要问题。我国

水资源短缺，而且水资源时空分布极不均衡，整个北方地区尤其是西北地区干旱缺水十分严重。近年来极端气候事件增加，对粮食生产造成很大威胁。因此，提高作物的抗旱能力对于保障我国农业经济的可持续发展和粮食安全具有重要意义。科学家从拟南芥的功能基因研究出发，在水稻中过量表达拟南芥HARDY（HRD）基因，最终实现了提高水稻的水分利用效率，增强抗旱能力[1]。拟南芥中功能获得性突变体hrd-D叶片深绿、根系发达、多个非生物胁迫相关基因的表达水平提高，抵抗干旱和高盐环境的能力显著增强，突变体中HRD基因表达量升高。HRD在水稻中的超表达可以增加水稻叶片的生物量和维管束鞘细胞的数目，提高光合效率，降低蒸腾，从而增强水分利用效率和抗旱能力。

　　生长素是一类低分子量的植物激素，它通过调节细胞分裂、伸长和分化对植物生长发育的各个方面发挥重要的调节作用。在拟南芥中生长素通过依赖于泛素分子的蛋白降解途径发挥功能，调控下游基因表达。早在 1993年人们鉴定到拟南芥分枝增加的突变体 axr1, 发现AXR1蛋白参与依赖于泛素分子的蛋白降解途径[2]。AXR1能够激活泛素样蛋白RUB1，并促进RUB1与 SCFTIR1复合体中CUL1蛋白的结合。AXR1蛋白的突变使RUB1与CUL1的结合降低，SCF复合体功能降低，进而带来对生长素响应的降低[3]。随后在动物中鉴定了RUB1的同源物Nedd8，研究表明Nedd8同样是 SCF复合体发挥功能所必需的[4]，而 SCF功能紊乱与多种人类疾病如癌症、阿尔兹海默症等密切相关[5]。由此可见，拟南芥中生长素信号途径的研究对于认识人类某些疾病的发病机理提供了重要帮助。

　　模式植物的选择和利用对于开展遗传分析、基因克隆和功能研究意义重大，拟南芥由于其植株小、结实多、生命周期短、基因组简单、遗传操作简便，近四十年来由田野里不起眼的小草成为植物研究领域最耀眼的明星。全世界有超过六千家实验室正在对拟南芥的生长发育及其对环境应答的过程开展深入研究。它在粮食增产、农作物耐逆、环境保护等领域做出了重要贡献，让我们记住这棵小草，记住神奇的模式植物——拟南芥。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (李家洋研究组供稿)

参考文献：1.Karaba A., Dixit S., Greco R., et al. (2007) Improvement of water use efficiency in rice by expression of HARDY, an Arabidopsis drought and salt tolerance gene. Proc Natl Acad Sci USA 104: 15270-5.

2.Leyser H.M., Lincoln C.A., Timpte C., et al. (1993) Arabidopsis auxin-resistance gene AXR1 encodes a protein related to ubiquitin-activating enzyme E1. Nature 364: 161-4.

3.Parry G. and Estelle M. (2006) Auxin receptors: a new role for F-box proteins. Curr Opin Cell Biol 18: 152-6.

4.Petroski M.D. and Deshaies R.J. (2005) Function and regulation of cullin-RING ubiquitin ligases. Nat Rev Mol Cell Biol 6: 9-20.

5.Jones A.M., Chory J., Dangl J.L., et al. (2008) The impact of Arabidopsis on human health: diversifying our portfolio. Cell 2008. 133: 939-43.

“率性而为”——自然界中的孤雌生殖

组织工程发展概况

　　组织、器官的丧失或功能障碍是人类健康所面临的主要危害之一，也是人类疾病和死亡的主要原因。如何从根本上解决这一难题，已成为生命科学领域积极探索的前沿课题。20世纪生命科学领域中细胞生物学和分子生物学的两大飞跃，使人类对生命本质的认识达到了一个前所未有的高度，也使人类对健康、长寿和生命质量有了更高的追求。从对生命的认识，发展到对生命质量的把握，是人类文明进步的必然需求和结果。21世纪将是人类以完善自我为目标，以生物工程为主趋势的生物世纪。随着生命科学、材料科学及相关物理、化学学科的发展，人们提出了一个新概念——组织工程（Tissue engineering）。

