基因工程與轉(zhuǎn)基因

基因工程與

轉(zhuǎn)基因生物

基因會“走”、會“跑”、

會“跳”、會“轉(zhuǎn)移”嗎？麥克林托克和“跳躍基因”在麥克林托克之前，所有研究遺傳學(xué)的人都認(rèn)為染色體上的基因就像鐵板上釘?shù)尼斪?，一動也不動。麥克林托克，是一位美國的女遺傳學(xué)家，她獲得哲學(xué)博士后，畢生從事玉米的遺傳學(xué)研究。1951年，她在冷泉港的一次學(xué)術(shù)討論會上，第一次提出“跳躍基因”的新概念，認(rèn)為玉米籽粒的顏色的改變是基因座位改變的結(jié)果，但和者寥寥。但從20世紀(jì)六十年代末，基因能轉(zhuǎn)移的證據(jù)從美國、英國、德國不斷被發(fā)現(xiàn)，麥克林托克關(guān)于“基因能夠轉(zhuǎn)移”的結(jié)論最終被公認(rèn)。1983年，81歲高齡的麥克林托克獲得諾貝爾獎。基因工程—點石成金的技術(shù)基因工程，就是按照人們的設(shè)計，把需要的基因（目的基因）從一種生物中取出來，轉(zhuǎn)移到另一生物中，并讓它在新的細(xì)胞中繼續(xù)穩(wěn)定地發(fā)揮作用的技術(shù)。因為基因工程的過程與一般的機械制造工程或房屋建筑工程一樣，是事先經(jīng)過周密的設(shè)計，有目的、有計劃、按部就班地進(jìn)行的，所以把這門技術(shù)稱為“工程”。基因工程又可稱“基因操作”、“基因克隆”、“遺傳工程”、“重組DNA技術(shù)”、“轉(zhuǎn)基因技術(shù)”等。原先物種在長期進(jìn)化過程中，只能在同一物種之間進(jìn)行交配，不同的物種之間的是不可能的。這種嚴(yán)格的“門當(dāng)戶對”的要求，最大的優(yōu)點是可以保持原來物種的穩(wěn)定性和特殊性。人在物種交配的過程中，只充當(dāng)一個介紹人的角色，物種交換的是哪一個基因，人們是無法控制的，全依靠染色體之間的自由戀愛，盲目性很大。人們只能在千萬個進(jìn)行了交換的后代中去尋找我們需要的那一種，偶然性很大，效率很低。而基因工程打破了原先物種之間的門戶限制，使不同生物基因交換、轉(zhuǎn)移，不受原來物種之間的門戶限制，進(jìn)行自由地交換。更重要的是，這些被用來交換的基因，是“奉旨成婚”，人們可以按照自己的意愿，選擇所需要的基因，按人類設(shè)計好的藍(lán)圖，培育所需要的新生物。基因互換更加有目的、有計劃，效率更高。這是一場革命，一個極大的飛躍，使人類利用基因達(dá)到了無所不能的地步?；蚬こ痰奈镔|(zhì)條件一、目的基因根據(jù)研究對象的需要，提取的某種生物的基因片段。一般是目的基因的cDNA片段。二、給基因“動手術(shù)”的工具－種類不同的酶1.限制性內(nèi)切酶－一把“分子”剪刀這種酶能在DNA分子的特定位置切割，并且是在DNA內(nèi)部切割。這種酶的切割，會使DNA片段留下末端，為基因之間的拼接創(chuàng)造條件。2.連接酶連接酶可以將內(nèi)切酶切割的兩個DNA分子片段連接成重組DNA分子。BamHⅠGTCCAGGCCTAGGATCCG+GGATCCCCTAGGHindⅡGTCGACCAGCTGGACCTG+平端切口粘端切口

三、基因運載體－運載基因的交通工具基因載體的標(biāo)準(zhǔn)：能自主復(fù)制；具有兩個以上的遺傳標(biāo)記物，便于重組體的篩選和鑒定；有克隆位點（外源DNA插入點），常具有多個單一酶切位點；分子量小，以容納較大的外源DNA。1.質(zhì)粒

(plasmid)特點能在宿主細(xì)胞內(nèi)獨立自主復(fù)制；帶有某些遺傳信息,會賦予宿主細(xì)胞一些遺傳性狀。2.噬菌體(phage)

基因工程的基本過程基本原理目的基因的獲取DNA導(dǎo)入受體菌外源基因與載體的連接克隆載體的選擇和構(gòu)建重組體的篩選克隆基因的表達(dá)

