关于人类的基因定位不能采用其他生物基因的定位方法,原因是:①不能直接用人体做试验,只能依据统计值进行分析,误差很大;②后代个体数少,性状的分离比难以确定。所以直到1967年,在常染色体仅定位了5个基因,确立了3个连锁群,而且没有一个连锁群与特定的染色体相联。后来人们开始利用体细胞培养和杂交技术进行基因定位,以后又结合了分子原位杂交技术,才使人类的基因定位得以迅速发展。
一、系谱分析法
在早期的人类遗传学研究中,确定基因属于哪个染色体一般都通过系谱分析法。由于女性有两个X染色体, 男性有一个X染色体和一个Y染色体,Y染色体上很少存在与X染色体上相应的等位基因(也就是说对于X连锁基因来讲,男子是半合体)。因此男性患者的X连锁致病基因必然来自母亲,以后又必定传给女儿。这种遗传方式称为交叉遗传。如果在一个家系中外祖父是某种疾病的患者,母亲的表现型是正常的,外孙中有半数是患者,就可以断定有关的隐性致病基因是在X染色体上。如红绿色盲基因便是在1911年通过系谱分析最早发现的人的性连锁基因。
根据系谱分析,一般只能判断基因位于性染色体上还是在常染色体上,但却不能进一步判断它究竟位于哪一个常染色体上。
二、体细胞杂交定位法
1.体细胞杂交(somatic cell hybridization)
体细胞杂交又称体细胞融合(somatic cell fusion),是指将两种基因型不同的体细胞融合成一个细胞的过程,这种融合后的细胞又称为杂种细胞,它兼有两种细胞的染色体。如果把人的体细胞和小鼠细胞的悬浮液混合在一起,再加上经紫外线处理的仙台病毒(Sandai virus,该病毒有几个附着点,能同时把两个细胞融合在一起),当两种细胞靠近后,细胞膜先融合,形成在一个细胞内同时含有两个细胞核的异核体(heterocryon)。接着异核细胞中的两个核再融合,成为杂种细胞。并继续分裂形成无性细胞系,即杂种细胞系(cell line of hybrid,图5-12)。
2.杂种细胞的选择和特点
为了分离出杂种细胞,常用HAT选择法。在此方法中,小鼠细胞株是胸腺嘧啶核苷激酶缺陷型(TK-);人的体细胞株是次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶缺陷型(HGPRT-)。由于这两种酶相对应的嘧啶和嘌呤核苷酸的代谢影响都不大,故两种细胞都可在完全培养基中生长,若在含有次黄嘌呤(H)、氨基喋呤(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,只有融合后的杂种细胞才能生长,因此可有效地选择出杂种细胞。
杂种细胞在最初几代中,包含两种亲本细胞的全部染色体,但在以后的繁殖过程中,人类的染色体逐渐丢失减少,最后仅剩下一至数条人类染色体,而小鼠的染色体却不丢失。这种杂种细胞系可稳定繁殖,形成不同类型的无性繁殖系。它们可直接用于基因定位。由于人和小鼠的大部分染色体的形态不尽相同,在显微镜下很易识别。这样就不难鉴定和检查杂种细胞染色体的组成和丢失情况。
3.人类基因定位的方法
(1)同线法
在各种杂种细胞系中,除保留小鼠的全部染色体外,还有一至几条人类染色体,就可根据某一基因产物与某条染色体的同时存在或同时消失的现象,来判断人类某一基因是否位于该染色体上,这种方法称为同线法(表5-4)。
表5-4 同线法进行人体基因定位
人体基因与染色体 杂种细胞系 |
A B C D E |
|
基因或基因产物 |
o p q r |
- - - - - - - - - - - |
染色体序号 |
1 2 3 |
- - - - - - - - - |
表5-4指出,合成某种产物或酶的基因o和q在不同的杂种细胞系中同时出现,同时消失,表明二者是连锁的,而且这两个基因与2号染色体也是呈同线关系,说明基因o和q 位于2号染色体上。同理,基因p一定位于1号染色体上,基因r的所属关系尚待确定。
(2)划区法
利用染色体结均的变异,确定人类某个或某些基因在染色体的特定区域内,这种方法称为划区法(图5-13)。如用电离射线(如X射线,γ射线等)照射人类细胞株,使两条染色体之间发生易位(一条染色体的某一区段易接到另一条非同源染色体上的现象),如X色体和14号染色体间发生易位。然后,将已易位染色体的人类细胞与小鼠细胞杂交,获得各种无性细胞系,它们所带的人类染色体各不相同。随后再分析这些无性细胞系所产生的酶,就可进行基因定位。
从图5-13中可看到,A细胞克隆含有两条人类染色体,有4种酶;B细胞克隆只有带易位片段的14号染色体,有3 种酶。而这3种酶的基因原来位于X染色体的长臂末端,易位给14号染色体后,B细胞克隆就有了这种酶,这说明3种酶的基因位于X染色体长臂末端。根据C细胞克隆的表现,同理说明Np基因位于14号染色体长臂末端。
利用这些方法已定位了很多基因(图5-14)。