基因工程与转基因

基因工程与

转基因生物

基因会“走”、会“跑”、

会“跳”、会“转移”吗？麦克林托克和“跳跃基因”在麦克林托克之前，所有研究遗传学的人都认为染色体上的基因就像铁板上钉的钉子，一动也不动。麦克林托克，是一位美国的女遗传学家，她获得哲学博士后，毕生从事玉米的遗传学研究。1951年，她在冷泉港的一次学术讨论会上，第一次提出“跳跃基因”的新概念，认为玉米籽粒的颜色的改变是基因座位改变的结果，但和者寥寥。但从20世纪六十年代末，基因能转移的证据从美国、英国、德国不断被发现，麦克林托克关于“基因能够转移”的结论最终被公认。1983年，81岁高龄的麦克林托克获得诺贝尔奖。基因工程—点石成金的技术基因工程，就是按照人们的设计，把需要的基因（目的基因）从一种生物中取出来，转移到另一生物中，并让它在新的细胞中继续稳定地发挥作用的技术。因为基因工程的过程与一般的机械制造工程或房屋建筑工程一样，是事先经过周密的设计，有目的、有计划、按部就班地进行的，所以把这门技术称为“工程”。基因工程又可称“基因操作”、“基因克隆”、“遗传工程”、“重组DNA技术”、“转基因技术”等。原先物种在长期进化过程中，只能在同一物种之间进行交配，不同的物种之间的是不可能的。这种严格的“门当户对”的要求，最大的优点是可以保持原来物种的稳定性和特殊性。人在物种交配的过程中，只充当一个介绍人的角色，物种交换的是哪一个基因，人们是无法控制的，全依靠染色体之间的自由恋爱，盲目性很大。人们只能在千万个进行了交换的后代中去寻找我们需要的那一种，偶然性很大，效率很低。而基因工程打破了原先物种之间的门户限制，使不同生物基因交换、转移，不受原来物种之间的门户限制，进行自由地交换。更重要的是，这些被用来交换的基因，是“奉旨成婚”，人们可以按照自己的意愿，选择所需要的基因，按人类设计好的蓝图，培育所需要的新生物。基因互换更加有目的、有计划，效率更高。这是一场革命，一个极大的飞跃，使人类利用基因达到了无所不能的地步。基因工程的物质条件一、目的基因根据研究对象的需要，提取的某种生物的基因片段。一般是目的基因的cDNA片段。二、给基因“动手术”的工具－种类不同的酶1.限制性内切酶－一把“分子”剪刀这种酶能在DNA分子的特定位置切割，并且是在DNA内部切割。这种酶的切割，会使DNA片段留下末端，为基因之间的拼接创造条件。2.连接酶连接酶可以将内切酶切割的两个DNA分子片段连接成重组DNA分子。BamHⅠGTCCAGGCCTAGGATCCG+GGATCCCCTAGGHindⅡGTCGACCAGCTGGACCTG+平端切口粘端切口

三、基因运载体－运载基因的交通工具基因载体的标准：能自主复制；具有两个以上的遗传标记物，便于重组体的筛选和鉴定；有克隆位点（外源DNA插入点），常具有多个单一酶切位点；分子量小，以容纳较大的外源DNA。1.质粒

(plasmid)特点能在宿主细胞内独立自主复制；带有某些遗传信息,会赋予宿主细胞一些遗传性状。2.噬菌体(phage)

