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  • 体细胞遗传学

    体细胞遗传学所属现代词,指的是以高等生物的体细胞为实验材料,采用细胞离体培养、细胞融合和遗传物质在细胞间转移等方法。

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    体细胞遗传学/体细胞遗传学 编辑

     

    正文/体细胞遗传学 编辑

      以高等生物的体细胞为实验材料,采用细胞离体培养、细胞融合和遗传物质在细胞间转移等方法,研究真核细胞的基因结构功能及其表达规律等的遗传学分支学科。它可以为植物育种提供新的方法,并且是人类遗传性疾病基因治疗的理论基础。
      高等生物的遗传学研究一般都通过分析遗传性状在有性生殖子代中的分布和出现频率来进行。可是高等生物的生殖周期长,子代个体数目少,对于人类来讲则又不能在严格的实验条件下进行杂交实验,所以给研究带来了一定的困难。但是作为高等生物个体生命活动的基本单位的每一体细胞一般都包含着全套基因组,因此将体细胞在离体条件下培养,使之像原生动物或细菌一样分裂、增殖,便可将微生物遗传学的一些方法应用于高等生物的体细胞研究。例如可以分离体细胞并培养成为纯种──克隆(又称无性繁殖系);可以定量研究各种理化因素对高等生物体细胞的作用,包括突变的诱发;可以克服生殖隔离而实现不同种(如人和鼠)之间甚至不同界(如人和大豆)之间的体细胞融合而获得细胞杂种;通过体细胞克隆的扩增,在短期内获得数目众多的子代细胞从而有效地分析特定性状的遗传规律。在植物细胞中更可借助于植物细胞的全能性使单细胞克隆和融合细胞株分化成为完整的新植株,以便研究杂种细胞的基因表达,分析和比较无性杂种后代的遗传变异规律,并进行育种。
      简史  1907年美国学者R.G.哈里森第一次把神经细胞在体外培养成活。1956年美国学者T.T.帕克使单个哺乳动物体细胞在体外培养的条件下分裂增殖成为克隆,首次提供了用微生物学方法在严格控制的条件下进行体细胞遗传学研究的材料,简化了体外获得高等动物体细胞克隆的程序,把体细胞遗传学的研究推进到一个新的阶段。60年代初法国学者G.巴斯基等发现体外培养的小鼠细胞能自发融合,以后,日本学者冈田善雄又发现经紫外线灭活的仙台病毒可促进细胞融合。在此后的几年里体细胞遗传学的研究相继取得三项重大进展:①引进了不能合成某些酶的隐性突变细胞株作为细胞融合的亲本;在混合两种不同的隐性突变细胞时,只有发生了融合的细胞才能由于两个突变型细胞的功能上的互补(见互补作用)而呈现出野生型特性,进而可用各种选择技术把这些融合细胞从大量未融合的细胞群体中筛选出来;②在获得包含不同物种的细胞核的种间异核细胞以后,又获得了体外培养条件下能分裂增殖的合核细胞,即由不同物种的细胞核融合成为一个细胞核的杂种细胞;③发现两个物种的细胞融合后,杂种细胞在分裂过程中总是连续地排斥其中一个物种的染色体。例如小鼠细胞与人体细胞形成的杂种细胞在分裂过程中倾向于不断地排斥人的染色体。在上述三个发现的基础上,迅速地开展了人的基因定位工作、正常体细胞与肿瘤细胞的杂种细胞的致瘤性的研究以及细胞核、细胞质与某些染色体之间的关系的研究。1975年,阿根廷学者C.米尔斯坦等把能产生大量异常免疫球蛋白的小鼠骨髓瘤细胞与经过特定抗原免疫的小鼠脾脏淋巴细胞进行体细胞杂交,从杂种骨髓瘤细胞中得到了产生单克隆抗体的细胞株,大大地提高了抗体的纯度,对免疫学和医学的研究产生了重大影响。
