基因工程简介

    基因工程的诞生 基因工程是分子水平对生物遗传作人为干预，要认识它，我们先从生物工程谈起：生物工程又称生物技 术，是一门应用现代生命科学原理和信息及化工等技术，利用活细胞或其产生的酶来对廉价原材料进行不同 程度的加工，提供大量有用产品的综合性工程技术。生物工程的基础是现代生命科学、技术科学和信息科 学。生物工程的主要产品是为社会提供大量优质发酵产品，例如生化药物、化工原料、能源、生物防治剂以 及食品和饮料，还可以为人类提供治理环境、提取金属、临床诊断、基因治疗和改良农作物品种等社会服 务。
   生物工程主要有基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程等5个部分。其中基因工程就是 人们对生物基因进行改造，利用生物生产人们想要的特殊产品。随着DNA的内部结构和遗传机制的秘密一点一点呈现在人们眼前，特别是当人们了解到遗传密码是由信使RNA转录表达的以后，生物学家不再仅仅满足于探 索、提示生物遗传的秘密，而是开始跃跃欲试，设想在分子的水平上去干预生物的遗传特性。如果将一种生 物的DNA中的某个遗传密码片断连接到另外一种生物的DNA链上去，将DNA重新组织一下，不就可以按照人类的 愿望，设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型吗？这与过去培育生物繁殖后代的传统做法完全不同，它 很像技术科学的工程设计，即按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因”重新 “施工”，“组装”成新的基因组合，创造出新的生物。这种完全按照人的意愿，由重新组装基因到新生物 产生的生物科学技术，就被称为“基因工程”，或者称之为“遗传工程”。
    基因工程的兴起 1973年，美国斯坦福大学教授科恩从大肠杆菌里取出两种不同的质粒。它们各自具有一个抗菌素药基 因，“裁剪”下来，再把两个基因“裁剪”下来，再把这两个基因“拼接”在同一个质粒中。新的质粒叫 “杂合质粒”。当这种杂合质粒进入大肠杆菌体内后，这些大肠杆菌就能抵抗两种药物，而且这种大肠杆菌 的后代都具有双重抗药性。这表示“杂合质粒”在大肠杆菌的细胞分裂时也能自我复制。它标志着基因工程 的首次胜利。 1974年，科恩又把金黄色葡萄球菌的质球（上面具有抗青霉素的基因）和大肠杆菌的质粒“组 装”成杂合质粒，送入大肠杆菌体内，使这种大肠杆菌获得了对青霉素的抗药性。这说明，金黄色葡萄球菌 质粒上的抗青霉素基因，由杂合质粒带到大杆菌体内，更重要的是表明外来基因在大肠杆菌体内同样也发生 作用（专业上称为表达）。 科恩又将非洲爪蟾的DNA与大肠杆菌的质粒“拼接”，获得成功，拼接后的杂合质粒进入大肠杆菌，产生 了非洲爪蟾的核糖体核糖核酸（rRNA）。两栖动物的基因能在细菌里发挥作用，也能在细菌里不断复制的事 实说明，基因工程完全可以不受生物种类的限制，而按照人类的意愿去拼接基因，创造新的生物。 科恩随后以DNA重组技术发明人的身份向美国专利局申报了世界上第一个基因工程的技术专利。科恩的实 验首次打破了不同物种在亿万年中形成的天然屏障，他的成功标志着任何不同种类生物学基因都能通过基因 工程技术重组到一起，人类可以根据自己的意愿定向地改造生物的遗传特性，甚至创造新的生命类型。科恩获得专利技术的消息引起了全球轰动，在短短几年中，世界上许多国家的上百个实验室开展了基因工程的研 究。 随着科恩及其同事利用重组DNA技术从哺乳动物基因组中切割了一个基因，植入大肠杆菌获得成功后。投 资家鲍勃?斯旺森说服博耶成立遗传技术公司——世界上第一家利用重组DNA技术制造蛋白质用于治疗人体疾 病的公司，它于20世纪70年代在美国诞生，生物工程从此步入产业化。 遗传技术公司1993年的营业额已达5亿美元。1992年10月，遗传技术公司举行了世界上最大的生物技术实 验室的揭幕仪式，该实验室约有400名科学家。目前，世界各国已相继成立了数千家生物技术公司，它们的年营业额已达百亿美元，其中大部分销售的是医用蛋白质。
     基因工程的操作步骤 包括4步：获取目的基因、重组DNA、将拼好的DNA送入受体细胞并使之表达 基因工程一般包括四个方面的基本内容：一是取得符合人们的要求的DNA片段，这种DNA片段被为“目的 基因”；二是将目的基因与质粒或病毒DNA连接成重组DNA（质粒和病毒DNA称作载体）；三是把重组DNA引入 某种细胞（称为受体细胞）；四是把目的基因能表达的受体细胞挑选出来。DNA分子很小，其直径只有20埃， 约相当于五百万分之一厘米，在它们身上进行“手术”是非常困难的，因此基因工程实际上是一种“超级显 微工程”，对DNA的切割、缝合与转运，必须有特殊的工具。首先，要把所需基因——目的基因从供体DNA长 链中准确地剪切下来。1968年，沃纳?阿尔伯博士、丹尼尔?内森斯博士和汉密尔?史密斯博士第一次从大肠杆 菌中提取出了限制性内切酶能够在DNA上寻找特定的“切点”，认准后将DNA分子的双链交错地切断。人们把 这种限制性内切酶称为“分子剪刀”。