第六章 基因工程與人類健康

第六章基因工程與人類健康基因工程(geneticengineering)

基因工程又稱基因拼接技術(shù)和DNA重組技術(shù)，是以分子遺傳學(xué)為理論基礎(chǔ)，以分子生物學(xué)和微生物學(xué)的現(xiàn)代方法為手段，將不同來源的基因(DNA分子)，按預(yù)先設(shè)計(jì)的藍(lán)圖，在體外構(gòu)建雜種DNA分子，然后導(dǎo)入活細(xì)胞，以改變生物原有的遺傳特性、獲得新品種、生產(chǎn)新產(chǎn)品。基因工程技術(shù)為基因的結(jié)構(gòu)和功能的研究提供了有力的手段。

基因工程簡介基因工程是生物工程的一個重要分支，它和細(xì)胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和微生物工程共同組成了生物工程。所謂基因工程（geneticengineering)是在分子水平上對基因進(jìn)行操作的復(fù)雜技術(shù)，是將外源基因通過體外重組后導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)，使這個基因能在受體細(xì)胞內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯表達(dá)的操作。它是用人為的方法將所需要的某一供體生物的遺傳物質(zhì)——DNA大分子提取出來，在離體條件下用適當(dāng)?shù)墓ぞ呙高M(jìn)行切割后，把它與作為載體的DNA分子連接起來，然后與載體一起導(dǎo)入某一更易生長、繁殖的受體細(xì)胞中，以讓外源物質(zhì)在其中“安家落戶”，進(jìn)行正常的復(fù)制和表達(dá)，從而獲得新物種的一種嶄新技術(shù)。細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能細(xì)胞主要由：細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞核、葉綠體、線粒體、核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、中心體等細(xì)胞壁

細(xì)胞壁是植物細(xì)胞特有結(jié)構(gòu)，它是植物細(xì)胞最外面一層由纖維素、半纖維素和果膠質(zhì)等構(gòu)成的“堅(jiān)硬”結(jié)構(gòu)，對植物細(xì)胞和植物體起著保護(hù)和支架的作用。細(xì)胞壁上有一些微孔通道使相鄰細(xì)胞相通，這些通道稱為胞間連絲。細(xì)胞膜細(xì)胞膜也稱質(zhì)膜，是一切細(xì)胞不可缺少的表面結(jié)構(gòu)，是包被著細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)的一層薄膜，它調(diào)節(jié)和維持細(xì)胞內(nèi)微小環(huán)境的相對穩(wěn)定性。質(zhì)膜對物質(zhì)運(yùn)輸、信息傳遞、能量轉(zhuǎn)換、代謝調(diào)控、細(xì)胞識別和癌變等方面，都具有重要的作用。質(zhì)膜厚度約70-100?,是活細(xì)胞不可缺少的結(jié)構(gòu)，主要控制通過質(zhì)膜的物質(zhì)運(yùn)輸。原生質(zhì)為細(xì)胞所含有的全部生活物質(zhì)，包括細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核。植物細(xì)胞在質(zhì)膜外還有一層由纖維素和果膠質(zhì)等構(gòu)成的細(xì)胞壁，對細(xì)胞起著保護(hù)和支撐的作用。在細(xì)胞與細(xì)胞之間，有許多胞間連絲相連，有利于細(xì)胞間物質(zhì)的交換。細(xì)胞質(zhì)細(xì)胞質(zhì)是指質(zhì)膜以內(nèi)細(xì)胞核以外的膠體物質(zhì)，內(nèi)含許多蛋白質(zhì)、脂肪等物質(zhì)，以及各種細(xì)胞器。細(xì)胞器是指細(xì)胞質(zhì)內(nèi)除了核以外的具有一定形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能的物體。但每一細(xì)胞的結(jié)構(gòu)與其功能密切相關(guān)，故不同的細(xì)胞中細(xì)胞器類型不同，有些是某些生物所特有的。細(xì)胞內(nèi)主要的細(xì)胞器包括：線粒體(mitochondria)、質(zhì)體(plastid)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmicreticulum)、高爾基體(Golgibody)、核糖體(ribosome)、中心體(centralbody)、溶酶體(lysosome)和液泡(vacuole)。●內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：是動、植物細(xì)胞中普遍存在的單層的膜相結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞質(zhì)的表面積大大增加。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)合成蛋白質(zhì)的主要場所，它的數(shù)量與細(xì)胞的合成活性直接相關(guān)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在細(xì)胞中呈現(xiàn)多種形態(tài)，如管狀、囊狀、小泡狀等。根據(jù)是否附有核糖體，又分為粗糙型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和平滑型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。粗糙型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)外面附有核糖體；平滑型內(nèi)質(zhì)網(wǎng)外無核糖體附著。●線粒體：普遍存在于動、植物細(xì)胞中，是有內(nèi)外兩層膜組成的橢圓型或棒狀的小體。一般直徑為0.5-1.0mm，長1-3mm。它含有多種氧化酶，是產(chǎn)生和貯存能量的場所。故生命活動旺盛時數(shù)量較多；衰老時數(shù)量減少。線粒體含有