      此外,还采用各种方法在体细胞之间转移遗传物质,以便观察外源基因在宿主细胞中的命运。1967年第一次以微生物转化方法将田鼠黑色素瘤细胞中的 DNA转化体外培养的非黑色素细胞,使之成为能产生黑色素的细胞并增殖为克隆。70年代中又陆续发展出一些新技术,如制备出微细胞、脂质体和血影细胞等载体,把若干条染色体、染色体片段或长度不等的 DNA分子引入受体细胞;或者通过显微注射把 DNA分子直接注入受体细胞的核内,最后使这些引入的外源遗传物质在受体细胞中表达,从而大大推进了有关真核生物的基因结构和功能以及基因调控方面的研究。
      植物的体细胞遗传学研究工作是在植物组织培养的基础上发展起来的。1934年英国学者P.R.怀特以番茄根为材料建成了第一个能活跃生长的细胞无性繁殖系。以后的发展主要是关于培养物的组织分化和细胞融合两个方面。1956年R.A.米勒发现了激动素,并且在含有一定浓度的激动素和生长素的培养基上使离体培养的组织发生器官分化。到目前为止,已有200多种、属植物组织培养中的细胞,相继被诱导分化为植株。
      60年代初期E.C.科金等应用纤维素酶分离植物原生质体获得成功。1972年P.S.卡尔森通过选择性筛选方法,获得由无性杂种细胞分化而成的双二倍体烟草植株。70年代以来在对突变型细胞株的筛选,外源遗传物质导入和高等植物细胞中质粒的研究等方面也和动物体细胞遗传学一样得到了广泛地开展。特别是因为植物细胞具有全能性,能够由单个细胞长成植株,所以植物体细胞遗传学研究除了在阐明植物的器官分化及形态建成等方面的价值外,也对育种工作具有重要意义。
      研究方法  细胞融合  用灭活的病毒(如仙台病毒)或化学药物(如聚乙二醇、葡聚糖)等处理细胞,可以促使细胞间发生融合而获得不同的细胞杂种。例如含有两个以上同种细胞核的同型核细胞、含有两个以上异种细胞核的异核细胞、含有由同种(或异种)细胞核融合成一个细胞核的种内(或种间)合核细胞、由不含细胞核的胞质体和完整细胞融合成的胞质杂种细胞以及由一种细胞的胞质体同另一种细胞的不含细胞质的核体融合成的重组细胞等。这些通过无性过程获得的细胞杂种除可以用以研究细胞核和细胞质对遗传信息的传递和表达所起的作用以及肿瘤发生的机理等,还可在植物中用来克服远缘杂交的困难。
      诱变  用诱发突变可研究突变机制,并可为细胞融合提供选择性标记。已经建立的突变细胞株的性状包括营养缺陷、温度敏感、抗辐射、抗病毒和抗药物等,在植物中还可以通过体细胞诱变进行育种。
      融合细胞的选择  细胞融合和基因突变同属稀有事件,所以必须具备特定的选择方法才能从大量没有融合的细胞中分离已经融合的细胞。在动物细胞中最早出现而且应用最广泛的是HAT选择法。 在这一方法中,一个亲本细胞株为次黄嘌呤-鸟嘌呤-磷酸核糖转移酶缺陷型(HGPRT-);另一个亲本细胞株为胸腺嘧啶核苷激酶缺陷型(TK-),在含有次黄嘌呤(H)、氨基蝶呤(A)、胸腺嘧啶核苷(T)的HAT选择培养液中上述亲本细胞都无法生存,只有融合以后的杂种细胞才能生长,因此可以有效地选择出杂种细胞。 HAT选择法的原理是因为核酸合成有两条途径:①全合成途径,从一些小分子物质先合成嘌呤、嘧啶,最后合成核酸;②应急途径,通过HGPRT的催化作用把次黄嘌呤转化成次黄嘌呤核苷-磷酸(IMP),通过TK的催化把胸腺嘧啶核苷转化成脱氧胸腺嘧啶核苷-磷酸(dTMP),再进一步合成核酸。 HAT培养液中的氨基蝶呤(A)能阻断全合成途径,所以两个亲本细胞都不能在HAT培养基中生长,而只有经细胞融合后得到的杂种细胞同时具有了HGPRT和 TK的酶活性才能利用培养液中的次黄嘌呤(H)和胸腺嘧啶核苷(T)通过应急途径合成核酸(见图)。体细胞遗传学同理,任何其他方法,只要具备能使两种亲本细胞不能单独生存而只有融合以后才能生存的条件,都可以用来进行融合细胞的选择。
