基因工程技术的现状和前景发展

基因工程技术的现状和前景发展摘要从20世纪70年代初发展起来的基因工程技术，经过30多年来的进步与发展，已成为生物技术的核心内容。许多科学家预言，生物学将成为21世纪最重要的学科，基因工程及相关领域的产业将成为21世纪的主导产业之一。基因工程研究和应用范围涉及农业、工业、医药、能源、环保等许多领域。基因工程应用于植物方面农业领域是目前转基因技术应用最为广泛的领域之一。农作物生物技术的目的是提高作物产量，改善品质，增强作物抗逆性、抗病虫害的能力。基因工程在这些领域已取得了令人瞩目的成就。由于植物病毒分子生物学的发展，植物抗病基因工程也也已全面展开。自从发现烟草花叶病毒(TMV)的外壳蛋白基因导入烟草中，在转基因植株上明显延迟发病时间或减轻病害的症状，通过导入植物病毒外壳蛋白来提高植物抗病毒的能力，已用多种植物病毒进行了试验。在利用基因工程手段增强植物对细菌和真菌病的抗性方面，也已取得很大进展。植物对逆境的抗性一直是植物生物学家关心的问题。由于植物生理学家、遗传学家和分子生物学家协同作战，耐涝、耐盐碱、耐旱和耐冷的转基因作物新品种(系)也已获得成功。植物的抗寒性对其生长发育尤为重要。科学家发现极地的鱼体内有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增长，从而免受低温的冻害并正常地生活在寒冷的极地中。将这种抗冻蛋白基因从鱼基因组中分离出来，导入植物体可获得转基因植物，目前这种基因已被转入番茄和黄瓜中。随着生活水平的提高，人们越来越关注口味、口感、营养成分、欣赏价值等品质性状。实践证明，利用基因工程可以有效地改善植物的品质，而且越来越多的基因工程植物进入了商品化生产领域，近几年利用基因工程改良作物品质也取得了不少进展，如美国国际植物研究所的科学家们从大豆中获取蛋白质合成基因，成功地导入到马铃薯中，培育出高蛋白马铃薯品种，其蛋白质含量接近大豆，**提高了营养价值，得到了农场主及消费者的普遍欢迎。在花色、花香、花姿等性状的改良上也作了大量的研究。基因工程应用于医药方面目前，以基因工程药物为主导的基因工程应用产业已成为全球发展最快的产业之一，发展前景非常广阔。基因工程药物主要包括细胞因子、抗体、疫苗、激素和寡核甘酸药物等。它们对预防人类的肿瘤、心血管疾病、遗传病、糖尿病、包括艾滋病在内的各种传染病、类风湿疾病等有重要作用。在很多领域特别是疑难病症上，基因工程工程药物起到了传统化学药物难以达到的作用。我们最为熟悉的干扰素(IFN)就是一类利用基因工程技术研制成的多功能细胞因子，在临床上已用于治疗白血病、乙肝、丙肝、多发性硬化症和类风湿关节炎等多种疾病。目前，应用基因工程研制的艾滋病疫苗已完成中试，并进入临床验证阶段；专门用于治疗肿瘤的“肿瘤基因导弹”也将在不久完成研制，它可有目的地寻找并杀死肿瘤，将使癌症的治愈成为可能。由中国、美国、德国三国科学家及中外六家研究机构参与研制的专门用于治疗乙肝、慢迁肝、慢活肝、丙肝、肝硬化的体细胞基因生物注射剂，最终解决了从剪切、分离到吞食肝细胞内肝炎病毒，修复、促进肝细胞再生的全过程。经4年临床试验已在全国面向肝炎患者。此项基因学研究成果在国际治肝领域中，是继干扰素等药物之后的一项具有革命性转变的重大医学成果。基因工程应用于环保方面工业发展以及其它人为因素造成的环境污染已远远超出了自然界微生物的净化能力，已成为人们十分关注的问题。基因工程技术可提高微生物净化环境的能力。美国利用DNA重组技术把降解芳烃、萜烃、多环芳烃、脂肪烃的4种菌体基因链接，转移到某一菌体中构建出可同时降解4种有机物的“超级细菌”，用之清除石油污染，在数小时内可将水上浮油中的2/3烃类降解完，而天然菌株需1年之久。也有人把Bt蛋白基因、球形芽孢杆菌、且表达成功。它能钉死蚊虫与害虫，而对人畜无害，不污染环境。现已开发出的基因工程菌有净化农药的DDT的细菌、降解水中的染料、环境中有机氯苯类和氯酚类、多氯联苯的工程菌、降解土壤中的TNT炸药的工程菌及用于吸附无机有毒化合物(铅、汞、镉等)的基因工程菌及植物等。