生物化學與分子生物學/DNA重組及基因工程技術對醫學和生命科學發展的貢獻
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作為分子生物學發展的重要組成部分，DNA重組及基因工程技術給生命科學帶來了革命性變化，促進著生命科學各學科研究和應用的進步，對推動醫學各領域的發展同樣起著重要的作用。
目錄 |
一、對人類遺傳信息的認識
遺傳信息決定生物的形態和特征，是生物生存之本。估計人類的基因組DNA約有4×109bp，含有約5-10萬個基因，但至今人類對自己賴以生存繁衍的這個龐大的遺傳信息庫還知之甚少，目前已經知道的人基因只占估計數的百分幾，已搞清楚其表達調控者更寥寥無幾，對占基因組80-90%不為蛋白質編碼序列的認識更少，因而實際上我們現在對自己生存的基礎和實質只有很表面的膚淺認識，設想如果人類掌握了自身全部遺傳信息的結構、功能、表達和調控，無疑將能夠深刻認識人的生長、發育、生存、繁衍的整個生老病死歷程，將能對疾病的診斷、治療和預防提出極有效的措施，將能真正掌握自己生存和發展的命運。
DNA重組技術的出現和發展，就使人們有可能去深入探索這個重大的課題。1985年提出的人基因組研究計劃（Human Genome Project）很快得到世界科學的響應，這個研究計劃的目標是要闡明人類遺傳信息的組成和表達，是迄今全球性生物學、醫學領域最引人注目的巨大研究工程。DNA重組是完成這個任務的主要手段，其中包括大片段DNA克隆、DNA的大尺度分析、全自動DNA序列測定，基因組信息數據庫的建立等新思維和新技術的不斷出現和發展，再加上大規模引入其它領域先進的科學技術，原預定21世紀頭10年繪制出完整的人類染色體基因定位圖、測定出人類基因組全部DNA序列，有望按期或提前完成。當然在這基礎上要搞清楚全部人類基因的功能、各基因間的關系，基因表達調控、人類遺傳信息的多樣性等還要經歷更長期和更艱苦的努力。但DNA重組技術促進了分子生物學迅速發展，給人類探索自身生命的奧秘展示了光明的前景。
生命關鍵的基礎在于蛋白質與蛋白質、蛋白質與核酸相的相互作用，生物大分子的結構與功能的聯系正是生命“活”的本質所在。憑借基因工程人們可以克隆獲得天然的或任意設計的核酸序列，可以大量獲得過去難以得到的生物體內極微量的活性蛋白質、可以設計獲得任意定點突變（site-directed mutagenesis）的基因和蛋白質，這就為研究蛋白質與核酸的結構與功能、揭露生命的本質提供了很有力的手段。
二、基因工程藥物與疫苗
利用基因工程技術生產有應用價值的藥物是當今醫藥發展一個重要的方向，現在世界上已有幾千家生物技術公司，其中多數都生產醫藥或醫藥研究所需的試劑。利用基因工程技術生產藥物有兩個不同的途徑：一是利用基因工程技術改造傳統的制藥工業，例如用DNA重組技術改造制藥所需要的菌種或創建的菌種，提高抗菌素、維生素、氨基酸產量等；二是用克隆的基因表達生產有用的肽類和蛋白質藥物或疫苗，雖然基因診斷和醫藥研究試劑的基因工程產品已經很多，但目前基因工程藥物還只處在發展的早期，至今真正被衛生部門正式批準投放市場的基因工程肽或蛋白類治療藥物現在還不多，但正在開發的基因工程治療藥物卻有幾百種，且而逐年迅速增加，可見其具有的巨大潛力。基因工程藥物不僅用于醫藥上，還能用于工農業上，促進生產的發展，已經投放市場或近期可望投放市場的基因中程藥物可舉出以下例子。
1、基因工程疫菌 乙型肝炎是常見的傳染病，過去從病人血液中分離乙肝病毒的表面抗原作為疫苗，來源有限，價格昂貴，有潛在交叉感染的危險。現在克隆得病毒編碼的HbsAg基因，使其表達獲得大量HbsAg用作疫苗。1986年國正式批準基因工程乙肝疫苗投放市場，我國的科學工作者也克隆得在我國流行常見乙肝病毒亞型的HbsAg基因，研制得適用于我國乙肝基因工程疫苗，并已生產和使用。近期可能投放市場的還有甲型肝炎、巨細胞病毒、流行性出血熱、輪狀病毒、細菌性腹瀉等基因工程疫苗。我軍事醫學科學院研制的仔畜腹瀉基因工程疫苗，使仔畜免遭大腸桿菌腹瀉之害，保護率達90%以上，為我國的肉食供應做出了貢獻。