DNA、RNA、核糖體等，具有自我復(fù)制能力。但線粒體的DNA與核內(nèi)的DNA不同，為單鏈環(huán)狀結(jié)構(gòu)?！褓|(zhì)體：又分為葉綠體、有色體、白色體三種。其中最主要的是葉綠體，它是綠色植物所特有的一種細(xì)胞器。葉綠體形狀有盤狀、球狀、棒狀等，大小在5-10mm，比線粒體稍大。其主要功能是進(jìn)行光合作用，合成碳水化合物。葉綠體也含有DNA、RNA及核糖體等物質(zhì)，具有自我復(fù)制能力?！窈颂求w：是細(xì)胞內(nèi)呈小顆粒狀的微小細(xì)胞器，數(shù)量極多。約有40%蛋白質(zhì)和60%RNA組成，其中RNA主要為核糖體核糖核酸（rRNA）。核糖體是合成蛋白質(zhì)的主要場所。細(xì)胞核所有生物（除病毒和噬菌體外）都具有一定的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。根據(jù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，細(xì)胞可以分為兩類：原核細(xì)胞和真核細(xì)胞。原核細(xì)胞僅具有核物質(zhì)，沒有核膜，如細(xì)菌、藍(lán)藻等；真核細(xì)胞具有完整的核結(jié)構(gòu)，包括核膜、核質(zhì)、核仁和染色質(zhì)等?！窈四ぃ簽橐浑p層膜，膜上有核孔，是核質(zhì)之間物質(zhì)交流的通道。在細(xì)胞分裂過程中，核膜發(fā)生解體和重建?！窈艘海簽榉植加诤藘?nèi)的低電子密度的細(xì)小顆粒和微細(xì)纖維?！窈巳剩好恳粋€細(xì)胞內(nèi)一般有一個或幾個折光率很強(qiáng)的核仁，主要由RNA和蛋白質(zhì)組成，與核糖體的合成有關(guān)?！袢旧|(zhì)和染色體：是同一物質(zhì)在細(xì)胞分裂過程中所表現(xiàn)的不同形態(tài)。染色質(zhì)為細(xì)胞尚未分裂的核中易于被堿性染料染色的纖細(xì)的網(wǎng)狀物質(zhì)。而當(dāng)細(xì)胞分裂時，染色質(zhì)便逐漸螺旋化而卷縮成一定形態(tài)的染色體。染色質(zhì)是細(xì)胞核內(nèi)能被堿性染料染色的物質(zhì)?？煞譃槌Ｈ旧|(zhì)和異染色質(zhì),常染色質(zhì)在間期呈高度分散狀態(tài)（正在進(jìn)行復(fù)制轉(zhuǎn)錄）染色較淺，光鏡下難以分辨。中期時發(fā)生螺旋化收縮變短。是產(chǎn)生Mendel比率和各類遺傳現(xiàn)象的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。異染色質(zhì)在間期呈螺旋狀態(tài)，染色較深。染色質(zhì)上缺乏Mendel基因，但并非對遺傳沒有任何影響。又分為結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)或組成型異染色質(zhì)。染色體是DNA和蛋白質(zhì)組成的復(fù)合物。其中DNA占27％，組蛋白質(zhì)占66％，RNA占6％。過去認(rèn)為一條染色體可能是由若干段DNA結(jié)構(gòu)，間隔是蛋白質(zhì)。但是隨著DNA提取技術(shù)的改進(jìn)，現(xiàn)已確定一個染色體中的DNA只是一個DNA分子。細(xì)胞分裂有絲分裂(mitosis)：即體細(xì)胞分裂，通過分裂產(chǎn)生同樣染色體數(shù)目的子細(xì)胞。分裂中出現(xiàn)紡錘體。間期(interphase):兩次分裂的中間時期?？煞譃楹铣汕捌?G1)、合成期(S)

及合成后期(G2)

。前期(prophase):染色體由細(xì)線狀逐漸縮短變粗，由2條染色單體纏繞在一起；中期(Metaphase):出現(xiàn)紡錘體，染色體排列在赤道面上；后期(Anaphase):姐妹染色單體分開成獨(dú)立的染色體,由紡錘體拉向兩極；末期(Telophase):核膜形成，核仁出現(xiàn)，染色體松散成染色質(zhì)團(tuán)減數(shù)分裂間期：也分為G1,S,G2期。前期Ⅰ：

