基因工程的应用

   基因工程的原理就是对遗传物质进行操作,把编码所需要的蛋白或性状的控制基因转入其它基因组,从而得到所需要的产品。生物基因组的改变是生物进化的原动力,但这种人工来改变基因组的方法,但其基本的机制还没有被完全弄清楚之前,会不会造成一些不可预见的灾难,谁也不敢保证说不可能。至少有实验证明转基因的玉米花粉会导致某种蝴蝶的死亡,也就是说可能对生态带来危害。目前,许多国家都出台政策要求转基因产品都贴上标签,以让人们能选择使用。目前对基因工程产品的态度是使用,但要慎重。

基因工程(gene engineering),又称为重组DNA技术,是按着人们的科研或生产需要,在分子水平上,用人工方法提取或合成不同生物的遗传物质(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。按目的基因的克隆和表达系统,分为原核生物基因工程,酵母基因工程,植物基因工程和动物基因工程。基因工程具有广泛的应用价值,为工农业生产和医药卫生事业开辟了新的应用途径,也为遗传病的诊断和治疗提供了有效方法。基因工程还可应用于基因的结构,功能与作用机制的研究,有助于生命起源和生物进化等重大问题的探讨。

    基因工程有两个重要的特征,第一是可把来自任何生物的基因转移到与其毫无关系的任何其他受体细胞中,因此可以实现按照人们的愿望,改造生物的遗传特性,创造出生物的新性状;第二是某一段DNA可在受体细胞内进行复制,为准备大量纯化的DNA片段提供了可能,拓宽了分子生物学的研究领域。

基因工程的诞生

由于分子生物学和分子遗传学发展的影响,基因分子生物学的研究也取得了前所未有的进步。为基因工程的诞生奠定了坚实的理论基础,这些成就主要包括了3个方面:第一,在40年代确定了遗传信息的携带者,即基因的分子载体是DNA而不是蛋白质,从而明确了遗传的物质基础问题;第二,是在50年代揭示了DNA分子的双螺旋结构模型和半保留复制机制,解决了基因的自我复制和传递的问题;第三,是在50年代末期和60年初,相继提出了中心法则和操纵子学说,并成功的破译了遗传密码,从而阐明了遗传信息的流向和表达问题。
使人们期待已久的,应用类似于工程技术的程序,主动的改造生物的遗传特性,创造具有优良性状的生物新类型的美好愿望,从理论上讲已有可能变为现实。

但在60年代的科学技术发展水平下,真正实施基因工程,还有一些问题:
要详细了解DNA编码蛋白质的情况,以及DNA与基因的关系等,就必须首先弄清DNA核苷酸序列的整体结构,怎样才能分离出单基因,以便能够在体外对它的结构与功能等一系列的有关问题作深入的研究,对于基因操作来说是十分重要的环节。在70年代两项关键技术:DNA分子的切割与连接技术,DNA的核苷酸序列分析技术从根本上解决了DNA的结构分析问题。

应用核酸内切酶和DNA连接酶对DNA分子进行体外的切割与连接,是60年代末和70年代初发展起来的一项重要的基因操作技术。有人甚至说它是重组DNA的核心技术。1972年在旧金山H.W.Boyer实验室首先发现的EcoRI核酸内切限制酶具有特别重要的意义。1967年在世界上有5个实验室几乎同时发现了DNA连接酶。1970年当时在Wisconsin大学的H.G.Khorana实验室的一个小组,发现T4DNA连接酶具有更高的连接活性,有时甚至能催化完全分离的两段DNA分子进行末端的连接。到了1972年底,人们已经掌握了好几种连接双链DNA分子的方法。
在70年代,将外源DNA分子导入大肠杆菌的转化现象获得成功,1972年斯坦福大学的S.Cohen等人报道,劲氯化钙处理的大肠杆菌细胞同样也能够摄取质粒的DNA,从此,大肠杆菌便成了分子克隆的良好的转化受体。不到四年,世界上第一家基因工程公司“Genetech”注册登记,意味着基因工程的实际应用已跨入商业运作的门槛。