2、基因工程肽類藥物 由免疫細胞和其它細胞分泌的細胞因子是具有很高活動性的肽類分子，在調節細胞生長分化、調節免疫功能、參與炎癥反應和創傷修復中起重要作用，其中許多很有應用價值，但其生成量極微，難以提取獲得，基因工程則可克隆其基因，使之表達獲得大量產物供用。傳統的肽類激素，血液中的微量活性成分、酶類同樣可用基因工程手段獲得。表20-3列出一些已上市的正在研制的基因工程多肽藥物。
表20-3 基因工程肽類藥物
| 名稱 | 作用 |
| 各種干擾素(interferon IFN) | 抗病毒、抗腫瘤、免疫調節 |
| 各種細胞介素(interleukins ,IL) | 免疫調節、促進造血 |
| 各種集落刺激因子(colony stimulating factors ,CSF) | 刺激造血 |
| 紅細胞生成素(erythropopoetin EPO) | 促進紅細胞生成，治療貧血 |
| 腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF) | 殺傷腫瘤細胞、免疫調節、參與炎癥和全身性反應 |
| 表皮生長因子(epidermal growth factor, EGF) | 促進細胞分裂、創傷愈合、胃腸道潰瘍防治 |
| 神經生長因子(nerve growth factor ,NGF) | 促進神經纖維再生 |
| 骨形態形成蛋白(bone morphogenetic protein ,BMP) | 骨缺損修復、促進骨折愈合 |
| 組織纖溶酶激活劑(tissue-type plasminogen activator ,t-PA) | 溶解血栓、治療血栓疾病 |
| 血凝因子Ⅷ、Ⅸ | 治療血友病 |
| 生長激素（rgowth hormone ,GH） | 治療侏儒癥 |
| 胰島素(insulin) | 治療糖尿病 |
| 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase ,SOD) | 清除自由基、抗組織損傷、抗衰老 |
3、基因工程抗體 用傳統細胞融合雜交瘤技術制備的單克隆抗多數是鼠源性抗體，用于人體會產生免疫排斥反應，用雜交瘤方法制備人源性抗體又遇到難以克服的困難。用基因工程的方法可以不經過雜交瘤技術而直接獲得特定的人的抗體基因克隆。也可以計算機輔助設計，用DNA重組技術將鼠源性抗體基因人源化，然后放入表達載體，表達產生人源化抗體。我國已成功克隆得到多種腫瘤、抗病毒、抗細胞因子、抗細胞受體等不同單克隆的基因，鼠源性抗人肝癌、抗人黑色素瘤、抗人纖維蛋白抗體基因的人源化工作正在進行，并已成功直接獲得人源性抗乙型肝炎病毒抗體基因。不同類型的抗體基因已分別在細菌、昆蟲細胞、培養的哺乳細胞和植物中表達。基因工程抗體被稱為第三代抗體，其研制雖然剛起步，但已展示出良好的應用前景。
三、轉基因動物和植物
克隆的基因不僅導入細菌和培養的細胞，而且能轉入動植物體內、改變其遺傳特性。轉基因動物（transgenic animals）就是指在其基因組內穩定地整合有外源基因、并能遺傳給后代的動物。1979年Mintz等將SV40病毒NDA導入小鼠早期胚胎的囊胚腔，第一次得到載有人工導入外源基因的嵌合體小鼠（chimeicmorse）。1982年Palmiter等將克隆的生長激素基因用顯微注射（microinjection）的方法直接導入小鼠受精卵細胞核內，所得轉基因的小鼠的肝、肌、心等組織都能產生生長激素，小鼠比原個體大幾倍，稱為“巨鼠”，使人們意識到轉基因技術的巨大潛力及其在遺傳育種方面的劃時代意義，除受精卵外，從胚胎中分離的多潛能干細胞（ES細胞,embryonic stem cells）也能接受外源基因發育成個體，外源基因的導入還可以采取逆轉錄病毒載體感染等方法。目前已經得到的轉基因動物除鼠外還有轉基因兔、羊、豬等。
