基因工程和人类基因组计划

第一节　基因工程和人类基因组计划

我始终努力保持自己思想的自由，我可以放弃任何假说，无论是如何心爱的，只要事实证明它是不符。

——达尔文（英国）

现代遗传学家认为，基因是DNA（脱氧核糖核酸）分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段。基因位于染色体上，并在染色体上呈线性排列。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息得到表达。不同人种之间头发、肤色、眼睛、鼻子等不同，是基因差异所致。所有地球生命，都以基因传递遗传信息，基因携带了生物全部的秘密，控制着生物的所有性状。基因工程，就是将目的基因与基因载体结合，引入受体细胞，使之复制并产生相应基因产物的技术。

1953年，沃森和克里克发现了DNA分子双螺旋结构，奠定了分子生物学的基础，从而给整个生物学带来了一场革命。DNA分子双螺旋模型的主要内容是：双螺旋一两条链以氢键相连，碱基的配对原则是A与T，C与G，这个模型合理地解释了DNA复制和转录过程，使DNA作为遗传物质的地位得到确认。1973年，美国斯坦福大学的科恩（S.Cohen）和加利福尼亚的博耶（P.Boyer，1918～）等科学家提出了“基因克隆”的策略，从此基因工程成为现代生物学的核心。

基因是染色体上有遗传功能的DNA片段。DNA是由碱基对构成的，生物的DNA有四种碱基，两两成对，三个连续的碱基组成一个密码子，决定蛋白质的一个氨基酸。成千上万个碱基有序排列，决定了生物体的蛋白质种类和数量，也决定了生物的遗传性状。测定生物DNA的顺序，辨识生物的基因，是基因工程的前提。人类基因组计划就是要测定人类的全部基因，提示了人类的所有遗传秘密，为人类造福。

（一）基因工程

（1）什么是基因工程

基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展的基础上于20世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学。一般来说，基因工程是指在基因水平上的遗传工程，它是用人为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，以让外源遗传物质在其中“安家落户”，进行正常复制和表达，从而获得新物种的一种崭新的育种技术。

这个定义表明，基因工程具有以下几个重要特征：首先，外源核酸分子在不同的寄主生物中进行繁殖，能够跨越天然物种屏障，把来自任何一种生物的基因放置到新的生物中，而这种生物可以与原来生物毫无亲缘关系，这种能力是基因工程的第一个重要特征。第二个特征是，一种确定的DNA小片段在新的寄主细胞中进行扩增，这样实现很少量DNA样品“拷贝”出大量的DNA，而且是大量没有污染任何其他DNA序列的、绝对纯净的DNA分子群体。

（2）基因工程的应用

图9-1　趋化因子与肿瘤的免疫治疗

①遗传性疾病的基因治疗。基因治疗是对有基因缺陷的细胞导入外源基因，以达到治疗的目的，又如血友病乙的基因治疗是较成功的。血友病乙病人是由于缺乏凝血因子Ⅸ基因而出血不止，必须输血治疗，而这样易感染艾滋病和乙肝。基因治疗是将病人的皮肤细胞在体外培养，通过反转录病毒载体将凝血因子Ⅸ基因导入细胞后，扩增后与胶原混合注射回病人，可使Ⅸ因子蛋白浓度升高了2倍，持续了一年多，症状得到明显改善。对于遗传疾病可以通过基因治疗的方法来治疗。它现在已经推广到治疗癌症和艾滋病，也延伸到诊断标记方面。世界第一例成功的基因治疗是1990年9月14日美国的一个年仅四岁的小女孩，接受的严重复合免疫症的基因治疗。其他的如血友病B的基因治疗、恶性肿瘤的基因治疗、急性早幼粒细胞白血病的基因治疗和基因表达调控。

②转基因生物。转基因技术是把外源基因整合到受体基因生物中去，并使外源基因在受体生物中得到表达。这种具有外源基因的受体生物就是转基因生物。

Ⅰ转基因动物。转基因动物是通过人工的实验方法，将别的基因导入动物的受精卵。别的基因与动物本身的基因整合在一起，而且随细胞的分裂而繁殖，并且能够将别的基因信息遗传给后代，严格意义上说，转基因动物是人工创造的新动物。如1992年2月19日，由中国科学院曾溢滔院士领衔的上海医学遗传研究所培育出的中国第一头转基因牛——滔滔。

Ⅱ转基因植物。转基因植物是指把从动物、植物或微生物中分离到的目的基因，通过各种方法转移到植物的基因组中，使之稳定遗传并赋予植物新的农艺性状，如抗虫、抗病、抗逆、高产、优质等。随着现代生物技术的迅速发展，植物转基因技术方兴未艾。自从1983年首次获得转基因植物后，至今已有35科120多种植物转基因获得成功。1986年首批转基因植物被批准进入田间试验，至今国际上已有30个国家批准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。

Ⅲ转基因微生物。微生物工程正在使用大量的转基因微生物，以生产原来只有动物和高等植物才能生产的生物制品。微生物的易于控制和高产量与转基技术相结合，使许多昂贵的生物制品日益成为常规的药物。

（二）人类基因组计划

DNA双螺旋结构的发现，使科学家认识到DNA碱基对排列顺序的重大意义，开始破解生命密码，1986年，美国能源部正式提出了人类基因组计划，1988年，美国国立卫生院和美国能源部达成协议，联合实施“人类基因组计划”，包括中国在内的六个国家正在从事这项重大科学合作项目。

人类基因组的长度约为30亿个碱基对，破解人类基因组的全部密码是一项宏伟工程。

人类基组计划在对人体30亿对碱基进行准确测序，分析所有基因的结构和功能，解读人类的全部遗传信息。初步分析表明，人类基因组共有31.647亿个碱基对，共有3～3.5万个基因，比线虫多1万个基因，比果蝇多2万个基因，远低于原来估计的10万个基因的数字。科学家还发现，与蛋白质合成有关的基因只有2%。而人类DNA上大量的序列的意义还不清楚。

除了对人类DNA测序外，人类基因组计划还包括环境基因计划、药物基因组计划、基因组多样性计划、后基因组计划（蛋白质组计划）。

图9-2　基因家族种类示意图

人类疾病与基因关系密切。基因突变或有害基因的侵入，是造成人类疾病的重要原因之一。由于每个基因对人的正常功能的影响都很复杂，所以任何一种基因的突变都可能引起多种疾病，临床表现为综合症。寻找和研究引起疾病的基因，进而利用基因方法及早发现疾病，是我们对付遗传疾病的重要手段。

（1）疾病基因

随着对遗传致病机理的深入研究，科学家们提出了基因治疗的设想：向靶细胞或组织引入外源基因DNA或RNA片段，以纠正或补偿缺陷的基因，关闭或抑制异常表达的基因，从而达到治疗的目的。

（2）遗传疾病的分子诊断

在DNA水平上尽早发现某种遗传病，那么人们可以知道自己或自己的后代是否安全，因此，DNA诊断分析可以用来发现和鉴定遗传物质异常，用于严重遗传疾病的产前诊断及早期治疗，例如对镰刀型贫血症的产前诊断。

但是，破解了生命基因也可能带来一些问题。如人们是否能随意获取、传播基因信息，并加以商业利用，或者根据基因信息判断其所有的生老病死等遗传特征；是否能通过改造基因来改变人的生物特征。这些问题使人们在高兴之余不得不冷静思考：生命天书之破译，福兮？祸兮？

对基因技术的应用感兴趣的学生可登陆：

http://www.sino-gene.cn/

【思考题】

1.什么是生物技术？主要包括哪些？

2.什么是基因工程？其主要应用是什么？