簡單稱為：分、切、接、轉(zhuǎn)、篩基因克隆示意圖1973年，重組DNA技術(shù)的誕生，引發(fā)了改變整個生物世界的基因研究熱潮，給傳統(tǒng)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品業(yè)、醫(yī)藥保健業(yè)以及人民生活帶來了巨大的震撼。不斷涌現(xiàn)的研究成果解決了農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、保健、環(huán)境保護(hù)中的許多重大問題。產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益?；蚬こ讨械膸讉€世界第一第一個轉(zhuǎn)基因動物是“超級小鼠”：1982年美國實驗室將大鼠的生長激素基因轉(zhuǎn)移到小鼠的受精卵中，由這個受精卵發(fā)育出生的小鼠比正常小鼠大2倍。第一個轉(zhuǎn)基因植物是煙草：1983年美國華盛頓大學(xué)和孟山都生物技術(shù)公司共同培育的抗除草劑的煙草，這種煙草體內(nèi)含有除草劑耐受基因。第一個基因?qū)＠?980年美國聯(lián)邦最高法院在查“克熱巴提”案中，首次裁定發(fā)明“來自人為單細(xì)胞生物基因的細(xì)菌”獲得專利，這是一種能夠分解原油多種成分的基因工程細(xì)菌。第一個基因工程藥物：由美國Lilly公司研制，1982年獲準(zhǔn)投入市場的重組胰島素。第一個環(huán)境釋放的轉(zhuǎn)基因植物：1986年，經(jīng)美國環(huán)保署許可在大田進(jìn)行栽培，即進(jìn)行“環(huán)境釋放”的抗除草劑煙草。第一個轉(zhuǎn)基因食品：1994年獲得美國食品與藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)進(jìn)入市場銷售的轉(zhuǎn)基因延熟保鮮番茄———“FlavrSavr”。轉(zhuǎn)基因植物植物基因工程就是按計劃向植物受體細(xì)胞轉(zhuǎn)移目的基因，并把接受了目的基因的受體細(xì)胞培育成符合要求的植株。按照這種方式培育的植株稱為轉(zhuǎn)基因植物。植物細(xì)胞是全能性細(xì)胞，可以長成植株。延熟的西紅柿科學(xué)家為解決西紅柿成熟后，果皮容易變軟破爛的問題，設(shè)計了一種新基因，轉(zhuǎn)入西紅柿細(xì)胞，阻斷使果皮變軟的“多聚半乳糖醛酸酶”基因的表達(dá)。這樣，西紅柿可以等到自然成熟再采摘，不用擔(dān)心運輸過程中的破損，可以存放更長時間。金色稻米這是一種富含β－胡蘿卜素的轉(zhuǎn)基因水稻，稻米顆粒色澤金黃而命名，這種稻米中富含β－胡蘿卜素，可在人體內(nèi)轉(zhuǎn)化成維生素A，是瑞士科學(xué)家用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，向水稻細(xì)胞轉(zhuǎn)移了3種基因培育的。維生素A不能在人體內(nèi)合成，只能從食物中攝取，普通水稻幾乎不含有維生素A。據(jù)調(diào)查，全世界約有1.24億兒童缺乏維生素A，患維生素A缺乏癥，特別在以稻米為主食的東南亞地區(qū)有許多兒童因缺乏維生素A而成為盲人。如果金色水稻可以滿足全世界億萬兒童每年對維生素A的需要，這將是一件功德無量的事。抗病毒的煙草煙草花葉病是由煙草花葉病毒（TMV）引起的，這種病毒的核心是RNA，一個RNA分子進(jìn)去，可以將煙草細(xì)胞“掏空”“逼死”。1986年，美國皮奇將無毒行的TMV的外殼蛋白基因轉(zhuǎn)移到煙草細(xì)胞，這種基因可以抵抗病毒在寄主細(xì)胞中復(fù)制。目前，我國的抗病毒轉(zhuǎn)基因煙草已經(jīng)較大面積種植，大約有１６０萬公頃。轉(zhuǎn)基因抗蟲棉棉花是僅次于糧食的第二大農(nóng)作物，是我國1億多棉農(nóng)的主要收入來源。自90年代以來，棉鈴蟲災(zāi)害在我國大部分棉區(qū)持續(xù)發(fā)生，1992年一年因棉鈴蟲造成的直接損失就達(dá)到了60多億元?？茖W(xué)家們通過研究發(fā)現(xiàn)，在一種蘇云金桿菌（Bt）中有一種基因，可以形成“內(nèi)毒素”蛋白晶體，可以有效地進(jìn)入害蟲的堿性腸道，殺死害蟲，但對哺乳類動物無害，因為這種毒蛋白在酸性的胃部即溶解。