基因工程漫談

1、基因工程漫談 基因工程（英語(yǔ)：genetic engineering，又稱(chēng)為遺傳工程）是利用dna重組技術(shù)，將目的基因與載體dna在體外進(jìn)行重組，然后把這種重組dna分子引入受體細(xì)胞，并使之增殖和表達(dá)的技術(shù)。遺傳工程與傳統(tǒng)培育方式不同之處，在于物種在傳統(tǒng)培育方式中透過(guò)間接的形式變更，而遺傳工程是直接變更其基因。遺傳工程透過(guò)分子選殖和轉(zhuǎn)化來(lái)直接改變基因的構(gòu)造與特性。由于基因工程可以打破不同生物物種之間的界限,可以把來(lái)自任何一種生物的 基因轉(zhuǎn)移到另一種寄主生物中去進(jìn)行表達(dá),這樣,人們就有可能按照自己的主觀愿望,去定向改造某種生物的某一性狀,創(chuàng)造出新的生物類(lèi)型。此外,通過(guò)基因工程還可以實(shí)現(xiàn)dna小片

2、斷的大量護(hù)增,從而為分子生物學(xué)研究創(chuàng)造必要的條件。基因工程原理 基因工程的基本原理是在體外將不同來(lái)源的 dna 進(jìn)行剪切和重組,形成鑲嵌 dna分子,然后將之導(dǎo)入宿主細(xì)胞,使其擴(kuò)增表達(dá),從而使宿主細(xì)胞獲得新的遺傳特性,形成新的基因產(chǎn)物。它有3個(gè)基本的步驟:從合適材料分離或制備日的基因或dna片段。目的基因或dna片段與載體連接作成重組dna分子。重組 dna 分于引入宿主細(xì)胞,在其中擴(kuò)增和表達(dá)。不問(wèn)種類(lèi)生物的生物學(xué)特性不同,其基因工程在操作上和具體技術(shù)上必然有所差異,但技術(shù)核心都是dna的重組,即利用一系列的 dna 限制性內(nèi)切酶、連接酶等分子手術(shù)工具,在某種生物 dna 鏈上切下某個(gè)目標(biāo)基因

3、或特殊的dna片段,然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求,將其接合到受體生物dna鏈上。下面簡(jiǎn)要介紹基因工程的技術(shù)程序:1、外源目標(biāo)基因的分離、克隆及功能結(jié)構(gòu)分析 獲得合乎人類(lèi)某種需要的目標(biāo)基因是開(kāi)展一項(xiàng)基因工程的前提和全部工作的核心,基因工程的第一步就是獲得目標(biāo)基因。目前人們已經(jīng)能夠通過(guò)多種途徑和方法來(lái)獲取目標(biāo)基因,比如從構(gòu)建的基因文庫(kù)中調(diào)取和篩選目標(biāo)基因,通過(guò)化學(xué)方法合成已知核甘酸序列的目標(biāo)基因,以及通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄酶用mrna為模板合成目標(biāo)基因等。2、構(gòu)建能在受體生物細(xì)胞中表達(dá)的重組目標(biāo)基因 要使一個(gè)外源目標(biāo)基因能整合到受體細(xì)胞的基因組中并能在整合后在受體基因組的調(diào)控下有效地轉(zhuǎn)錄和翻譯,就必須事先對(duì)目標(biāo)基因的功能

4、結(jié)構(gòu)用 dna 重組技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎?也就是將目標(biāo)基因與一種特別的dna分子重組,這種特別的dna分子稱(chēng)為基因載體,目前所用的載體戶要有以下幾類(lèi):質(zhì)粒、噬菌體、柯斯質(zhì)粒、病毒載體、yac載體等,各類(lèi)載體具有獨(dú)特的生物學(xué)特性,可用于不同的目標(biāo)基因。3、外源重組目標(biāo)基因的導(dǎo)入 將重組的外源目標(biāo)基因轉(zhuǎn)入到宿卞細(xì)胞中的過(guò)程稱(chēng)為基因?qū)牖蚧蜣D(zhuǎn)移。接受外源基因的細(xì)胞稱(chēng)為受體細(xì)胞。由于受體市物學(xué)特征的不同以及基因工程目的不同,外源基因?qū)氲姆椒ㄒ膊煌?有的是用載體導(dǎo)入,有的是直接用物理的方法導(dǎo)入。向細(xì)菌等微生物中導(dǎo)入外源目標(biāo)基因常用質(zhì)粒轉(zhuǎn)化和噬菌體轉(zhuǎn)染方法;向植物細(xì)胞中導(dǎo)入外源基因常用基因槍注入法和ti

