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以姓氏为钥匙,打开人类遗传奥秘之门[图]

文章作者:奇云 文章来源:JIANWENDI.COM 点击:3753 发布时间:2010-8-1 12:25:43 [评论]

  人的姓氏居然能和遗传基因挂上钩,
  查基因或许能知道祖上的真正姓氏,
  有朝一日医生会为每个病人“按姓氏用药”,
  这就是科学家研究姓氏和遗传关系后的新发现。

  “姓氏基因”探秘

  河南安阳发现的到底是不是真正的曹操墓?抑或生性多疑的曹操真有七十二疑冢?面对各界持续不休的争论,生命科学家决定不再袖手旁观——复旦大学现代人类学教育部重点实验室近日宣布,向全国征集曹姓男性参与Y染色体检测,以期通过检测这些男性的Y染色体类型并进行归类,然后借助序列比对的方式,推测曹操应有的Y染色体特征,用DNA技术来解答曹操墓真伪之问。
  姓氏与每个人都息息相关,但一直以来许多人只是把姓氏当作沿袭后代的一种标志、一个符号。很少有人知道姓氏以其特殊的血缘文化记录了中华民族从形成、演变到今天的近13亿大家庭的五千年社会进化史和人类遗传的奥秘。姓氏遗传学专家关于“姓氏基因”的研究成果引人注目。研究者称,查一查Y染色体上的“姓氏基因”,就可以帮助现代人寻根问祖。

  ■ 奇!基因与姓氏有关

  在一般人看来,“姓氏”与“基因”是风马牛不相及的两个概念。然而,在一些科学家的眼里,两者在遗传学上却有着千丝万缕的联系。生物学证明,控制生物遗传的基本物质是DNA,而基因则是指控制某一性状的DNA片段。基因位于染色体上,每一条染色体上有许多不同的基因,它们分别控制不同的性状。控制一种性状的基因通常是成对的,分别位于一对同源染色体的相对位置上。人体的23对染色体中的第23对决定性别的染色体叫做性染色体。性染色体分为X、Y两种。Y染色体是男性特有的,男性有带X、Y两种染色体的精子,女性只有带X染色体的卵子。当带Y染色体的精子与X染色体的卵子相结合受孕,就是男性;而带X染色体的精子与带X染色体的卵子相结合,则是女性。所以Y染色体只能由男性遗传。换句话说,Y染色体是男性特有的染色体。由于在一些国家,姓氏随男性代代相传,女性通常只保存一代。因此,Y染色体的遗传信息也就随姓氏代代相传。正因为如此,在研究者看来,姓氏成了Y染色体上的一个特殊遗传位点。每个姓氏相当于这个点位上的一种等位基因,其传递方式是父系遗传。从姓氏与染色体遗传的这种奇妙关系,得出姓氏是探讨同源Y染色体人群分布状况的一种理想研究模型,是人类群体遗传学研究中的一种有用标记。 简而言之:“姓氏基因”理论是以姓氏特定的文化背景和特殊的传递规律为基础,力图解开人类遗传的奥秘。研究者指出,“姓氏基因”研究已显露大量异常生动的生命遗传信息,蕴含着不凡的价值和前景!