1990年，美國將Bt殺蟲基因?qū)朊藁ǐ@得抗蟲轉(zhuǎn)基因棉花，成為世界上第一個擁有轉(zhuǎn)基因抗棉蟲的國家；我國在1998年培育成功轉(zhuǎn)Bt基因的抗蟲棉，成為第二個擁有自主研制成功并種植抗蟲棉的國家。2003年我國抗蟲棉的種植面積已達(dá)到45萬公頃。除此以外，科學(xué)家還通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將兔毛、羊毛中的角蛋白基因轉(zhuǎn)入棉花，使棉花具有彈性好、保暖性強，纖維更加細(xì)長等優(yōu)點。目前，科學(xué)家們正將天然彩棉的有色基因轉(zhuǎn)入棉花品種，培育出纖維品質(zhì)優(yōu)良的彩色棉，現(xiàn)彩棉產(chǎn)量不足世界棉產(chǎn)量的1％，估計30年后，彩色棉將占棉花總產(chǎn)量的30％。疫苗植物疫苗不同于藥，藥直接殺死或抑制病原體，疫苗可以作為抗原，刺激人體產(chǎn)生殺滅或抑制病原體的抗體。傳統(tǒng)疫苗價格昂貴，在保存運輸上也需要嚴(yán)格的條件。如果將疫苗制成水果、蔬菜，不但對人類減輕痛苦，也不需冷藏。多數(shù)蔬菜具有可以生食，味道鮮美，沒有有毒成分，營養(yǎng)豐富等優(yōu)點，因此被優(yōu)先考慮作為植物疫苗的載體，如馬鈴薯、番茄、胡蘿卜等。目前，在世界各國的實驗室已出現(xiàn)防結(jié)核病的蘋果、抗痢疾的甘藍(lán)、抗傷寒的生菜、防白喉的馬鈴薯、防流感的柑橘、防胃腸炎的馬鈴薯、防乙肝病毒的萵苣、含有CTB－人胰島素的馬鈴薯、含有艾滋病基因的番茄、含有狂犬病毒外殼蛋白的番茄、含有麻疹病毒血細(xì)胞凝集素的胡蘿卜等十幾種轉(zhuǎn)基因植物。2001年，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制成功抗乙肝的馬鈴薯、抗乙肝的番茄。轉(zhuǎn)基因花卉現(xiàn)在基因科學(xué)已破譯了控制花色的色素基因，將所需的花色基因?qū)牖ɑ?，培育出特異顏色的花卉；也可以將多種顏色的基因聚合在一種植物中，形成一花多色。矮牽牛花是最早成功改變花色的花卉。目前，世界上運用轉(zhuǎn)基因技術(shù)已得到三色矮牽?；ā⑺{(lán)色玫瑰、具有2～3種顏色，同時條紋狀與星點狀組合的夜來香、大麗菊、蝴蝶蘭、桃花等特種花?，F(xiàn)在，轉(zhuǎn)入藍(lán)色基因的花卉還可以用于環(huán)境保護(hù)，如果超過一定量的污染物進(jìn)入植物體，花的顏色會發(fā)生變化，如日本開發(fā)的“環(huán)境監(jiān)控植物”，粉紅的牽?；ㄔ谑艿轿廴竞髸兂勺仙?。目前轉(zhuǎn)基因植物的趨勢基因工程的興起使植物改良進(jìn)入了一個新時代，轉(zhuǎn)基因植物的研究和開發(fā)已成為勢不可擋的潮流?，F(xiàn)在，共有30多個國家批準(zhǔn)了數(shù)千例轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)入田間試驗，涉及的植物種類有40多種。2003年種植轉(zhuǎn)基因植物的國家已增加到18個。目前主要在美國（68％）、阿根廷（23％）、加拿大、中國、巴西和南非。美國是種植轉(zhuǎn)基因植物的大國。2004年，美國批準(zhǔn)商業(yè)化種植的轉(zhuǎn)基因作物品種達(dá)到59種。在美國，72％的棉花、54％的大豆、50％以上的玉米、小麥都是轉(zhuǎn)基因產(chǎn)物。我國正在研究的轉(zhuǎn)基因植物種類達(dá)到47種，包括糧食作物7種，耐儲藏番茄、白色矮牽牛花、抗病毒的甜椒、抗病毒的番茄、抗蟲的棉花這5種自主研制的轉(zhuǎn)基因植物已通過國家商品化生產(chǎn)，20余種轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)入中試。轉(zhuǎn)基因動物轉(zhuǎn)基因動物是用人工方法將外源基因?qū)牖蛘系絼游锏氖芫鸦蛟缙谂咛ゼ?xì)胞，并整合到受體細(xì)胞的基因組中，然后由這些組織和細(xì)胞發(fā)育成的新的動物個體，并能穩(wěn)定傳代的動物。在這個新個體內(nèi)，每個細(xì)胞都含有轉(zhuǎn)入的基因。轉(zhuǎn)基因需要的條件合適的受體細(xì)胞：動物體內(nèi)的受精卵、胚胎干細(xì)胞、早期胚胎細(xì)胞具有全能性。目前，將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞最常用的方法有：

