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1、1遗传工程（genetic engineering）是 70 年代才开始发展起来的一门新学科。它是在遗传学和分子遗传学的理论基础上，综合采用了分子生物学与微生物学的现代方法和手段而建立起来的。人们常常把基因工程笼统地称为遗传工程，其实这种将“遗传工程”和“基因工程”2 个术语不加区分地使用，甚至认为两者完全等同的认识是不准确的。严格的说，遗传工程是指改变生物有机体性状特征为目标的遗传信息量的操作（the manipulation of the information content） ，它既包括了染色体水平的常规育种，也包括相对复杂的基因的内容，但它所涉及的却比基因工程要广泛的多，两者之间是有
2、差别的。现在一般认为，遗传工程有广义和狭义两种，狭义的遗传工程即指基因工程，广义的遗传工程除了包括基因工程以外还包括细胞工程，染色体工程等。我们作为生物系的同学，应该从广义上理解遗传工程的概念，扩大知识面，深入系统的学习遗传学的发展，全面的了解遗传工程的研究内容。这是我们学习这门课程的目的。第一部分 基因工程第一章 绪论20 世纪 70 年代初，在生命科学发展史上发生了一个伟大的事件，美国斯坦福大学的科学家 S.Clhen 第一次将两个不同的质粒加以拼接，组合成一个杂合质粒，并将其引入大肠杆菌体内表达。这种被称为基因转移或 DNA 重组的技术立即在学术界引起了很大的震动。很多科学家深刻认识到这
3、一发现所包含的深层含义以及将会给生命科学带来的巨大变化，惊呼生命科学一个新时代的到来，并且预言 21 世纪将是生命科学的世纪。由于基因转移是将不同的生命元件按照类似于工程学的方法组装在一起，生产出人们所期待的生命物质，因此也被称为基因工程。基因工程的出现使人类跨进了按照自己的意愿创建新生物的伟大时代。虽然从它的诞生至今不足 40 年，但这一学科却获得了突飞猛进的发展。可以说，基因的研究为基因工程的创立奠定了坚实的理论基础，基因工程的诞生是基因研究发展的必然结果；而基因工程技术的发展与应用，又深刻有力地影响着基因的研究，使我们对基因本质的认识提高到了空前的高度。因此，在讨论基因工程之前，我们先简
4、单地回顾一下基因概念的发展史。1.1 基因的概念人们对基因的认识经历了长时间的发展过程，而且随着生命科学的发展，基因的概念还在不断深化。1866 年，遗传学的始祖孟德尔（G.J.Mendel）在他的豌豆杂交实验论文中，将控制性状的遗传因素称为遗传因子，并且用大写字母代表显性性状，用小写字母表示隐性性状。虽然当时孟德尔对遗传的物质基础一无所知，但事实上他所讲的遗传因子已经形成了基因的雏形。时至今日，在遗传学的分析上我们还经常用这些字母来表示所分析的基因。1909 年，丹麦的遗传学家约翰生（W.L.Johanssen 纯系学说创始人）首次提出用“gene”来代替孟德尔的遗传因子（我国著名遗传学家谈
5、家桢先生首先将 gene 翻译为基因），提出了基因型与表现型的区别，指出前者是一个生物的基因成分，后者是这一基因表现的性状。当时提出的基因概念仅仅是一个代表遗传性状符号的改变，并未涉及遗传的物质概念。1910 年以后，美国遗传学家摩尔根（T.H.Morgan）等人以果蝇为材料进行杂交实验，第一次把代表某一个性状的特定基因与某一特定染色体上的特定位置联系起来，发现了连锁交换定律。摩尔根提出了遗传粒子理论，认为基因是一粒一粒在染色体上呈直线排列的，且互不重叠，就象连在线上的佛珠一样。摩尔根理论的重要性在于基因已经不再是一个抽象的符号，而是与染色体紧密相关的一个实体。220 世纪 40 年代初，物理
6、学家和化学家把研究方向转移到对基因本质问题的探讨上。1944 年阿委瑞（Avery.O.T）等人用著名的肺炎双球菌转化实验首次证明 DNA 是主要的遗传物质，把“基因位于染色体上”这一理论进一步推进到“基因位于 DNA 上” 。1953 年J.D.Watson 和 F.H.C.Crick 提出了 DNA 双螺旋结构模型，这是遗传学发展史上一个重大的转折。这时，人们接受了基因是具有一定遗传效应的 DNA 片段的概念。1955 年，Benzer 基于 T4 噬菌体的顺反互补试验，提出了顺反子的概念。过去人们认为基因是三合一体，即既是一个功能单位，也是一个突变单位和一个交换单位。Benzer 通过研
