第六章 基因工程与人类健康

第六章基因工程与人类健康基因工程(geneticengineering)

基因工程又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因(DNA分子)，按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。

基因工程简介基因工程是生物工程的一个重要分支，它和细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程共同组成了生物工程。所谓基因工程（geneticengineering)是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术，是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内，使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。它是用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质——DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，把它与作为载体的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中，以让外源物质在其中“安家落户”，进行正常的复制和表达，从而获得新物种的一种崭新技术。细胞结构和功能细胞主要由：细胞壁、细胞膜、细胞核、叶绿体、线粒体、核糖体、内质网、中心体等细胞壁

细胞壁是植物细胞特有结构，它是植物细胞最外面一层由纤维素、半纤维素和果胶质等构成的“坚硬”结构，对植物细胞和植物体起着保护和支架的作用。细胞壁上有一些微孔通道使相邻细胞相通，这些通道称为胞间连丝。细胞膜细胞膜也称质膜，是一切细胞不可缺少的表面结构，是包被着细胞内原生质的一层薄膜，它调节和维持细胞内微小环境的相对稳定性。质膜对物质运输、信息传递、能量转换、代谢调控、细胞识别和癌变等方面，都具有重要的作用。质膜厚度约70-100Å,是活细胞不可缺少的结构，主要控制通过质膜的物质运输。原生质为细胞所含有的全部生活物质，包括细胞质和细胞核。植物细胞在质膜外还有一层由纤维素和果胶质等构成的细胞壁，对细胞起着保护和支撑的作用。在细胞与细胞之间，有许多胞间连丝相连，有利于细胞间物质的交换。细胞质细胞质是指质膜以内细胞核以外的胶体物质，内含许多蛋白质、脂肪等物质，以及各种细胞器。细胞器是指细胞质内除了核以外的具有一定形态、结构和功能的物体。但每一细胞的结构与其功能密切相关，故不同的细胞中细胞器类型不同，有些是某些生物所特有的。细胞内主要的细胞器包括：线粒体(mitochondria)、质体(plastid)、内质网(endoplasmicreticulum)、高尔基体(Golgibody)、核糖体(ribosome)、中心体(centralbody)、溶酶体(lysosome)和液泡(vacuole)。●内质网：是动、植物细胞中普遍存在的单层的膜相结构，使细胞质的表面积大大增加。内质网是细胞内合成蛋白质的主要场所，它的数量与细胞的合成活性直接相关。内质网在细胞中呈现多种形态，如管状、囊状、小泡状等。根据是否附有核糖体，又分为粗糙型内质网和平滑型内质网。粗糙型内质网外面附有核糖体；平滑型内质网外无核糖体附着。●线粒体：普遍存在于动、植物细胞中，是有内外两层膜组成的椭圆型或棒状的小体。一般直径为0.5-1.0mm，长1-3mm。它含有多种氧化酶，是产生和贮存能量的场所。故生命活动旺盛时数量较多；衰老时数量减少。线粒体含有

DNA、RNA、核糖体等，具有自我复制能力。但线粒体的DNA与核内的DNA不同，为单链环状结构。●质体：又分为叶绿体、有色体、白色体三种。其中最主要的是叶绿体，它是绿色植物所特有的一种细胞器。叶绿体形状有盘状、球状、棒状等，大小在5-10mm，比线粒体稍大。其主要功能是进行光合作用，合成碳水化合物。叶绿体也含有DNA、RNA及核糖体等物质，具有自我复制能力。●核糖体：是细胞内呈小颗粒状的微小细胞器，数量极多。约有40%蛋白质和60%RNA组成，其中RNA主要为核糖体核糖核酸（rRNA）。核糖体是合成蛋白质的主要场所。细胞核所有生物（除病毒和噬菌体外）都具有一定的细胞结构。根据细胞结构的复杂程度，细胞可以分为两类：原核细胞和真核细胞。原核细胞仅具有核物质，没有核膜，如细菌、蓝藻等；真核细胞具有完整的核结构，包括核膜、核质、核仁和染色质等。●核膜：为一双层膜，膜上有核孔，是核质之间物质交流的通道。在细胞分裂过程中，核膜发生解体和重建。●核液：为分布于核内的低电子密度的细小颗粒和微细纤维。●核仁：每一个细胞内一般有一个或几个折光率很强的核仁，主要由RNA和蛋白质组成，与核糖体的合成有关。●染色质和染色体：是同一物质在细胞分裂过程中所表现的不同形态。染色质为细胞尚未分裂的核中易于被碱性染料染色的纤细的网状物质。而当细胞分裂时，染色质便逐渐螺旋化而卷缩成一定形态的染色体。染色质是细胞核内能被碱性染料染色的物质。可分为常染色质和异染色质,常染色质在间期呈高度分散状态（正在进行复制转录）染色较浅，光镜下难以分辨。中期时发生螺旋化收缩变短。是产生Mendel比率和各类遗传现象的主要物质基础。异染色质在间期呈螺旋状态，染色较深。染色质上缺乏Mendel基因，但并非对遗传没有任何影响。又分为结构异染色质或组成型异染色质。染色体是DNA和蛋白质组成的复合物。其中DNA占27％，组蛋白质占66％，RNA占6％。过去认为一条染色体可能是由若干段DNA结构，间隔是蛋白质。但是随着DNA提取技术的改进，现已确定一个染色体中的DNA只是一个DNA分子。细胞分裂有丝分裂(mitosis)：即体细胞分裂，通过分裂产生同样染色体数目的子细胞。分裂中出现纺锤体。间期(interphase):两次分裂的中间时期。可分为合成前期(G1)、合成期(S)

