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    1線(xiàn)粒體基因組的編輯與進(jìn)化
 

    英國法律關(guān)注的體外受精過(guò)程的重點(diǎn)在于更換線(xiàn)粒體DNA（mtDNA）以避免母親將發(fā)生突變的基因遺傳給新生兒。通過(guò)組合來(lái)自準媽媽的卵子細胞核的正常線(xiàn)粒體DNA，新生兒理論上將能避免由基因突變導致的遺傳疾病。

    由于mtDNA的突變率高，是細胞核內DNA的10倍左右，因此許多研究人員都將疾病研究的重點(diǎn)鎖定在mtDNA上。已經(jīng)有越來(lái)越多的研究表明，許多疾病的發(fā)生與mtDNA有關(guān)。這些疾病包括Leber遺傳性視神經(jīng)?。↙HON）等神經(jīng)肌肉變性疾病、帕金森病、早老癡呆癥、線(xiàn)粒體腦肌病、母系遺傳的糖尿病和耳聾等。此外，還有不少研究，將衰老同mtDNA的損傷聯(lián)系在一起。

    大部分情況下，突變的mtDNA與野生型mtDNA共同存在，導致mtDNA異質(zhì)性。近年來(lái)，已有不少研究人員就修復線(xiàn)粒體基因缺陷的策略開(kāi)展了實(shí)驗室研究。例如，美國邁阿密大學(xué)米勒醫學(xué)院的研究人員就曾實(shí)驗室中設計轉錄激活因子樣（TAL）效應子核酸酶（TALENs）——線(xiàn)粒體靶向的TALENs（mitoTALENs），來(lái)清除細胞中的大部分突變mtDNA。

    這種策略之所以有效，在于通常情況下，只有當突變mtDNA占了80%以上時(shí)，才會(huì )引起疾病的發(fā)生。而從進(jìn)化的角度來(lái)看，這也可能是mtDNA進(jìn)化速率大于核DNA的原因之一：突變可能是逐漸積累的，而非立刻產(chǎn)生有害的影響。

    2線(xiàn)粒體基因組的系統發(fā)育解析

    研究線(xiàn)粒體與疾病的關(guān)系，就需要理清楚線(xiàn)粒體的系統發(fā)育關(guān)系。近年來(lái)，基于線(xiàn)粒體基因組結構（如基因重排、重復序列、內含子插入或缺失等）的系統發(fā)育分析已成為后生動(dòng)物物種分類(lèi)和進(jìn)化研究的熱點(diǎn)。根據內共生學(xué)說(shuō)，線(xiàn)粒體源于被吞噬的細菌，但線(xiàn)粒體的基因組規模卻遠小于細菌基因組。為了解釋這一現象，有猜想認為原線(xiàn)粒體的基因除了丟失了一些外，大部分轉移到了宿主細胞的細胞核中，所以核基因編碼了大部分線(xiàn)粒體基因表達的蛋白質(zhì)。然而，目前關(guān)于遺傳物質(zhì)進(jìn)入mtDNA或mtDNA間基因轉移的報道卻不多。

    雖然關(guān)于遺傳物質(zhì)進(jìn)入mtDNA或mtDNA間基因轉移的報道不多，但從線(xiàn)粒體拷貝來(lái)的DNA成分，卻已在核DNA中發(fā)現。約翰霍普金斯大學(xué)的研究人員將線(xiàn)粒體遺傳序列稱(chēng)為線(xiàn)粒體假基因（Numts），細胞核線(xiàn)粒體假基因（Numts）是線(xiàn)粒體DNA轉移到核DNA中的片段，目前已發(fā)現了超過(guò)1200個(gè)不同長(cháng)度的線(xiàn)粒體DNA片段被包埋在染色體中。假基因數量隨著(zhù)物種的等級升高而增加，因此這可能意味著(zhù)某種進(jìn)化上的目的而加以保留。

    3基因轉移與新基因的產(chǎn)生

    基因轉移，已與基因重復、逆轉座、外顯子重排、基因分裂與融合一起，被認為是新基因產(chǎn)生的主要方式。目前，除了從線(xiàn)粒體拷貝DNA至核DNA外，關(guān)于核基因轉移的研究成果也已經(jīng)較多，例如近期的研究表明，抗真菌疾病抗性基因存在植物—果蠅水平基因轉移的可能性。

    除了上述方式外，2006年加州大學(xué)戴維斯分校更是證明，非編碼區DNA也可以形成從頭起源的基因產(chǎn)生機制。目前，這種機制在酵母、小鼠、人、水稻等多種物種中已被證實(shí)廣泛存在。近期，加州大學(xué)戴維斯分校的研究人員對從頭起源基因的產(chǎn)生過(guò)程和進(jìn)化選擇進(jìn)行了深入研究——他們利用黑腹果蠅群體，分析了6個(gè)品系的黑腹果蠅轉錄組，結果發(fā)現了142個(gè)從頭起源的新基因，從而說(shuō)明了基因從頭起源的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。

    4定向基因組修飾的新工具

    在研究基因轉移與新基因的產(chǎn)生的過(guò)程中，研究人員還發(fā)展了簡(jiǎn)便而又實(shí)用的基因組編輯新工具：近期，已有多篇發(fā)表于《科學(xué)》（Science）等雜志上的論文研究了CRISPR-Cas系統（CRISPR-Cassystems）。該研究源于全基因組測序過(guò)程中，在各種細菌和古細菌（archaea）中也陸續發(fā)現的很多成簇的、規律間隔的短回文重復序列（Clustered regularly interspaced short palindromic repeat sequences，即CRISPR序列）CRISPR相關(guān)基因（CRISPR-associated genes，Cas gene）

    20多年前，日本科學(xué)家即已經(jīng)發(fā)現基因編碼區域的附近存在一小段不同尋常的DNA片段（即CRISPR序列），但當時(shí)對其生物學(xué)意義不清楚。近期的研究發(fā)現，CRISPR序列與很多病毒或者質(zhì)粒的DNA序列是互補的，而CRISPR-Cas系統很有可能是生物體抵御病毒等外來(lái)入侵者的一套特異性防御機制?；诖?，研究人員利用CRISPR-Cas系統誘導大鼠的Tet1/Tet2/Tet3基因敲除，實(shí)現了效率高達100%的雙等位基因純合突變的單基因敲除和接近60%高效率的三基因同時(shí)敲除大鼠。

    5基因修飾后的遺傳

    上述研究還證實(shí)，CRISPR-Cas系統引入的基因修飾可通過(guò)生殖細胞傳遞到下一代。如果暫時(shí)不談及倫理問(wèn)題，那么這些技術(shù)或許將成為未來(lái)的體外受精模式研究中的支撐技術(shù)。然而，從科學(xué)的角度去看，問(wèn)題可能遠比想象大得多。例如，美國喬治亞洲艾默里大學(xué)利用小鼠研究發(fā)現，先讓老鼠先嗅到櫻花氣味，再讓電流通過(guò)其身體，令它們對櫻花氣味產(chǎn)生恐懼，而老鼠的后代也能對櫻花味產(chǎn)生恐懼。然而，如何遺傳，還是什么樣的后天因素使記憶模式發(fā)生改變，仍然有很長(cháng)的路要走。