5、質(zhì)粒導(dǎo)入法;能由原生質(zhì)體再生出植株的植物細(xì)胞還可以用電穿孔導(dǎo)入法及脂質(zhì)體融合法;動(dòng)物的受精卵一般通過(guò)人工顯微鏡注射法導(dǎo)入外源基因;動(dòng)物的體細(xì)胞可用電穿孔法和病毒轉(zhuǎn)染法導(dǎo)入外源基因,但對(duì)于生產(chǎn)目的的基因工程常常避免用病毒轉(zhuǎn)染法 。4、轉(zhuǎn)基因細(xì)胞或個(gè)體的鑒別和篩選 在對(duì)宿主的細(xì)胞進(jìn)行了外源目標(biāo)基因?qū)胩幚硪院?有些細(xì)胞可能并沒(méi)有外源基因的進(jìn)入,另有一些細(xì)胞可能在外源基因進(jìn)入后因各種原因而不能使外源基因表達(dá),因此必須對(duì)被進(jìn)行了基因轉(zhuǎn)移處理的細(xì)胞或個(gè)體進(jìn)行鑒別,以篩選出導(dǎo)入外源目標(biāo)基因的轉(zhuǎn)基因細(xì)胞或個(gè)體。鑒別和篩選轉(zhuǎn)基因生物一般在兩個(gè)層面上進(jìn)行:一是檢測(cè)目標(biāo)基因是否表達(dá),二是檢測(cè)目標(biāo)基因是否整合到了宿

6、主的染色體上和能否穩(wěn)定傳代。表達(dá)檢測(cè)的方法產(chǎn)要有轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的印跡雜交法、免疫印跡檢測(cè)法、免疫組織化學(xué)檢測(cè)試等。整合檢測(cè)可通過(guò)dna分子雜交來(lái)確定?；蚬こ虘?yīng)用及成果1、抗病毒的基因工程 利用轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)可以把抗病毒基因?qū)藙?dòng)植物體,現(xiàn)已成功地培育出抗病毒的煙草、馬鈴薯、首蓓以及一些蔬菜。此外,人們還利用病毒的衛(wèi)星rna、反義rna、運(yùn)動(dòng)蛋白基因及植物自身的抗病毒基因?qū)χ参镞M(jìn)行轉(zhuǎn)化,也取得了一定的成效美國(guó)科學(xué)家還最新發(fā)現(xiàn)了一種可以抗多種病毒的基因,將這種新基因?qū)藷煵荨ⅫS瓜、首蓓和花生等作物后,植株都表現(xiàn)出不同的抗病能力。2、抗蟲(chóng)的基因工程 在世界范圍內(nèi),蟲(chóng)害造成的損失約占農(nóng)作物總收獲量的13%

7、,每年大約損失數(shù)千億美元,因此生物防治害蟲(chóng)便應(yīng)運(yùn)而生目前基因工程主要利用的抗蟲(chóng)基因是蘇云金桿菌的己內(nèi)毒素基因和植物來(lái)源的抗蟲(chóng)基因如蛋 白酶抑制基 因、淀粉酶抑制基 因、凝集素基因等。 蘇云金桿菌的結(jié)晶蛋白基因（bt基因）應(yīng)用最廣,其殺蟲(chóng)原理在于能合成一種對(duì)昆蟲(chóng)有毒的內(nèi)毒素蛋白，最早獲得的轉(zhuǎn)bt基因植物是煙草和蕃茄（1987）年,隨后,bt毒素基因相繼被轉(zhuǎn)化到許多其它農(nóng)作物中,如棉花、水稻、玉米等。1996年轉(zhuǎn)bt基因棉花在美國(guó)種植6.6x108m2，經(jīng)中國(guó)農(nóng)科院棉花所引進(jìn)在華北試種兩年,在多點(diǎn)表現(xiàn)突出,在完全不噴殺蟲(chóng)劑的情況下,單產(chǎn)仍高于噴撒2到3次殺蟲(chóng)劑的中國(guó)推廣棉花,顯示了控制棉鈴蟲(chóng)的極好

8、前景。目前,我國(guó)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉經(jīng)過(guò)審定的有11個(gè)品種,田間試驗(yàn)及室 內(nèi)喂飼試驗(yàn)表明,轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉的抗蟲(chóng)能力均在80%以上,可減少化學(xué)用藥量60%一70%。目前還發(fā)現(xiàn) 了一種替代bt毒素基因的抗蟲(chóng)基“膽街醇”，正在引入煙草和蕃茄中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。3、抗除草劑的基因工程 資料表明,每年雜草造成的經(jīng)濟(jì)損失占農(nóng)作物總產(chǎn)值的10%一20%左右。盡管除草劑的使用,對(duì)大規(guī)模機(jī)械化耕作,減少勞力開(kāi)支和提高產(chǎn)量有極為重要的作用,但一般除草劑的選擇性較差,即除了雜草以外,還會(huì)將作物殺死現(xiàn)在通過(guò)基因工程,將能抵抗除草劑的基因轉(zhuǎn)移到植物中,獲得了抗除草劑植物如美國(guó)的孟山都公司,將除草劑甘磷靶酶的cdna克隆轉(zhuǎn)人油菜,使其

