第八章 基因工程的诞生与发展

第八章基因工程的诞生与发展基因——生命的真谛1909年，丹麦的遗传学家W.Johanssen根据希腊语“给予生命”之义，创造了“gene”一词。基因是生物遗传信息的载体，它是由核苷酸序列(通常为DNA)组成的生物大分子，决定着生物的所有性状、行为和疾病的发生。基因是福音，发现了某疾病基因，就可以对患者进行基因水平上的治疗，从根本上根除疾病的危害。基因就是铁的证据，基因分析在重大犯罪案件、历史案件的侦破中是最终确定罪犯的有力工具，当事人的头发、血、皮屑的基因分析都将作为确凿证据。基因是企业家的聚宝盆目前生产基因药物的技术已较成熟，基因药物已率先进入市场。美国已有40多种基因药物投放市场，主要用于治疗癌症、血液病、艾滋病、乙型肝炎、丙型肝炎、细菌感染、代谢病等疑难病症。美国投放市场的基因药物，1997年超过60亿美元，且每年以20%的速度增长。我国也有10多种基因药物投放市场，但大部分基因药物仍需进口。因此，基因是企业家的聚宝盆。基因工程的诞生1.随着遗传密码的破译诞生了一门新的学科――基因工程。2.20世纪70年代，内森、史密斯和阿尔伯发现了限制性内切酶在分子遗传中的作用，为基因工程奠定了基础。3.1973年伯格成功地实现了DNA的体外重组，人类开始进入按需要设计并改造物种，创造自然界原先不存在的新物种。4.由此兴起了以基因工程为主体的生物工程新学科。分子遗传学和生物工程已成为最活跃最前沿的新领域。我是一个实验主义者，我能告诉你的检验它是否有效的唯一方法就是尝试它。——保罗·伯格保罗·伯格PaulBerg•保罗·伯格1926年生于美国。在参加了第二次世界大战后回到宾夕法尼亚州立大学学习，1948年获生物化学学士学位，•后在凯斯西部保留地大学获生化博士学位，1959年到斯坦福大学任教。主要成就1972年，伯格首次证明可以用两种不同物种的基因人工合成DNA分子。伯格选择了名为SV40的猴病毒和λ噬菌体，这两种病毒的DNA都是闭合的环状结构。他设计试验，首先用限制性内切酶切开SV40和λ噬菌体的DNA环，然后再用连接酶把这两种DNA连接成环，最后让含有这种DNA的噬菌体在大肠杆菌中繁殖。因此，他开发了在酶的作用下在试管内将的噬菌体基因与SV40基因结合在一起的技术。虽然，没有任何一项技术具有原创性但是，利用已报道的多项技术，创造性地实现了不同DNA分子的体外重组SV40λDNA＋EcoRIRecombinationDNA1972.PNASDavidJacksonRobertSymonsPaulBergDNA体外重组的创建成功，是“遗传工程”的奠基之作。NP1980PaulBerg这些工作为分子生物学的研究和遗传改造展示了一个清晰而又美好的前景具有与沃森和克里克发现DNA双螺旋结构模型同样的开拓性价值！•1973年，加州大学旧金山分校的赫伯特·博耶H.Boyer和斯坦福大学的斯坦利·科恩S.Cohen将外源基因拼接在质粒中，在大肠杆菌中表达，揭开基因工程的序幕。•这时，保罗·伯格却想到了基因重组的安全性问题。他就与其他10位研究者联名给《科学》杂志写了一封信，希望科学家在深入了解基因重组技术的安全性前先暂停有关试验，并敦促美国国家卫生研究所（NIH）对基因重组技术的使用进行管制。•这封信引发了广泛的研究和讨论，1975年，上百位科学家在Asilomar会议上对不同物种之间基因重组的安全性进行了讨论。1976年，NIH最终出台了关于基因重组的一系列指导方针。•可以说，DNA重组试验是分子生物学与生物化学研究的里程碑，该技术与基因快速测序以及定位技术，使基因工程成为生物技术快速发展的基础。•基因工程的产生并不是偶然的，它是分子生物学发展到一定的阶段或时期的一种历史的必然。基因工程引发了一场分子生物学革命不仅能将目标基因定向引入到其他物种中去而且可以利用细菌对目的DNA分子进行克隆基于“遗传重组”技术的生物学的理论不断创新基于“遗传工程”技术的生物遗传改良成效明显有关基因工程技术发明获得Nobel奖基因工程概念在分子水平上，用人工方法提取或合成不同生物的DNA片段，在体外切割，拼接形成重组DNA，然后将重组DNA与载体的遗传物质重新组合，再将其引入到没有该DNA的受体细胞中，进行复制和表达，生产出符合人类需要的产品或创造出生物的新性状，并使之稳定地遗传给下一代。