X染色体 


 
Y染色体

  ■ 妙!华人姓氏是“姓氏基因”研究的宝库

  姓氏通常被作为社会科学研究的范畴,但把姓氏作为生物学的标记进行群体遗传学研究在国外已有相当长的历史。从19世纪开始至今,西方姓氏遗传学家已经从世界一些国家和地区的姓氏传递中找到了有关生命遗传的信息。
  当1985年美国斯坦福大学人类群体遗传学专家卡瓦利·斯福扎教授将他的“姓氏基因”理论带到中国时,有着五千年姓氏记录的中国人还未意识到姓氏会和基因有多大关系。那一年,斯福扎教授找到中国科学院遗传研究所,这位国际最著名的群体遗传学权威提议与中国大陆的科学家联合开展中国姓氏与遗传信息方面的研究,从北京大学生物系毕业分配到中科院遗传所的袁义达得以加入到研究中,从此开始了长达16年的“姓氏基因”研究生涯,也从此在中国开创了人类群体遗传学的一个分支——姓氏群体遗传学的研究。
  “洋学者”不远万里来到中国,主要是看中这里的科研资源。因为,在许多国家,姓氏的传递历史不够长久且不够连贯。 在欧洲大陆,普遍使用姓的历史只有两三百年,有些地区直到20世纪,姓的使用尚未普遍,如土耳其到1935年才以法律形式规定使用姓。犹太人由于历史上的处境,不能使用基督徒的名字,尤其是在德意奥地区,故也很晚才使用姓。而且在许多国家,姓的形成与血缘、宗族等关系不大。与我国一水相隔的日本,在公元5世纪晚期产生了姓,但仅仅是代表社会政治结构中地位和职务的世袭称号,直到明治维新时期,1875年日本政府颁布了法令,实施户籍登记,要求每一个日本人必须有姓,日本人才急匆匆地为自己找姓,多以居地名为姓,因此多为两字姓,这不同于中国人的复姓,日本人一下子涌现出三万多个姓,真正普及了姓,到今天,日本的姓已达12万多个。但此种背景下形成的姓氏传递,很难寻找到与遗传基因的关联。

姓氏图腾

  而中国姓氏文化则历经了四、五千年始终延续和发展着。姓氏一直是代表中国传统的宗族观念的主要的外在表现形式,以一种血缘文化的特殊形式记录了中华民族的形成和繁衍延续,在中华民族文化的同化和国家统一上曾起过独特的民族凝聚力的作用。大约在五千年前的伏羲氏时代,姓就被定为世袭,由父系传递;受宗法制度的持续影响,几千年历史中,祭祀祖宗,不断烟火,成了家族的头等大事。尤其在汉族社会中,宗族观念根深蒂固,有着同姓聚居和修谱联宗的习俗,在全国形成了无数群大小不等的同姓人群。
  中国人姓氏的悠久历史和相当稳定的传递,以及具有中国社会进化特色的改姓现象,不但增加了中国人姓氏的多样性,为追踪各个姓氏的始祖和年代提供了丰富的资料;更重要的是在中国广大农村一直存在着同姓聚居的习俗,加上婚姻半径较小的特点,同姓人群可以认为是某种程度隔离的Y染色体群体,这为近代生命科学在探讨人类Y染色体DNA多样性和进化等研究提供了有价值的研究模型和线索。

DNA构成染色体的模式图

  历史悠久的姓氏文化和传统独特的中国谱牒学,目前不但在社会科学中得到了发展,而且在生命科学中也得到了重视和应用,并已经形成了中国资源特色的跨学科的研究领域——中国姓氏群体遗传学。
  在多数的情况中,中国人的姓氏是世代遗传的,姓氏人口资料又比较容易搜集,其历史跨度也很长,非常适合于大量数据统计性质的研究。我们可以通过各种姓氏在不同人群中分布,来探讨人群的遗传结构、不同群体间的亲缘关系、以及人群迁移等。在斯福扎教授看来,通过对中国人姓氏和同姓人群的分布规律的研究,有可能成为探讨中国人起源和父系遗传物质进化的一条新的重要途径和科学依据;中国人几千年来有关姓氏的记录,更可以解开人类遗传的奥秘。从那时起,我国从事人类群体遗传学研究的科学家正式加入到这项研究中。研究者们收集了我国几十年来上百万份血型数据,经过计算机聚类统计分析后发现,不同人群的血样中的血型、酶、蛋白质的区域分布和人们姓氏的区域分布高度一致。这证明了中国人的姓氏分布是稳定的!这一发现,无疑说明了“姓氏基因”存在的可能,而且证明研究姓氏的遗传规律将有助于找到特殊姓氏人群的特殊遗传基因。
  姓氏基因的研究得到国家自然科学基金的支持,全国第3次人口普查小组也给姓氏基因研究很大的帮助,当代人口的资料就是来自他们提供的第3次人口普查资料中千分之零点五的抽样资料。此项研究中宋朝和明朝的姓氏数据都是从上千种文集和年谱中收集到的。先从各种文献中找到人物的姓名,根据他们的籍贯和居住地进行统计,为便于和现代的姓氏研究结果进行比较,宋朝、明朝的地名省份归属按目前的行政区划进行归并。