70年代初期,开展DNA重组工作,无论在理论上还是技术上都已经具备了条件。1972年,斯坦福大学的P. Berg博士领导的研究小组,率先完成了世界上第一次成功的DNA体外重组实验,并因此与W. Gilbert, F. Sanger分享了1980年度的诺贝尔化学奖。

基因工程的理论和技术几乎在所有生命科学分支学科中得到应用。

在分子生物学领域,利用基因工程技术对大肠杆菌体内的基因50%以上已被定位,其DNA序列已被测出,基因表达调控关系也基本搞清。N噬菌体的基因60%已被定位,其DNA全序列被测出。在真核生物中,利用基因工程的理论和技术已发现上百种癌基因和209余种抗癌基因,它们分别是细胞增殖调控的正负信号。

在发育生物学中精细胞的分化及受精过程所发生的变化,基因表达的发育调控的研究与基因工程技术的应用是密不可分的。

在神经生物学方面,利用基因工程技术对脑结构与功能研究结构显示,脑中约有3万个基因处于表达状态,其中脑特异的mRNA占总mRNA的6.5%,长度在2640bp,这些mRNA编码的蛋白质承担着神经系统的特异功能。研究脑组织不同功能区的mRNA分布,从cDNA推知其表达蛋白质的结构,结合抗体标记这些蛋白质在脑中的分布,将最终导致在分子水平上揭示脑思维、记忆功能的机制。

基因工程的理论和技术对人类基因组计划的实现具有重大作用,将对人类基因组作图和测序,对于了解人类的全部基因构成,提供可资查的一个完美的基因信息库,也为认识人类遗传疾病和癌发病机理提供有价值的信息。

转基因植物
    运用基因工程的方法,把负责特定的基因转入农作物中去,构建转基因植物,有抗病虫害,抗逆,保鲜,高产,高质的优点。例如,有一种叫BT的细菌,天生可以释放出一种杀虫毒素,运用基因工程的技术把这种细菌的基因提取出来,注入到对抗生素具有免疫功能的细菌体内,在把它放在一个抗生素环境中,这样一来只有那些既具有BT杀虫基因,又对抗生素有免疫功能的细菌能够存活下来,最后把这些细菌的基因抽取出来,注入到玉米细胞中,于是这种玉米便获得了杀虫的功能。

下面列举基因工程在农业上应用的几个有代表性的方法。
1.增加农作物产品的营养价值,如:增加种子、块茎的蛋白质含量,改变植物蛋白的必需氨基酸比例等。
2.提高农作物抗逆性能如:抗病虫害、抗旱、抗涝、抗除草剂等性能。
3.提高光合作用效率将是提高农作物产量的一个有效方法。
4.生物固氮的基因工程。若能把禾谷等非豆科植物转变为能同根瘤菌共生,或具固氮能力,将代替无数个氮肥厂。
5.增加植物次生代谢产物产率。植物次生代谢产物构成全世界药物原料的 25% ,如治疗疟疾的奎宁、治疗白血病的长春新碱、治疗高血压的东莨菪碱、作为麻醉剂的吗啡等。
6.运用转基因动物的技术,可培育畜牧业新品种。
7.其它。
    上述几个方面都已在不同程度上取得了进展。例如:苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)所产生的毒素蛋白(BT)对许多鳞翅类害虫有杀灭作用,已有喷洒苏云金芽孢杆菌发酵产物或提纯了的BT于农作物叶面,用于虫害防治的实验。近来,用植物基因工程的方法,已经培育出能表达BT毒素的转基因植物、烟草、马铃薯、番茄等。它们在田间实验表现出对玉米螟、棉铃虫、烟草天蛾等虫害有杀灭防治效果。另外,把生长激素基因转入奶牛或肉牛,提高牛奶产量,提高饲料转化率等等,亦有实验报道。但是,转基因植物/动物 真正达到可以实际应用,还需许多基础研究,还有很长的路要走。 