90年代后期问世的DNA改组技术可以创新基因，并赋予表达产物以新的功能，创造出全新的微生物，如可将降解某一污染物的不同细菌的基因通过PCR技术全部克隆出来，再利用基因重组技术在体外加工重组，最后导入合适的载体，就有可能产生一种或几种具有非凡降解能力的超级菌株，从而**地提高降解效率。四、前景展望由于基因工程运用DNA分子重组技术，能够按照人们预先的设计创造出许多新的遗传结合体，具有新奇遗传性状的新型产物，增强了人们改造动植物的主观能动性、预见性。而且在人类疾病的诊断、治疗等方面具有革命性的推动作用，对人口素质、环境保护等作出具大贡献。所以，各国政府及一些大公司都十分重视基因工程技术的研究与开发应用，抢夺这一高科技制高点。其应用前景十分广阔。我国基因工程技术尚落后于发达国家，更应当加速发展，切不可坐失良机。但是，任何科学技术都是一把“双刃剑”，在给人类带来利益的同时，也会给人类带来一定的灾难。比如基因药物，它不仅能根治遗传性疾病、恶性肿瘤、心脑血管疾病等，甚至人的智力、体魄、性格、外表等亦可随意加以改造；还有，克隆技术如果不加限制，任其自由发展，最终有可能导致人类的毁灭。还有，尽管目前的转基因动植物还未发现对人类有什么危害，但不等于说转基因动植物就是十分安全的，毕竟这些东西还是新生事物，需要实践慢慢地检验。转基因生物和常规繁殖生长的品种一样，是在原有品种的基础上对其部分性状进行修饰或增加新性状，或消除原来的不利性状，但常规育种是通过自然选择，而且是近缘杂交，适者生存下来，不适者被淘汰掉。而转基因生物远远超出了近缘的范围，人们对可能出现的新组合、新性状会不会影响人类健康和环境，还缺乏知识和经验，按目前的科学水平还不能完全精确地预测。所以，我们要在抓住机遇，大力发展基因工程技术的同时，需要严格管理，充分重视转基因生物的安全性。近两年来我国化学生物学领域的突出进展时间：2015-04-17来源：学术堂所属分类：应用化学论文近年来，化学生物学已经成为具有举足轻重作用的一门新兴交叉学科，是推动未来生命科学和生物医药发展的关键研究领域。通过充分发挥化学和生物学、医学交叉的优势，化学生物学的研究具有重要的科学意义和应用前景，能够深入揭示生物学新规律，促进新药、新靶标和新的药物作用机制的发现，造福于人类的健康事业，推动社会经济发展。目前，化学生物学研究已经引起各国政府和全球重要科研机构的高度重视，成为发达国家竞相资助和优先发展的领域之一。化学生物学研究受到各国政府、科研机构和大制药公司的高度重视。美国国立健康研究院(NIH)提出的生物医学路线图计划(NIHＲoadmap)，将化学生物学设定为5个研究方向之一。它们还设立了巨额预算作为化学生物学的培训经费以及建立了若干着名的小分子化合物筛选平台。例如，博大研究院(BroadInstitute)就是一个由哈佛大学和麻省理工学院共建的合作单位，致力于开发在生命科学和医药学中能探究基因组学的新工具。化学遗传学(chemicalgenetics)以及化学基因组学(chemicalgenomics)在该过程中发挥着重要的作用。耶鲁大学基因组和蛋白质组研究中心(YaleUniversityCenterforGenomicsandProteomics)专门成立了化学生物学研究小组，从事化学生物学新技术的开发，并应用于功能基因组等方面的研究中。美、日和大部分欧洲发达国家的一流大学均建立了化学生物学人才培养计划。各出版机构都相继出版了高水平的化学生物学专业学术杂志，此外许多生物和化学国际会议也设立了化学生物学分会。这些努力都极大地推动了国际上化学生物学研究水平的快速进步。在化学生物学的发展过程中，相继出现了如组合化学、高通量筛选技术、分子进化、基因组(芯片)技术、单分子和单细胞技术等一系列新技术和新方法，为化学与生物学、医学交叉领域的研究注入了新的内涵和驱动力。近年来，化学生物学家以小分子探针为主要工具，对细胞生命现象，尤其是细胞信号转导过程中的重要分子事件和机理进行了深入的研究。