      排除或保留某一亲本染色体的方法  对于都是长期传代培养的小鼠和大鼠细胞株的融合细胞来讲,在传代过程中被不断排斥的是大鼠的染色体;小鼠和人的融合细胞中被排斥的则是人的染色体。可是如果用人体细胞株的细胞与未经长期传代培养的小鼠细胞进行融合,则融合细胞首先排斥小鼠染色体。在植物中,培养九个月以后的大豆和烟草杂种细胞株中大豆染色体全部保留,烟草染色体则被排除了一半。
      根据染色体上某些基因的特性,可以得到选择性地排除某一染色体的杂种细胞,例如在人的第5号染色体上有一个白喉毒素受体蛋白基因,它使人体的杂种细胞对白喉毒素敏感。小鼠细胞中没有这一基因,所以能抗这种毒素。把人体和小鼠细胞的融合细胞培养在含有白喉毒素的培养液中,就能选择性地除去带有人体第5号染色体的杂种细胞。相反地也可以使融合细胞选择性地保留某一染色体。例如HGPRT基因位于人的X染色体上,所以能在HAT培养液中生长的融合细胞必定保留有人的X染色体。
      染色体基因或细胞核的转移  把遗传物质引入某种生物的细胞是体细胞遗传学研究中的常用手段。外源遗传物质直接转化受体细胞的效率不高。把待转移的遗传物质用病毒、血影细胞、微细胞、脂质体等装载后则能提高引入受体细胞的效率。此外,也可以用极细的玻璃管把 DNA直接注射到受体细胞的细胞核中。对于除去细胞壁后的植物细胞的原生质体来讲,也可以用上述种种方法引入DNA分子、噬菌体颗粒和细胞器等。 除了转移染色体或染色体片段以外,有时需要转移整个细胞核,显微注射也是转移细胞核的常用方法。
      应用  应用细胞融合、染色体鉴定、生化鉴定、免疫学鉴定等技术,已经建立了许多种基因定位方法,使人的基因定位的研究取得了快速的进展。例如,可利用中国仓鼠的细胞和人的体细胞融合的杂种细胞在传代培养过程中不断排斥人的染色体的现象来进行基因定位:如发现杂种细胞中人的9号染色体被排斥后便失去ABO血型抗原,就可以确定ABO血型抗原基因是在9号染色体上等。研究肿瘤细胞融合形成的杂种细胞的致瘤性的变化可以为了解正常细胞的癌化和肿瘤细胞的逆转提供重要的线索。体细胞遗传学方法还可应用于肿瘤(例如着色性干皮病)发生机理的研究(见DNA损伤修复、互补作用)。另外,体细胞培养的方法还可应用于人类遗传性疾病的预防(见染色体病、先天性代谢缺陷)。
      遗传物质引入受体细胞后,分析外源基因在受体细胞中是否表达以及了解基因表达时所需的条件是研究真核细胞基因调控的有效途径。此外,研究细胞核和细胞质之间的相互关系以及细胞质对核基因表达的作用,也都是体细胞遗传学研究的重要内容。
      体细胞遗传学原理在育种工作中的应用目前还只限于植物。在药用植物黄连的细胞株中曾选到总生物碱含量高达干重的15%(其中小蘖碱含量高达 8%)的细胞株,这些细胞株可以用来进行小蘖碱的发酵生产。通过诱变处理还曾从玉米的体细胞中选得抗长蠕孢霉的细胞株并育成抗性品系。通过原生质体融合还可以获得难以通过有性杂交取得的远缘杂交品系,例如马铃薯和番茄、烟草和矮牵牛的杂交品系。随着研究工作的深入,将会在生产实际中取得更多成果。
      参考书目
     N.R.Ringertz,R.E.Savage,Cell Hybrids,Academic Press, New York,1976.

     

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