基因工程又称重组DNA技术.(切、接、转、增、检）按目的基因的克隆和表达系统，分类为：•原核生物基因工程•酵母基因工程•植物基因工程•医学基因工程•动物基因工程•基因工程最突出的优点:就是打破了常规情况下难以突破的物种之间界限，可在：原核生物与真核生物之间、动物与植物之间、甚至人与其他生物之间、将遗传信息进行重组和转移。基因工程理论依据•不同基因具有相同的物质基础•基因是可以切割的•基因是可以转移的•多肽与基因之间存在对应关系•基因通过复制把遗传信息传给下代•遗传密码是通用的基因工程与生物工程的关系生物工程分为六类：即基因工程、蛋白质工程、细胞工程、发酵工程、酶工程、生化工程。基因工程的地位：现代科技革命高新技术生物技术基因工程基因克隆如果说20世纪八九十年代是基因工程基础研究趋向成熟，应用研究初露锋芒的阶段，那么21世纪初将是基因工程应用研究的鼎盛时期，农、林、牧、渔、医等的很多产品都会打上基因工程的标记。尽管基因工程出现后的一段时间内带给人们的是猜疑和恐惧，但实践表明，基因工程已经给人类带来了难以估量的经济和社会效益。特别是对人类所面临的能源、粮食、人口、环境和疾病等日趋严重的社会问题，基因工程正在并且将要发挥越来越大的作用。基因工程与农业•光合作用•固氮作用•转基因植物•转基因动物•产生次生代谢产物如日本科学家利用基因工程使家蚕丝心蛋白基因与绿色荧光蛋白基因相互融合，得到的家蚕蚕丝可发出绿色的光泽。人们利用花卉的花色基因改变花的颜色、利用花形基因改变花的形状、利用香味基因改变花的香味等等，以使我们的生活环境更加色彩斑斓。无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻转基因西红柿1994年5月，美国食品和药品管理局（FDA）批准首个转基因食物——西红柿FLAVRSVER进入消费市场。FDA相信该转基因西红柿与普通育种生长的西红柿同样安全。以前，农民要趁西红柿还没有成熟，果实还是绿色的时候就采摘下来。因为西红柿成熟后，皮也软了，运输过程中容易破。没有成熟的西红柿被运送到商店后，喷上乙烯将它们催熟，变成红色再摆出去卖。这种人工催熟的西红柿没有自然成熟的西红柿好吃。西红柿的皮变软，是因为多聚半乳糖醛酸酶把细胞壁中的胶质给分解了。生物学家们把编码多聚半乳糖醛酸酶的基因克隆出来，测定了它的序列。然后合成一个和它相反的“反义基因”。把“反义基因”转入西红柿细胞中，会干扰原来基因的活动，让它再也没有办法合成多聚半乳糖醛酸酶，细胞壁中的胶质不会被分解掉。于是，西红柿即使成熟了，皮也不会变软。我们就可以等到它自然成熟了再采摘，不用担心不好运输。FLAVRSAVR西红柿就是这样。转基因西红柿获准上市，标志着FDA首次完成对转基因农产品的评估和放行。但是在过去的十几年，人们对于转基因食品的争论一直没有停止过。近年来，欧美关于转基因是否安全的争论又闹得沸沸扬扬。转基因食品生产和输出大户美国，从其自身利益出发，主张只要科学上无法证明它有害，就不应该限制。而转基因食品输入最多的欧洲国家，公众对转基因食品普遍感到恐慌：他们认为，动物实验显示某些转基因食品对动物有害，而对人类如何由于时间短还不清楚；但只要不能否定其危险性，就应该加以限制。但事实是：无论世界上工业化国家还是发展中国家的农民，他们都是依靠自己的独立决策在5年间将转基因作物的种植面积增加了25倍之多。从20世纪80年代世界上第一例转基因植物的诞生，到目前全世界大约2780万公顷的转基因作物。研究者还利用转基因动物大量生产医用蛋白，人类将最新的生物技术应用于医药、食品、农业领域以摆脱自然对传统作业的限制。•1998年8月，英国阿伯丁的罗威特研究所教授普兹泰发现老鼠食用转基因土豆之后免疫系统受到破坏，普兹泰进一步推论，很多消费者也象被用于试验的老鼠一样食用没有经过严格鉴定的转基因食品。