　　组织工程学是近年来兴起的一门新型交叉学科。美国麻省理工学院化学工程教授Robert Langer于 20世纪 60年代发明了高分子化合物控制释放系统，随后又发现了一类新型可降解聚合物材料，这可视为组织工程学的萌芽。20世纪 80年代初，Langer和波士顿麻省大学医院 Joseph P Vacanti医生首次描述了组织工程的简单涵义并开展了初步的研究工作并提出了“组织工程学”概念。随后美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）也相继资助建立了一系列实验室，正式展开组织工程学研究。目前，美国已有相当数量的研究机构（如NASA、DOE、NIH等）、大学（如MIT、HMS、GIT、UCSD、UMASTFFU 等）参与到组织工程学的研究中。紧随美国之后，日本、加拿大、欧洲、澳大利亚等国家和地区也先后开展了组织工程学研究。

　　1987年，随着细胞和分子生物学的深入研究以及材料科学和生物技术的飞速发展，NSF在华盛顿举办的生物工程小组会上正式提出“组织工程”一词，随后在该组织发起的另一次会议上将其定义为：应用生命科学与工程学的原理与技术，在正确认识哺乳动物的正常及病理两种状态下的组织结构与功能关系的基础上，研究、开发用于修复、维护、促进人体各种组织或器官损伤后的功能和形态的生物替代物的一门新兴学科。这一学科的应用领域直接与临床医学和人类健康密切相关，随着近年来组织工程的发展，其内涵逐渐扩大，并且成为再生医学（Regenerative Medicine）的重要手段。

　　组织工程研究使人类不但可以从细胞水平和分子水平认识生命的本质，而且能够从整体上优化生命的质量，并把握生命的进程。它是多学科交叉的边缘学科，具有生物力学、生物材料学和细胞分子生物学三大学科支撑，融汇了生物信息、生物化学工程、遗传学及工程、生物电子及计算机的原理和方法。因此，对组织工程学的研究，必将促进这些相关高技术产业的交叉、渗透和发展，同时还可以演化或衍生出新的高技术产业。组织工程的科学目标是在细胞水平和分子水平构建具有生命力的生物体，也即组织器官的形成和再生；组织工程的应用目标是促进人体健康、长寿和提高生命的质量；而构建人工器官，从形态、结构和功能上对组织、器官丧失或功能障碍进行永久性地置换和替代，则是组织工程的直接目标。多细胞生物在高于细胞层次的自组装单位是组织，它是由单一成份的一类或多类细胞组成的、具有完成特定功能和一定再生功能的集合体，如肌肉组织可以将化学能转变为机械能，神经纤维可进行信号的传递，血管负责物质的交换和运输等。组织工程或组织器官工程就是利用细胞的培养技术在体外人工控制细胞增殖、分化并生长成需要的组织，使之工程化批量产出，用来修补或修复由于意外损伤等引起的功能丧失的体内组织，满足临床和康复的需要，并有可能对一些尚没有根治办法的疾病如恶性肿瘤、糖尿病、心脏病、阿尔茨海默症、帕金森氏症、中风和其他疾病提供治疗方案。

组织工程是继细胞生物学和分子生物学之后，生命科学发展史上又一个里程碑，标志着医学将走出器官移植的范畴，步入制造组织和器官的新时代，从某种意义上讲，它已成为一个国家医学发展水平的标志之一。同时，作为一种新兴产业，组织工程学具有良好的发展前景和广阔的应用市场，其商业利润非常诱人。在今后的几十年中，组织工程将成为临床医学的一个重要组成部分，并可能并列于目前的药物治疗方法。因此，组织工程已经成为继人类基因大规模测序完成后生命