基因工程的基本过程基本原理目的基因的获取DNA导入受体菌外源基因与载体的连接克隆载体的选择和构建重组体的筛选克隆基因的表达

简单称为：分、切、接、转、筛基因克隆示意图1973年，重组DNA技术的诞生，引发了改变整个生物世界的基因研究热潮，给传统的工业、农业、食品业、医药保健业以及人民生活带来了巨大的震撼。不断涌现的研究成果解决了农业、医疗、保健、环境保护中的许多重大问题。产生了巨大的经济效益和社会效益。基因工程中的几个世界第一第一个转基因动物是“超级小鼠”：1982年美国实验室将大鼠的生长激素基因转移到小鼠的受精卵中，由这个受精卵发育出生的小鼠比正常小鼠大2倍。第一个转基因植物是烟草：1983年美国华盛顿大学和孟山都生物技术公司共同培育的抗除草剂的烟草，这种烟草体内含有除草剂耐受基因。第一个基因专利：1980年美国联邦最高法院在查“克热巴提”案中，首次裁定发明“来自人为单细胞生物基因的细菌”获得专利，这是一种能够分解原油多种成分的基因工程细菌。第一个基因工程药物：由美国Lilly公司研制，1982年获准投入市场的重组胰岛素。第一个环境释放的转基因植物：1986年，经美国环保署许可在大田进行栽培，即进行“环境释放”的抗除草剂烟草。第一个转基因食品：1994年获得美国食品与药品管理局（FDA）批准进入市场销售的转基因延熟保鲜番茄———“FlavrSavr”。转基因植物植物基因工程就是按计划向植物受体细胞转移目的基因，并把接受了目的基因的受体细胞培育成符合要求的植株。按照这种方式培育的植株称为转基因植物。植物细胞是全能性细胞，可以长成植株。延熟的西红柿科学家为解决西红柿成熟后，果皮容易变软破烂的问题，设计了一种新基因，转入西红柿细胞，阻断使果皮变软的“多聚半乳糖醛酸酶”基因的表达。这样，西红柿可以等到自然成熟再采摘，不用担心运输过程中的破损，可以存放更长时间。金色稻米这是一种富含β－胡萝卜素的转基因水稻，稻米颗粒色泽金黄而命名，这种稻米中富含β－胡萝卜素，可在人体内转化成维生素A，是瑞士科学家用转基因技术，向水稻细胞转移了3种基因培育的。维生素A不能在人体内合成，只能从食物中摄取，普通水稻几乎不含有维生素A。据调查，全世界约有1.24亿儿童缺乏维生素A，患维生素A缺乏症，特别在以稻米为主食的东南亚地区有许多儿童因缺乏维生素A而成为盲人。如果金色水稻可以满足全世界亿万儿童每年对维生素A的需要，这将是一件功德无量的事。抗病毒的烟草烟草花叶病是由烟草花叶病毒（TMV）引起的，这种病毒的核心是RNA，一个RNA分子进去，可以将烟草细胞“掏空”“逼死”。1986年，美国皮奇将无毒行的TMV的外壳蛋白基因转移到烟草细胞，这种基因可以抵抗病毒在寄主细胞中复制。目前，我国的抗病毒转基因烟草已经较大面积种植，大约有１６０万公顷。转基因抗虫棉棉花是仅次于粮食的第二大农作物，是我国1亿多棉农的主要收入来源。自90年代以来，棉铃虫灾害在我国大部分棉区持续发生，1992年一年因棉铃虫造成的直接损失就达到了60多亿元。科学家们通过研究发现，在一种苏云金杆菌（Bt）中有一种基因，可以形成“内毒素”蛋白晶体，可以有效地进入害虫的碱性肠道，杀死害虫，但对哺乳类动物无害，因为这种毒蛋白在酸性的胃部即溶解。