體細(xì)胞遺傳學(xué)
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概述
體細(xì)胞遺傳學(xué)（somatic cell genetics）是以體外培養(yǎng)的高等動植物和人的體細(xì)胞為主要研究對象的遺傳學(xué)分支學(xué)科，體細(xì)胞遺傳學(xué)以高等生物的體細(xì)胞為實驗材料，采用細(xì)胞離體培養(yǎng)、細(xì)胞融合和遺傳物質(zhì)在細(xì)胞間轉(zhuǎn)移等方法，研究真核細(xì)胞的基因結(jié)構(gòu)功能及其表達(dá)規(guī)律等，克隆技術(shù)的發(fā)展和成就，使人們期望通過離體細(xì)胞的遺傳操作，探索改良作物性狀的新途徑，成為當(dāng)前蓬勃發(fā)展的生物技術(shù)研究中重要的組成部分，也是體細(xì)胞遺傳學(xué)中最活躍的一個領(lǐng)域。
高等生物的遺傳學(xué)研究一般都通過分析遺傳性狀在有性生殖子代中的分布和出現(xiàn)頻率來進(jìn)行。可是高等生物的生殖周期長，子代個體數(shù)目少，對于人類來講則又不能在嚴(yán)格的實驗條件下進(jìn)行雜交實驗，所以給研究帶來了一定的困難。但是作為高等生物個體生命活動的基本單位的每一體細(xì)胞一般都包含著全套基因組，因此將體細(xì)胞在離體條件下培養(yǎng)，使之象原生動物或細(xì)菌一樣分裂、增殖，便可將微生物遺傳學(xué)的一些方法應(yīng)用于高等生物的體細(xì)胞研究。例如可以分離體細(xì)胞并培養(yǎng)成為純種——克隆（又稱無性繁殖系）；可以定量研究各種理化因素對高等生物體細(xì)胞的作用，包括突變的誘發(fā)；可以克服生殖隔離而實現(xiàn)不同種（如人和鼠）之間甚至不同界（如人和大豆）之間的體細(xì)胞融合而獲得細(xì)胞雜種；通過體細(xì)胞克隆的擴(kuò)增，在短期內(nèi)獲得數(shù)目眾多的子代細(xì)胞從而有效地分析特定性狀的遺傳規(guī)律。在植物細(xì)胞中更可借助于植物細(xì)胞的全能性使單細(xì)胞克隆和融合細(xì)胞株分化成為完整的新植株，以便研究雜種細(xì)胞的基因表達(dá)，分析和比較無性雜種后代的遺傳變異規(guī)律，并進(jìn)行育種。
簡史
1907年，美國學(xué)者R.G.哈里森第一次把神經(jīng)細(xì)胞在體外培養(yǎng)成活。1956年，美國學(xué)者T.T.帕克使單個哺乳動物體細(xì)胞在體外培養(yǎng)的條件下分裂增殖成功，首次提供了用微生物學(xué)方法在嚴(yán)格控制的條件下進(jìn)行體細(xì)胞遺傳學(xué)研究的材料，簡化了體外獲得高等動物體細(xì)胞克隆的程序，把體細(xì)胞遺傳學(xué)的研究推進(jìn)到一個的階段。20世紀(jì)60年代初，法國學(xué)者G.巴斯基等發(fā)現(xiàn)體外培養(yǎng)的小鼠細(xì)胞能自發(fā)融合，以后，日本學(xué)者岡田善雄又發(fā)現(xiàn)經(jīng)紫外線滅活的仙臺病毒可促進(jìn)細(xì)胞融合。在此后的幾年里體細(xì)胞遺傳學(xué)的研究相繼取得三項重大進(jìn)展：①引進(jìn)了不能合成某些酶的隱性突變細(xì)胞株作為細(xì)胞融合的親本；在混合兩種不同的隱性突變細(xì)胞時，只有發(fā)生了融合的細(xì)胞才能由于兩個突變型細(xì)胞的功能上的互補(bǔ)而呈現(xiàn)出野生型特性，進(jìn)而可用各種選擇技術(shù)把這些融合細(xì)胞從大量未融合的細(xì)胞群體中篩選出來；②在獲得包含不同物種細(xì)胞核的種間異核細(xì)胞以后，又獲得了體外培養(yǎng)條件下能分裂增殖的合核細(xì)胞，即由不同物種的細(xì)胞核融合成為一個細(xì)胞核的雜種細(xì)胞；③發(fā)現(xiàn)兩個物種的細(xì)胞融合后，雜種細(xì)胞在分裂過程中總是連續(xù)地排斥其中一個物種的染色體。