数量性状基因的克隆

　　

数量性状基因的克隆

    当你观察人群时，你会发现他们的差别仅在于连续性的和量化的方式的变化。而不管是从高到矮，从纤瘦到壮实，这种变化都是连续性的。这些数量化的变异既是达尔文进化中自然选择理论的基本内容，又是人类选育以改良作物的基础。正因为如此，近一个世纪来，遗传学家们一直在研究数量性状的变异，然而对于理解基因如何控制这些数量性状方面的进展非常缓慢；而且数量遗传学家们主要的工作还只是集中在对这些基因进行统计性的描述上，而不知道这些数量性状对应于什么基因。但是，近期Frary，Tanksley及他们的同事打破了这种僵局，在第288期Science的第85页，他们报告了一种数量基因（fw2.2）的分子克隆，这个数量基因是控制结小果的野生墨西哥蕃茄和它巨大的栽培品种的数量变异的基因之一。
    克隆fw2.2基因的进程是漫长的。在上个世纪80年代末，康奈尔大学的Tanksley实验室第一个报道了全基因组扫描应用于数量性状位点（QTLs）的方法。从概念上讲，QTL扫描或作图实验非常直接。对于蕃茄，先是简单地将野生型（w）与栽培型（c）进行杂交，子代再自交从而获得果实大小连续变异的F2代群体。利用覆盖全基因组的“标记”，研究人员可观察某一F2植株是具有两个栽培型等位基因（cc），或是两野生型等位基因（ww），还是杂合等位基因（cw）？如果某一负责大小的QTL相邻于某一特定标记，那么平均而言，F2代中携带有两个野生型标记的植株将比携带有两个栽培型标记结的果实要小。应用这一原则，Tanksley小组鉴定出至少28个控制蕃茄果实大小差异的QTLs，其中的一个就是fw2.2。在过去的十年中他们经过精细的作图分析，将fw2.2定位于一非常狭窄的染色体区域（基因组的万分之一），从而开始了该基因的克隆。
    为充分地理解这一突破性的成就，我们需要认识到数量遗传的复杂性。如果果实大小由一个基因所控制，等位基因S控制结小果，而s控制结大果，那么野生和栽培种的蕃茄杂交后的子代植株应是结小果比结大果为3：1的比例。对于这样不连续的性状，你可从植株的表型（大果和小果）推导出它们的基因型（SS，Ss 或ss）。如此，遗传学家利用各种克隆方法甚至可指导一个本科生在一个暑假里把该基因克隆出来。而对于数量性状，情况要复杂得多，首先，数量性状是由许多个QTLs所控制，具有同样表型的植株所携带的多个QTL等位基因的每一个可能都是不同的等位基因； 其次，在不同的栽培环境下，具有相同的QTL基因型的植株会呈现出不同的表现型。最后，某一QTL位点的效应依赖于该植株其它位点的QTLs组合。因为这些原因，研究人员们不能从植株的表现型推导出它的基困型 。为了进行数量基因的克隆，研究者们必须构建特殊的遗传种质库，并且让它们生长在受精确控制的环境中。
    先前有许多报告暗示出控制某些数量性状的特定基因。比如，一些研究表明人类ApoE基因与冠心病相关。这些研究都用到了一种称为“群体分析”的统计学方法，这种方法的问题是尽管为某一特定基因影响某一指定性状提供了大量颇有说服力的证据，但缺乏结论性的证明。正是在这个问题上Tanksley和合作者取得了突破。在克隆fw2.2后，他们将该基因的野生型导入栽培种，结果转化植株的果实重量表现出预期中的减轻。并且明显的是，观察到的果实重量减轻的程度符合预期的幅度，表明在该染色体上没有相邻QTLs。这种用转化来证实所克隆的基因的方法正是应用于遗传学大多数领域的“共同标准”，但在此之前，数量遗传学家们仅能依赖于统计学或相关分析的证据。 
    正是数量性状分析上的困难而留下许多有待解决的问题。例如，通常有多少QTLs控制着数量性状，它们的效应有多大？一种观点认为，对每一数量性状都有多至上百乃至更多的QTLs，并且每一个QTL的效应如此之弱以至于没有办法个别研究某一QTL。考虑到实验证据的性质这是一个合理的推理。然而，fw2.2的克隆，这种观念被证明错了。fw2.2的效应也是足够大（对每个蕃茄增加17克的重量），大到人们很容易看出造成的差异。并且，因为Tanksley及其同事利用了转化的方法，从而消除了对于他们相关结果的怀疑。随着另外的QTLs的克隆和转化实验的进行，数量性状的遗传控制将很快成为注目的焦点。
fw2.2的成功克隆是一项引人注目的成就，但是，这个过程花了十年时间才得以完成。一些人预测，克隆负责果实大小的另外27个QTLs将需要几个世纪。 令人高兴的是，基因组学的进展将大大加速QTLs的克隆。向公众开放的，高密度标记图谱将使研究者们更快地克隆QTLs，而无需每个实验室围绕这些QTLs开发出一套自己的标记体系。一旦QTLs的精细作图得以完成，基因组的完全测序将使研究者们可以方便地从克隆库中“钓取”基因，而用不着构建 和筛选基因组文库的冗长劳动。
    揭开数量变异的秘密将可能是遗传学家们在21世纪面临的最大挑战，即使基因组测序得以完成，绝大多数基因的功能得以查明，我们仍不能更好地理解那些导致不同个人在疾病敏感性上的差异以及一种蕃茄为何较另一品种能结更多果实的自然发生的微小变异。现在，识别出象fw2.2的基因为达到这种理解跨出了关键的一步。