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浅谈基因组工程的发展及其应用  

2009-09-03 21:48:53|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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浅谈基因组工程的发展及其应用

张钦增 

(三明学院06级生物技术  福建三明  365004

摘要:基因组工程是在现代生物学、化学和化学工程学以及其他数理科学的基础上产生和发展起来的。基因组工程的出现是20世纪生物科学具有划时代意义的巨大事件,它使得生物科学获得迅猛发展并带动了生物技术产业的兴起。它的出现标志着人类已经能够按照自己意愿进行各种基因操作上规模生产基因产物,并自主设计和创建新的基因、新的蛋白质和新的生物物种,这也是当今新技术革命的重要组成部分。

关键字: 基因组工程  发展  应用

1前言

基因组工程技术的使用填补了生物种属间不可逾越的鸿沟。开辟了在短时间内改造生物遗传性的新领域,打破了常规育种难以突破的物种界限,克服了育种的盲目性。基因工程使原核生物与真核生物之间、动物与植物之间,以至人与其他生物之间的遗传信息进行重组和转移。基因工程已经成为当今生命科学研究领域中最具有生命力、最引人瞩目的前沿学科。

1基因组工程发展简史

1865年,奥地利神父Mendel根据他多年的豌豆试验结果,提出了遗传因子的分离和自由组合规律。经历一百多年,凝聚了无数科学工作者的集体智慧和结晶的基因工程才宣告诞生,而其中理论上的三大发现和技术上的三大发明为基因工程的诞生起到了决定性的作用。

1.1基因组工程的理论基础

早在1869年,人们就从莱茵河鲑鱼的精子中首次发现DNA。但一直到了1934年,Avery才首次在美国的一次学术会议上报道了肺炎链球菌(Streptococcus  pneumonias)的转化。事实上,Avery的工作不仅用试验证实了生物的遗传物质是DNA而不是蛋白质,而且还证明了DNA可以转移,即一个生物的特征形状可以在生物之间进行转移。Avery这一开创性的工作揭开了基因工程的序幕。

1953年,美国分子生物学家Watson和英国物理学家Crick合作研究,揭示了DNA分子的互补双螺旋结果模型。随后,这种模型被电镜拍摄到的直观形象照片所证实。

1958年起,Meselson等又相续阐明了DNA分子在活体内的半保留复制机理和Crick提出了遗传信息流是“DNAmRNA→蛋白质”,阐明了核酸的复制、转录和翻译的三大遗传学核心问题,为遗传和变异提供了理论根据。

1.2基因工程的技术源泉

第一,限制性核酸内切酶和DNA连接酶的发现,为DNA分子的切割和重组提供了技术基础。1970,SmithWilcon在流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae)中分离纯化了第一个限制性核酸内切酶。随之,实验室又于1972年发现了一种能够特异切割GAATTC序列、命名为EcoRⅠ的核酸内切酶。1970年具有更高连接活性的T4 DNA连接酶也被美国的Khorana实验室发现。1971年,美国欶大学的科学家应用DNA连接酶将由限制性内切酶切开的DNA片段进行连接,构建了第一个重组DNA分子。

第二,由于体外酶切所得的大多数DNA片段不具备自主复制的能力,为了解决这个问题,从1964年开始,Lederberg着手研究细节的性因子——F质粒。此后,其他质粒相继被发现,如抗药性因子、大肠杆菌素因子。1973年以Cohen为首的研究小组把两个不同的质粒拼接在一起,组合成一个嵌合质粒,并将此质粒作为基因工程的整体声乐,首次获得基因克隆的成功。

第三,Baltimore研究组和Temin等人同时发现了逆转录酶。逆转录酶的功能表现不仅使早期的中心法则得到了修正,更重要的是逆转录酶的使用使职真核基因的制备成为可能,并打开了真核生物基因工程的新通路。

 

2基因工程的研究内容

2.1基因组工程的概念

基因组工程(genetic engineering),也叫基因操作、重组DNA技术。它是一项将生物的某个基因通过基因载体运送到另一种生物的活细胞中,并使之无性繁殖(称之为“克隆”)和行使正常功能(称之为“表达”),从而创造生物新品种或新物种的遗传学技术。基因工程的核心是构建重组体DNA的技术。

