淺析基因工程技術在醫(yī)藥領域的應用1.doc

基因工程技術在醫(yī)藥領域的應用專業(yè) ：09級制藥工程四班 姓名：邢麗學號：2009212102摘要 基因工程作為一門理論性與實踐性較強的學科,其方法與技術已經滲透到現代生命科學的各個分支領域,成為生命科學的一門核心技術。基因工程包含許多獨特的實驗方法和技術,不僅內容豐富,涉及面廣,實用性也強?；蚬こ淌峭ㄟ^DNA 重組技術, 獲得具有特殊生物遺傳性狀和功能的遺傳工具生物體, 基因工程技術廣泛應用于農業(yè)、醫(yī)學、食品工業(yè)等。本文主要就基因工程在醫(yī)藥領域的應用加以闡述。 關鍵詞 基因工程； 醫(yī)藥領域的應用； 基因工程技術是一項極為復雜的高新生物技術, 它利用現代遺傳學與分子生物學的理論和方法, 按照人類所需, 用DNA 重組技術對生物基因組的結構和組成進行人為修飾或改造, 從而改變生物的結構和功能, 使之有效表達出人類所需要的蛋白質或人類有益的生物性狀2。基因工程從誕生至今, 僅有30 年的歷史, 然而, 無論是在基礎理論研究領域, 還是在生產實際應用方面, 都已取得了驚人的成績。首先,基因工程給生命科學自身的研究帶來了深刻的變化。目前科學家已完成了多種細胞器的基因組全序列測定工作。其次, 基因工程具有廣泛的應用價值, 能為工農業(yè)生產、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護開辟新途徑。1.基因工程1.1 概念 基因工程( 又稱DNA 重組技術、基因重組技術) , 是20 世紀70 年代初興起的技術科學, 是用人工的方法將目的基因與載體進行DNA重組, 將DNA 重組體送入受體細胞, 使它在受體細胞內復制、轉錄、翻譯, 獲得目的基因的表達產物。這種跨越天然物種屏障, 把來自任何生物的基因置于毫無親緣關系的新的寄主生物細胞之中的能力, 是基因工程技術區(qū)別于其他技術的根本特征。1.2 基因工程研究內容(1) 從復雜的生物有機體基因組中, 經過酶切消化或PCR 擴增等步驟, 分離出帶有目的基因的DNA 片段。(2) 在體外, 將帶有目的基因的外源DNA 片段連接到能夠自我復制并具有選擇記號的載體分子上, 形成重組DNA分子。(3)重組DNA 分子轉移到適當的受體細胞, 并與之一起增殖。(4) 從大量的細胞繁殖群體中, 篩選出獲得了重組DNA 分子的受體細胞克隆。(5) 從這些篩選出來受體細胞克隆, 提取出已經得到擴增的目的基因, 供進一步分析研究使用。(6) 將目的基因克隆到表達載體上, 導入寄主細胞, 使之在新的遺傳背景下實現功能表達, 產生出人類所需要的物質。2. 在醫(yī)學上的應用2.1 基因工程藥物 利用基因工程技術開發(fā)新型治療藥物是當前最活躍和發(fā)展最快的領域。自1982 年世界第一個基因工程藥物- - - 重組胰島素投放市場以來, 基因工程藥物就成為制藥行業(yè)的一支奇兵, 每年平均有3- 4 個新藥或疫苗問世, 開發(fā)成功的約50個藥品, 諸如人胰島素、忍尿激酶、人生長激素、干擾素、激活劑、乙肝疫苗等廣泛應用于治療癌癥、肝炎、發(fā)育不良、糖尿病和一些遺傳病上, 在很多領域特別是疑難病癥上, 起到了傳統(tǒng)化學藥物難以達到的作用4, 5, 6。為治愈癌癥正在研制的用單克隆抗體制成的“生物導彈”, 就是按照人類的設計, 把“生物導彈”發(fā)射出去, 精確的命中癌細胞, 并炸死癌細胞, 而不傷害健康的細胞, 比如專門用于腫瘤的“腫瘤基因導彈”等。可見, 生物工程藥物將成為21世紀藥業(yè)的支柱。而脫氧核糖核酸或者基因疫苗的問世, 變革了機體的免疫方式。如今, 人們翹首關注困擾人類的艾滋病病毒疫苗的早日問世。 盡管目前誘變育種技術仍是改良微生物工業(yè)生產菌種的主要手段,但是基因工程技術在改良工業(yè)生產菌種方面已有成功的報道。