1990年，美国将Bt杀虫基因导入棉花获得抗虫转基因棉花，成为世界上第一个拥有转基因抗棉虫的国家；我国在1998年培育成功转Bt基因的抗虫棉，成为第二个拥有自主研制成功并种植抗虫棉的国家。2003年我国抗虫棉的种植面积已达到45万公顷。除此以外，科学家还通过转基因技术，将兔毛、羊毛中的角蛋白基因转入棉花，使棉花具有弹性好、保暖性强，纤维更加细长等优点。目前，科学家们正将天然彩棉的有色基因转入棉花品种，培育出纤维品质优良的彩色棉，现彩棉产量不足世界棉产量的1％，估计30年后，彩色棉将占棉花总产量的30％。疫苗植物疫苗不同于药，药直接杀死或抑制病原体，疫苗可以作为抗原，刺激人体产生杀灭或抑制病原体的抗体。传统疫苗价格昂贵，在保存运输上也需要严格的条件。如果将疫苗制成水果、蔬菜，不但对人类减轻痛苦，也不需冷藏。多数蔬菜具有可以生食，味道鲜美，没有有毒成分，营养丰富等优点，因此被优先考虑作为植物疫苗的载体，如马铃薯、番茄、胡萝卜等。目前，在世界各国的实验室已出现防结核病的苹果、抗痢疾的甘蓝、抗伤寒的生菜、防白喉的马铃薯、防流感的柑橘、防胃肠炎的马铃薯、防乙肝病毒的莴苣、含有CTB－人胰岛素的马铃薯、含有艾滋病基因的番茄、含有狂犬病毒外壳蛋白的番茄、含有麻疹病毒血细胞凝集素的胡萝卜等十几种转基因植物。2001年，中国农业科学院研制成功抗乙肝的马铃薯、抗乙肝的番茄。转基因花卉现在基因科学已破译了控制花色的色素基因，将所需的花色基因导入花卉，培育出特异颜色的花卉；也可以将多种颜色的基因聚合在一种植物中，形成一花多色。矮牵牛花是最早成功改变花色的花卉。目前，世界上运用转基因技术已得到三色矮牵牛花、蓝色玫瑰、具有2～3种颜色，同时条纹状与星点状组合的夜来香、大丽菊、蝴蝶兰、桃花等特种花。现在，转入蓝色基因的花卉还可以用于环境保护，如果超过一定量的污染物进入植物体，花的颜色会发生变化，如日本开发的“环境监控植物”，粉红的牵牛花在受到污染后会变成紫色。目前转基因植物的趋势基因工程的兴起使植物改良进入了一个新时代，转基因植物的研究和开发已成为势不可挡的潮流。现在，共有30多个国家批准了数千例转基因植物进入田间试验，涉及的植物种类有40多种。2003年种植转基因植物的国家已增加到18个。目前主要在美国（68％）、阿根廷（23％）、加拿大、中国、巴西和南非。美国是种植转基因植物的大国。2004年，美国批准商业化种植的转基因作物品种达到59种。在美国，72％的棉花、54％的大豆、50％以上的玉米、小麦都是转基因产物。我国正在研究的转基因植物种类达到47种，包括粮食作物7种，耐储藏番茄、白色矮牵牛花、抗病毒的甜椒、抗病毒的番茄、抗虫的棉花这5种自主研制的转基因植物已通过国家商品化生产，20余种转基因植物进入中试。转基因动物转基因动物是用人工方法将外源基因导入或整合到动物的受精卵或早期胚胎细胞，并整合到受体细胞的基因组中，然后由这些组织和细胞发育成的新的动物个体，并能稳定传代的动物。在这个新个体内，每个细胞都含有转入的基因。转基因需要的条件合适的受体细胞：动物体内的受精卵、胚胎干细胞、早期胚胎细胞具有全能性。目前，将目的基因导入受体细胞最常用的方法有：