2.2基因组工程的研究内容

2.2.1基础研究

2.2.1.1基因组工程克隆载体的研究
   
基因组工程的发展与克隆载体的构建密切相关,至今已构建了大量克隆载体。以构建克隆载体的材料分为:质粒载体系统、病毒(噬菌体)载体系统、质粒同病毒(噬菌体)DNA组成的载体系统、质粒同染色体DNA片段组成的基因整合载体系统、以及叶绿体DNA或线粒体DNA构建的载体系统。

2.2.1.2基因组工程受体系统的研究
   
作为目的基因表达的受体系统,早期应用的主要是大肠杆菌和酵母,已有定型的工业生产工艺,由这些受体系统生产的基因工程产品已投放市场。近年来,高等植物细胞和哺乳动物细胞也被用作目的基因表达的受体系统,获得了一系列转基因细胞林和少数转基因动植物个体。

2.2.1.3.基因组的研究
   
基因是一种重要的遗传资源,是一种宝贵的财富,获得优良性状相关的基因是基因工程的先决条件,分离致病基因也是基因工程研究的一项内容。因此,近年来不少国家花巨款研究人类和主要动植物的基因组。一旦阐明人类的基因组,可了解人类几千种遗传病的病因,为其基因治疗提供依据。
2.2.1.4.基因组工程新技术的研究
   
自从基因组工程问世以来,用于基因组工程的技术不断出现,不断更新。围绕着外源基因导人受体细胞,在DNA化学转化、农杆菌介导和病毒(噬菌体)转导的基础上,近年来发展了电穿孔转化法和微弹轰击转化法等新技术。围绕着基因的检测,在利用放射性同位素标记探针的基础上,又发展了系列非放射性标记探针的技术;还发展了PCR技术,使检测基因的灵敏度大大提高。

2.2.2应用研究
2.2.2.1
.基因组工程药物研究

自从70年代末开始研究人胰岛素等基因在大肠杆菌中表达以来,基因工程药物研究进展迅速,至今美、日等国已有多种此类药物批准上市。另有一大批基因工程药物处于不同程度的临床试验。研制的药物主要有干扰素类、生长素类、白细胞介素类、胰岛素和肝炎疫苗等。我国在这方面也取得了不少成果,重点研究开发乙肝疫苗、白细胞介素-2、人组织血纤维蛋白溶酶原激活剂、人生长激素、α─干扰素、表皮生长因子和人胸腺素等基因工程药物。尤其是α─干扰素基因工程产品于1989年投产,成为我国第一种基因工程药物。

2.2.2.2. 基因治疗研究
   
凡由于基因突变、缺失和异常表达引起的疾病,如遗传病、恶性肿瘤等目前尚缺理想的治疗手段,寄希望于基因治疗。基因治疗主要包括制备正常基因取代遗传缺陷的基因,或者关闭异常表达的基因,或者降低异常基因的表达强度。利用基因治疗在治疗免疫性疾病、黑色素瘤和血友病等方面已有一些成功的例子。但基因治疗仍处于探索阶段,有待深入研究。目前正在迅速发展的基因定位整合技术有望成为一种有效的基因治疗方法。
2.2.2.3. 转基因植物研究
   
虽然农作物经长期人工选育,汇集了多种优良性状,但仍有种种缺陷须进一步改进。植物转基因研究就是改进农作物性状的一条新的途径。1980年以来发展迅速,尤其是采用转基因技术在选育抗除草剂植物、抗病虫害植物和产药物植物等方面取得了一些成果,并且将成为21世纪初重点发展的领域。我国在转抗病虫害基因植物研究方面也取得了成功,转抗旱、抗盐基因植物将作为我国今后重点研究的项目。

3基因组工程的应用

3.1基因组工程在工业领域的应用

在食品工业中,乳品类、食用腐乳和啤酒等的生产中都涉及生产菌。在今天的生物技术领域,利用基因组工程技术构成的工程菌在工业建设中也发挥着重要的作用。如在石油开发的后期加入某种特殊的基因工程菌,就能提高原油中含蜡组分的分解速度,降低原油的黏度和提高油层内部的压力,从而使石油的流出量大大增加,使储存在地下深处的石油得到充分开采;今年,我国成功以酶法制取16—二磷酸果糖(FDP),作为改善缺氧,缺血损伤细胞能量代谢的药物,一旦利用基因操作哈蛋白工程技术构建制备FDP的酶,即能大大提高FDP的质和量,显示出基因工程的力量。