这种“分子剪刀”可以完整地切下个别基因。自70年代以来，人们已 经分离提取了400多种“分子剪刀”，其中许多“分子剪刀”的特定识别切点已被弄清。有了形形色色的“分 子剪刀”，人们就可以随心所欲地进行DNA分子长链的切割了。由于限制性内切酶的发现，阿尔伯、史密斯和 内森斯共享1978年诺贝尔生理和医学奖。 DNA的分子链切开后，还得缝接起来以完成基因的拼接。1976年，科学们在5个实验室里几乎同时发现并 提取出一种酶，这种酶可以将两个DNA片段连接起来，修复好DNA链的断裂口。1974年以后，科学界正式肯定 了这一发现，并把这种酶叫作DNA连接酶。从此，DNA连接酶就成了名符其实的“缝合”基因的“分子针 线”。只要在用同一种“分子剪刀”剪切的两种DNA碎片中加上“分子针线”，就会把两种DNA片段重新连接 起来。 把“拼接”好的DNA分子运送到受体细胞中去，必须寻找一种分子小、能自由进出细胞，而且在装载了外 来的DNA片段后仍能照样复制的运载体。 基因的理想运载工具是病毒和噬菌体，病毒不仅在同种生物之间，甚至可以在人和兔培养细菌细胞转 移。还有一种理想的载体是质粒。质粒能自由进出细菌细胞，当用“分子剪刀”把它切开，再给它安装上一 段外来的DNA片段后，它依然如故地能自我复制。因此，它是一种理想的运载体。有了限制性内切酶、连接酶 及运载体，进行基因工程就如可以愿以偿了。 把目的基因装在运载体上，运载体将目的基因运到受体细胞是基因工程的最后一步。一般情况下，转化 成功率为百万分之一。为此，遗传工程师们创造了低温条件下用氯化钙处理受体细胞和增加重组DNA浓度的办 法来提高转化率。采用氯化钙处理后，能增大体细胞的细胞壁透性，从而使杂种DNA分子更容易进入。目的基 因的导入过程是肉眼看不到的。因此，要知道导入是否成功，事先应找到特定的标志。例如我们用一种经过 改造的抗四环素质粒PSC100作载体，将一种基因移入自身无抗性的大肠杆菌时，如果基因移入后大肠杆菌不 能被四环素杀死，就说明转入获得成功了。 几个重要概念 在上述操作步骤中有几个必须了解的重要概念，即目的基因、载体、限制性内切酶、转化等。 目的基因：所谓目的基因就是我们想要的基因片段，它在生物体内能表达产生所要蛋白产物。生物界的 基因有上亿个，多数存在于染色体上，少数存在于细胞质中。取得目的基因的办法是用“分子剪刀”剪切供 体DNA分子，把它切成一些比基因略长的片段，然后再从中找出包含所需目的基因的DNA片段。到目前为止， 人们这种方法已分离出40种大肠杆菌蛋白质基因、鸡的组蛋白基因等。另一种获得目的基因的方法是人工合 成。随着技术的进步，已有用于自动测定DNA顺序的专门仪器和自动合成DNA仪器。还有一种基因合成方法是 模板合成。随着技术的进步，已有用于自动测定DNA顺序的专门仪器和自动测定DNA顺序的专门仪器和自动合 成DNA的仪器。还有一种基因合成方法是模板合成法。基因工作指令的传递是按照“DNA-RNA-蛋白质”这一方 向进行的，相反的信息传递即由RNA-DNA也存在。基因模板合成法就是先以信使RNA为模板，反向转录出一条 DNA单链，再以互补的方式加倍成DNA双链。用这种方法人们已先后合成了家兔、鸭和人的珠蛋白基因、羽毛 角蛋白基因等。 载体：目的基因片段很难直接转入生物体细胞，而且由于它自身常无DNA复制所需信息，在细胞分裂时不 能复制给子细胞，就会丢失，所以人们要把它连在一些能独立于细胞染色体之外复制的DNA片段上，这些DNA 片段就叫载体。常用的载体有质粒和病毒。当然载体还有其它作用，如促进目的基因转化、表达等。人们对 天然质粒及病毒进行了一系列改造，如加上耐药性基因片段等，提高基因的转化、筛选、表达效率。 限制性内切酶： 在细菌内存在的一类能识别并水解外源DNA限制性内切酶，它具有极好的专一性，能识 别DNA上的特定位点，将DNA的两条链都切断，形成粘性末端或平末端。DNA经限制性内切酶切割后产生的具有 碱基互补单链的末端称为粘性末端。限制性内切酶的生物学功能在于降解外面侵入的DNA而不降解自身细胞的 中的DNA，因自身DNA的酶切位点经修饰酶的甲基化修饰而受到保护。限制性内切酶较为稳定，常用的约100多 种，并已大多转化为商品。限制性内切酶在分析染色体结构、制作DNA的限制酶图谱、测定较长DNA序列以及 基因的分离、基因的体外重组等研究中是不可缺少的重要工具酶。 转化：重组DNA进入受体的过程叫“转化”，得到重组DNA的细胞叫“转化细胞”。目的基因难以直接送 进受体细胞。因为地球上的生物都是长期历史进化的产物，都有保卫自身不受异种生物侵害和稳定地延续自 己种族的功能。如果外来的DNA闯进受体细胞，受体细胞就会把它“消灭”。当外来的DNA进入大肠杆菌时， 大肠杆菌内部的内切酶就会使其“粉身碎骨”。因此，目的基因的直接导入往往不通。在这种情况下，生物 工程师们就要采用DNA重组技术。首先将目的基因与质粒经过内切酶的“裁剪”，然后靠连接酶的作用，将目 的基因和质粒（或病毒DNA）重新组合起来形成重组DNA。重组DNA就能在质粒（或病毒DNA）的“带领”下进 入受体细胞。