酿酒、食品、发酵、酶制剂等工业门类均利用微生物代谢过程。基因工程方法在改造所用微生物的特性中有极大潜力,因此,可以应用在工业生产的许多方面,提高质量、改进工艺或发展新产品。下面仅举几个例子。啤酒酿造中,主要的发酵微生物是酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)酵母把麦芽汁中的葡萄糖、麦芽糖、麦芽二糖等成分转变成乙醇。但是麦芽汁中还有约占碳水化合物总数约 20% 的糊精不能被酿酒酵母利用。另一种酵母叫糖化酵母 (S.diastaticus) 能分泌把糊精切开成为葡萄糖的酶,但是它产生的啤酒口味不好。用基因工程的方法,把糖化酵母中编码切开糊精的酶的 DNA 基因引入酿酒酵母中去。这样的酿酒酵母工程菌能最大限度地利用麦芽中的糖成分,使啤酒产量大为提高;并且因为残余糊精量的降低,亦提高了啤酒的质量。

在白酒和黄酒的酿造和酒精生产中,常用霉菌产生的淀粉水解酶使淀粉糖化,然后由酿酒酵母把糖转化为乙醇,淀粉需先经高温蒸煮,淀粉颗粒溶胀糊化,才能被霉菌产生的淀粉糖化酶所作用。蒸煮消耗的能量甚多,不少实验室已经试验将淀粉糖化酶基的基因转入酿酒酵母,使淀粉糖化及乙醇发酵两步操作均由酵母来完成,并且力求免去蒸煮过程,可以大为节约能源。

干酪是高附加值奶制品,且有极高的营养价值。制造干酪需要大量的凝乳酶。传统的方法是从哺乳小牛的第四个胃中提取凝乳酶粗制品,当然很不经济。现在已经做到将小牛的凝乳酶基因转入酿酒酵母中去,经酵母菌培养生产出大量具天然活性的凝乳酶,用于干酪制造业。

乳清的利用:干酪生产中,取出凝乳块后,产生大量乳清。乳清中含有很多乳糖,少量蛋白质,以及丰富的矿物质和维生素。把乳清作为废弃物排出,BOD 值甚高,造成污染。近来把乳酸克鲁维酵母(Kluyveromyces lactis)的水解乳糖的基因转入酿酒酵母,后者便可利用乳清发酵来产生酒精。

“吃油”工程菌: 油轮的海上事故常常使海面和海岸产生严重的石油污染,造成生态问题。早在 1979 年美国 GEC 公司构建成具有较大分解烃基能力的工程菌,并经美国联邦最高法院裁定,获得专利。这是第一例基因工程菌专利。下图为:在石油污染时,人们把“吃油”工程菌和培养基喷洒到污染区,收到良好效果。

1.基因工程用于生产蛋白质类药物
    

治疗糖尿病的胰岛素,是一种 51 个氨基酸残基组成的蛋白质,1982 年美国 EliLilly 公司推出基因工程制造的人胰岛素,商品名为(Humulin)。传统的生产方法是从牛的胰脏中提取。 每 1000 磅牛胰脏,才能得到 10 克胰岛素。通过基因工程方法,把编码胰岛素的基因送到大肠杆菌细胞中去,造出能生产胰岛素的工程菌;从200升发酵液就可得到10克胰岛素。