科学中最活跃的研究领域之一及科技竞争的焦点，国际性的产业化竞争热潮也已开始，掌握了其中的关键技术就获得了生命科学前沿技术的制高点。2000年的美国《时代》周刊预测：在今后的 20年之内，组织工程领域将会为社会提供最热门的工作机会。对人体替代部件的巨大需求不仅是推动组织工程或再生医学这一学科发展的动力，也将带来巨大的市场和商机。1995年仅在美国与器官或组织的缺陷或功能丧失相关的医疗费用就达 4000亿美元，1999年大概有 1000万美国人做过器官或体内移植，约有 14万例人工髋关节移植和大约 2万例膝关节假肢移植。据 2000年的有关统计，美国花在治疗性移植的费用超过 1000亿美元，相当于美国国民生产总值的 1%。仅仅以下所列出的常用假体治疗或修复材料就超过 600亿美元：眼角膜等，125亿美元；膝关节，87.5亿美元；髋关节，79亿美元；心脏起搏器，65

亿美元；心脏其它部分，25亿美元；血管（除心血管），20亿美元；隆胸，6亿美元；牙齿，3亿美元；内耳修复，3亿美元；脑膜及颅骨修复，1亿美元，等等。

目前国际上相继成立了近百家组织工程公司，组织工程皮肤、组织工程软骨已有产品面世，并得到美国食品和药品管理监督局（Food

and Drug Administration，FDA）的批准，而且还有许多产品进入临床评价阶段。一些研究机构与大公司联手进行开发研究，仅 1997

年直接用于组织工程研发的费用就达 5亿多美元，并以每年 22%的速

度增长。随着科学技术的发展，组织工程即将或正在成为治疗组织器官衰竭的有效疗法。

我国是世界第一人口大国，因创伤、疾病、遗传和衰老造成的组织/器官缺损或功能障碍人数也位居世界各国之首。如：我国每年有250~300万人死于心脑血管疾病，占总死因的 43%，是导致死亡的第一病因，每年用于心血管疾病的医疗费用高达 1300多亿元；癌症患病人数接近 600万，每年新发肿瘤病人数约 220万，死亡人数超过 200万；我国现有糖尿病患者 3000万人，增长率居全球首位，2025年将达到 5000万人；我国每年骨缺损和骨损伤患者近300万例；每年因在事故中烧伤的病人，需住院治疗的人数约为 120

万例；需肾移植病人 6万例以上，等等。以上情况说明，组织/器官缺损或功能障碍的极高发病率，不但给人类健康造成重大威胁，而且每年的医疗花费需要数千亿元，对我国国民经济发展与社会稳定带来极大负担。开展干细胞与组织工程的研究和产品开发，能提升我国医疗卫生领域可持续发展能力和创新能力，取得具有自主知识产权的医疗新技术、试剂、设备、生物医用材料，以国产替代进口，依靠科技进步与创新来降低医疗成本，将对实现新医疗改革目标产生重大意义，从

源头上缓解人民群众“看病贵、看病难”的问题。经过 10多年的努力，我国组织工程经历了从无到有、从小到大的发展历程，取得了一些重要的研究成果，并初步形成了以组织构建和临床应用为特色的中国组织工程学研究道路。我国将发挥优势，面向挑战，将组织工程学的研究和发展提高到一个战略高度，不断推动我国医药生物领域的蓬勃发展。

先天畸形的发生原因

　　先天畸形的发生原因不外遗传因素、环境因素和两者的相互作用。Wilson（1972）综合分析了 5次国际出生缺陷讨论会的资料，发现遗传因素引起的出生缺陷占 25%，环境因素占 10%，遗传因素与环境因素相互作用和原因不明者占 65%。（一）遗传因素与先天畸形　　遗传因素引起的先天畸形包括亲代畸形的血缘遗传和配子或胚体细胞的染色体畸变及基因突变。　　染色体畸变包括染色体数目的异常和染色体结构异常。染色体数目减少可引起先天畸形，常见于单体型。染色体的单体型胚胎几乎不能存活，性染色体的单体型胚胎约有 97%死亡，3%成活，但有畸形，如先天性卵巢发育不全即 Turner综合征（45，xo）。染色体数目的增多也可引起畸形，多见于三体型（trisomy），如 21号染色体的三体可引起先天愚型即Down综合征，18号染色体的三体可引起 Edward综合征，13号染色体三体可引起 Patau综合征，性染色体三体（47，xxy）可引起先天性睾丸发育不全（即 Klinefelter综合征）。染色体的结构畸变也可引起畸形，如 5号染色体短臂末端断裂缺失可引起猫叫综合征。基因突变的发生次数尽管比染色体畸变多，但多不引起畸形，故基因突变引起的畸形远比染色体畸变引起的畸形少，主要有软骨发育不全、肾上腺肥大、小头畸形、无虹膜、多囊肾、皮肤松垂症、睾丸女性化综合征。（二）环境因素与先天畸形　　环境因素的致畸作用早在本世纪 40年代就已被确认，能引起先天畸形的环境因素统称