7、究证明，一个基因内部的许多位点可以发生突变，并且可以在这些位点之间发生交换，说明一个基因并不是一个突变单位或一个交换单位。实际上顺反子要比突变单位或重组单位大得多。一个顺反子内部可以发生突变或重组，即包含着许多突变子和重组子。到此为止，已经从功能单位的意义上把顺反子和基因统一起来了，顺反子实际上成为基因的同义词。20 世纪 60 年代，法国遗传学家 F.Jacob 和 J.Monod 在研究细菌基因调控中证实，基因是可分的，功能上是有差别的，即既有决定合成某种蛋白质的结构基因，又有编码阻遏或激活结构基因转录和合成蛋白质的调节基因，还有其他无翻译产物的基因。发现操纵基因，修正了“一个基因一个酶”
8、的说法，提出了顺反子代替基因概念的不确切性。20 世纪 70 年代以后，人们陆续发现了断裂基因、重叠基因、跳跃基因，使对基因的认识更进一步深化。科学家在比较 DNA 序列与相应的 mRNA 序列以后发现：一个基因往往由几个互不相邻的段落组成；它的内部还包含一段或几段最终不相应出现在成熟 mRNA中的片段的基因，这些不相应出现在成熟 mRNA 中的片段称为内含子，而相应出现在成熟mRNA 中的片段则称为外显子；有时一个基因可被几百个至几千个碱基所间隔，经过转录加工后在成熟的 mRNA 中被除去。在珠蛋白基因、卵清蛋白基因、rDNA、tRNA 等的基因中均发现这种间隔的片段。1977 年，F.Sa
9、nger 在测定噬菌体 X174 全部核苷酸序列时发现 D 基因中包含着基因E。基因 E 的第一个密码子从基因 D 的中央一个密码子 TAT 的中间开始，因此，两个部分重叠的基因所编码的两个蛋白质大小不等，氨基酸的组成也不同。美国冷泉港实验室女科学家 B.McClitock 在玉米中首次发现了可移动遗传因子（ mobile genetic element） ，当时称为控制因子。这一发现动摇了基因是带有一定遗传信息的稳定结构的概念，使人们认识到也有跳跃的遗传因子。McClitock 也因其在移动基因研究上的超时代发现和卓越的贡献，荣获了 1983 年度的诺贝尔生物学医学奖。当她得知自己获奖的消息
10、后，第一件事是给冷泉港实验室的所长写信要求说，请不要打扰我，仍然给我做我想做的工作。一位伟大的科学家不为名利所动，潜身于科学事业的优秀品质溢于言表。综上所述，我们对基因的认识可以肯定以下几点：基因是实体，它的物质基础是DNA（或 RNA） 。基因是具有一定遗传效应的 DNA 分子中的特定核苷酸序列。基因是遗传信息传递和性状分化发育的依据。基因是可分的。根据基因的产物可将其分为编码蛋白质的基因（包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码作用于结构基因的阻遏蛋白或激活蛋白的调节基因） ，无翻译产物的基因（如转录成为 RNA 以后不再翻译成为蛋白质的转运核糖核酸 tRNA 基因和核糖体核酸 rRNA 基
11、因）以及不转录的 DNA 区段（如启动子、操纵基因等） 。概括说来，基因是一个含有特定遗传信息的核苷酸序列，它是遗传物质的最小功能单位。1.2 基因工程的定义及其主要的研究内容一般来说，所谓的基因工程是指在体外将核酸分子插入病毒、质粒或其它载体分子，构成遗传物质的新组合，并使之参入到原先没有这类分子的寄主细胞内，而能持续稳定地繁殖。3这个定义基本上概括了基因工程的主要内容，目前已被大多数科学家所接受。因此，我们也采用这个定义进行讲解。从实质上看，上述这个基因工程定义，首先强调了外源核酸分子（几乎总是 DNA）在另一种不同的寄主生物细胞中进行繁殖的问题。这种跨越天然物种屏障的能力，和把来自任何一
