第八章基因工程的诞生与发展

第八章

基因工程的诞生与发展基因——生命的真谛

1909年，丹麦的遗传学家W.Johanssen根据希腊语“给予生命”之义，创造了“gene”一词。基因是生物遗传信息的载体，它是由核苷酸序列(通常为DNA)组成的生物大分子，决定着生物的所有性状、行为和疾病的发生。基因是福音，发现了某疾病基因，就可以对患者进行基因水平上的治疗，从根本上根除疾病的危害。基因就是铁的证据，基因分析在重大犯罪案件、历史案件的侦破中是最终确定罪犯的有力工具，当事人的头发、血、皮屑的基因分析都将作为确凿证据。基因是企业家的聚宝盆

目前生产基因药物的技术已较成熟，基因药物已率先进入市场。

美国已有40多种基因药物投放市场，主要用于治疗癌症、血液病、艾滋病、乙型肝炎、丙型肝炎、细菌感染、代谢病等疑难病症。美国投放市场的基因药物，1997年超过60亿美元，且每年以20%的速度增长。

我国也有10多种基因药物投放市场，但大部分基因药物仍需进口。

因此，基因是企业家的聚宝盆。基因工程的诞生1.随着遗传密码的破译诞生了一门新的学科――基因工程。2.20世纪70年代，内森、史密斯和阿尔伯发现了限制性内切酶在分子遗传中的作用，为基因工程奠定了基础。3.1973年保罗·伯格成功地实现了DNA的体外重组，人类开始进入按需要设计并改造物种，创造自然界原先不存在的新物种。4.由此兴起了以基因工程为主体的生物工程新学科。分子遗传学和生物工程已成为最活跃最前沿的新领域。我是一个实验主义者，我能告诉你的检验它是否有效的唯一方法就是尝试它。——保罗·伯格保罗·伯格PaulBerg保罗·伯格1926年生于美国。在参加了第二次世界大战后回到宾夕法尼亚州立大学学习，1948年获生物化学学士学位，后在凯斯西部保留地大学获生化博士学位，1959年到斯坦福大学任教。

主要成就

1972年，伯格首次证明可以用两种不同物种的基因人工合成DNA分子。伯格选择了名为SV40的猴病毒和λ噬菌体，这两种病毒的DNA都是闭合的环状结构。他设计试验，首先用限制性内切酶切开SV40和λ噬菌体的DNA环，然后再用连接酶把这两种DNA连接成环，最后让含有这种DNA的噬菌体在大肠杆菌中繁殖。因此，他开发了在酶的作用下在试管内将的噬菌体基因与SV40基因结合在一起的技术。虽然，没有任何一项技术具有原创性但是，利用已报道的多项技术，创造性地实现了不同DNA分子的体外重组SV40

λDNA＋EcoRIRecombinationDNA1972.PNASDavidJacksonRobertSymonsPaulBergDNA体外重组的创建成功，是“遗传工程”的奠基之作。NP1980PaulBerg

这些工作为分子生物学的研究和遗传改造展示了一个清晰而又美好的前景具有与沃森和克里克发现DNA双螺旋结构模型同样的开拓性价值！1973年，加州大学旧金山分校的赫伯特·博耶

H.Boyer和斯坦福大学的斯坦利·科恩S.Cohen将外源基因拼接在质粒中，在大肠杆菌中表达，揭开基因工程的序幕。这时，保罗·伯格却想到了基因重组的安全性问题。他与其他10位研究者联名给《科学》杂志写了一封信，希望科学家深入了解基因重组技术的安全性，先暂停有关试验，并敦促美国NIH对基因重组技术的使用进行管制。这封信引发了广泛的研究和讨论，1975年，上百位科学家在Asilomar会议上对不同物种之间基因重组的安全性进行了讨论。1976年，NIH出台了关于基因重组的一系列指导方针。可以说，DNA重组试验是分子生物学与生物化学研究的里程碑，该技术与基因快速测序以及定位技术，使基因工程成为生物技术快速发展的基础。基因工程的产生并不是偶然的，它是分子生物学发展到一定的阶段或时期的一种历史的必然。基因工程引发了一场分子生物学革命不仅能将目标基因定向引入到其他物种中去而且可以利用细菌对目的DNA分子进行克隆基于“遗传重组”技术的生物学的理论不断创新基于“遗传工程”技术的生物遗传改良成效明显有关基因工程技术发明获得Nobel奖基因工程概念

