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1、基因工程进展概述鉴于对自然与科学前沿探讨这门课的学习，我认识了许多基因学方面的知识，也对其产生了极大的兴趣，同时处于高中时期生物课上对基因工程的了解，以及对其许多技术的好奇，所以对基因工程这个课题比较感兴趣。基因工程技术基础建立在两种特性上：一是跨物种性，即外源基因到另一种不同的生物细胞内进行繁殖；二是无性扩增，即源DNA在宿主细胞内可大量扩增和高水平表达。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
2、程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。基因工程的支撑技术有核酸凝胶电泳技术、核酸分子杂交技术、细菌转化转染技术、DNA序列分析技术、寡核苷酸合成技术、基因定点突变技术和聚合酶链反应技术。基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展基础上于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
3、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它DNA序列的、绝对纯净的DNA分子群体。科学家将改变人类生殖细胞DNA的技术称为“基因系治疗”，通常所说的“基因工程”则是针对改变动植物生殖细胞的。无论称谓如何，改变个体生殖细胞的DNA都将可能使其后代发生同样的改变。2
4、0 世纪70 年代以来，基因工程技术在世界范围内蓬勃兴起，至今已在多个学科领域得到广泛应用。基因工程是一项能够较好地服务于人类社会的工程技术，该技术通过改变生物的遗传组成，增加生物的遗传多样性，由此赋予新型转基因生物的表型特征。目前，以基因重组和克隆技术为代表的生物技术正以日新月异的速度迅猛发展。那么基因工程的原理是什么呢？基因工程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进行的研究，又称为DNA重组或分子克隆。通过体外重组，基因工程将不同来源的基因导入受体细胞，在体细胞内实现基因的复制、转录、翻译。这种技术是按照人们的意愿将某一生物的遗传物质DNA 大分子提取出来，在离体
5、条件下用适当的工具酶进行切割，然后与载体DNA 分子连接起来，一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中。对于受体细胞而言，与载体相连的DNA 分子就属于外源物质也称为重组体。重组体导入到受体细胞之后就可以进行正常的复制和表达，从而获得新物种。一般来说，载体的选择对能否成功进入受体细胞并且复制和表达起着很重要的作用，载体进入受体细胞应该以不影响受体细胞正常生长为基本原则。这种技术克服了远缘杂交的不亲和性障碍，为改造生物提供了有效的手段。由于分子生物学和分子遗传学发展的影响，基因分子生物学的研究也取得了前所未有的进步。为基因工程的诞生奠定了坚实的理论基础，这些成就主要包括了3个方面：第一，在40年代
6、确定了遗传信息的携带者，即基因的分子载体是DNA而不是蛋白质，从而明确了遗传的物质基础问题；第二，是在50年代揭示了DNA分子的双螺旋结构模型和半保留复制机制，解决了基因的自我复制和传递的问题；第三，是在50年代末期和60年初，相继提出了中心法则和操纵子学说，并成功的破译了遗传密码，从而阐明了遗传信息的流向和表达问题。这是人们期待已久的，应用类似于工程技术的程序，主动的改造生物的遗传特性，创造具有优良性状的生物新类型的美好愿望，从理论上讲已有可能变为现实。但在60年代的科学技术发展水平下，真正实施基因工程，还有一些问题：要详细了解DNA编码蛋白质的情况，以及DNA与基因的关系等，就必须首先弄清
7、DNA核苷酸序列的整体结构，怎样才能分离出单基因，以便能够在体外对它的结构与功能等一系列的有关问题作深入的研究，对于基因操作来说是十分重要的环节。在70年代两项关键技术：DNA分子的切割与连接技术，DNA的核苷酸序列分析技术从根本上解决了DNA的结构分析问题。应用核酸内切酶和DNA连接酶对DNA分子进行体外的切割与连接，是60年代末和70年代初发展起来的一项重要的基因操作技术。有人甚至说它是重组DNA的核心技术。1972年在旧金山H.W.Boyer实验室首先发现的EcoRI核酸内切限制酶具有特别重要的意义。1967年在世界上有5个实验室几乎同时发现了DNA连接酶。1970年当时在Wiscons
8、in大学的H.G.Khorana实验室的一个小组，发现T4DNA连接酶具有更高的连接活性，有时甚至能催化完全分离的两段DNA分子进行末端的连接。到了1972年底，人们已经掌握了好几种连接双链DNA分子的方法。在70年代，将外源DNA分子导入大肠杆菌的转化现象获得成功，1972年斯坦福大学的S.Cohen等人报道，劲氯化钙处理的大肠杆菌细胞同样也能够摄取质粒的DNA,从此，大肠杆菌便成了分子克隆的良好的转化受体。不到四年，世界上第一家基因工程公司“Genetech”注册登记，意味着基因工程的实际应用已跨入商业运作的门槛。70年代初期，开展DNA重组工作，无论在理论上还是技术上都已经具备了条件。1