1）显微注射法

2）胚胎干细胞法

显微注射法用显微注射针将外源基因直接注入实验动物受精卵的原核，使外源基因整合入动物基因组中，从而得到转基因动物。显微注射一定要掌握时机，一般在受精卵内的精子细胞核和卵细胞核尚未融合，两者独立存在是注入外源基因最好时机。显微注射法是现在转基因技术中最常用的方法。

胚胎干细胞法胚胎干细胞是囊胚期的一群具有全能性的胚胎细胞，这种细胞可以发育成完整个体。如果把胚胎干细胞插入胚胎的某个部位，就可能发育成某种器官或组织。在动物转基因时，将目的基因转移给胚胎干细胞，再将胚胎干细胞插到胚胎的不同部位，得到想要的转基因动物。目前这种方法在小鼠上取得成功。动物转基因的技术路线1、整合胚胎移植技术路线：特点：（1）先从动物卵巢取得卵细胞，体外孵育成熟后再进行体外受精生成受精卵。（2）把外源基因注入受精卵。（3）受精卵移进输卵管前先作分子检测，将转基因成功的胚胎挑选出来。（3）经阴道把胚胎送入假孕动物的输卵管里，使动物少受损伤。2、核移植（克隆）技术路线：特点：把动物体细胞的核移植到去除细胞核的卵细胞中，由核移植得到转基因动物。这种方法也称“克隆技术”，是无性繁殖。第一个转基因动物－超级鼠1982年，美国科学家帕尔米特等人将大鼠的生长激素基因与小鼠的金属硫蛋白基因组合成外源基因，采用微注射的方法注入小鼠的受精卵，再移植到“假孕”母鼠体内，发育出生。餐桌上的转基因动物科学家们希望通过转基因技术使家禽、家畜的经济性状得到改善，如使生长速度加快，瘦肉率提高，肉质改善，抗病率强等，满足人们对肉类食品的需求。目前各国对转基因动物食品的审批十分严格，但这是一个市场潜力非常巨大的高科技产品。鱼卵的受精和受精卵的发育都在体外，所以鱼的转基因具有得天独厚的条件。我国和美国科学家分别已培育出转移生长激素基因的鲤鱼，其生长速度比普通鲤鱼快1.5倍。目前，我国科学家正从北方黄鲽鱼中分离出抗冻基因，希望培育出抗冻的土鲑鱼。遍地会走的“制药厂”自转基因技术问世，科学家们一直在努力探索用基因工程的方法将有价值的基因转入动物体内，用于医学治疗和制造药物，使转基因动物变成一座座“制药厂”，这种制药厂不仅会走，还可降低制药成本、经济效益非常可观。利用转基因动物来生产基因药物是一种全新的生产模式，与传统的制药技术相比具有无可比拟的优越性。以美国为例，凝血因子VIII的年需要量约为120克。过去，这120克凝血因子VIII需要120万毫升血浆提取，以每人献血200毫升计，需6000名献血员提供血浆才能满足。而用转基因牛来生产，一头牛每年的奶产量是1万公斤，如每公斤乳汁中可制造10毫克凝血因子VIII的话，那就只需1.2头这种牛即可满足需要。动物工厂1992年，英国爱丁堡医药蛋白公司，培育出一只“特雷西”的转基因绵羊，这种羊的奶中含有一种抗胰蛋白酶，是可以治疗肺泡纤维化病变的多肽药物。由于这种蛋白酶只存在于人体，无法用化学方法合成，进行工业化生产，它产下的奶每升价格约为5万元人民币，所以哄动一时。英国爱丁堡罗斯林生理与遗传研究所培育出一只转基因公鸡，他的雌性后代所产的蛋中，含有治疗血友病的凝血因子和治疗肺气肿的人体蛋白。1996年，以色列科学家培育出一只“吉蒂”山羊，体内含有人的血清白蛋白基因，这种白蛋白可以用于补偿治疗烧伤、休克、外科手术后的失血。荷兰培育成功一种能生产出促红细胞生长素的乳牛，一年可提取60～80千克的促红细胞生长素。我国吴祥甫教授从1986年开始研究家蚕生物反应器，也就是把人类基因放入家蚕体内培养，使家蚕能生产出人类蛋白质，然后把蛋白质萃取出来，制成口服药，用于治疗肿瘤病人和艾滋病人放化疗后产生的白细胞减少症和提高免疫力。这种药物在2003年进入Ⅰ期临床研究，是我国和国际上第一个利用家蚕生物反应器生产基因工程口服蛋白质的药物进入临床试验，2004年获我国国家技术发明奖二等奖。转基因与器官移植器官移植是目前治疗脏器衰竭的主要手段。移植最大的困难是缺乏可以提供的合适器官及供者和受者的组织相容性。1992年，英国爱丁堡医学院将人的基因导入猪胚胎，获得转基因猪，由于猪与人的免疫系统相适应，免疫排斥较小，有望代替人的器官用于移植。1995年，美国研究人员把一头转基因猪的脑组织移入一位帕金森综合症的患者的大脑中获得成功，病人的震颤病症消失。动物器官的异种移植将是21世纪器官移植的主攻方向。可能有一天，“狼心狗肺”将不再是一个贬义词。核移植（克隆）技术1996年7月5日，英国科学家威尔穆特用成年白脸母羊（6岁）的乳腺上皮细胞的核移植到去核的黑脸母羊的卵细胞中，得到白脸母绵羊“多莉”，利用体细胞移植形成新个体是前所未有的事，“多莉”在1998年生下一头小羊，说明克隆动物具有正常的生育能力，但“多莉”端粒的老化程度超过正常羊，且在2003年，6岁时死亡。伊思·威尔穆特，“多莉”羊之父，英国人，10岁时想当一名水手，但14岁发现自己是红绿色盲，转而从事畜牧业研究。1997年，美国用胚胎细胞移植获得克隆猕猴。澳大利亚、日本、新西兰等国的的科学家先后采用胚胎细胞成功培育出克隆牛。台湾也传出消息，称用胚胎细胞克隆出5头克隆猪，1997年3月3日已过它们6岁生日，而且这批克隆猪成功产下后代。1990年，我国西北大学首次用