在分子水平上，用人工方法提取或合成不同生物的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。基因工程又称重组DNA技术.(切、接、转、增、检）基因枪、农杆菌介导的植物转基因农杆菌法基因枪法按目的基因的克隆和表达系统，分类为：原核生物基因工程酵母基因工程植物基因工程医学基因工程动物基因工程基因工程最突出的优点:

就是打破了常规情况下难以突破的物种之间界限，可在：

原核生物与真核生物之间、动物与植物之间、甚至人与其他生物之间、将遗传信息进行重组和转移。基因工程理论依据不同基因具有相同的物质基础基因是可以切割的基因是可以转移的多肽与基因之间存在对应关系基因通过复制把遗传信息传给下代遗传密码是通用的基因工程与生物工程的关系

生物工程分为六类：即基因工程、蛋白质工程、细胞工程、发酵工程、酶工程、生化工程。基因工程的地位：现代科技革命高新技术生物技术基因工程基因克隆

如果说20世纪八九十年代是基因工程基础研究趋向成熟，应用研究初露锋芒的阶段，

那么21世纪初将是基因工程应用研究的鼎盛时期，农、林、牧、渔、医等的很多产品都会打上基因工程的标记。

尽管基因工程出现后的一段时间内带给人们的是猜疑和恐惧，

但实践表明，基因工程已经给人类带来了难以估量的经济和社会效益。特别是对人类所面临的能源、粮食、人口、环境和疾病等日趋严重的社会问题，基因工程正在并且将要发挥越来越大的作用。

基因工程与农业

光合作用固氮作用转基因植物转基因动物产生次生代谢产物

如日本科学家利用基因工程使家蚕丝心蛋白基因与绿色荧光蛋白基因相互融合，得到的家蚕蚕丝可发出绿色的光泽。人们利用花卉的花色基因改变花的颜色、利用花形基因改变花的形状、利用香味基因改变花的香味等等，以使我们的生活环境更加色彩斑斓。

转入无冰晶细菌的抗冻基因帮助草莓抗霜冻近20年转基因植物发展的

几个重要里程碑1983年首例转基因作物(GeneticallyModifiedCrops，GMC)烟草培育成功1986年转基因植物获准进入田间试验1994年转基因番茄在美国批准上市2000年全球转基因作物种植面积4,420万公顷2006年全球转基因作物种植面积1.02亿公顷顺序国家面积（百万公顷）转基因作物1*美国*62.5大豆、玉米、棉花、油菜、南瓜、木瓜、紫苜蓿、甜菜2*阿根廷*21.0大豆、玉米、棉花3*巴西*15.8大豆、玉米、棉花4*印度*7.6棉花5*加拿大*7.6油菜、玉米、大豆、甜菜6*中国*3.8棉花、番茄、白杨、矮牵牛、木瓜、甜椒7*巴拉圭*2.7大豆8*南非*1.8玉米、大豆、棉花9*乌拉圭*0.7大豆、玉米10*玻利维亚*0.6大豆11*菲律宾*0.4玉米12*澳大利亚*0.2棉花、油菜、康乃馨13*墨西哥*0.1棉花、大豆14*西班牙*0.1玉米15智利＜0.1玉米、大豆、油菜16哥伦比亚＜0.1棉花、康乃馨17洪都拉斯＜0.1玉米18布基纳法索＜0.1棉花19捷克＜0.1玉米20罗马尼亚＜0.1玉米21葡萄牙＜0.1玉米22德国＜0.1玉米23波兰＜0.1玉米24斯洛伐克＜0.1玉米25埃及＜0.1玉米

2008年全球种植转基因作物的国家和面积资料来源：CliveJames,ISSAAA,2008抗虫转基因棉花获大面积推广转基因作物使发达国家和发展中国家的农民受益25个国家的>1330万农户种上了转基因作物其中90%为发展中国家的小农户转基因水稻在基本不打农药的情况下大幅度提高产量PhotosbyZhenZhuandJumin

Tu38转基因作物种植比例2006年38转基因西红柿

1994年5月，美国食品和药品管理局（FDA）批准首个转基因食物——西红柿FLAVRSVER进入消费市场。FDA相信该转基因西红柿与普通育种生长的西红柿同样安全。转乙烯形成酶反义基因、储存期延长40－50天的番茄以前，农民要趁西红柿还没有成熟，果实还是绿色的时候就采摘下来。因为西红柿成熟后，皮也软了，运输过程中容易破。

