尼尔机械纪元清凉补丁:基因工程的应用与展望

在基因工程技术的带动下生物技术获得了迅猛发展，从而改变了分子生物学的面貌，并促进了生物技术产业的兴起，由此开始了一个新的科技时代。

一、基因工程开辟了生物学研究的新纪元

（一）基因工程的新技术和新方法为解决生物化学、分子生物学和医学中的一些重大问题提供了强有力的手段。

过去分离一个基因，测定基因的序列，确定基因的功能，用以改变生物性状，都是十分困难的事，往往需要几年、甚至几十年的时间，现在任何生物学实验室都能在短时间内完成。测定蛋白质分子的氨基酸顺序原是一项十分费力的工作，现在由DNA的快速测序法来带替；一些生物体内微量存在的蛋白质也可通过克隆基因的大量表达来制备。

（二）生物化学与分子生物学是生物学各分支学科的领头学科，生物化学与分子生物学带动了生物学和医学的发展。

基因工程已成为包括基础医学在内的各生物学分支学科在分子水平上研究生命活动规律所不可缺少的重要手段。一些过去难以研究的问题，如细胞识别、发育的基因控制、神经系统和大脑的分子基础等，借助新的技术都得到蓬勃的发展，从而开辟了许多新的领域。结构分子生物学、发育分子生物学和神经分子生物学成为当今最活跃、发展最快的分支学科。

（三）由于基因工程的迅速发展，绘制包括人类在内的各种生物的基因组图谱已全面开始。

人类细胞含有23对染色体，单倍体基因组由大约3×10⁹bp所组成，共有约30000~40000个基因。科学家认为，通过完成全部基因序列的测定，人们将能够更有效的找到新的方法来治疗和预防许多疾病，如癌症和心脏病等。美国政府出资30亿美圆在1990年启动了人类基因组计划，各国科学家和政府纷纷响应美国科学家的建议，包括美国、英国、日本、德国、法国、中国六国科学家参与了这项生命科学历史上迄今最为浩大的科学工程研究，各国科学家经过13年的鼎力合作，人类基因组的全部序列测定已于2003年完成（图8-3-1）。

图8-3-1 双脱氧法测定DNA碱基顺序

人类基因组的研究带动了有关技术的突破和发展，在测定人类基因组序列的同时数十种从低等生物到高等生物的基因组也已经完成全序列的测定，其中包括大肠杆菌、枯草杆菌、酿酒酵母、一种线虫、多种病原体、果蝇、小鼠、水稻的基因组。

人类基因组计划的完成鼓励了科学家进一步规划后基因组时代的研究任务：解读基因组信息，即解读基因组的语义信息，弄清全部编码的基因，阐明基因表达的时空调节。

二、基因工程促进了生物技术产业的兴起

现在是新技术革命时代。基因工程的诞生带动了现代生物技术的不断突破和迅猛发展，依赖于生物技术的产业随之兴起。基因工程的最大用武之地是在医疗保健和农业领域，因此生物工程首先在医药和化工等领域中崭露头角。

（一）基因工程药物

1977年Itakura K和Boyer H利用当时刚趋成熟的基因工程技术，在大肠杆菌中产生了下丘脑激素14肽生长激素释放抑制激素。该激素可治疗儿童发育时期因生长激素分泌过多而导致的肢端肥大症。从1L工程发酵液中可得到50mg的基因表达产物，相当于50万头羊下丘脑提取的该激素量，由此可以了解到基因工程产业化的意义。

其后，基因工程药物不断成功问世。1978年胰岛素原在大肠杆菌中表达成功。1979年人生长激素基因在大肠杆菌中直接表达。1980年人白细胞干扰素基因获得克隆和表达。1981年抗口蹄疫的基因工程抗原研制成功。1982年乙肝抗原在酵母菌中表达成功。同年转基因植物和转基因动物也分别获得成功。

