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體細胞遺傳學

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高等生物的遺傳學研究一般都通過分析遺傳性狀在有性生殖子代中的分佈和出現頻率來進行。可是高等生物的生殖周期長,子代個體數目少,對於人類來講則又不能在嚴格的實驗條件下進行雜交實驗,所以給研究帶來了一定的困難。

1體細胞遺傳學簡介

簡史
1907年,美國學者R·G·哈里森第一次把神經細胞在體外培養成活。1956年,美國學者T·T·帕克使單個哺乳動物體細胞在體外培養的條件下分裂增殖成功,首次提供了用微生物學方法在嚴格控制的條件下進行體細胞遺傳學研究的材料,簡化了體外獲得高等動物體細胞克隆的程序,把體細胞遺傳學的研究推進到一個新的階段。20世紀60年代初,法國學者G·巴斯基等發現體外培養的小鼠細胞能自發融合,以後,日本學者岡田善雄又發現經紫外線滅活的仙台病毒可促進細胞融合。在此後的幾年裡體細胞遺傳學的研究相繼取得三項重大進展:①引進了不能合成某些酶的隱性突變細胞株作為細胞融合的親本;在混合兩種不同的隱性突變細胞時,只有發生了融合的細胞才能由於兩個突變型細胞的功能上的互補而呈現出野生型特性,進而可用各種選擇技術把這些融合細胞從大量未融合的細胞群體中篩選出來;②在獲得包含不同物種細胞核的種間異核細胞以後,又獲得了體外培養條件下能分裂增殖的合核細胞,即由不同物種的細胞核融合成為一個細胞核的雜種細胞;③發現兩個物種的細胞融合后,雜種細胞在分裂過程中總是連續地排斥其中一個物種的染色體。例如小鼠細胞與人體細胞形成的雜種細胞在分裂過程中傾向於不斷地排斥人的染色體。在上述三個發現的基礎上,迅速地開展了人的基因定位工作、正常體細胞與腫瘤細胞的雜種細胞的致瘤性的研究以及細胞核、細胞質與某些染色體之間的關係的研究。1975年,阿根廷學者C·米爾斯坦等把能產生大量異常免疫球蛋白的小鼠骨髓瘤細胞與經過特定抗原免疫的小鼠脾臟淋巴細胞進行體細胞雜交,從雜種骨髓瘤細胞中得到了產生單克隆抗體的細胞株,大大地提高了抗體的純度,對免疫學和醫學的研究產生了重大影響。
此外,還採用各種方法在體細胞之間轉移遺傳物質,以便觀察外源基因在宿主細胞中的命運。1967年第一次以微生物轉化方法將田鼠黑色素瘤細胞中的脫氧核糖核酸(簡稱DNA)轉化體外培養的非黑色素細胞,使之成為能產生黑色素的細胞並增殖為克隆。20世紀70年代中又陸續發展出一些新技術,如製備出微細胞、脂質體和血影細胞等載體,把若干條染色體、染色體片段或長度不等的DNA分子引入受體細胞;或者通過顯微注射把DNA分子直接注入受體細胞的核內,最後使這些引入的外源遺傳物質在受體細胞中表達,從而大大推進了有關真核生物的基因結構和功能以及基因調控方面的研究。
植物的體細胞遺傳學研究工作是在植物組織培養的基礎上發展起來的。1934年英國學者P·R·懷特以番茄根為材料建成了第一個能活躍生長的細胞無性繁殖系。以後的發展主要是關於培養物的組織分化和細胞融合兩個方面。1956年R·A·米勒發現了激動素,並且在含有一定濃度的激動素和生長素的培養基上使離體培養的組織發生器官分化。到目前為止,已有200多個種屬植物組織培養中的細胞,相繼被誘導分化為植株。
20世紀60年代初期,E·C·科金等應用纖維素酶分離植物原生質體獲得成功。1972年·S·卡爾森通過選擇性篩選方法,獲得由無性雜種細胞分化而成的雙二倍體煙草植株。20世紀70年代以來,在對突變型細胞株的篩選、外源遺傳物質導入和高等植物細胞中質粒的研究等方面也和動物體細胞遺傳學一樣得到了廣泛地開展。特別是因為植物細胞具有全能性,能夠由單個細胞長成植株,所以植物體細胞遺傳學研究除了在闡明植物的器官分化及形態建成等方面的價值外,也對育種工作具有重要意義。

2研究方法及應用

誘變
用誘發突變可研究突變機制,並可為細胞融合提供選擇性標記。已經建立的突變細胞株的性狀包括營養缺陷、溫度敏感、抗輻射、抗病毒和抗藥物等,在植物中還可以通過體細胞誘變進行育種。
排除或保留某一親本染色體的方法
對於都是長期傳代培養的小鼠和大鼠細胞株的融合細胞來講,在傳代過程中被不斷排斥的是大鼠的染色體;小鼠和人的融合細胞中被排斥的則是人的染色體。可是如果用人體細胞株的細胞與未經長期傳代培養的小鼠細胞進行融合,則融合細胞首先排斥小鼠染色體。在植物中,培養九個月以後的大豆和煙草雜種細胞株中大豆染色體全部保留,煙草染色體則被排除了一半。
根據染色體上某些基因的特性,可以得到選擇性地排除某一染色體的雜種細胞,例如在人的第5號染色體上有一個白喉毒素受體蛋白基因,它使人體的雜種細胞對白喉毒素敏感。小鼠細胞中沒有這一基因,所以能抗這種毒素。把人體和小鼠細胞的融合細胞培養在含有白喉毒素的培養液中,就能選擇性地除去帶有人體第5號染色體的雜種細胞。相反地也可以使融合細胞選擇性地保留某一染色體。例如HGPRT基因位於人的X染色體上,所以能在HAT培養液中生長的融合細胞必定保留有人的X染色體。
應用
應用細胞融合、染色體鑒定、生化鑒定、免疫學鑒定等技術,已經建立了許多種基因定位方法,使人的基因定位的研究取得了快速的進展。例如,可利用中國倉鼠的細胞和人的體細胞融合的雜種細胞在傳代培養過程中不斷排斥人的染色體的現象來進行基因定位:如發現雜種細胞中人的9號染色體被排斥后便失去ABO血型抗原,就可以確定ABO血型抗原基因是在9號染色體上等。研究腫瘤細胞融合形成的雜種細胞的致瘤性的變化可以為了解正常細胞的癌化和腫瘤細胞的逆轉提供重要的線索。體細胞遺傳學方法還可應用於腫瘤(例如著色性干皮病)發生機理的研究。另外,體細胞培養的方法還可應用於人類遺傳性疾病的預防。
遺傳物質引入受體細胞后,分析外源基因在受體細胞中是否表達以及了解基因表達時所需的條件是研究真核細胞基因調控的有效途徑。此外,研究細胞核和細胞質之間的相互關係以及細胞質對核基因表達的作用,也都是體細胞遺傳學研究的重要內容。
體細胞遺傳學原理在育種工作中的應用目前還只限於植物。在藥用植物黃連的細胞株中曾選到總生物鹼含量高達乾重的15%(其中小櫱鹼含量高達8%)的細胞株,這些細胞株可以用來進行小櫱鹼的發酵生產。通過誘變處理還曾從玉米的體細胞中選得抗長蠕孢霉的細胞株並育成抗性品系。通過原生質體融合還可以獲得難以通過有性雜交取得的遠緣雜交品系,例如馬鈴薯和番茄、煙草和矮牽牛的雜交品系。隨著研究工作的深入,將會在生產實際中取得更多成果。
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