没有成熟的西红柿被运送到商店后，喷上乙烯将它们催熟，变成红色再摆出去卖。这种人工催熟的西红柿没有自然成熟的西红柿好吃。

西红柿的皮变软，是因为多聚半乳糖醛酸酶把细胞壁中的胶质给分解了。生物学家们把编码多聚半乳糖醛酸酶的基因克隆出来，测定了它的序列。然后合成一个和它相反的“反义基因”。

把“反义基因”转入西红柿细胞中，会干扰原来基因的活动，让它再也没有办法合成多聚半乳糖醛酸酶，细胞壁中的胶质不会被分解掉。于是，西红柿即使成熟了，皮也不会变软。我们就可以等到它自然成熟了再采摘，不用担心不好运输。FLAVRSAVR西红柿就是这样。

转基因西红柿获准上市，标志着FDA首次完成对转基因农产品的评估和放行。但是在过去的十几年，一直到现在，人们对于转基因食品的争论一直没有停止过。为什么要进行转基因生物安全评价44转基因生物是人类有史以来发展最快的技术，也是争论最大的技术。争论的科学问题包括：GMO“转基因生物(geneticallymodifiedorganism)”会不会变成病原物？（生物武器）基因漂移、基因污染（野生资源）“超级杂草”的可能性对非靶标生物的影响（生物多样性）病毒的重组与异源包装食品安全性：毒性、过敏性44近年来，欧美关于转基因是否安全的争论又闹得沸沸扬扬。

转基因食品生产和输出大户美国，从其自身利益出发，主张只要科学上无法证明它有害，就不应该限制。而转基因食品输入最多的欧洲国家，公众对转基因食品普遍感到恐慌：

他们认为，动物实验显示某些转基因食品对动物有害，而对人类如何由于时间短还不清楚；

但只要不能否定其危险性，就应该加以限制。但事实是：无论世界上工业化国家还是发展中国家的农民，他们都是依靠自己的独立决策在5年间将转基因作物的种植面积增加了25倍之多。

从20世纪80年代世界上第一例转基因植物的诞生，到目前全世界大约1亿多公顷的转基因作物。研究者还利用转基因动物大量生产医用蛋白，人类将最新的生物技术应用于医药、食品、农业领域以摆脱自然对传统作业的限制。1998年8月，英国阿伯丁的罗威特研究所教授普兹泰发现老鼠食用转基因土豆之后免疫系统受到破坏，普兹泰进一步推论，很多消费者也象被用于试验的老鼠一样食用没有经过严格鉴定的转基因食品。该消息的发布，使世界各国如日中天的转基因热潮蒙上了一层阴影......科学家们开始担心，由转基因技术创造出来的新型基因和生物可能会有害于人类。它们可能对生态环境造成新的污染，即基因污染，而这种新的污染源很难消除。转基因农作物和以此为原料制造的转基因食品对人体的影响也尚未定论。目前，转基因农作物的安全性问题在比美、欧等地已经成了一个社会问题，消费者掀起了相当规模的反对转基因农作物和食品的运动。总部设在荷兰首都阿姆斯特丹的国际非政府组织绿色和平（Green-peace）是全球反转基因运动的一面旗帜。在20世纪50年代，基因化学领域还笼罩在一片迷雾之中，然而…….而到了20世纪末，生物学家已经开发出一整套工具，这些工具使得对基因物质进行排序、克隆和操纵成了可能。新的基因技术所涉及的社会的、道德的、哲学的内涵无疑是深刻的……转基因生物有影响的几次事件

国外：1998年英国普兹泰事件（马铃薯事件）2000年美国星联StarLink玉米事件2005年美国BT10转基因玉米事件2005年美国转基因玉米MON863事件2006年美国转基因长粒米污染事件5050

英国普兹泰事件（Pusztai）51Pusztai博士1998年，英国博士普兹泰Pusztai称，他用基因马铃薯饲喂大鼠，其体重和器官重量减轻，破坏免疫系统。51

英国皇家学会评论（1999.5）不能确定转基因和非转基因马铃薯的化学成份有差异大鼠体重减轻系饲料中未补充蛋白质动物数量少，喂几种不同的食物，且都不是大鼠的标准食物，缺少统计意义试验设计差，未作双盲测定统计方法不当试验结果无一致性Pusztai被劝提前退休5252星联玉米：美国安万特Aventis公司开发，转入了苏云金芽孢杆菌的Cry9C抗虫基因。部分人可能对其蛋白质过敏，1998年，美国只批准作为家畜饲料和工业用途。2000年，发现该玉米混入了食品中。星联StarLink