9、抗性提高了4倍。目前,已獲得的抗除草劑作物有大豆、棉花、玉米、水稻等20多種。4、改善植物品質(zhì)的基因工程 轉(zhuǎn)基因植物育種的另一個(gè)主要目標(biāo)是提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)。如我國(guó)的張秀君利用基因槍將高賴(lài)氨酸基因?qū)擞衩?并取得了初步的成果。最近加拿大的學(xué)者們通過(guò)遺作操作使油菜籽的油產(chǎn)量提高到25%.美國(guó)的研究人員把月桂樹(shù)基因?qū)擞筒?可生產(chǎn)出含月桂酸油約達(dá)40%的油菜籽。澳大利亞科學(xué)家將豆類(lèi)蛋白基因轉(zhuǎn)人牧草中,使奶牛吃了這種牧草后所產(chǎn)生的牛奶中含有較多的人體必需氨基酸。已獲批準(zhǔn)在美、英、日上市的轉(zhuǎn)基因番茄貯存期顯著增長(zhǎng),且在采摘與運(yùn)輸方面都具商業(yè)優(yōu)勢(shì)。5、動(dòng)物轉(zhuǎn)基因育種 轉(zhuǎn)基因動(dòng)物研究的應(yīng)用主要表現(xiàn)在促進(jìn)

10、動(dòng)物生長(zhǎng),提高畜產(chǎn)的產(chǎn)量和品質(zhì)；生產(chǎn)藥用蛋白質(zhì)；動(dòng)物抗病育種,建立診斷和治療人類(lèi)疾病的動(dòng)物模型；生產(chǎn)用于人體器官移植的動(dòng)物器官等。自1980年gordon首獲轉(zhuǎn)基因小鼠,1982年palmiter首獲表型發(fā)生改變的超級(jí)小鼠至今已有20年左右,現(xiàn)已先后培養(yǎng)出轉(zhuǎn)基因豬、羊、牛和魚(yú)等。美國(guó)伊諾斯大學(xué)的研究人員研究出一種帶基因的豬,這種豬生長(zhǎng)快,個(gè)頭大,瘦肉率高,飼料利用率高,為養(yǎng)豬業(yè)帶來(lái)豐厚的經(jīng)濟(jì)利益。另一種轉(zhuǎn)基因豬是帶有人體基因的豬,這種轉(zhuǎn)基因豬可望能解決人體移植動(dòng)物器官的異體排斥問(wèn)題 我國(guó)中科院水生生物研究所成功地將人生長(zhǎng)激素基因、魚(yú)生長(zhǎng)激素基因?qū)缩庺~(yú),育成的當(dāng)代轉(zhuǎn)基因魚(yú),生長(zhǎng)速度比對(duì)照快,并

11、從子代測(cè)得生長(zhǎng)激素基因的表達(dá)。隨著動(dòng)物基因工程技術(shù)的逐漸成熟和轉(zhuǎn)人體血紅蛋 白的基因豬、轉(zhuǎn)人體血清蛋 白的基因山羊等的問(wèn)世,不僅能生產(chǎn)大量人類(lèi)所需的血紅蛋白、白蛋白等藥物,而且為動(dòng)物育種開(kāi)辟了一條全新的途徑。6、人體活性多肽的生產(chǎn) 目前,通過(guò)重組dna產(chǎn)生的工程菌已大量高效地合成出許多人體中的活性多膚已正式上市的有： 干擾素、白介素、促紅細(xì)胞生成素、人生長(zhǎng)激素、集落刺激因子、胰島素等基因工程藥物為人類(lèi)戰(zhàn)勝各種疑難疾病提供了有力的武器,如干擾素（ifn）能抗腫瘤,治療乙肝、丙肝、男性不孕癥、白血病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、創(chuàng)傷以及艾滋病等。因此,基因工程藥物也必將成為國(guó)際醫(yī)藥工業(yè)發(fā)展的新的增長(zhǎng)點(diǎn)。7、疫苗