又分5個時期：a.細(xì)線期(leptotenestage)：染色線細(xì)長能分辨出線；核大，核仁明顯；b.偶線期(zygotenestage)：“同源染色體配對”也稱為聯(lián)會；c.粗線期(pachytenestage)：染色體明顯縮短變粗，可辨別出n個二價體，非姊妹染色單體間發(fā)生局部交換；d.雙線期(diplotenestage)：聯(lián)會的兩條同源染色體開始分開，交叉結(jié)向末端移動并逐漸減少，稱為交叉端化中期Ⅰ：核仁核膜消失，紡錘體形成，二價體的末端交叉結(jié)排列于赤道板；后期Ⅰ：同源染色體隨機(jī)移向一極，染色體數(shù)目減少一半.移向兩極的每條染色體含2個染色單體。末期Ⅰ：染色體解螺旋成細(xì)絲狀。核膜重建，核仁形成；前期Ⅱ：時間較短；中期Ⅱ：染色體排列于赤道板上，且染色體由兩條染色單體組成的；后期Ⅱ：2條染色單體分開，移向兩極；末期Ⅱ：染色體解螺旋，核仁核膜出現(xiàn)。胞質(zhì)分裂，完成減數(shù)分裂的過程。迄今為止，基因工程還沒有用于人體，但已在從細(xì)菌到家畜的幾乎所有非人生命物體上做了實(shí)驗(yàn)，并取得了成功。事實(shí)上，所有用于治療糖尿病的胰島素都來自一種細(xì)菌，其ＤＮＡ中被插入人類可產(chǎn)生胰島素的基因，細(xì)菌便可自行復(fù)制胰島素?；蚬こ碳夹g(shù)使得許多植物具有了抗病蟲害和抗除草劑的能力；在美國，大約有一半的大豆和四分之一的玉米都是轉(zhuǎn)基因的。目前，是否該在農(nóng)業(yè)中采用轉(zhuǎn)基因動植物已成為人們爭論的焦點(diǎn)：支持者認(rèn)為，轉(zhuǎn)基因的農(nóng)產(chǎn)品更容易生長，也含有更多的營養(yǎng)（甚至藥物），有助于減緩世界范圍內(nèi)的饑荒和疾病；而反對者則認(rèn)為，在農(nóng)產(chǎn)品中引入新的基因會產(chǎn)生副作用，尤其是會破壞環(huán)境。誠然，仍有許多基因的功能及其協(xié)同工作的方式不為人類所知，但想到利用基因工程可使番茄具有抗癌作用、使鮭魚長得比自然界中的大幾倍、使寵物不再會引起過敏，許多人便希望也可以對人類基因做類似的修改。畢竟，胚胎遺傳病篩查、基因修復(fù)和基因工程等技術(shù)不僅可用于治療疾病，也為改變諸如眼睛的顏色、智力等其他人類特性提供了可能。目前我們還遠(yuǎn)不能設(shè)計(jì)定做我們的后代，但已有借助胚胎遺傳病篩查技術(shù)培育人們需求的身體特性的例子。比如，運(yùn)用此技術(shù)，可使患兒的父母生一個和患兒骨髓匹配的孩子，然后再通過骨髓移植來治愈患兒。

隨著DNA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和遺傳機(jī)制的了解，生物學(xué)家不再僅僅滿足于探索、提示生物遺傳的秘密，而是設(shè)想在分子的水平上去干預(yù)生物的遺傳特性。如果將一種生物DNA中的某個遺傳密碼片斷連接到另外一種生物的DNA鏈上去，將DNA重新組織一下，就可以按照人類的愿望，設(shè)計(jì)出新的遺傳物質(zhì)并創(chuàng)造出新的生物類型，這與過去培育生物繁殖后代的傳統(tǒng)做法完全不同。這種做法就像技術(shù)科學(xué)的工程設(shè)計(jì)，按照人類的需要把這種生物的這個“基因”與那種生物的那個“基因”重新“施工”，“組裝”成新的基因組合，創(chuàng)造出新的生物。這種完全按照人的意愿，由重新組裝基因到新生物產(chǎn)生的生物科學(xué)技術(shù)，就稱為“基因工程”，或者說是“遺傳工程”?；蚬こ痰幕静僮鞑襟E1.獲取目的基因是實(shí)施基因工程的第一步。

2.基因表達(dá)載體的構(gòu)建是實(shí)施基因工程的第二步，也是基因工程的核心。

3.將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞是實(shí)施基因工程的第三步。

4.目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞后，是否可以穩(wěn)定維持和表達(dá)其遺傳特性，只有通過檢測與鑒定才能知道。這是基因工程的第四步工作。