玉米事件5353美国回收处理，引发全球的星联玉米召回。日、韩、澳等国减少美国的玉米进口；美国本土的消费者也不购买。2002年，安万特公司为消费者的集体诉讼支付了900万美元；为回收市场上可能含有星联玉米的300多种食品，安万特和相关保险公司支付了约10亿美元安万特公司因此而倒闭！事件结果5454美国转基因长粒米污染事件2006年8月，拜耳公司对外公布未经批准的转基因水稻LLRice601少量混入商品稻米中，立即引起日本和欧盟采取紧急措施限制进口美国米。同月：

日本厚生劳动省宣布停止进口美国长粒米

欧盟采取紧急措施，规定只有附独立实验室按照认可的检测方法出具的检测报告证明不含有LLRice601，美国长粒大米才能进入欧盟市场。5555美国米出口下挫41%；农民控告拜耳公司要求赔偿；多国已禁止美国长粒米进口；许多国家要求测试进口米；对中粒和短粒米的市场也造成影响；美国米可能再也无法以“非转基因稻米”出售。2006年底，美国批准了该产品的种植。5656国内几起重大事件湖北转基因水稻事件2005年湖北转基因水稻未获安全证书，违规进入商业化种植，--湖北大米不能出省--中国大米不能出口--社会影响极为恶劣

向农民赔偿300万元！5757国内几起重大事件

欧盟米制品事件：2006年中国出口到欧洲的米制品被检出转基因成份（可能来自湖北）

--中国米制品出口受措

--中国海关全面检测

--生产、出口企业受损

--欧盟委员与中国部长对话，要求提供样品和方法。5858国内几起重大事件

2006年亨氏米粉事件：亨氏米粉部分城市下架，企业损失，婴儿母亲高度关注。

证明是炒作。5959国内几起重大事件格力高和麦德龙休闲食品事件：2007年6月，绿色和平组织称：经检测，中国市场发现格力高和麦德龙休闲食品含转基因成份未标识，在中国和外国实行双重标准

--两企业产品下架，至今未完全恢复销售，损失重大！

证明含转基因，但不在标识目录内，无需标识6060一面是转基因技术所承诺的解决人类面临的食物短缺、能源危机和资源匮乏等难题，另一面是由于它对人类健康和生态环境的潜在风险。如何在促进转基因技术发展和保护人类免受这种技术的发展所带来的负面影响之间寻求一个恰当的平衡，是大多数国家所面临的挑战。转基因技术仍是个争议巨大的话题，支持者和反对者的辩论仍处进行时。自1996年开始，在孟山都（Monsanto）和旗下的先锋良种（PioneerHi-Bred）等公司的推动下，美国的转基因国家战略飞速推进。2010年，美国的三大转基因农作物大豆、玉米和棉花的种植面积分别占相应作物总播种面积的93%、86%和93%。“阿根廷：全球第一个转基因实验品！”阿根廷是继美国之后世界上第二个大规模推进转基因农业革命的国家。目前，阿根廷境内可耕种面积的50％被种上了转基因作物，转基因大豆、玉米和棉花的种植面积分别占相应作物总播种面积的98%、80%和60%以上。与美国相同，阿根廷的转基因农业也是以出口为导向的，其在全球的大豆和玉米市场上已是美国的主要竞争对手，也是仅次于美国的第二大对华大豆供应国。但是，阿根廷不具有转基因技术自主知识产权，所有的种子和技术均来自美国。“阿根廷在哭泣，孟山都不相信眼泪？”美国种业巨头孟山都与阿根廷的种种恩怨：孟山都最初免费派送种子，在成功占领99%市场份额之后又开始收取高额专利费；与孟山都种子配套的杀虫剂破坏生态环境，杀死其他庄稼，引起动物后代器官畸形，使人出现恶心、腹泻、呕吐和皮肤损伤等症状。在目前出版的有关转基因的书本中，阿根廷几乎都以悲情的反面教材形象出现，诸如“阿根廷：全球第一个转基因实验品！”“阿根廷在哭泣，孟山都不相信眼泪！”然而……科学的态度并不是拒绝！我们反对将转基因作物安全性这一科学问题复杂化、甚至妖魔化。我们要积极应对，而不是逃避：转基因安全管理：--有科学问题，更有经济、贸易甚至政治问题！--各级努力，《条例》实施取得一定成效！--内外夹击、问题多多，形式严峻！--责任重大，提高认识，加强管理！

