我的2000年開始旅行

剔除小鼠的革命

(印卡編譯)

今年的生醫諾貝爾獎著眼於幾個胚胎幹細胞和哺乳動物基因重組的基礎突破，頒發獎項給這領域貢獻極大的三位科學家包括馬里歐﹒卡佩奇(Mario R. Capecchi)、馬丁﹒埃文斯( Martin J. Evans) 與奧利弗﹒史密西斯(Oliver Smithies)。今年的生醫諾貝爾獎頒發他們主要是基於「使用胚胎幹細胞在老鼠導入特殊基因的方法」的突破，這些突破已從基本研究到心治療方法，帶來人類新的希望。

其中馬里歐﹒卡佩奇(Mario R. Capecchi)與奧利弗﹒史密西斯(Oliver Smithies)主要的貢獻在利用DNA同源重組(homologous recombination)的特性發展出針對修改特定基因的技術。卡佩奇向我們展現了導入的DNA與原有細胞內的染色體可以進行同源重組，他證明有缺陷的基因可以藉此修復完好。另一方面，史密西斯起初則是試著修復人類細胞的突變基因，他認為 某些遺傳寫球疾病可以靠著修正骨隨內造血幹細胞缺陷的基因來得到治療。在種種嘗試，史密西斯發現內源的基因可以因此被靶中而有了活性，暗示了所有的基因都可藉由同源基因重組而被修改。這也是我們常說「基因標的」(gene targeting)的概念。

而馬丁﹒埃文斯( Martin J. Evans) 則是廣泛利用胚胎性癌細胞(mouse embryonal carcinoma (EC))細胞株可以分化成各種細胞的方便，一開始讓EC細胞株成為載體帶著想要觀察的缺陷基因到生殖線細胞(Germ line)。一開始並不是那麼成功因為帶著不正常染色體的EC細胞並無法產生正常的生殖細胞，後來換了個方法用早期胚胎細胞作新的細胞株。就是現在熟悉的胚胎幹細胞(embryonic stem (ES) cells)。接著如圖所示，這些胚胎將發育成鑲嵌體(mosaic)，帶著兩種不同基因的細胞共同生存著。這些基因將遵照孟德爾法則繼續遺傳下去。埃萬斯如今利用反轉錄病毒將想要帶進的基因帶進ES細胞株藉此產生帶著特殊基因的實驗鼠種系。

這個故事到這裡沒有那麼快抵達結局。就在一九八六年這幾個人的發現，就差一點，馬上就要帶來重大變革。ES細胞株與同源重組的概念就要碰撞在一起了。

一開始史密西斯與卡佩奇選了早期已找到遺傳疾病Lesch-Nyhan syndrome相關的基因hprt 來實驗。這些研究過程中，卡佩奇更進一步將實驗方法修正並且發展出新技術也就是如今實驗鼠常用的基因剔除老鼠(knockout mouse)的技術，帶來整個實驗方法的體質改變。最早成功的例子是在一九八九年被發表出來並且開始廣泛被使用，用來觀測特定基因突變在發育到成體如何造成細胞、器官的影響。

如今已有許多遺傳性疾病，例如歐洲常見的肺囊纖維化(cystic fibrosis)都因為這樣建立出來的生物模式獲得許多了解與突破，並且帶來基因治療新的一扇窗，這項技術的改革如今已遍佈生醫各領域仍在持續影響與帶來新的發現。

相關資料:

轉殖小鼠（transgenic mice）是測試外加或外來基因之「功能獲得」（gain of function）的動物模式。剔除小鼠（knockout mice）則是用於探討體內基因 「功能喪失」（loss of function）後對生物體所造成的影響。
更詳細的說明:http://www.bio.davidson.edu/Courses/genomics/method/homolrecomb.html
以及KOMP計畫。