为致畸因子（teratogen）。影响胚胎发育的环境有三个方面，即母体周围的外环境、母体的内环境和胚体周围的微环境。这三个层次的环境中引起胚胎畸形的因素均称为环境致畸因子。外环境中的致畸因子有的可穿过内环境和微环境直接作用于胚体，有的则通过改变内环境和微环境而间接作用于胚体。环境致畸因子主要有五类，即生物性致畸因子、物理性致畸因子、致畸性药物、致畸性化学物质和其它致畸因子。　　1.生物性致畸因子：有些致畸微生物可穿过胎盘屏障直接作用于胚体，有些则作用于母体和胎盘，引起母体发热、缺氧、脱水、酸中毒等，或干扰胎盘的转运功能，破坏胎盘屏障，从而间接地影响胚胎发育。目前已经确定对人类胚胎有致畸作用的生物因子有：风疹病毒、巨细胞病毒、单纯疱疹病毒、弓形体、梅毒螺旋体等。还有一些病毒，如流行性腮腺炎病毒、流感病毒等，对动物有明显的致畸作用，但对人类有无致畸作用尚未确定。　　2.物理性致畸因子：目前已确认的对人类有致畸作用的物理因子有射线、机械性压迫和损伤等。另外，高温、严寒、微波等在动物确有致畸作用，但对人类的致畸作用尚证据不足。　　3.致畸性药物：本世纪 60年代“反应停事件”后，药物致畸作用引起人们的普遍重视，并对药物进行严格的致畸检测。反应停又名酞胺哌啶酮，60年代在欧洲曾广泛用于治疗妊娠呕吐，结果引起大量残肢畸形儿的出生，酿成了所谓反应停事件。多数抗肿瘤药物有明显的致畸作用，某些抗生素也有致畸作用。　　4.致畸性化学物质：在工业“三废”、农药、食品添加剂和防腐剂中，含有一些有致畸作用的化学物质。　　5.其它致畸因子：酗酒、大量吸烟、缺氧、严重营养不良等均有致畸作用。孕妇过量饮酒可引起多种畸形，称胎儿酒精综合征（fetal alcohol syndrome），其主要表现是发育迟缓、小头、小眼、短眼裂、眼距小等。吸烟的致畸作用越来越受到人们的重视。吸烟不仅引起胎儿先天畸形，严重者可导致胎儿死亡和流产。

抗体—让自身免疫疾病走开

　　自身免疫疾病严重损害着人类的健康，已成为人类的第三大致病、致死原因，仅次于心脏病和癌症。5%～8%的人都患有这类疾病，每年为此花掉的医疗费高达数百亿美元。目前，已知的自身免疫疾病超过 40种，包括常见的 I型糖尿病（胰岛素依赖型）、类风湿性关节炎和乳糜泻。　　过去 10年，越来越多的研究显示，在自身免疫疾病出现明显症状的数年前，人体就会产生自身抗体（auto-antibody），它们会慢慢侵蚀自身组织。组织受到的伤害累积到一定程度，病症才会表现出来。自身抗体的发现改变着医生和研究人员对自身免疫疾病的看法：这意味着有朝一日，医生可以检测健康人的血液，看其中是否含有某种自身抗体，预测这个人在今后会不会患上某种疾病。　　了解遗传学进展的人或许会问，为什么研究人员非要开发检测自身抗体的方法呢？医生不是很快就能找出人体内的疾病基因，并预测一个人的患病风险吗？其实，大多数慢性疾病的发生，都是各种环境因素和多个基因共同作用的结果（这是一个很复杂的过程，每一个基因都与疾病的发生有关，但单个基因所起的作用又十分有限）。因此，即使找到了与某种疾病有关的基因，也无法确认这种疾病就一定会出现。如下，我们以 I型糖尿病为例，来说明自身抗体在疾病预测中起到的作用。