最常見的是將控制藥物合成關鍵步驟的酶基因克隆,通過適當的載體轉移到原生產菌中,以使控制限速步驟的酶水平,從而提高產量。Malmberg等7構建了一種帶有編碼賴氨酸-氨基轉移酶基因( lysine-aminotranster-ase,LAT)這種控制Streptomyces clavuligerus生物合成頭霉素C的限速步驟的關鍵酶的基因(lat)的高拷貝質粒,并轉入這種頭霉素產生菌,使LAT提高活力提高了4倍,在2 L發(fā)酵罐中產生頭霉素的能力是原來的2倍,重組菌胞外LAT產物-氨基己二酸的積累量也比原受體菌高。伊維菌素( ivermectins)是一個市場很大的抗蟲抗生素,其前體阿弗米丁(avermectins)的產生菌種的發(fā)酵液中有8個以上的組分,其中只有B1a組分才是制備伊維菌素的原料。Ikeda等8經過近十年的努力,已將阿弗米丁的生物合成基因簇全部搞清,并經過誘變與DNA重組,獲得了僅產阿弗米丁B2a單一組分和B1a、B2a組份的重組工程菌,這不僅大大提高了阿弗米丁有效組分的發(fā)酵效價,且給提取、精制、半合成等后處理工序帶來了很大的便利。可以預見,隨著對各種工業(yè)生產的微生物藥物生物合成途徑的深入了解以及基因重組技術的不斷進展,應用基因工程方法定向構建高產菌株的成功實例將越來越多。在抗生素發(fā)酵過程中供氧往往是一個限制因素,充足的氧氣供給是藥物工業(yè)發(fā)酵穩(wěn)定和提高產量,降低成本的關鍵。傳統(tǒng)的解決方法如增加通氣量等對設備要求高,能量消耗大。20世70年代末在專性好氧菌透明顫(Vitreoscilla)中發(fā)現了血紅蛋白(VHb),它能促進氧氣擴散到細胞末端氧化酶上。于是人們想到了將其基因Vgb克隆到其它微生物中,以促進微生物在低氧條件下生長。 1988年Khosla等9從Vitreoscilla中分離出Vgb基因并將之轉入大腸桿菌(Ecoli),提高了大腸桿菌在溶氧量低于5%時對氧的利用率。目前已用克隆表達VHb的方法提高了放線紫紅素、頭孢霉素C、紅霉素等產生菌及青霉素?；富蚬こ叹漠a量6。血紅蛋白基因工程的研究和應用,必將對抗生素工業(yè)和其它重組藥物發(fā)酵工業(yè)的節(jié)能等帶來美好的前景。作為半合成頭孢菌素類抗生素重要原料的7-氨基頭孢烷酸（7-ACA),目前國內外仍以化學裂解頭孢菌素C的工藝路線為主。國內外已報道可用經由GL-7-ACA的二步法(化學/酶法或二步酶法)來生產7-ACA,與化學裂解法相比不僅收率提高,且能大大減少環(huán)境污染,簡化生產工藝。但二步法中關鍵的GL-7-ACA?；冈诩賳伟斜磉_量低而且分離純化困難,限制了這種方法的應用。通過將GL-7-ACA酰化酶基因轉入大腸桿菌中表達恰好可以解決這一問題11。最近又報道可將編碼2個酶的基因直接轉入頭孢菌素C的生產菌種中,使其在發(fā)酵時直接產生7-ACA。調節(jié)基因在藥物的生物合成中也起著重要作用,增加調節(jié)基因的基因量能夠大幅提高藥物產量。 Hopwood等將放線紫紅素生物合成的一個調節(jié)基因act導入原產生菌,盡管基因的拷貝數僅增加了2倍,放線紫紅素的產量卻增加了3040倍。某些抗生素生產菌的產量不高,是由于其自身對該抗生素的抗性不高。因此,利用高拷貝質粒的基因量效應,增加菌種對自身產生的抗生素的抗性,可能增加抗生素的產量。例如,將氨基糖苷-6-乙酰轉移酶基因導入卡那霉素和新霉素產生菌,由于提高了對氨糖類抗生素的抗性,產量提高了26倍。2.2 基因治療 基因治療是指由于某種基因缺陷引起的遺傳病通過轉基因技術而得到糾正。臨床實踐已經表明: 基因治病已經變革了整個醫(yī)學的預防和治療領域。比如白癡病, 用健康的基因更換或者矯正患者的有缺損的基因, 就有可能根治這種疾病?