实现目标：保障安全，促进发展666667涉及转基因生物技术研究、生物安全、生产、检验、卫生、经济和管理等领域的专家。成立国家农业转基因生物安全委员会，来自9个部门、9个科研院所、9所大学、共74人。671981-1982转基因动物的纷纷诞生超级鼠1981年美国科学家小鼠生殖细胞生长激素基因

可以不知疲倦地奔跑数小时、寿命更长、拥有更强繁殖能力、吃得更多而不增加体重。

转基因果蝇1981控制眼睛颜色的基因Ry1基因果蝇胚胎野生型结果得到了眼睛颜色为红色的果蝇，表明转入的基因已在体内表达。这一性状随果蝇繁殖保留了下来基因工程与环境保护环境监测环境污染净化

随着化学工业的迅速发展，种类繁多、数量巨大的人工合成化学物质应运而生，其中80%是有毒或能持久存在的。通过基因工程可以提高某些微生物体内特异酶的活性，从而构建降解特殊污染物的微生物，有利于环保工业的发展。美国通用GE(GeneralElectric)公司成功构造具有巨大烃类分解能力的工程菌，并获专利，用于清除石油污染。基因工程在医药领域的应用

Ⅰ基因治疗（genetherapy）

以基因工程为基础的治疗遗传疾病、肿瘤、心血管、代谢性疾病的新方法——基因治疗是21世纪的一大热点领域。

基因治疗就是制备正常基因代替或校正遗传缺陷基因，或关闭、或降低、或调控异常基因的表达，而达到治疗疾病的目的。

1990年9月，美国政府首次批准：对患有腺苷脱氨酶（ADA）缺陷而导致重度综合免疫缺陷症（SCID）的一个4岁女童进行基因治疗，并获得成功。该患者今年已经21岁了。从而开创了医学界的新纪元。人类基因治疗重度综合免疫缺失症（SCID）患儿一出生就必须生活在隔离室中实施基因治疗的必要步骤如下：找到致病基因；克隆得到大量与致病基因相应的正常基因；采取适当方法把正常基因放回到病人身体内去；进入体内的正常基因应正常表达。克隆得到正常基因以病毒DNA为载体正常基因转入人体细胞再转入病人身体Ⅱ利用转基因植物生产药用蛋白

由于植物本身的特点，使之具有成本极低、纯化手续简便等得天独厚的优势。利用植物生产药用蛋白——植物生物反应器有望成为未来基因工程发展的另一个重要领域之一。

Ⅲ利用动物生产药用蛋白

——转基因动物生物反应器

1980年Gurdon首次获得转基因小鼠，Palmifer

在1982年首次获得表型发生改变的“超级小鼠”，随后转基因动物的研究日渐活跃。现在转基因动物技术已用于牛、羊，使得从牛/羊奶中可以生产蛋白质药物。称为“乳腺反应器”工程。美国转基因猪，其体内含有人类的基因，乳汁含有人体蛋白fatorⅧ。只需300～600只这样的母猪就能满足全世界对这种蛋白的需求。特殊蛋白质的大量生产乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)乳汁中分泌人凝血因子IX的转基因山羊

1）乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。

2）从乳汁中获取目的基因产物，产量高，易提纯，表达的蛋白质已经经过充分的修饰加工，具有稳定的生物活性。

3）从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同时，转基因动物又可无限繁殖。乳腺能成为基因药物最理想的表达场所Ⅳ基因工程疫苗的生产

传统制备的疫苗，作用是灭活病原体，或减弱病原体毒力。其安全性，免疫性和持续性不足。应用基因工程技术可制成更多种类、更价廉、更安全有效的疫苗或多价疫苗。基因工程疫苗只含有病原体部分抗原性。基因工程与工业

酿酒工业食品工业制药工业新型蛋白质的生产哺乳小牛凝乳酶基因胃转入啤酒酵母凝乳酶凝乳酶生产奶酪的凝乳酶传统上来自哺乳小牛的胃。现在可以通过基因工程办法，用酵母生产凝乳酶，大量用于奶酪制造。制造奶酪基因工程技术的意义

基因工程技术跨越生物种属间不可逾越鸿