　　I型糖尿病的患者大多为儿童或青少年，病人的免疫系统会“伏击”胰腺中制造胰岛素的 β细胞。胰岛素能帮助细胞吸收血液中的葡萄糖，提供生存必需的能量。当身体缺乏胰岛素时，细胞就会挨饿，血糖浓度急剧上升，可能导致失明、肾功能衰竭等一系列并发症。40年前，大家还不知道 I型糖尿病是一种自身免疫疾病，没人知道到底是什么原因导致了 β细胞死亡。到了上世纪 70年代，比利时布鲁塞尔自由大学的威利·吉布茨检查了不幸死于 I型糖尿病的儿童的胰腺，发现淋巴细胞已经侵入了 β细胞的“地盘”—胰岛，这很可能是自身免疫活动的结果。此后不久，英国伦敦米德尔赛克斯医学院的佛朗哥 ·博塔佐证实，I型糖尿病患者的血液会与胰岛细胞发生反应，而正常人的血液则不会。这就说明，攻击 β细胞的自身抗体在血液中循环。这个发现立刻引起了科学家们的兴趣，他们开始寻找 β细胞中的自身抗原（会遭到自身抗体攻击的分子），希望这些抗原能够解释糖尿病是如何产生的。　　过去 20年内，科学家们进行了深入的研究，在那些刚刚患上 I型糖尿病的病人体内，发现了 3 种主要的胰腺自身抗原：胰岛素、谷氨酸脱羧酶（ glutamic acid decarboxylase，GAD）和胰岛细胞抗原-2（islet antigen-2，IA-2）。科学家仍不清楚与这些抗原结合的自身抗体是否真和 β细胞的死亡有关，但他们知道，70%～90%的 I型糖尿病患者体内都至少存在一种自身抗体，灵敏度较高的检测方法就可以检查出来。科学家对 3种自身抗体的研究投入了越来越多的精力，因为他们发现，在出现明显糖尿病症状之前很久，这些自身抗体就已经存在于患者体内了。在一项多个实验室联合进行的研究中，研究人员采集了数千名健康学龄儿童的血液样本，并对这些孩子的健康状况进行了长达 10年的监测。当某个孩子患了 I型糖尿病，研究人员就会调出他的血液样本，检测其中是否含有自身抗体。由于环境或遗传因素，某些孩子注定会成为糖尿病患者，但在症状出现的 10年之前，他们的血液里就会出现一种或多种与糖尿病相关的标志性自身抗体。　　这些研究成果让我们看到了一个诱人的前景：检测儿童的血液中是否含有自身抗体，医生就可以预测孩子们患 I型糖尿病的几率。临床研究人员发现，身体内出现一种自身抗体的孩子，在 5年内出现病症的几率为 10%；出现两种自身抗体的孩子，患病几率升至50%；而出现 3种自身抗体的孩子，患病几率高达 60%～80%。　　利用自身抗体预测疾病，是预防医学及预防医护领域的一大变革，但这种方法想要走进现实，还需要一些时间，更需要科学家付出艰辛的努力。我们已经发现了许多自身抗体但还需要多次大规模试验来验证预测的准确性。假如我们能够开发出成本低廉的自身抗体快速检测方法，这类检测就会像检测血液中的胆固醇含量一样，成为常规检查的一部分。到那时，我们就可以做到，抗体—让自身免疫疾病走开。

衰老过程：随机损害还是基因注定？

迄今为止，科学尚未明确阐释衰老究竟是一个怎样的过程，关于衰老的假说在学者之间也存在争议。近年来，有一种名为“一次性体细胞理论（Disposable Soma Theory，DST）”的假说影响较大。