利用轉基因動物可以建立人類疾病的動物模型，為對人類疾病病因研究，以及測試新治療方法提供了有力手段。例如用導入各種癌基因、致瘤病毒基因或其調控序列等的轉基因小鼠，可以觀察腫瘤發生的歷程和影響因素；導入相關突變基因的轉基因動物可以造出糖尿病、鐮刀形細胞貧血、白內障等疾病模型；用肝炎病毒基因的轉基因動物可以研究肝炎病毒基因在肝炎病中的作用，利用導入各種細胞因子基因、免疫功能基因、以及特定核酸序列的轉基因動物可以從整體研究細胞因子、免疫調控、基因表達調控等問題。
近年來轉基因動物技術又有新的發展。ES細胞導入與目的基因同源的序列，則在體內可以經同源重組使用的基因發生突變，這樣成長起來的動物有目的基因的缺陷，這種技術稱為基因打靶（gene targetting）。用基因打靶可以在整體水平上研究基因的功能，并能制造出遺傳缺陷的疾病模型。
用轉基因動物還能獲得治療人類疾病的重要的蛋白質。例如導入了凝血因子Ⅸ基因的轉基因綿羊分泌的乳汁中含有豐富的凝血因子Ⅸ，能在效地用于血友病的治療。
轉基因技術在遺傳育種上闖出了新路。成功獲得“巨鼠”，激起了人們的創造優良品持家畜的熱情。我國水生生物研究所將生長激素基因轉入魚受精卵，得到的轉基因魚生長顯著加快、個體增大；轉基因豬也正在研制中。
轉基因植物在育種上也獲得成績。1994年比普遍西紅柿保鮮時間更長的轉基因西紅柿投放市場，1996年轉基因玉米、轉基因大豆相繼投入商品生產。美國最早研制得抗蟲棉花，我國科學家將自己發展的蛋白酶抑制劑基因轉入棉花獲得抗棉鈴蟲的棉樺株。到1996年全世界已有250萬公頃土地種植轉基因植物。與按傳統孟德爾遺傳規律育種比較，轉基因技術顯出其優越和更大的潛力，提高光合作用、擴大固氮能力、提高營養價值、抗蟲、抗病、抗旱等轉基因植物都在研究中。將人的基因轉入植物還可能獲得醫學上的治療用途的藥物，例如將人抗體基因轉入煙草，從煙葉中就能提取得人的抗體蛋白。
四、基因診斷與基因治療
基因克隆和基因分析的手段得到與人類疾病有關的基因異常變化、以及致病微生物基因結構方面的知識，就可能用檢測和分析基因的方法去診斷疾病。對與疾病相關的基因及其調控了解，就有可能導入外源目的基因去糾正基因缺陷或改變基因表達調控以期達到治療疾病的目的。這些都是分子生物學進展在醫學上重要的應用。因而本書列出兩章專門討論，在此不再重復敘述。
NDA重組技術和基因工程使人類進入了能動改造的生物界的新紀元，使醫學發展到分子醫學的新階段。但由于人類對生物基因組的結構、基因表達調控等認識還很有限，因而分子生物學的成果在醫學上的應用還處在初級階段。新的基因工程藥物雖然不斷涌現，但已應用的還是少數，而且由于對基因產物的整體效應等研究還不夠充分，即使已批準投入市場的基因工程藥物，有的療效還不很理想。基因診斷應用的范圍尚有待擴大，基因治療理想成功的例子還不多。轉基因的工作還由于基因導入后在基因組上的定位整合等知識和技術尚不成熟，因而現在轉基因的工作還很盲目、成功率還很低。這些都有待于進行許多扎實的基礎研究，了解更多分子遺傳學方面規律，并改進和創建新的技術，才能得到提高。然而探索著生命本質的分子生物學已經指出了光明的前程，隨著科學的進步，肯定將逐步實現能按人們的意志去獲得理想的結果，可以說“前途光明燦爛，道路曲折而遙遠”。
 克隆基因的表達 | DNA重組與基因工程小結  |
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