•该消息的发布，使世界各国如日中天的转基因热潮蒙上了一层阴影......•科学家们开始担心，由转基因技术创造出来的新型遗传基因和生物可能会有害于人类。•它们可能对生态环境造成新的污染，即基因污染，而这种新的污染源很难消除。•转基因农作物和以此为原料制造的转基因食品对人体的影响也尚未定论。•目前，转基因农作物的安全性问题在比美、欧等地已经成了一个社会问题，消费者掀起了相当规模的反对转基因农作物和食品的运动。在20世纪50年代，基因化学领域还笼罩在一片迷雾之中，然而…….•而到了20世纪末，生物学家已经开发出一整套工具，这些工具使得对基因物质进行排序、克隆和操纵成了可能。•新的基因技术所涉及的社会的、道德的、哲学的内涵无疑是深刻的。基因工程与工业•酿酒工业•食品工业•制药工业•新型蛋白质的生产1981-1982转基因动物的出生•超级鼠1981年美国科学家小鼠生殖细胞生长激素基因可以不知疲倦地奔跑数小时、寿命更长、拥有更强繁殖能力、吃得更多而不增加体重。•转基因果蝇1981控制眼睛颜色的基因Ry1基因果蝇胚胎野生型结果得到了眼睛颜色为红色的果蝇，表明转入的基因已在体内表达。这一性状随果蝇繁殖保留了下来哺乳小牛凝乳酶基因胃转入啤酒酵母凝乳酶凝乳酶生产奶酪的凝乳酶传统上来自哺乳小牛的胃。现在可以通过基因工程办法，用酵母生产凝乳酶，大量用于奶酪制造。制造奶酪基因工程与环境保护•环境监测•环境污染净化随着化学工业的迅速发展，种类繁多、数量巨大的人工合成化学物质应运而生，其中80%是有毒或能持久存在的。通过基因工程可以提高某些微生物体内特异酶的活性，从而构建降解特殊污染物的微生物，有利于环保工业的发展。美国通用GE(GeneralElectric)公司成功构造具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。基因工程在医药领域的应用Ⅰ基因治疗（genetherapy）以基因工程为基础的治疗遗传疾病、肿瘤、心血管、代谢性疾病的新方法——基因治疗是21世纪的一大热点领域。基因治疗就是制备正常基因代替或校正遗传缺陷基因，或关闭、或降低、或调控异常基因的表达，而达到治疗疾病的目的。1990年9月，美国政府首次批准：对一台患有腺苷脱氨酶（ADA）缺陷的重度联合免疫缺陷症（SCID）4岁女童进行基因治疗，并获得成功。该患者今年已经20岁了。从而开创了医学界的新纪元。人类基因治疗严重综合免疫缺失症（SCID）患儿一出生就必须生活在隔离室中实施基因治疗的必要步骤如下：•找到致病基因•克隆得到大量与致病基因相应的正常基因•采取适当方法把正常基因放回到病人身体内去•进入体内的正常基因应正常表达Ⅱ利用转基因植物生产药用蛋白由于植物本身的特点，使之具有成本极低、纯化手续简便等得天独厚的优势。利用植物生产药用蛋白——植物生物反应器有望成为未来基因工程发展的另一个重要领域之一。Ⅲ利用动物生产药用蛋白——转基因动物生物反应器1980年Gurdon首次获得转基因小鼠，Palmifer在1982年首次获得表型发生改变的“超级小鼠”，随后转基因动物的研究日渐活跃。现在转基因动物技术已用于牛、羊，使得从牛/羊奶中可以生产蛋白质药物。称为“乳腺反应器”工程。美国转基因猪，其体内含有人类的基因，乳汁含有人体蛋白fatorⅧ。只需300～600只这样的母猪就能满足全世界对这种蛋白的需求。特殊蛋白质的大量生产乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)乳汁中分泌人凝血因子IX的转基因山羊1）乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。2）从乳汁中获取目的基因产物，产量高，易提纯，表达的蛋白质已经经过充分的修饰加工，具有稳定的生物活性。3）从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同时，转基因动物又可无限繁殖。乳腺能成为基因药物最理想的表达场所Ⅳ基因工程疫苗的生产传统制备的疫苗，作用是灭活病原体，或减弱病原体