例如小鼠細(xì)胞與人體細(xì)胞形成的雜種細(xì)胞在分裂過程中傾向于不斷地排斥人的染色體。在上述三個發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，迅速地開展了人的基因定位工作、正常體細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞的雜種細(xì)胞的致瘤性的研究以及細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)與某些染色體之間的關(guān)系的研究。1975年，阿根廷學(xué)者C.米爾斯坦等把能產(chǎn)生大量異常免疫球蛋白的小鼠骨髓瘤細(xì)胞與經(jīng)過特定抗原免疫的小鼠脾臟淋巴細(xì)胞進(jìn)行體細(xì)胞雜交，從雜種骨髓瘤細(xì)胞中得到了產(chǎn)生單克隆抗體的細(xì)胞株，大大地提高了抗體的純度，對免疫學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究產(chǎn)生了重大影響。
此外，還采用各種方法在體細(xì)胞之間轉(zhuǎn)移遺傳物質(zhì)，以便觀察外源基因在宿主細(xì)胞中的命運。1967年第一次以微生物轉(zhuǎn)化方法將田鼠黑色素瘤細(xì)胞中的脫氧核糖核酸（簡稱DNA）轉(zhuǎn)化體外培養(yǎng)的非黑色素細(xì)胞，使之成為能產(chǎn)生黑色素的細(xì)胞并增殖為克隆。20世紀(jì)70年代中又陸續(xù)發(fā)展出一些新技術(shù)，如制備出微細(xì)胞、脂質(zhì)體和血影細(xì)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(xì)胞；或者通過顯微注射把DNA分子直接注入受體細(xì)胞的核內(nèi)，最后使這些引入的外源遺傳物質(zhì)在受體細(xì)胞中表達(dá)，從而大大推進(jìn)了有關(guān)真核生物的基因結(jié)構(gòu)和功能以及基因調(diào)控方面的研究。
植物的體細(xì)胞遺傳學(xué)研究工作是在植物組織培養(yǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1934年國學(xué)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(xì)胞無性繁殖系。以后的發(fā)展主要是關(guān)于培養(yǎng)物的組織分化和細(xì)胞融合兩個方面。1956年R.A.米勒發(fā)現(xiàn)了激動素，并且在含有一定濃度的激動素和生長素的培養(yǎng)基上使離體培養(yǎng)的組織發(fā)生器官分化。到目前為止，已有200多個種屬植物組織培養(yǎng)中的細(xì)胞，相繼被誘導(dǎo)分化為植株。
20世紀(jì)60年代初期，E.C.科金等應(yīng)用纖維素酶分離植物原生質(zhì)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(xì)胞分化而成的雙二倍體煙草植株。20世紀(jì)70年代以來，在對突變型細(xì)胞株的篩選、外源遺傳物質(zhì)導(dǎo)入和高等植物細(xì)胞中質(zhì)粒的研究等方面也和動物體細(xì)胞遺傳學(xué)一樣得到了廣泛地開展。特別是因為植物細(xì)胞具有全能性，能夠由單個細(xì)胞長成植株，所以植物體細(xì)胞遺傳學(xué)研究除了在闡明植物的器官分化及形態(tài)建成等方面的價值外，也對育種工作具有重要意義。
研究方法