啊!这是我的姓!


 
  ■ 趣!查基因可知你祖上的真正姓氏

  中国人一般都习惯地继承父亲的姓,以父系方式把姓氏遗传递给下一代。女子在一生内仅仅保留其父亲的姓氏,不传给下一代。因此,绝大多数的姓属于一种无性别之分、以父系方式传的“基因”,相当于性染色体遗传的特殊基因。可以这样假设,不管是X染色体还是Y染色体,均携有“姓氏基因”,均在每代显示其姓氏的功能。惟有Y染色体具有连续传递姓氏特征的性能,而X染色体仅仅在第一代显示姓氏的性能。当然,研究者也注意到中国人中一直普遍存在着改姓的现象,这包括入赘婚姻、随母姓氏、避难改姓、少数民族用汉族姓等等。在人群中,改姓是突发的和随机发生的事件,往往发生在迁移过程之中,改姓人数的比例较低。而且不管是在什么情况下改的姓,从第二代起仍以父系方式传递。这种改姓现象可以认为是姓氏的突变,突变后的姓氏仍具有正常的父系传递功能。中国人姓氏的悠久历史和相对隐定的传递,以及具有中国社会进行特色的改姓现象,不但增加了中国人姓氏的多样性,为追踪各个姓氏的始祖和年代提供了线索和机会。而更重要的是,在中国广大农村中一直存在着同姓聚居的习俗,加上婚姻半径小、娶嫁地域相对固定的特点,同姓人群可以认为是其共同祖先的父系遗传物质,某种程度隔离的群体,这在进化上有特殊的意义。这种与近代人类进化有直接相关的同姓群体。在探讨中华民族的起源和进化等研究中将提供有价值的研究模型和线索。
  通过对姓氏基因的研究发现,宋朝、明朝和当代三个历史时期的姓氏分布反映了三个重要的现象:第一,中国人姓氏在历史上传递是延续的和隐定的。它揭示了在历史的进程中中国人姓氏所表现的血缘文化的痕迹与生命遗传物质,尤其是父系遗传物质的进化具有基本相同的表现。第二,中国人历来有同姓聚居和联宗修谱的习俗,而且婚姻半径很小,婚娶地域相对固定,这样形成了同姓人群的分布。中国人姓氏的分布实际上主要反映了同姓人群的分布规律。中国人的姓氏或同姓人群存在两种状态:常见姓氏(大姓)和非常见姓氏(小姓)。仅占总姓氏量不足5%的100个常见姓氏已集中了85%以上的人口,而占总姓氏量95%以上的非常见姓氏仅代表不足15%的人口。100个常见姓氏的分布,是反映各地区人群的遗传组成的主要因素,它们决定着中国历史上人口迁移的规模和地域人群间的亲缘关系的程度。而非常见姓氏人群,更为表现其地域特色和相对高程度隔离的现象。第三,人群迁移的主要方向,反映了中国人遗传基因的流动方向。同时,再一次从群体遗传学角度,证实了中国汉族一直存在着遗传上异源的南北两大群体,其1000年来的地域分界线应在武夷山和南岭地带。因此,中国人姓氏和同姓人群的分布规律的研究,有可能成为探讨中国人起源,尤其是父系遗传物质进化的一条新的重要途径和科学依据。