简单地说，DST认为衰老是一个动态过程，它包含两个方面：随机损害（Random Damage）与修复（Repair）。在生命过程中，机体受到来自外部和内部的各种伤害，衰老的过程就是损害不断积累的过程。当体细胞修复不能满足需要时，过多的损害终将导致细胞死亡。与此同时，修复则是一个消耗能量的过程。事实上，我们的身体修复功能很强大，如果可以的话，我们其实可以永远生存下去。可事实并非如此，人终难免一死。生物体为什么要选择死亡而不是永生？这是因为意外死亡难以避免，且维持永恒修复代价过于高昂。迫于自然选择

的压力和相对有限的能量，生命需要以死亡和生殖的形式来进行适应和进化，“基因是永恒的，但身体是一次性的”（Genes are immortal, but the

body is disposable）。

DST同时提出了支持自己的证据：在自然界，寿命较长的动物修复能力也更好。寿命长的动物往往是更聪明的，体型更大的，能够飞行的（可以有效避免意外死亡）；也只有这样的动物，才会把更多的能量投入到生命的维持—修复上去。我们可以用DST来解释为什么女性的寿命比男性更长：因为女性担负着生殖的任务。由于怀孕、生产和哺乳的需要，女性对于身体修复的要求更高，这造成了女性比男性有更好的修复能力，而更好的修复能力自然会带来寿命的延长。

这个理论是不是很漂亮？的确，DST理论一推出就受到支持，但与此同

http://songshuhui.net/wp-content/uploads/2011/06/longevity-gene_%E5%89%AF%E6%9C%AC.jpg

时，许多学者却对它不屑一顾。在他们看来， DST的流行，完全是因为“文章写得天花乱坠，发表在有影响力的期刊（指《科学美国人》）上”；并且“理解DST不需要任何生物学和医学知识，这使它看上去很有吸引力”。反对者们最有利的证据是，DST理论根本无法对节食所带来的寿命延长做出合理的解释。

科学家发现，限制卡路里摄入（即节食）有明显的延年益寿的效果，从小鼠、大鼠到犬类，这一现象都存在。限制能量摄入后，动物不但活得更久，而且活得更健康；另外，在人类中，节食被证明能避免一些衰老相关的疾病。然而，这一现象无法用DST来解释：既然机体修复需要能量，那么多摄入能量应当更有助于修复，吃饱喝足的动物应该更长寿才对，显然事实并非如此。另外，DST

也与进化论似有抵触之处。根据DST观点，机体会在资源丰富、能量充足的时候倾向于不修复，而在资源不足、能量匮乏的时候选择修复以使得生命存续得更久；DST从节省能量的角度推论，女性绝经会是一个有益的事情—不过目前普遍认为，绝经并不是一件好事：与动脉硬化、衰老一样，绝经不会使女性受益。总体说来，DST并不是一个基于实验的理论，而只是一个基于纯逻辑的猜想。

那么实验如何解释节食所带来的影响呢？近些年针对衰老机制的分子生物学研究中，雷帕霉素标靶（Target Of Rapamycin，TOR）的信号传导通路是一个比较热门的领域。哺乳动物的 TOR通路又称为mTOR通路。当然，在这个信号通路里面有非常复杂的因子参与，在此不一一详述，我们需要知道的就是mTOR的功能：mTOR的活化调控着人体的发育和衰老。发育和衰老实际上是一个连续的过程，当机体发育完成之后，TOR的作用就是将生命带向衰老。

可见，衰老并非是随机损害累积的结果，而是深藏在我们基因内的一个准编程程序。这样一来，节食的问题也就可以解释了：食物会刺激营养素敏感的 TOR

通路，使得动物在早期加速发育并在发育完成后加速衰老；食物越多，衰老越快。

综上所述，针对衰老的过程，DST理论更倾向于认为是随机损害的积累，而针对 TOR通路的研究则指出衰老很可能是由基因决定的。孰对孰错，我们期待进一步深入的科学研究，能为我们带来更具有说服力的衰老新理论。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　供稿人：分子系统生物学研究中心张蕾颖

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2011-7-7

参考文献 Tom Eskes , Clemens Haanen.Why do women live longer than men?