12、种生物的基因放置在与其毫无亲缘关系的新的寄主生物细胞中去的能力，是基因工程的第一个重要特征。这表明，应用基因工程技术，就有可能按照人们的主观愿望，创造出自然界中原先并不存在的新的生物类型。基因工程定义的第二个特征是，它强调了一种确定的 DNA 小片段在新寄主细胞中进行扩增的事实。恰似下面将要谈到的，正是由于具备了这种特征，我们才能够制备到大量纯化的 DNA 片段，从而拓宽了分子生物学的研究领域，包括核苷酸的序列测定，位点特异的突变形成，以及以确保所编码的多肽链能够在寄主细胞中实现高水平表达为目的基因序列操作等等。除此之外，这种大量纯化的 DNA片段，没有污染上给体生物的任何其他 DNA 序列，
13、是绝对纯净的分子群体。因此，可作为特异性的分子探针，供核酸杂交使用。通过基因工程技术，把来自不同生物的外源 DNA 插入到载体分子上，所形成的杂种DNA 分子与神话传说中的那种具有狮首、羊身、蛇尾的怪物颇为相似，故在早期发表的有关文章中常常称这种重组 DNA 分子为嵌合体（chimaera ） 。构建这类嵌合体 DNA 分子的中心环节是，在体外将不同来源的 DNA 片段，通过限制性核酸内切酶和 DNA 连接酶等的作用，重新组合成杂种的 DNA 分子。因而，人们有时也简明地叫基因工程为重组 DNA 技术。概括起来，基因工程应包括如下几个主要的内容或步骤： 从复杂的生物有机体基因组中，经过酶切消化
14、或 PCR 扩增等步骤，分离出带有目的基因的 DNA 片段。 在体外，将带有目的基因的外源 DNA 片段连接到能够自我复制的并具有选择记号的载体分子上，形成重组 DNA 分子。 将重组 DNA 分子转移到适当的受体细胞（也叫寄主细胞） ，并与之一起增殖。 从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了重组 DNA 分子的受体细胞克隆。 从这些筛选出来的受体细胞克隆，提取出已经得到扩增的目的基因，供进一步分析研究使用。 将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达，产生出人类所需要的物质。1.3 基因工程的应用尽管基因工程出现后的一段时间内带给人们的是猜疑和恐惧，但它还是以迅
15、猛的速度发展。实践表明，基因工程会给人类带来难以估量的经济效益和社会效益。特别是对人类所面临的能源、粮食、人口、环境和疾病等日趋严重的社会问题，基因工程正在并且将要发挥越来越大的作用。基因工程与农业：基因工程在农业中的应用主要包括提高植物光合作用效率、扩展植物的固氮能力、生产转基因植物和转基因动物等。现在已有近百种转基因植物相继问世，如烟草、番茄、马铃薯、矮牵牛、胡萝卜、油菜、棉花、拟南芥、大豆、大白菜、水稻、玉米、小麦等等。转基因动物如猪、鱼、兔、羊、牛等，不但为动物基因工程育种提供了新的途径，而且可以作为生物反应器生产各种有用的蛋白质，特别是医用活性肽。基因工程与工业：基因工程在工业中的应
16、用主要包括纤维素的开发利用、酿酒工业、食品工业、制药工业和新型蛋白质的生产方面。酿酒工业中的酵母不仅是一种在酿酒工业中广泛使用的发酵微生物，而且是一种很有用的基因操作菌株之一。如果把面包酵母基因组中编码淀粉 -1，4-葡萄糖苷酶的 DEX 基因引入到酿酒酵母细胞，产生出一种新的酵母4菌株，就可以克服酿酒酵母不能发酵糊精（含 22%的碳水化合物）的缺点，生产出碳水化合物含量低、味道好的优质啤酒。如果把能够降解具有极高相对分子量的分枝糊精的淀粉酶基因导入酿酒酵母，则可进一步改良啤酒的质量。还有，如果把木瓜蛋白酶基因引入酿酒酵母，则可保持啤酒的清晰度。此外，还可以应用体外突变技术主动改变这些酶的特性，使其稳定性增加。总之，在酿酒工业中，基因工程技术是大有可为的。制药工业中，应用基因工程技术不但可以提高药物的产量，而且可以创造药物新品种。目前已商品化生产的基因工程药物有各种抗生素和多肽药物，多达百种以上。我国已能自行生产基因工程干扰素、红细胞生成素（EPO） 、白介素和心钠素等。基因工程与环境保护：基因工程在环境监测与净化领域的研究与应用中已经发挥