1）顯微注射法

2）胚胎干細(xì)胞法

顯微注射法用顯微注射針將外源基因直接注入實驗動物受精卵的原核，使外源基因整合入動物基因組中，從而得到轉(zhuǎn)基因動物。顯微注射一定要掌握時機，一般在受精卵內(nèi)的精子細(xì)胞核和卵細(xì)胞核尚未融合，兩者獨立存在是注入外源基因最好時機。顯微注射法是現(xiàn)在轉(zhuǎn)基因技術(shù)中最常用的方法。

胚胎干細(xì)胞法胚胎干細(xì)胞是囊胚期的一群具有全能性的胚胎細(xì)胞，這種細(xì)胞可以發(fā)育成完整個體。如果把胚胎干細(xì)胞插入胚胎的某個部位，就可能發(fā)育成某種器官或組織。在動物轉(zhuǎn)基因時，將目的基因轉(zhuǎn)移給胚胎干細(xì)胞，再將胚胎干細(xì)胞插到胚胎的不同部位，得到想要的轉(zhuǎn)基因動物。目前這種方法在小鼠上取得成功。動物轉(zhuǎn)基因的技術(shù)路線1、整合胚胎移植技術(shù)路線：特點：（1）先從動物卵巢取得卵細(xì)胞，體外孵育成熟后再進(jìn)行體外受精生成受精卵。（2）把外源基因注入受精卵。（3）受精卵移進(jìn)輸卵管前先作分子檢測，將轉(zhuǎn)基因成功的胚胎挑選出來。（3）經(jīng)陰道把胚胎送入假孕動物的輸卵管里，使動物少受損傷。2、核移植（克?。┘夹g(shù)路線：特點：把動物體細(xì)胞的核移植到去除細(xì)胞核的卵細(xì)胞中，由核移植得到轉(zhuǎn)基因動物。這種方法也稱“克隆技術(shù)”，是無性繁殖。第一個轉(zhuǎn)基因動物－超級鼠1982年，美國科學(xué)家帕爾米特等人將大鼠的生長激素基因與小鼠的金屬硫蛋白基因組合成外源基因，采用微注射的方法注入小鼠的受精卵，再移植到“假孕”母鼠體內(nèi)，發(fā)育出生。餐桌上的轉(zhuǎn)基因動物科學(xué)家們希望通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)使家禽、家畜的經(jīng)濟性狀得到改善，如使生長速度加快，瘦肉率提高，肉質(zhì)改善，抗病率強等，滿足人們對肉類食品的需求。目前各國對轉(zhuǎn)基因動物食品的審批十分嚴(yán)格，但這是一個市場潛力非常巨大的高科技產(chǎn)品。魚卵的受精和受精卵的發(fā)育都在體外，所以魚的轉(zhuǎn)基因具有得天獨厚的條件。我國和美國科學(xué)家分別已培育出轉(zhuǎn)移生長激素基因的鯉魚，其生長速度比普通鯉魚快1.5倍。目前，我國科學(xué)家正從北方黃鰈魚中分離出抗凍基因，希望培育出抗凍的土鮭魚。遍地會走的“制藥廠”自轉(zhuǎn)基因技術(shù)問世，科學(xué)家們一直在努力探索用基因工程的方法將有價值的基因轉(zhuǎn)入動物體內(nèi)，用于醫(yī)學(xué)治療和制造藥物，使轉(zhuǎn)基因動物變成一座座“制藥廠”，這種制藥廠不僅會走，還可降低制藥成本、經(jīng)濟效益非常可觀。利用轉(zhuǎn)基因動物來生產(chǎn)基因藥物是一種全新的生產(chǎn)模式，與傳統(tǒng)的制藥技術(shù)相比具有無可比擬的優(yōu)越性。以美國為例，凝血因子VIII的年需要量約為120克。過去，這120克凝血因子VIII需要120萬毫升血漿提取，以每人獻(xiàn)血200毫升計，需6000名獻(xiàn)血員提供血漿才能滿足。