  知道了姓氏与基因的关系后,科学家马上意识到它可以作为人类学研究的重要工具。“查基因可知你姓什么”就是这项技术在人类学中的应用。中国人姓氏历经数千年,很难说每家的姓氏都是千年一脉。而查基因则可以检验人群是否同宗。我国科学家在太原市郊区就作了这样的研究,发现了很有意义的现象:某村的居民都姓张,附近一个庙里还供奉着张氏宗族的牌位。村民自称是几千年前某个名门之后。但研究人员从史书记录发现,正宗张姓应分布在河北地区。为了验证太原张姓的来源,研究人员从村民中抽取了30份血样,对Y染色体上的某一基因位点——“姓氏基因位点”作了测试,结果发现,该位点上的基因密码分布不一致。按照“姓氏基因”理论可判定,这些同姓人群应该不是一个祖先的后代,有些人是历史上中途改姓加入进来的。大禹治水的功绩几千年来广为流传,绍兴人也一直为有这样的英雄而自豪。史载大禹姓姒,至今禹陵村里还有几百名姒姓村民,相传是大禹之后。然而,大禹的身世在学术界却是争执不下的悬案,有的认为大禹生于四川,在中原开夏朝。这个历史之谜,由于分子遗传学的介入,有望被揭开,。上海复旦大学生命科学学院现代人类学研究中心(筹),目前正在开展“百越源流的遗传探索”的课题,“禹夏的族属分析”是其中的一项研究内容。2001年9月下旬,该研究中心的两位研究者来到绍兴市越城区禹陵村,从姒姓的男性村民中抽取血样,着手利用Y染色体单倍型研究大禹身世。据研究者介绍,在人类的基因组中,男性特有的一段Y染色体,即所谓的“姓氏基因”是世代相传千年不变的,科研人员将利用Y染色体单倍型的多态性位点,来研究当地大禹后代姒氏群体与百越族的遗传关系。从理论上说,每个人都可从基因密码上找到自己真正的祖先。如果考古学家找到古代男性遗体骨骼,从它的DNA上提取出Y染色体不同位点基因密码,那么只要找到同样基因密码的人就能认定是他的后人了。如果这位古人的墓志铭可证明他的真实姓氏身份,后人还可知其祖上原姓。但“姓氏基因”只能验证近几千年的遗传关系。由于人类早期是母系社会,要考查母系氏族时期的血缘关系,最可靠的方法还是测线粒体DNA的图谱。
   “姓氏基因”研究还表明,同是汉族姓氏,却可从血缘上分成两大分支,以武夷山———南岭为界,南北两地汉族血缘差异颇大,甚至比南北两地汉族与当地少数民族的差异还要大。这从遗传学角度证明了汉族只是文化上而并非血缘上的完整群体,整个汉族是在与少数民族的逐渐交融中形成的。
  河南安阳发现的到底是不是真正的曹操墓?目前,复旦大学现代人类学教育部重点实验室在已有的基因检测数据库中,找到了48位曹姓男性的Y染色体。这些人主要分布在中原地区、东北地区和甘青地区。对比这些曹姓男子的Y染色体,发现中原曹姓的Y染色体类型主要是M134型,而东北地区曹姓的Y染色体类型主要为M48型。而甘青地区的曹姓Y染色体类型则种类非常多,并无规律可循,由此基本可以确定,他们大多数是唐代来自中亚的移民,并无太多的参考依据。但是,就目前为数不多的中原地区曹姓男子的Y染色体可以看出,中原地区的曹姓男子很有可能来源是有规律可循的。可以推断的是,同一类型Y染色体的曹姓男子,应该是同一个家族的后裔或者是支系。实验室有关负责人表示,目前数据库里的曹姓男子Y染色体数量十分有限,因此实验室希望能够征集到大量的曹姓男子Y染色体类型,进行测序分类,然后推断曹操应有的特征标记,并检测发掘出的曹操墓遗骨的Y染色体是否具有这些标记,再结合曹氏家族的分布和迁移情况,应该可以得到一个科学的结论。