利用转基因动物-乳腺生物反应器来生产基因药物是一种全新的生产模式，与以往的制药技术相比，具有不可比拟的优越性。哺乳动物乳腺生物反应器好比在动物身上建 "药厂"。我们可以从动物的乳汁中源源不断获得目的基因的产品。它的优越性还表现在产量高，易提纯，表达产物已经过充分修饰和加工，具有稳定的生物活性。另外, 作为生物反应器的转基因动物又可无限繁殖，故具有投资成本低，药物开发周期短和经济效益高的优点。因此转基因动物-乳腺生物反应器技术来制造基因药物是一种可以获取巨额经济利润的新型产业。如荷兰金发马(GenPharm)公司用转基因牛生产乳铁蛋白，英国罗斯林研究所研制成功的转基因羊乳汁中含有(1-抗胰蛋白酶((1-antitrypsin)可治疗肺气肿（一种因体内缺乏抗胰蛋白酶而导致的遗传病）。

基因工程药物包括各类激素、酶、酶的激活剂和抑制剂、受体和配体、细胞因子和调节肽、抗原和抗体等。

（二）基因治疗

基因治疗是指向受体细胞中引入具有正常功能的基因，以纠正或补偿基因的缺陷，也可以利用引入基因以杀死体内的病原体或恶性细胞。基因工程的兴起，使得基因治疗成为可能。一些目前尚无有效治疗手段的疾病，如遗传病、肿瘤、心脑血管疾病、老年痴呆及爱滋病等，可望通过基因治疗来达到防治的目的。下面是基因治疗的几个例子。

1．复合免疫缺陷综合征的基因治疗：1991年美国批准了人类第一个对遗传病进行体细胞基因治疗的方案，即将腺苷脱氨酶（ADA）导入一个4岁患有严重复合免疫缺陷综合征（SCID）的女孩。采用的是反转录病毒介导的间接法，即用含有正常人腺苷脱氨酶基因的反转录病毒载体培养患儿的白细胞，并用白细胞介素2（IL－2）刺激其增殖，经10天左右再经静泳输入患儿。大约1－2月治疗一次，8个月后，患儿体内ADA水平达到正常值的25％，未见明显副作用。此后又进行第2例治疗获得类似的效果。

2．黑色素瘤的基因治疗：对肿瘤进行基因治疗是人们早已期望的事，在进行了多方面探索的基础上，发现了肿瘤浸润淋巴细胞（TIL,即能在肿瘤部位持续存在而无副作用的一种淋巴细胞）在肿瘤治疗中的作用。于1992年实施了TNF／肿瘤细胞和IL－2／肿瘤细胞方案，即分别将IL－2基因肿瘤坏死因子（TNF）基因导入取自患者自身并经培养的肿瘤细胞，再将这些培养后的肿瘤细胞注射至病人臀部，3周后切除注射部位与其引流的淋巴结，在适合条件下培养T细胞，将扩增的T细胞与IL－2合并用于病人，结果5名黑色素瘤病人中1名肿瘤完全消退，2名90％的肿瘤消退，另2人在治疗后9个月死亡。由于携有TNF的TIL可积于肿瘤处，因而TIL的应用提高了对肿瘤的杀伤作用。

3．其它遗传病的基因治疗：其它遗传病诸如白种人中常见的囊性纤维化的进展很快。对于DMD的基因治疗，由于有小鼠动物模型，也取得一定进展。例如1993年法国将Ad-RSVmDys（腺病毒－罗斯病毒小肌营养不良蛋白基因重组体）注入小鼠肌内成功。即用腺病毒为载体，与小肌营养不良蛋白（minidystrophin）基因的cDNA重组，在RSV启动子启动下，作肌肉注射，证明可在mdy小鼠肌肉表达，此外，对一些遗传病如血友病，地中海贫血、高雪氏病等正在探索中。