而用轉(zhuǎn)基因牛來生產(chǎn)，一頭牛每年的奶產(chǎn)量是1萬公斤，如每公斤乳汁中可制造10毫克凝血因子VIII的話，那就只需1.2頭這種牛即可滿足需要。動物工廠1992年，英國愛丁堡醫(yī)藥蛋白公司，培育出一只“特雷西”的轉(zhuǎn)基因綿羊，這種羊的奶中含有一種抗胰蛋白酶，是可以治療肺泡纖維化病變的多肽藥物。由于這種蛋白酶只存在于人體，無法用化學(xué)方法合成，進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，它產(chǎn)下的奶每升價格約為5萬元人民幣，所以哄動一時。英國愛丁堡羅斯林生理與遺傳研究所培育出一只轉(zhuǎn)基因公雞，他的雌性后代所產(chǎn)的蛋中，含有治療血友病的凝血因子和治療肺氣腫的人體蛋白。1996年，以色列科學(xué)家培育出一只“吉蒂”山羊，體內(nèi)含有人的血清白蛋白基因，這種白蛋白可以用于補償治療燒傷、休克、外科手術(shù)后的失血。荷蘭培育成功一種能生產(chǎn)出促紅細(xì)胞生長素的乳牛，一年可提取60～80千克的促紅細(xì)胞生長素。我國吳祥甫教授從1986年開始研究家蠶生物反應(yīng)器，也就是把人類基因放入家蠶體內(nèi)培養(yǎng)，使家蠶能生產(chǎn)出人類蛋白質(zhì)，然后把蛋白質(zhì)萃取出來，制成口服藥，用于治療腫瘤病人和艾滋病人放化療后產(chǎn)生的白細(xì)胞減少癥和提高免疫力。這種藥物在2003年進(jìn)入Ⅰ期臨床研究，是我國和國際上第一個利用家蠶生物反應(yīng)器生產(chǎn)基因工程口服蛋白質(zhì)的藥物進(jìn)入臨床試驗，2004年獲我國國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。轉(zhuǎn)基因與器官移植器官移植是目前治療臟器衰竭的主要手段。移植最大的困難是缺乏可以提供的合適器官及供者和受者的組織相容性。1992年，英國愛丁堡醫(yī)學(xué)院將人的基因?qū)胴i胚胎，獲得轉(zhuǎn)基因豬，由于豬與人的免疫系統(tǒng)相適應(yīng)，免疫排斥較小，有望代替人的器官用于移植。1995年，美國研究人員把一頭轉(zhuǎn)基因豬的腦組織移入一位帕金森綜合癥的患者的大腦中獲得成功，病人的震顫病癥消失。動物器官的異種移植將是21世紀(jì)器官移植的主攻方向?？赡苡幸惶?，“狼心狗肺”將不再是一個貶義詞。核移植（克隆）技術(shù)1996年7月5日，英國科學(xué)家威爾穆特用成年白臉母羊（6歲）的乳腺上皮細(xì)胞的核移植到去核的黑臉母羊的卵細(xì)胞中，得到白臉母綿羊“多莉”，利用體細(xì)胞移植形成新個體是前所未有的事，“多莉”在1998年生下一頭小羊，說明克隆動物具有正常的生育能力，但“多莉”端粒的老化程度超過正常羊，且在2003年，6歲時死亡。伊思·威爾穆特，“多莉”羊之父，英國人，10歲時想當(dāng)一名水手，但14歲發(fā)現(xiàn)自己是紅綠色盲，轉(zhuǎn)而從事畜牧業(yè)研究。1997年，美國用胚胎細(xì)胞移植獲得克隆獼猴。澳大利亞、日本、新西蘭等國的的科學(xué)家先后采用胚胎細(xì)胞成功培育出克隆牛。臺灣也傳出消息，稱用胚胎細(xì)胞克隆出5頭克隆豬，1997年3月3日已過它們6歲生日，而且這批克隆豬成功產(chǎn)下后代。1990年，我國西北大學(xué)首次用