 

3.2基因工程与农业

    1983年世界上成功地获得第一株转基因烟草以来,植物基因工程技术在作物品种改良、抗虫、抗病、抗除草剂、杂种优势利用等方面得到了广泛的应用。据不完全统计,到2003年,转基因植物大国中,美国8280万公顷(占全球种植面积的63%)、阿根廷1390万公顷(占21%)、加拿大440万公顷(占6%)、巴西330万公顷(占4%)、中国280万公顷(占4%)、南非40万公顷(占1%)。主要转基因作物是大豆(4140万公顷)、玉米(1550万公顷)、棉花(720万公顷)和油菜(360万公顷)。主要转基因形状是抗虫剂(占49.7%)、抗虫剂(占18%)、抗除草又抗虫剂(占8%)等。

3.3基因组工程在医药领域中的应用

3.3.1基因治疗

    基因治疗是指将正常的外源基因通过基因转移技术插入患者特定靶细胞中,取代患者受体细胞中的缺陷基因,最终达到纠正获补偿基因缺陷或异常而引起的疾病。其内容包括基因诊断、基因分离、载体构建和基因转移。目前适合于基因治疗的疾病有遗传性疾病(如镰刀状细胞病、血友病、地中海贫血等)、免疫缺陷性、肿瘤、恶性血液病和糖尿病、心血管疾病等。

3.3.2基因诊断

    基因诊断又称DNA诊断,主要是从基因水平确定病变吉亚尼及其定位。目前已建立起多种病变基因的诊断和定位方法,如PCR扩增靶序列、限制性片段长度多态性分析仪(RFCP)、单链构型多态性分析法(SSCP)、DNADNA芯片杂交病变图谱法等,属于全新内容、全新技术和全新概念的实验室诊断方法。目前,基因诊断主要着眼于遗传性基因疾病的诊断、感染病疾病的基因诊断和肿瘤的基因诊断等方面,基因诊断对明确遗传性状疾病的基因定位,基因缺陷的类别和程度,以及对遗传相关疾病或有遗传倾向的疾病进行相关基因的连锁分析,起到辅助诊断的作用。

3.3.3基因克隆技术在生物制药中的应用

    生物制药就是把生物工程技术(包括基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程)应用到药物制造领域的过程,主要包括基因工程药物、生物育苗和生物诊断试剂三个方面。自1977PutterGoodman首次克隆了胰岛素的基因并应用重组技术大规模生产种族胰岛素以来,基因工程药物发展迅速。近年来,基因工程广泛应用于治疗变态反应如哮喘、类风湿性关节炎、糖尿病和防止器官移植排斥反应的SIL-2IR等。

4.小结

短短的二十多年,基因组工程显示出巨大的活力,使传统的某些生产方式和产业结构发生了变化,迅速向经济和社会的很多领域渗透和扩散,推动社会生产力的迅速发展世界上很多国家的决策者担心在战略上失去时机,导致在这个领域上的落伍,就纷纷制定出宏伟的发展计划,争取主动权.一些有远见的企业家也向基因工程研究投入巨资,积极开发新的基因工程产品,控制市场,获得和以期获得高额利润。可以肯定,基因组工程研究将会得到很大的发展。 

 

5.致谢:本论文是在梁一池教授、邢建宏老师的精心指导下完成的,尤其感谢邢建宏老师在此过程中的谆谆教导和同学们的支持和帮助,在此表示衷心的感谢!

 

参考文献

 

【1】       刘祥林  聂刘旺等主编.基因工程产生的基础.北京:科学出版社, 2005.1

【2】       彭银祥  李 勃  陈红星等.基因工程的研究内容.武汉:华中科技大学出版社, 2007.3

【3】       杨吉成,缪竞诚等.医用基因工程.北京:化学工业出版社,2003

【4】       何忠效等.生物技术概论.北京:科学出版社,2002

【5】       吴乃虎.基因工程原理.第二版.北京:科学出版社,2001

【6】       李 元.基因工程医药.北京:化学工业出版社,2002

 

 

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