細(xì)胞融合：用滅活的病毒（如仙臺病毒）或化學(xué)藥物（如聚乙二醇、葡聚糖）等處理細(xì)胞，可以促使細(xì)胞間發(fā)生融合而獲得不同的細(xì)胞雜種。例如含有兩個以上同種細(xì)胞核的同型核細(xì)胞、含有兩個以上異種細(xì)胞核的異核細(xì)胞、含有由同種（或異種）細(xì)胞核融合成一個細(xì)胞核的種內(nèi)（或種間）合核細(xì)胞、由不含細(xì)胞核的胞質(zhì)體和完整細(xì)胞融合成的胞質(zhì)雜種細(xì)胞以及由一種細(xì)胞的胞質(zhì)體同另一種細(xì)胞的不含細(xì)胞質(zhì)的核體融合成的重組細(xì)胞等。這些通過無性過程獲得的細(xì)胞雜種除可以用以研究細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)對遺傳信息的傳遞和表達(dá)所起的作用以及腫瘤發(fā)生的機(jī)理等，還可在植物中用來克服遠(yuǎn)緣雜交的困難。
誘變：用誘發(fā)突變可研究突變機(jī)制，并可為細(xì)胞融合提供選擇性標(biāo)記。已經(jīng)建立的突變細(xì)胞株的性狀包括營養(yǎng)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(xì)胞誘變進(jìn)行育種。
融合細(xì)胞的選擇方法：細(xì)胞融合和基因突變同屬稀有事件，所以必須具備特定的選擇方法才能從大量沒有融合的細(xì)胞中分離已經(jīng)融合的細(xì)胞。在動物細(xì)胞中最早出現(xiàn)而且應(yīng)用最廣泛的是HAT選擇法。在這一方法中，一個親本細(xì)胞株為次黃嘌呤-鳥嘌呤-磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶缺陷型（HGPRT-）；另一個親本細(xì)胞株為胸腺嘧啶核苷激酶缺陷型（TK-），在含有次黃嘌呤（H）、氨基蝶呤（A）、胸腺嘧定核苷（T）的HAT選擇培養(yǎng)液中，上述親本細(xì)胞都無法生存，只有融合以后的雜種細(xì)胞才能生長，因此可以有效地選擇出雜種細(xì)胞。HAT選擇法的原理是因為核酸合成有兩條途徑：①全合成途徑，從一些小分子物質(zhì)先合成嘌呤、嘧啶，最后合成核酸；②應(yīng)急途徑，通過HGPRT（次黃嘌呤-鳥嘌呤-磷酸核糖轉(zhuǎn)換酶）的催化作用把次黃嘌呤轉(zhuǎn)化成次黃嘌呤核苷-磷酸（IMP），通過TK（胸腺嘧啶核苷激酶）的催化把胸腺嘧啶核苷轉(zhuǎn)化成脫氧胸腺嘧啶核苷-磷酸（dTMP），再進(jìn)一步合成核酸。HAT培養(yǎng)液中的氨基蝶呤（A）能阻斷全合成途徑，所以兩個親本細(xì)胞都不能在HAT培養(yǎng)基中生長，而只有經(jīng)細(xì)胞融合后得到的雜種細(xì)胞同時具有了HGPRT和TK的酶活性才能利用培養(yǎng)液中的次黃嘌呤（H）和胸腺嘧啶核苷（T）通過應(yīng)急途徑合成核酸（見圖）。同理，任何其他方法，只要具備能使兩種親本細(xì)胞不能單獨生存而只有融合以后才能生存的條件，都可以用來進(jìn)行融合細(xì)胞的選擇。
排除或保留某一親本染色體的方法：對于都是長期傳代培養(yǎng)的小鼠和大鼠細(xì)胞株的融合細(xì)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(xì)胞中被排斥的則是人的染色體。可是如果用人體細(xì)胞株的細(xì)胞與未經(jīng)長期傳代培養(yǎng)的小鼠細(xì)胞進(jìn)行融合，則融合細(xì)胞首先排斥小鼠染色體。在植物中，培養(yǎng)九個月以后的大豆和煙草雜種細(xì)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(jù)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(xì)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(xì)胞對白喉毒素敏感。