通过充分发挥小分子化学探针研究信号转导的优势，探索和阐述信号转导途径的分子事件与规律以及在病理状态下的变化规律，为疾病的诊断和治疗研究探索新的思路。与此同时，化学生物学在与包括生物化学、分子生物学、结构生物学、细胞生物学等领域的交叉合作越发深入，研究优势越发明显，这也推动了化学、医学、药学、材料科学和生物学科相关前沿的探索研究，现举例介绍目前的一些具体的交叉研究趋势:第一，生物有机化学与细胞生物学的交叉融合，利用有机化学手段，通过设计合成一系列多样化的分子探针，研究细胞信号转导过程的重要分子机理;第二，药物化学与医学的交叉融合，为了实现“从功能基因到药物”的药物研发模式，采用信号传导过程研究与靶标发现相结合，注重药物靶标功能确证与化合物筛选相融合的研究策略;第三，化学生物技术与生命科学问题的交叉融合，以化学生物学技术为手段，着重发展针对蛋白质、核酸和糖等生物大分子的特异标记与操纵方法，以揭示它们所参与的生命活动的调控机制;第四，分析化学与生物学的交叉融合，以化学分析为手段，发展在分子水平、细胞水平或活体动物水平上获取生物学信息的新方法和新技术。化学在让生命可视、可控、可创造的进程中日益彰显其核心作用。以下对近两年来我国化学生物学领域取得的突出进展加以具体的归纳和介绍。1基于小分子化合物及探针的研究1.1以小分子化合物为探针，深入研究细胞生理、病理活动的调控机制自吞噬(autophagy)是细胞内的一个重要降解机制。中国科学院上海有机化学研究所马大为和美国哈佛大学袁钧英合作，发现spautin-1可以特异性地抑制泛素化酶USP10和USP13，进一步促进了VPS34/P13复合物的降解，导致特异性地抑制自吞噬。他们发现USP10和USP13作用于VPS34/P13复合物的亚单位Beclin-1，Beclin-1是一肿瘤抑制剂，调控P53的水平。他们的发现提供了一个蛋白去泛素化调控P53和Beclin-1的水平、抑制肿瘤的新机制［1］。近年来，细胞坏死逐渐被认为是哺乳动物的发育和生理过程的重要组成部分，并参与了人类的多种病理过程。雷晓光和王晓东等通过筛选得到1个抑制细胞坏死的小分子化合物坏死磺酰胺(necrosulfonamide)。此前王晓东实验室的研究证实了ＲIP3的激酶活性在肿瘤坏死因子TNF-α诱导的细胞坏死过程中是不可或缺的，并发现MLKL扮演着ＲIP3激酶其中1个底物的角色。这次发现的小分子正是通过特异识别MLKL而阻止坏死信号的传导［2］，对于设计并开发针对细胞坏死相关疾病的药物起到了极大的提示和推动作用。裴端卿等继发现维生素C能够显着提高小鼠与人的体细胞重编程效率(效率可以达到约10%)引起广泛关注之后，进一步研究发现体细胞的组蛋白去甲基化酶Jhdm1a/1b是维生素C介导的细胞重编程的关键作用因子。他们发现，维生素C能够诱导小鼠成纤维细胞H3K36me2/3去甲基化，并促进体细胞重编程。该工作也证明了制约体细胞“变身”的分子障碍是组蛋白H3K36me2/3，而维生素C能够突破这一障碍从而促进重编程的发生［3］，该工作被选为了《CellStemCell》当期的封面文章。邓宏魁等通过系列筛选工作，首次发现4个小分子化合物可以完全替代Yamanaka四因子，将小鼠体细胞诱导成为多潜能性干细胞，这项工作将直接导致化学再生医药新领域的产生［4］。宋保亮等针对胆固醇负反馈调控途径，筛选活性小分子化合物，研究其对代谢性疾病的功能作用，并揭示胆固醇代谢负反馈调控的信号转导机制。首先他们针对SＲEBP途径构建报告基因系统，对数千种化合物进行筛选，获得1种名为白桦酯醇的小分子化合物，它能够特异性地阻断SＲEBP的成熟，抑制其活性。在细胞水平，白桦酯醇能显着抑制胆固醇、脂肪酸和甘油三酯等脂质合成基因的表达，减少脂质合成，降低细胞内脂质含量。因此，白桦酯醇具有良好的抗动脉粥样硬化作用和Ⅱ型糖尿病的治疗作用［5］。1.2若干细胞关键信号转导通路的研究李林发现了NC