European Journal of Obstetrics & Gynecology and Reproductive Biology. 2007;(133): 126–133

Zoncu R, Efeyan A, Sabatini DM. mTOR: from growth signal integration to cancer, diabetes and ageing. Nat Rev Mol Cell Biol. 2011;(12):21-35

Sinclair, David A. Guarente, Lenny. Unlocking the Secrets of Longevity Genes. Scientific American; 2006; ( 294):48-57

白化病

　　白化病（albinism）是由于不同基因的突变，导致黑色素或黑色素体生物合成缺陷，从而表现为皮肤、眼睛、毛发等的色素缺乏。目前已明确的引起人类白化病的基因有几十个，大致分为以下两大类：

　　1.非综合征性（nonsyndromic）：　　（1）眼皮肤白化病：呈常染色体隐性遗传，如

OCA1，OCA2，OCA3，OCA4。　　（2）眼白化病：呈X连锁隐性遗传，如OA1。

　　2.综合征性（syndromic）：　　（1）Hermansky-Pudlak综合征（HPS）：常染色体隐性遗传，如HPS1～

HPS7。　　（2）Chediak-Higashi综合征（CHS）：常染色体隐性遗传，如CHS1。　　（3）Griscelli综合征（GS）：常染色体隐性遗传，如GS1，GS2，GS3。　　（4）Usher综合征（USH）：常染色体隐性遗传，如USH1B。

　　由于引起白化病的基因不同，疾病发生的机理有所不同。通常是涉及到黑色素生物合成和黑色素细胞内黑色素生物合成/转运缺陷两个环节。各型OCA患者主要表现为皮肤黑色素减少，对紫外光辐射敏感，易患皮肤癌；OCA与OA均导致眼色素减低，并引起视神经发育不良、眼球震颤、视神经根异常并发夜盲症、视力减退，甚至双眼视力丧失。OCA1患者一般表现为出生时头发和皮肤变白，虹膜颜色变淡，TYR酶活性完全缺乏时，将持续一生。若残留部分 TYR酶活性，10岁前仍有色素形成，随后皮肤、毛发、虹膜颜色逐渐变淡。OCA2是最常见的一类白化病，患者出生时头发有色素但皮肤灰白，典型OCA2患者表型为黄头发和白皮肤（各种人种）。

　　白化病的危害主要是眼部损害和皮肤癌的易患性，除对症治疗外，尽量减少紫外辐射对眼睛和皮肤的损害。由于目前对白化病缺乏有效的治疗，产前诊断很重要，特别是HPS和 CHS，防止患儿出生。

远缘杂交与小麦的进化

　　远缘杂交(distant hybridization)一般是指植物分类上不同种、属或亲缘关系更远的物种间的杂交，它可以把不同种、属的特征、特性结合起来，突破种属界限，扩大遗传变异，从而创造新的变异类型或新物种。

　　远缘杂交一般不易结实，即使结实，也通常不育或夭亡，杂种后代分离幅度大，分离世代长且不易稳定。远缘杂交在育种上的意义主要是：创造新物种、改良旧物种、创造和利用杂种优势。用杂交技术进行作物育种是本世纪初以后的事，将远缘杂交用于作物育种上的历史就更短了。然而，远缘杂交作为新物种形成的重要途经之—，在自然界里早就开始了。例如，普通小麦、普通烟草、陆地棉等都是经不同物种天然杂交和长期的自然选择而产生的。

　　现在种植的普通小麦，就是由三种野生植物，经过两次天然远缘杂交，九千多年的自然选择和人工选择而形成的。人类最早种植的小麦叫一粒小麦，一粒小麦的产量是很低的以后是二粒小麦，二粒小麦就是由一粒小麦与拟斯卑尔脱山羊草经天然远缘杂交而产生的二粒小麦的产量高，慢慢取代了一粒小麦；二粒小麦又遇到另外一种田间杂草叫粗山羊草通过二粒小麦和粗山羊草相互杂交和染色的加倍就形成了最古老的普通小麦，又经过了五千多年的自然选择和人工选择，才形成了我们今天种植的普通小麦。　　　　　　　　如今普通小麦已成了小麦属作物中的集大成者，不仅产量提高了，另外还有一个非常重要的变化，就是普通小麦的面粉可以发面做成馒头，做成面包，二粒小麦的面粉没有这个功能，是不能发面的，这个基因是从粗山羊草里面来的。因此说，小麦的进化历史就是一部远缘杂交史。

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