及合成后期(G2)

。前期(prophase):染色体由细线状逐渐缩短变粗，由2条染色单体缠绕在一起；中期(Metaphase):出现纺锤体，染色体排列在赤道面上；后期(Anaphase):姐妹染色单体分开成独立的染色体,由纺锤体拉向两极；末期(Telophase):核膜形成，核仁出现，染色体松散成染色质团减数分裂间期：也分为G1,S,G2期。前期Ⅰ：

又分5个时期：a.细线期(leptotenestage)：染色线细长能分辨出线；核大，核仁明显；b.偶线期(zygotenestage)：“同源染色体配对”也称为联会；c.粗线期(pachytenestage)：染色体明显缩短变粗，可辨别出n个二价体，非姊妹染色单体间发生局部交换；d.双线期(diplotenestage)：联会的两条同源染色体开始分开，交叉结向末端移动并逐渐减少，称为交叉端化中期Ⅰ：核仁核膜消失，纺锤体形成，二价体的末端交叉结排列于赤道板；后期Ⅰ：同源染色体随机移向一极，染色体数目减少一半.移向两极的每条染色体含2个染色单体。末期Ⅰ：染色体解螺旋成细丝状。核膜重建，核仁形成；前期Ⅱ：时间较短；中期Ⅱ：染色体排列于赤道板上，且染色体由两条染色单体组成的；后期Ⅱ：2条染色单体分开，移向两极；末期Ⅱ：染色体解螺旋，核仁核膜出现。胞质分裂，完成减数分裂的过程。迄今为止，基因工程还没有用于人体，但已在从细菌到家畜的几乎所有非人生命物体上做了实验，并取得了成功。事实上，所有用于治疗糖尿病的胰岛素都来自一种细菌，其ＤＮＡ中被插入人类可产生胰岛素的基因，细菌便可自行复制胰岛素。基因工程技术使得许多植物具有了抗病虫害和抗除草剂的能力；在美国，大约有一半的大豆和四分之一的玉米都是转基因的。目前，是否该在农业中采用转基因动植物已成为人们争论的焦点：支持者认为，转基因的农产品更容易生长，也含有更多的营养（甚至药物），有助于减缓世界范围内的饥荒和疾病；而反对者则认为，在农产品中引入新的基因会产生副作用，尤其是会破坏环境。诚然，仍有许多基因的功能及其协同工作的方式不为人类所知，但想到利用基因工程可使番茄具有抗癌作用、使鲑鱼长得比自然界中的大几倍、使宠物不再会引起过敏，许多人便希望也可以对人类基因做类似的修改。毕竟，胚胎遗传病筛查、基因修复和基因工程等技术不仅可用于治疗疾病，也为改变诸如眼睛的颜色、智力等其他人类特性提供了可能。目前我们还远不能设计定做我们的后代，但已有借助胚胎遗传病筛查技术培育人们需求的身体特性的例子。比如，运用此技术，可使患儿的父母生一个和患儿骨髓匹配的孩子，然后再通过骨髓移植来治愈患儿。