基因工程與農(nóng)牧業(yè)、食品工業(yè)運(yùn)用基因工程技術(shù)，不但可以培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、抗性好的農(nóng)作物及畜、禽新品種，還可以培養(yǎng)出具有特殊用途的動、植物。

1.轉(zhuǎn)基因魚

生長快、耐不良環(huán)境、肉質(zhì)好的轉(zhuǎn)基因魚（中國）。2.轉(zhuǎn)基因牛

乳汁中含有人生長激素的轉(zhuǎn)基因牛（阿根廷）。3.轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的甜椒

4.轉(zhuǎn)魚抗寒基因的番茄

5.轉(zhuǎn)黃瓜抗青枯病基因的馬鈴薯

6.不會引起過敏的轉(zhuǎn)基因大豆

7.超級動物

導(dǎo)入貯藏蛋白基因的超級羊和超級小鼠

8.特殊動物

導(dǎo)入人基因具特殊用途的豬和小鼠

9.抗蟲棉

蘇云金芽胞桿菌可合成毒蛋白殺死棉鈴蟲，把這部分基因?qū)朊藁ǖ碾x體細(xì)胞中，再組織培養(yǎng)就可獲得抗蟲棉?；蚬こ膛c人類健康基因作為機(jī)體內(nèi)的遺傳單位，不僅可以決定我們的相貌、高矮，而且它的異常會不可避免地導(dǎo)致各種疾病的出現(xiàn)。某些缺陷基因可能會遺傳給后代，有些則不能。基因治療的提出最初是針對單基因缺陷的遺傳疾病，目的在于有一個正常的基因來代替缺陷基因或者來補(bǔ)救缺陷基因的致病因素。用基因治病是把功能基因?qū)氩∪梭w內(nèi)使之表達(dá)，并因表達(dá)產(chǎn)物——蛋白質(zhì)發(fā)揮了功能使疾病得以治療。基因治療的結(jié)果就像給基因做了一次手術(shù)，治病治根，所以有人又把它形容為“分子外科”。

我們可以將基因治療分為性細(xì)胞基因和體細(xì)胞基因治療兩種類型。性細(xì)胞基因治療是在患者的性細(xì)胞中進(jìn)行操作，使其后代從此再不會得這種遺傳疾病。體細(xì)胞基因治療是當(dāng)前基因治療研究的主流。但其不足之處也很明顯，它并沒前改變病人已有單個或多個基因缺陷的遺傳背景，以致在其后代的子孫中必然還會有人要患這一疾病。

無論哪一種基因治療，目前都處于初期的臨床試驗(yàn)階段，均沒有穩(wěn)定的療效和完全的安全性，這是當(dāng)前基因治療的研究現(xiàn)狀。

可以說，在沒有完全解釋人類基因組的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制、充分了解基因調(diào)控機(jī)制和疾病的分子機(jī)理之前進(jìn)行基因治療是相當(dāng)危險(xiǎn)的。增強(qiáng)基因治療的安全性，提高臨床試驗(yàn)的嚴(yán)密性及合理性尤為重要。盡管基因治療仍有許多障礙有待克服，但總的趨勢是令人鼓舞的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止1998年底，世界范圍內(nèi)已有373個臨床法案被實(shí)施，累計(jì)3134人接受了基因轉(zhuǎn)移試驗(yàn)，充分顯示了其巨大的開發(fā)潛力及應(yīng)用前景。正如基因治療的奠基者們當(dāng)初所預(yù)言的那樣，基因治療的出現(xiàn)將推動新世紀(jì)醫(yī)學(xué)的革命性變化?；蚬こ虒⑹箓鹘y(tǒng)中藥進(jìn)入新時代轉(zhuǎn)基因藥用植物或器官研究、有效次生代謝途徑關(guān)鍵酶基因的克隆研究、中藥ＤＮＡ分子標(biāo)記以及中藥基因芯片的研究等，已成為當(dāng)今中藥研究的熱點(diǎn)，并將使傳統(tǒng)中藥進(jìn)入一個嶄新的時代。

在轉(zhuǎn)基因藥用植物的研究方面，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所分別通過發(fā)根農(nóng)桿菌和根癌農(nóng)桿菌誘導(dǎo)丹參形成毛狀根和冠癭瘤進(jìn)而再分化形成植株，他們將其與栽培的丹參作了形態(tài)和化學(xué)成分比較研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)毛狀根再生的植株葉片皺縮、節(jié)間縮短、植株矮化、須根發(fā)達(dá)等；而冠癭組織再生的植株株形高大、根系發(fā)達(dá)、產(chǎn)量高，丹參酮的含量高于對照，這對丹參的良種繁育，提高藥材質(zhì)量具有重要意義。面對許多野生植物瀕于滅絕，一些特殊環(huán)境下的植物引種困難等問題，中國科學(xué)工作者開始探索通過高等植物細(xì)胞、