，F在已知的人類遺傳病約有4000種, 包括單基因缺陷和多基因的綜合癥。運用基因工程技術或基因打靶的手段, 將病毒的基因殺滅, 插入矯正基因, 得以治療、校正和預防遺傳疾病的目的。目前, 基因治療已擴大到腫瘤、心血管系統(tǒng)疾病、神經系統(tǒng)疾病等的治療8。人類也已成功實現了腎、心、肝、胰、肺等器官的移植, 也有雙器官和多器官的聯合移植。 基因治療有兩種途徑: 一是體細胞的基因治療, 一是生殖細胞的基因治療。由于生殖細胞的基因治療操作技術異常復雜, 又涉及倫理緩行之理充足, 故尚無人涉足9?；蚬こ淌?0 世紀生命科學中最偉大的成績, 開辟了生命科學的新紀元。經過幾十年的發(fā)展, 基因工程技術已成為一個巨大的朝陽產業(yè), 它可以超越動物、植物、微生物之間的界限, 創(chuàng)造出新的生物類型?；蚬こ滩粌H在醫(yī)學上應用廣泛, 而且也廣泛應用在工業(yè)、農業(yè)、冶金、環(huán)保、資源、能源、畜牧漁業(yè)等領域, 為人類的豐衣足食和健康長壽提供了持續(xù)的實用價值很高的產品, 發(fā)展前景極為廣闊。 目前，以基因工程藥物為主導的基因工程應用產業(yè)已成為全球發(fā)展最快的產業(yè)之一，發(fā)展前景非常廣闊。基因工程藥物主要包括細胞因子、抗體、疫苗、激素和寡核甘酸藥物等。它們對預防人類的腫瘤、心血管疾病、遺傳病、糖尿病、包括艾滋病在內的各種傳染病、類風濕疾病等有重要作用。在很多領域特別是疑難病癥上，基因工程工程藥物起到了傳統(tǒng)化學藥物難以達到的作用。我們最為熟悉的干擾素(IFN)就是一類利用基因工程技術研制成的多功能細胞因子，在臨床上已用于治療白血病、乙肝、丙肝、多發(fā)性硬化癥和類風濕關節(jié)炎等多種疾病。 目前，以基因工程藥物為主導的基因工程應用產業(yè)已成為全球發(fā)展最快的產業(yè)之一，發(fā)展前景非常廣闊?；蚬こ趟幬镏饕毎蜃印⒖贵w、疫苗、激素和寡核甘酸藥物等。它們對預防人類的腫瘤、心血管疾病、遺傳病、糖尿病、包括艾滋病在內的各種傳染病、類風濕疾病等有重要作用。在很多領域特別是疑難病癥上，基因工程工程藥物起到了傳統(tǒng)化學藥物難以達到的作用。我們最為熟悉的干擾素(IFN)就是一類利用基因工程技術研制成的多功能細胞因子，在臨床上已用于治療白血病、乙肝、丙肝、多發(fā)性硬化癥和類風濕關節(jié)炎等多種疾病。目前，應用基因工程研制的艾滋病疫苗已完成中試，并進入臨床驗證階段；專門用于治療腫瘤的“腫瘤基因導彈”也將在不久完成研制，它可有目的地尋找并殺死腫瘤，將使癌癥的治愈成為可能。由中國、美國、德國三國科學家及中外六家研究機構參與研制的專門用于治療乙肝、慢遷肝、慢活肝、丙肝、肝硬化的體細胞基因生物注射劑，最終解決了從剪切、分離到吞食肝細胞內肝炎病毒，修復、促進肝細胞再生的全過程。經4年臨床試驗已在全國面向肝炎患者。此項基因學研究成果在國際治肝領域中，是繼干擾素等藥物之后的一項具有革命性轉變的重大醫(yī)學成果。 綜上所述，基因工程技術作為一項新興的生物技術，其發(fā)展趨勢不可阻擋。但科學技術是把雙刃劍的理論同樣適合轉基因藥物。為此，我們應該適當借鑒國外經驗，建立一套既符合中國國情，又與國際接軌，且科學合理的基因安全評價和監(jiān)控體系，為日后我國轉基因藥物走向世界奠定基礎。參考文獻：1夏煥章 熊宗貴 生物技術制藥 高等教育出版社 2010.32 童克中.基因及其表達.北京: 科學出版社, 2001.3 李尉民, 樂寧, 夏紅民.轉基因生物及其產品的風險與管理.生物技術通報.2000(4)41- 44.4 朱寶泉. 基因工程技術在醫(yī)學工業(yè)中的應用及進展 J . 中國醫(yī)藥工業(yè)志.1997.28(2): 56- 58.5 方鵬.基因工程應用簡述 J .遼寧師專學報.2004.6(2):