  ■ 神!有朝一日医生可望“对姓下药”

  “姓氏基因”的发现,是药物基因组学(Pharmacogenomics)研究的重要成果之一,为探索与疾病有关的高发易感人群的分布提供了有价值的线索,为新药特药的研制提供了“钥匙”。药物基因组学是药物遗传学与基因组学融合而产生的新学科,主要探讨患者遗传背景差异与药物药理效应和毒副作用的关系,并利用人类基因组数据库资料,确定药物靶点,筛选先导化合物,设计体内外药理毒理学试验及临床试验方案等。药物基因组学有助于研制更合理、更安全、更有效的药物及疫苗,有助于更准确的确定药物剂量,有助于改进药物研制和审批过程。尽管药物基因组学是一个新术语,但建立在药物基因组学基础上的许多观点都不是新的。当一个高血压病人去就诊,医生常常会根据症状,开一些常规性的降压药。但是,同样的降压药,同样的病情,并不对每一位患者都有效。通常情况下,病人往往需要在医生的帮助下,多次调整用药,才能找到适合于自己的降压药。但是还会有一些病人,多次调整用药后,仍然找不到理想的治疗药物。到底是什么原因使得同样的药物作用在不同的人身上,却有着不同的结果呢?科学研究表明,由于人与人之间的个体差异,造成药物在体内代谢、分布的差别,进而导致药物作用的差异,引起不同个体对同样的药物产生不同的反应。而人与人之间的差异归根结底是由基因引起的。举世瞩目的人类基因组计划(HGD)就是通过对人类基因组进行测序,确定DNA双链上每个独立的碱基的确切顺序和位置,从而找出蕴含其中的各种遗传信息和生命指令。药物专家把基因组的研究成果应用到临床合理用药中,将为特定人群设计最为有效的个性化药物,不仅可提高疗效,缩短病程,而且可减少不良反应,并降低成本。例如目前发现原发性高血压涉及到的相关基因已达70个。而治疗高血压的药物共分6大类,相同的药物对不同的人群效果也不一样,在某些人群中容易降解失效,疗效差,但不良反应也少;而在另外一些人群中疗效较好,但不良反应也较多,因此对不同人群应根据基因差异来选择药物。
  人群对药物不同反应的遗传学分析已成为未来病理学和药理学的重要方面,并将出现药物遗传学和药物基因组学。特别是以基因组研究为基础发展起来的基因组工业,是生产新一代创新药物的重要途径,同时也将带动起一批高新工业技术产业如自动化、信息、材料、微电子、仪器、生物芯片、纳米技术、计算机等 向新的领域拓展,还可直接为农、畜牧业的高产高质提供实际指导。所有这一切,将创造不可估量的社会效益和巨额利润。正因如此,近几年来全球范围内诱发了愈演愈烈的基因专利之争以及疾病家系、特殊隔离人群和染色体改变材料等遗传资源之争。
  世界上有5 000个具有不同特征和可能不同的基因频率人群。这些人群差异很大,且地理分布差异明显,需要选择有代表性样品,应该考虑到如何定义人群,建立人群目录,列出需要人群样品。HGD计划涉及不同人群的不同频率遗传异质性或多样性,某些人群的基因或基因型与某些疾病的关系,人群内的统计学比较和差异从统计学上比较遗传和语言差异等。 样品的数量取决于代表人群的程度,一般来说,每个人群样品越多越好。而一些种系发生的研究,25个个体DNA的100~200个位点上遗传标记分析就足够了。其它目的,如观察遗传上微小差异,评价单倍体和基因组进化分析,10~200个体及150个正常人即可,表现型和基因型的关联分析所需样品量更多。
  我国是一个遗传资源大国,人口多,疾病谱广,疾病家系、隔离群和染色体改变方面的材料资源丰富。这一资源优势大致可保持15年左右。如果有好的思路,使我们有充分的余地选择突破口,我们将有可能为“功能基因组学”理论与技术体系的建立做出特有的贡献。