随着DNA的内部结构和遗传机制的了解，生物学家不再仅仅满足于探索、提示生物遗传的秘密，而是设想在分子的水平上去干预生物的遗传特性。如果将一种生物DNA中的某个遗传密码片断连接到另外一种生物的DNA链上去，将DNA重新组织一下，就可以按照人类的愿望，设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型，这与过去培育生物繁殖后代的传统做法完全不同。这种做法就像技术科学的工程设计，按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因”重新“施工”，“组装”成新的基因组合，创造出新的生物。这种完全按照人的意愿，由重新组装基因到新生物产生的生物科学技术，就称为“基因工程”，或者说是“遗传工程”。基因工程的基本操作步骤1.获取目的基因是实施基因工程的第一步。

2.基因表达载体的构建是实施基因工程的第二步，也是基因工程的核心。

3.将目的基因导入受体细胞是实施基因工程的第三步。

4.目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过检测与鉴定才能知道。这是基因工程的第四步工作。

基因工程与农牧业、食品工业运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。

1.转基因鱼

生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼（中国）。2.转基因牛

乳汁中含有人生长激素的转基因牛（阿根廷）。3.转黄瓜抗青枯病基因的甜椒

4.转鱼抗寒基因的番茄

5.转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯

6.不会引起过敏的转基因大豆

7.超级动物

导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠

8.特殊动物

导入人基因具特殊用途的猪和小鼠

9.抗虫棉

苏云金芽胞杆菌可合成毒蛋白杀死棉铃虫，把这部分基因导入棉花的离体细胞中，再组织培养就可获得抗虫棉。基因工程与人类健康基因作为机体内的遗传单位，不仅可以决定我们的相貌、高矮，而且它的异常会不可避免地导致各种疾病的出现。某些缺陷基因可能会遗传给后代，有些则不能。基因治疗的提出最初是针对单基因缺陷的遗传疾病，目的在于有一个正常的基因来代替缺陷基因或者来补救缺陷基因的致病因素。用基因治病是把功能基因导入病人体内使之表达，并因表达产物——蛋白质发挥了功能使疾病得以治疗。基因治疗的结果就像给基因做了一次手术，治病治根，所以有人又把它形容为“分子外科”。

我们可以将基因治疗分为性细胞基因和体细胞基因治疗两种类型。性细胞基因治疗是在患者的性细胞中进行操作，使其后代从此再不会得这种遗传疾病。体细胞基因治疗是当前基因治疗研究的主流。但其不足之处也很明显，它并没前改变病人已有单个或多个基因缺陷的遗传背景，以致在其后代的子孙中必然还会有人要患这一疾病。

无论哪一种基因治疗，目前都处于初期的临床试验阶段，均没有稳定的疗效和完全的安全性，这是当前基因治疗的研究现状。

可以说，在没有完全解释人类基因组的运转机制、充分了解基因调控机制和疾病的分子机理之前进行基因治疗是相当危险的。增强基因治疗的安全性，提高临床试验的严密性及合理性尤为重要。尽管基因治疗仍有许多障碍有待克服，但总的趋势是令人鼓舞的。据统计，截止1998年底，世界范围内已有373个临床法案被实施，累计3134人接受了基因转移试验，充分显示了其巨大的开发潜力及应用前景。正如基因治疗的奠基者们当初所预言的那样，基因治疗的出现将推动新世纪医学的革命性变化。基因工程将使传统中药进入新时代转基因药用植物或器官研究、有效次生代谢途径关键酶基因的克隆研究、中药ＤＮＡ分子标记以及中药基因芯片的研究等，已成为当今中药研究的热点，并将使传统中药进入一个崭新的时代。

在转基因药用植物的研究方面，中国医学科学院药用植物研究所分别通过发根农杆菌和根癌农杆菌诱导丹参形成毛状根和冠瘿瘤进而再分化形成植株，他们将其与栽培的丹参作了形态和化学成分比较研究，结果发现毛状根再生的植株叶片皱缩、节间缩短、植株矮化、须根发达等；而冠瘿组织再生的植株株形高大、根系发达、产量高，丹参酮的含量高于对照，这对丹参的良种繁育，提高药材质量具有重要意义。面对许多野生植物濒于灭绝，一些特殊环境下的植物引种困难等问题，中国科学工作者开始探索通过高等植物细胞、