生物：2007 年諾貝爾生醫獎－我把基因標靶在你的胚胎幹細胞裡
編輯 Jun-An Chen 報導 － 科景
圖1. 諾貝爾獎 Logo
2007 年諾貝爾生醫獎桂冠由美國科學家 Mario Capecchi, Oliver Smithies 以及英國科學家 Martin Evans 共同獲得此殊榮，以表彰他們利用老鼠胚胎幹細胞建立 “基因剔除鼠”的技術。
圖2. Oliver Smithies 教授
圖3. Martin Evans 教授
圖4. Mario Capecchi 教授
老鼠是生物學家使用最普遍的哺乳類模式動物，老鼠除了有易於飼養繁殖的優點外，其基因與人類亦保有高度的相似性。更重要的是，由 Capecchi, Smithies 和 Evans 共同建立的“基因剔除鼠”技術，既可以讓生物學家利用老鼠來研究特定基因在胚胎發育過程中所扮演的角色，更可以進一步研究因為基因缺陷所造成的 人類遺傳性或退化性疾病。
在 1980 年代初期 Capecchi 和 Smithies 就已利用 “同源重組” 的分子機制成功地在哺乳類體細胞裡標定基因，也就是把外來的基因片段插入宿主原有的基因組裡 (1, 2)。但這項突破僅限於體細胞層次，尚無法標靶生殖細胞而進一步建立能穩定繁衍標定基因的老鼠。約莫此時，在英國的 Evans 已成功地從小鼠的囊呸內質團裡分離出胚胎幹細胞，而且證明胚胎幹細胞具有分化全能性，當然包括可以分化成生殖細胞 (3)。如過能把同源重組的技術標靶在胚胎幹細胞裡，那麼就有可能建立 “基因剔除” 或 “基因插入” 的老鼠了！於是 Capecchi, Smithies 分別進一步在培養皿裡以胚胎幹細胞為宿主，利用“同源重組”的方式將外來基因插入欲取代的基因 (4, 5)， 再將基因重組成功的胚胎幹細胞移植回到代理孕鼠的囊呸裡，導致代理孕鼠產下具有基因重組成功的 ”蓋美拉老鼠“ (chimera是源自希臘神話裡具有獅頭、羊身和巨蛇尾巴的怪物)，接著如果將蓋美拉老鼠與一隻正常的老鼠交配，其產生的部份子代會有半套染色體含有同源重組成功的基因 (稱為 hemizygote)。若將 hemizygote 子代的老鼠持續作近一步的相互交配，則可產生約有 25% 的第三代老鼠身上帶有全套染色體的同源重組成功基因 (稱為 homozygote)－這也就是我們俗稱的 “基因剔除鼠”。
圖5. 基因轉殖鼠製造策略（圖片來源：http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2007/press.html）
從 “基因剔除鼠” 的技術建立至今，估計約有 10000 個基因剔除鼠的模式已被建立 (人類與小鼠大約有 30000 個基因)。這項技術不但是基因工程的一大突破，更實質為人類臨床醫學帶來莫大的貢獻。“基因剔除鼠”榮膺今年的諾貝爾生醫獎桂冠，的確實至名歸!
參考來源：
Nobelprize.org: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2007
參考文獻:
1. Capecchi, M. R. High efficiency transformation by direct microinjection of DNA into cultured mammalian cells. Cell 22, 479-88 (1980).
2. Slightom, J. L., Blechl, A. E. & Smithies, O. Human fetal G gamma- and A gamma-globin genes: complete nucleotide sequences suggest that DNA can be exchanged between these duplicated genes. Cell 21, 627-38 (1980).
3. Evans, M. J. & Kaufman, M. H. Establishment in culture of pluripotential cells from mouse embryos. Nature 292, 154-6 (1981).
4. Doetschman, T. et al. Targetted correction of a mutant HPRT gene in mouse embryonic stem cells. Nature 330, 576-8 (1987).
5. Mansour, S. L., Thomas, K. R. & Capecchi, M. R. Disruption of the proto-oncogene int-2 in mouse embryo-derived stem cells: a general strategy for targeting mutations to non-selectable genes. Nature 336, 348-52 (1988).