12、的生產(chǎn) 基因工程疫苗于1993年應(yīng)運(yùn)而生.重組dna技術(shù)的發(fā)展使得設(shè)計(jì)新的無(wú)毒副作用的疫苗成為可能,并已取得了突破性進(jìn)展目前,正在開(kāi)發(fā)研制的疫苗種類(lèi)繁多,細(xì)菌方面有霍亂弧菌、百日咳桿菌、麻風(fēng)桿菌、淋球菌、綠膿桿菌、腦膜炎雙球菌、鏈珠菌、志賀菌屬的一些菌種等病毒方面有流感病毒、人免疫缺陷病毒、甲肝病毒、乙肝病毒、帶狀疤疹病毒和巨細(xì)胞病毒等。寄生蟲(chóng)方面有瘧原蟲(chóng)、絲蟲(chóng)、血吸蟲(chóng)、利什曼原蟲(chóng)等 另外,對(duì)于癌癥,也已有科學(xué)家在進(jìn)行其疫苗的研制工作。8、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(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)而得到糾正?；蛑委熓紫仍诩?xì)胞培養(yǎng)上和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。目前,發(fā)達(dá)國(guó)家用于腺昔脫氨酶（ada）

13、缺乏癥、乙型血友病等單基因缺陷遺傳疾病的基因治療技術(shù),已快速地?cái)U(kuò)展到惡性腫瘤、糖尿病、心腦血管疾病等多基因相關(guān)疾病以及各型肝炎、艾滋病等重要病毒性傳染病的研究治療等方面,使困擾人類(lèi)的許多疑難病癥有望得到治愈。 我國(guó)在基因治療方面也進(jìn)行了有益的探索,復(fù)旦大學(xué)等單位對(duì)乙型血友病的基 因治療進(jìn)行了研究嘗試,他們?cè)谕媚Ｐ偷幕A(chǔ)上,將人第ix因子基因通過(guò)重組質(zhì)粒或重組反轉(zhuǎn)錄病毒導(dǎo)入自體皮膚成纖維細(xì)胞,獲得了可喜的階段性進(jìn)展。生態(tài)與進(jìn)化安全保障 由于轉(zhuǎn)基因生物與其他生物一樣具有可遺傳、易擴(kuò)散及自主的特性, 而且人類(lèi)對(duì)生命、生態(tài)系統(tǒng)、生物的演化實(shí)際是還知之甚少,對(duì)不同物種間基因的人工組合,外源基因?qū)κ荏w生物

14、進(jìn)化的可能影響,轉(zhuǎn)基因生物對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期影響等都無(wú)法進(jìn)行評(píng)估,因此如果人們不事先采取控制措施,轉(zhuǎn)基因生物一旦進(jìn)入到自然環(huán)境中就可能打破生態(tài)平衡,破壞生態(tài)環(huán)境和自然種質(zhì)資源。對(duì)轉(zhuǎn)基因生物的控制措施有物理的方法和生物的方法:物理的方法就是通過(guò)各種嚴(yán)格的管理措施和物理屏障盡量使轉(zhuǎn)基因生物不能從實(shí)驗(yàn)室逃逸進(jìn)入到自然環(huán)境里去;生物的方法一般就是造成轉(zhuǎn)基因生物與非轉(zhuǎn)基因生物之間的生殖隔離,如利用三倍體不育的特性將用十生產(chǎn)的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物或植物變成三倍體等。消費(fèi)安全評(píng)價(jià) 消費(fèi)安全評(píng)價(jià)一般要考慮以下一些主要的方面:導(dǎo)入外源目標(biāo)基因本身編碼的產(chǎn)物是否安全。外源目標(biāo)基因是否穩(wěn)定。使用的載體是否安全。使用的報(bào)道基因( 就是能產(chǎn)生很容觀察的性狀的基因)是否會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)。外源基因?qū)牒笫欠駮?huì)誘導(dǎo)受體生物產(chǎn)生新的有害遺傳性狀或不利于健康的成分。為了保護(hù)人類(lèi)的健康, 許多國(guó)家都已通過(guò)立法或其他形式對(duì)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品進(jìn)行消費(fèi)安全評(píng)價(jià)和嚴(yán)格的管理,對(duì)進(jìn)口轉(zhuǎn)基因食品嚴(yán)格限制?？偨Y(jié) 基因工程作為21 世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù),必將為解決世界各國(guó)面臨的重大問(wèn)題發(fā)揮不可替代的作用,乃至使整個(gè)人類(lèi)社會(huì)發(fā)生變革,進(jìn)入“心想事成”的時(shí)代。 我們?cè)诖罅Πl(fā)展轉(zhuǎn)基因技術(shù)的同時(shí),必須高度重視對(duì)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物、植物及微生物品種的生物控制和控制技術(shù)的研究。在轉(zhuǎn)基因品種的安全性沒(méi)有進(jìn)行全面的評(píng)估和