  我国国家自然科学基金委员会于1993年启动了重大项目“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”,与863计划中有关项目相配合,开展了我国的基因组研究。其研究策略不是沿袭发达国家作图测序的道路,而是突出我国人口与临床的资源优势,以重大疾病相关基因和功能基因的结构为主要研究对象,收集、保存了一批样品和各民族遗传资源,建立了较完整的基因组研究技术;克隆了一批致病基因及其相关基因的DNA;培养了一批高层次研究人才;以国家重点实验室为基础形成了若干研究基地。这些,均使我国的基因组研究正迈向一个实质性的发展阶段。
  早在1999年,中科院生理所的科学家就提出研究开发不同姓氏人群服用的基因型药品的设想。中科院生理所“神经和精神遗传疾病基因研究组”成立之后,对封闭地区的典型个案进行取证分析,并取得初步成果。随着研究的不断深入,前沿的生物遗传诊疗学甚至有“对姓下药”的观点。近年来,利用基因研究成果开发新药成为国际制药业的新热点,得到各国政府的极大关注和各大制药厂的慷慨投资。
  2001年5月中旬,在上海召开的“环境基因组学和药物遗传学国际研讨会”上对有关问题进行了研讨。时任中科院副院长的现任卫生部长陈竺院士提出中科院将将启动药物创新体系。这是一项利用基因对疾病进行诊断和治疗的医疗革命,该体系将首先在上海市张江高科技园区进行试点。研究者指出,以往在新化学药物的研究中,有90%以上的药物因在临床前的实验中对大多数动物或部分人群效果不够理想或有毒性而遭淘汰,最终未能进入临床应用,而这些药对另一些人群很可能非常有效但却被忽略。在长期的医疗实践中也发现,同样的药物只对部分病人有疗效,对其他人不但不灵,还会产生不良的副作用。造成药物疗效差异的重要原因是药物遗传的多态性和隔离缺陷的存在。每个人遗传背景的差异,使药物进入人体后,代谢转化作用不同。我国疾病基因组研究责任专家陈竺教授在会上说,在这个领域不但存在着个体差异,还存在种族差异,很多致病基因在不同人群中有不同的表达,表明种族间遗传特点不完全一样,因而一些洋药不一定适合中国人。开发拥有独立知识产权的新药不但是进入WTO的需要,更是中国人遗传多样性的需要,这是我们科学家的责任。研究者认为,同样的病在不同患者身上反映的症状可能有极大差异,并且相同的药物对他们所起的功效也不完全一致。患同样疾病的人有不同的症状和对相同药物的反应不同,是因为各自遗传特性不一样。而作为一个相对封闭的遗传体系,每个姓氏都有雷同的基因特性。如果研究他们独特的姓氏基因,并“对姓下药”,才可能药到病除。
  正是从这个意义上,有研究者认为:将药物贴上‘百家姓’的标签是科学的。如果在这一理论基础上,再用“基因型”加以完善,每个人得到一份属于自己的“基因型药品”将变成现实。有关专家预测,将来什么基因型的人可以用什么药,都将能够反映在一张“个人医疗基因卡”上,卡上记录有患者详细的个人基因信息,届时医生根据临床表现结合“基因图”可做出正确诊断,选用有效的药物;还可以预知疾病的发生,提醒病人如何预防疾病。当然,通过姓氏基因研发特效新药不可能一蹴而就,了解几万种基因中每一个基因的功能,查明其与疾病的关联,确立新的诊断以及治疗方法,至少还需要一个相当长的过程。但以药物遗传学、药物基因组学合作开发新药的时代已经到来!

  (作者奇云系淮南市科普作家协会理事长、淮南联合大学副教授。本文早年发表于《化石》、《自然与人》等杂志,现经作者整理充实后在博客发表)


 
   
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