干扰素具有广谱抗病毒的效能,是一种治疗乙肝的有效药物,国际上批准治疗丙型病毒性肝炎的药物只有它。但是,通常情况下人体内干扰素基因处于"睡眠"状态,因而血中一般测不到干扰素。只有在发生病毒感染或受到干扰素诱导物的诱导时,人体内的干扰素基因才会"苏醒",开始产生干扰素,但其数量微乎其微。即使经过诱导,从人血中提取1mg干扰素,需要人血8000ml,其成本高得惊人。据计算:要获取1磅(453g)纯干扰素,其成本高达200亿美元。使大多数病人没有使用干扰素的能力。1980年后,干扰素与乙肝疫苗一样,采用基因工程进行生产,其基本原理及操作流程与乙肝疫苗十分类似。现在要获取1磅(453g)纯干扰素,其成本不到1亿美元。从人血中分离纯化治疗一个肝炎病人的费用高达二三万美元,用基因工程技术生产干扰素治疗一个肝炎病人大约只需二三百美元。基因工程生产出来的大量干扰素,是基因工程药物对人类的又一重大贡献。

生产基因工程药物的基本方法是,将目的基因用DNA重组的方法连接在体载体上,然后将载体导入靶细胞(微生物,哺乳动物细胞或人体组织靶细胞),使目的基因在靶细胞中得到表达,最后将表达的目的蛋白质提纯及作成制剂,从而成为蛋白类药或疫苗。若目的基因直接在人体组织靶细胞内表达,就成为基因治疗。

目前用基因工程生产的蛋白质药物已达数十种,许多以前本不可能大量生产的生长因子,凝血因子等蛋白质药物,现在用基因工程办法便可能大量生产。已有50多种基因工程药物上市,近千种处于研发状态。每年平均有3-4个新药或疫苗问世,开发成功的约五十个药品已广泛应用于治疗癌症、肝炎、发育不良、糖尿病、囊纤维变性和一些遗传病上,在很多领域特别是疑难病症上,起到了传统化学药物难以达到的作用。

2.基因工程用于疫苗生产
    常用的制备疫苗的方法,一种是弱毒活疫苗,一种是死疫苗。两种疫苗各有自身的弱点。活疫苗隐含着感染的危险性。死疫苗免疫活性不高,需加大注射量或多次接种。利用基因工程制备重组亚基疫苗,可以克服上述缺点,亚基疫苗指只含有病原物的一个或几个抗原成分,不含病原物遗传信息。重组亚基疫苗就是用基因工程方法,把编码抗原蛋白质的基因重组到载体上去,再送入细菌细胞或其他细胞中区大量生产。这样得到的亚基疫苗往往效价很高,但决无感染毒性等危险。在酵母中表达乙型肝炎表面抗原 HBsAg 产量可达每升 2.5mg ,已于 1984 年问世。

以乙型病毒性肝炎(以下简称乙肝)疫苗为例,像其它蛋白质一样,乙肝表面抗原(HBSAg)的产生也受DNA调控。

长期以来,医学工作者在防治乙肝方面做了大量工作,但曾一度陷于困境。乙肝病毒(HBV)主要由两部分组成,内部为DNA,外部有一层外壳蛋白质,称为HBSAg。把一定量的HBSAg注射入人体,就使机体产生对HBV抗衡的抗体。机体依靠这种抗体,可以清除入侵机体内的HBV。过去,乙肝疫苗的来源,主要是从HBV携带者的血液中分离出来的HBSAg,这种血液是不安全的,可能混有其他病原体[其他型的肝炎病毒,特别是艾滋病病毒(HIV)]的污染。此外,血液来源也是极有限的,使乙肝疫苗的供应犹如杯水车薪,远不能满足需要。基因工程疫苗解决了这一难题。利用基因剪切技术,用一种"基因剪刀"将调控HBSAg的那段DNA剪裁下来,装到一个表达载体中,所谓表达载体,是因为它可以把这段DNA的功能发挥出来;再把这种表达载体转移到受体细胞内,如大肠杆菌或酵母菌等;最后再通过这些大肠杆菌或酵母菌的快速繁殖,生产出大量我们所需要的HBSAg(乙肝疫苗)。

3. 基因工程用于基因治疗
    人体基因的缺失,导致一些遗传疾病,应用基因工程技术使缺失的基因归还人体,达到治疗的目的,已成为基因工程在医学方面应用的又一重要内容。