小鼠細(xì)胞中沒有這一基因，所以能抗這種毒素。把人體和小鼠細(xì)胞的融合細(xì)胞培養(yǎng)在含有白喉毒素的培養(yǎng)液中，就能選擇性地除去帶有人體第5號染色體的雜種細(xì)胞。相反地也可以使融合細(xì)胞選擇性地保留某一染色體。例如HGPRT基因位于人的X染色體上，所以能在HAT培養(yǎng)液中生長的融合細(xì)胞必定保留有人的X染色體。
染色體基因或細(xì)胞核的轉(zhuǎn)移：把遺傳物質(zhì)引入某種生物的細(xì)胞是體細(xì)胞遺傳學(xué)研究中的常用手段。外源遺傳物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化受體細(xì)胞的效率不高。把待轉(zhuǎn)移的遺傳物質(zhì)用病毒、血影細(xì)胞、微細(xì)胞、脂質(zhì)體等裝載后則能提高引入受體細(xì)胞的效率。此外，也可以用極細(xì)的玻璃管把DNA直接注射到受體細(xì)胞的細(xì)胞核中。對于除去細(xì)胞壁后的植物細(xì)胞的原生質(zhì)體來講，也可以用上述種種方法引入DNA分子、噬菌體顆粒和細(xì)胞器等。除了轉(zhuǎn)移染色體或染色體片段以外，有時需要轉(zhuǎn)移整個細(xì)胞核，顯微注射也是轉(zhuǎn)移細(xì)胞核的常用方法。
應(yīng)用
應(yīng)用細(xì)胞融合、染色體鑒定、生化鑒定、免疫學(xué)鑒定等技術(shù)，已經(jīng)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(jìn)展。例如，可利用中國倉鼠的細(xì)胞和人的體細(xì)胞融合的雜種細(xì)胞在傳代培養(yǎng)過程中不斷排斥人的染色體的現(xiàn)象來進(jìn)行基因定位：如發(fā)現(xiàn)雜種細(xì)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(xì)胞融合形成的雜種細(xì)胞的致瘤性的變化可以為了解正常細(xì)胞的癌化和腫瘤細(xì)胞的逆轉(zhuǎn)提供重要的線索。體細(xì)胞遺傳學(xué)方法還可應(yīng)用于腫瘤（例如著色性干皮病）發(fā)生機(jī)理的研究。另外，體細(xì)胞培養(yǎng)的方法還可應(yīng)用于人類遺傳性疾病的預(yù)防。
遺傳物質(zhì)引入受體細(xì)胞后，分析外源基因在受體細(xì)胞中是否表達(dá)以及了解基因表達(dá)時所需的條件是研究真核細(xì)胞基因調(diào)控的有效途徑。此外，研究細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)之間的相互關(guān)系以及細(xì)胞質(zhì)對核基因表達(dá)的作用，也都是體細(xì)胞遺傳學(xué)研究的重要內(nèi)容。
體細(xì)胞遺傳學(xué)原理在育種工作中的應(yīng)用目前還只限于植物。在藥用植物黃連的細(xì)胞株中曾選到總生物堿含量高達(dá)干重的15%（其中小蘗堿含量高達(dá)8%）的細(xì)胞株，這些細(xì)胞株可以用來進(jìn)行小蘗堿的發(fā)酵生產(chǎn)。通過誘變處理還曾從玉米的體細(xì)胞中選得抗長蠕孢霉的細(xì)胞株并育成抗性品系。通過原生質(zhì)體融合還可以獲得難以通過有性雜交取得的遠(yuǎn)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(chǎn)實際中取得更多成果。
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