根据乐观地估计，在今后20年中，基因治疗有可能取得重大突破，成为临床广泛采用的有效治疗手段。

（三）基因工程在农业上的应用

20世纪50年代开始的“绿色革命”，对全世界范围内重要的粮食作物，如小麦、玉米和水稻等的改良与产量的提高，做出了重要的贡献。70年代兴起的生物技术应用于农业，导致了“第二次绿色革命”。

转基因技术改变了传统的育种方式，通过导入优良基因而使作物获得新的性状，畜牧饲养业也得益于基因工程，在短时间内就培育出各种高产、优质、抗病及短生长期的新品种。基因工程还可将栽培植物和饲养动物作为生物反应器通过转基因使植物的茎、根和种子或禽类的蛋、哺乳动物的乳汁中含有大量珍贵的药物和疫苗。

基因工程使得人类能够充分地利用自然界的基因资源。

三、基因工程研究的展望

20世纪70年代初基因工程的出现带动了生物技术的兴起和发展，由此生物学进入了一个新的发展时期，其主要特点是：第一，生物科学以前所未有的高速度向前发展。第二，生物科学与工程学科结合出现了规模空前的大科学工程研究。巨大的信息网络世界将世界各实验室相连，生物科学的研究变得更有组织、更有计划、更有规模了。第三，生物科学进入了一个创造与实践的全新时代。

（一）基因工程和有关生物技术为人类认识生命世界，认识人类自身提供了有效手段。

人类基因组计划的完成使科学家步入全面解读人类遗传信息的“后基因组时代”。这项工作有巨大的理论和实践意义，对生物学和医学将产生深远的影响，人类将全面地走向彻底认识自身的时代。由此发展起来的新策略、新技术在生物技术产业中也能发挥重大作用，有关基因序列的信息在科学研究和实践应用中的价值也会越来越大。

（二）发育机理研究可能取得突破。

生命科学领域存在着三大难题：生命是如何起源的？生物是如何发育的（基因组中的基因如何调节而差别表达）？大脑与神经系统的工作原理是怎样的？这些难题一直困扰着生命科学家。这些难题通过基因工程技术都有可能取得重大进展。

由于采用基因工程技术，利用转位因子插入控制发育的基因内部使其失活，或通过基因敲除（knockout）技术去除某些控制发育的基因，生物发育就停止在该基因控制的阶段，用这些方法及其他一些方法，可以克隆到控制发育的基因。现在知道，发育程序并不是在受精卵中早已完全确定的，而是在发育过程中通过有关基因系统间一系列的相互作用而逐渐展开的。但是即使是果蝇的发育都还远未弄清楚，更何况是人体。但重要的是，生物发育已不再是不可捉摸的事，它被归结为一系列连续发生的、彼此相关的基因事件，只要假以时日，这一系列基因事件将都会弄清楚。

通过基因敲除、基因插入失活、基因重组等技术，我们有可能逐渐弄清楚对于一个最简单的生命体应该具备什么样的基因，从而对生命是如何起源的神秘问题进行探索，这对未来人工合成或组装生命是重要的。

（三）最困难的课题可能是洞悉人类大脑的工作原理和活动规律，这是当代科学界面临的最大挑战。

     基因工程作为研究分子生物学的重要手段，在神经生物学的研究中也发挥了重要的作用。神经信号的基本形式是沿神经原质膜传播的动作电位或神经脉冲，它由神经细胞膜发生瞬间离子通道透性改变而引起的。现已将多种离子通道蛋白的基因及神经递质受体的基因克隆出来，因而能够通过克隆基因的表达获得足够量的通道受体蛋白，在体外研究它的作用，了解神经回路的作用机制。更引人注目的是学习和记忆的分子基础研究。学习可能使神经细胞突触连接的有效性产生长期变化，其中涉及基因表达的改变和第二信使系统的信号转导，前者与长期记忆有关，后者参与短期记忆。记忆、意识的研究必将对信息科学提供强大的动力。对大脑的研究是人类探索自然的重要组成部分，它不仅反映了人类对自然和人类对自己的认识水平，认识能力，并将直接影响到人类的思想和意识形态。