9、972年，斯坦福大学的P. Berg博士领导的研究小组，率先完成了世界上第一次成功的DNA体外重组实验，并因此与W. Gilbert, F. Sanger分享了1980年度的诺贝尔化学奖。基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展基础上于本世纪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
10、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它DNA序列的、绝对纯净的DNA分子群体。科学家将改变人类生殖细胞DNA的技术称为“基因系治疗”，通常所说的“基因工程”则是针对改变动植物生殖细胞的。无论称谓如何，改变个体生殖细胞的DNA都将可能使其后代发生同样的改变。那么在当代
11、基因工程有着哪些应用呢？首先是植物基因工程技术在中草药研发中的应用。第一，它可以用来提高药用植物的有效成分含量。目前，学者在铁皮石斛上应用了基因工程技术，以提高其有效成分的含量。由于人工合成成本很高，若能够通过基因工程技术提高石斛碱的含量，会产生巨大的经济效益。魏小勇等以铁皮石斛种胚原球茎为研究材料，定向诱导后获得稳定的石斛碱突变体，分析突变体的表达效果，并以mRNA 为模板反转录产生cDNA，构建铁皮石斛差减cDNA 文库，获得差异表达mRNA反义基因。通过构建相应载体转化石斛，来分析转基因石斛中石斛碱的变化，通过筛选反义基因来确定石斛碱功能基因。将类似铁皮石斛的稀缺植物上应用基因工程技术，
12、可为中草药的研发奠定基础。第二，它可以用来提高药用植物的抗病性和抗逆性。一般对药用植物都是采用大规模的种植，由此才能满足市场需求。应用植物基因工程技术可解决栽培过程中的病害问题。如种植培养出的抗病毒、抗虫害品种，可增强植物对病害的抵抗能力，不仅能降低植物病害的发生，还能减少由于使用农药而带来的污染。Pilon-Smit et al将SacB 基因导入烟草，提高了转基因烟草的耐旱抗寒特性。我国学者也开展了植物基因工程技术的研究和应用，并取得了显著的成果。贺红教授等人以枳壳实生苗上胚轴为研究材料，为获得转柑桔衰退病病毒外壳蛋白基因的植株，其采用了遗传转化技术。有学者还利用Ti 转化系统获得了多种抗
13、病毒的植物，如抗黄瓜花叶病毒（CMV）的番茄和抗甜菜坏死黄脉病毒（BNYV）的甜菜等。其次基因工程在植物性食品脱敏中的应用。基因工程可以将目的基因导入受体细胞，也可以改变内源基因，只要找到需要删除的基因即可。过敏反应具有反应迅速的特点，过敏原种类也很多。因此，防止发生过敏反应也很困难。基因工程可以直接作用于过敏源头，即改变内源基因使编码的蛋白质失去致敏性。也可以通过基因工程方法处理食品及其原料可降低其致敏性，从而降低过敏病人的不良反应。反义技术可消除植物中内源基因，使致敏基因沉默，从而降低植物性食品致敏性。再然，转基因技术在哺乳动物遗传育种领域也有着应用。随着分子生物技术的发展，人们可以根据意
14、愿改良动物品种，结合基因技术原理的应用，由此实现重要的经济价值。在畜牧业生产上，主要是用于遗传改良，加速动物育种。转基因可以定向培育并保存物种的优良性状，并能加快其积累和保存的步伐。在大量的转基因动物中选出符合人们预想的转基因动物，利用优良动物品种的体细胞作核供体克隆动物，用于大量生产转基因动物。将转基因技术应用于家畜上，在动物体内转入结合特异抗原抗体基因，可生产出具有抗多种疾病性能的动物。转基因技术的科技含量较高，但在实验室内也能实现动物育种。在动物杂种优势利用方面，转基因技术可加速动物育种的进程，增强选育种畜性状的稳定性，降低育种的时限并提高效率。最后基因工程也可以应用于食品工业中。第一，
15、可以用来改良糖类。淀粉是一种多糖，通过对酶的调控可控制其含量水平，ADPP 葡萄糖焦磷酸酶、淀粉合成酶和分枝酶是高等植物的淀粉合成酶。将淀粉系土壤大肠杆菌的基因转移到马铃薯上，可增加马铃薯的淀粉含量。这种基因可表达ADP-葡萄糖焦磷酸化酶，使马铃薯淀粉含量增加近20%。目前，利用植物基因工程技术改善食品的风味已取得重大的进展。Monsanto 公司开发出转基因马铃薯，新型马铃薯产品的淀粉含量较传统品种平均提高了20%30%，油炸后的产品具有更好的构质和风味，并且油味和吸油量都较少。第二，可以用来改善发酵食品风味。发酵食品具有工业经济效益，其品质将直接影响效益。但是在该领域不能广泛地应用传统的微
16、生物，否则不能达到定向改造微生物性状的目的。因此，选择的微生物将决定发酵食品风味。随着分子生物学的兴起，在分子水平上可利用DNA 重组、RNA 干扰及基因敲除等基因工程技术来构建所需的基因工程菌株。例如，在啤酒和酱油的生产工艺中可利用转基因技术改善产品的风味。在酿造酱油的过程中，氨基酸的生成量对整体风味起决定性的作用，参与该反应的羧肽酶和碱性蛋白酶的基因已克隆并成功转化到菌株中，羧肽酶的活力可大幅提高13 倍，碱性蛋白酶的活力可提高5 倍，从而提高氨基酸的生成量。为满足不同食品的需要，在酱油的酿造工艺中可使用工程菌株，由此降低酱油的色度和口味。啤酒中含有一种叫双乙酰的物质，双乙酰是啤酒酵母细胞产生的-乙酰乳酸经非酶促的氧化脱羧反应自发产生的，当双乙酰含量超过风味阈值（0.020.10 mg/L）时，就会大大降低啤酒的口感，产生馊酸味，进而影响经济效益。为改善啤酒的风味，可采用-乙酰乳酸脱羧酶去除双乙酰。研究表明，利用转基因技术将编码-乙酰乳酸脱羧酶的基因克隆到啤酒酵母中进行表达，可以有效降低啤
