1基因工程发展史

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1、第一章基因工程的产生和发展一百四十多年前，在捷克莫勒温镇一个修道院里沉醉于豌豆杂交实验的 Men del也许根本就没有想到，他提出的遗传因子在半个世纪后被 Morge n定 义为基因；而且1944年Avery证明了基因的物质基础是 DNA ;五十年代初 Wats on和Crick又揭示了 DNA的分子结构；七十年代初 DNA已可在体外被 随意拼接并转回到细菌体内遗传和表达。 生命科学的飞速发展孕育了现代分子生 物学技术基因工程的诞生。今天，人们在超市货架上可以买到保质期很长的 转基因土豆，多利”克隆绵羊走出实验室使人们不再将失落的世界视为科幻 影片，基因工程正在使整个人类生活方式发生重大变革。

2、基因工程的发展史人类与动物的许多病害都是由单细胞原核生物一一细菌引起的。在一段时间，细菌成为人类的第一大杀手，成千上万的生命被其感染吞噬。 虽然青霉素以及磺胺类等搞菌药物的出现拯救了无数的生命，但是，好景不长，青霉素使用不到期10年，即在世界上20世纪50年代中期， 就发现了严重的细菌抗药性，并且这种抗药性还具有传染性”也就是说，一种细菌的抗药性可以传给另一种细菌。基因工程的 开山鼻祖科恩，就是一位最早从事细菌抗药性的专家。 他本科毕业于生物专业，后在美国宾夕法尼亚大学获得医学博士学位， 1968年来到美国斯坦福大学担任助教，并选择细菌抗菌药性作为自己 的主要研究课题。他的实验室与其他研究组的

3、工作表明，细菌的抗药性基因不是由染 色体DNA编码的，而是由一种叫 质粒”的小环状DNA分子携带的。质 粒DNA中有一叫做 复制区”的序列，它控制着质粒的自主复制。由于 这个复制区的作用，质粒可以独立于染色体进行复制， 科恩等人的研究 表明，细菌抗药性的秘密就在质粒DNA上。1971年底，美国斯坦福医学院有一位一年级的学生在科恩的实验 室实习时，发现了一个有意思的现象，这就是质粒的转化现象。在这之 前，人们发现用氯化钙溶液处理大肠杆菌的细胞，可以增加细胞的通透性，使细胞能从溶液里吸收 DNA分子。这位学生发现经过处理的大肠 杆菌可以吸收质粒 DNA分子，而且，细胞分裂繁殖产生的后代细胞里 也都

4、与质粒。这实际上是找到了一种把一个质粒DNA分子扩增为成千上万个完全一样的分子的方法。这种得到大量、均一的DNA分子复制品的过程就叫DNA克隆。用质粒DNA转化大肠杆菌方法的建立，使 科恩信心倍增。他设想，质粒的复制区如果连接上不同的DNA片段，得到的人工质粒_ DNA_分子，应该可以通过转化进入大肠杆菌细胞，并_ 且在细胞内繁殖。这就使他们能够在大肠杆菌中观察到不同DNA_片段的功能。就在科恩研究小组建立了质粒 DNA克隆方法的时候，由美国 加州大学博耶领导的研究小组，发明了一种通过酶的作用切割和连接 DNA分子的技术，为第一个重组 DNA分子的诞生创造了条件。1972年11月，在美国夏威夷

5、的檀香山召开了一次有关细菌质粒研 究的国际研讨会。科恩在会上报道了他们建立的克隆质粒 DNA的方法。 随后不久，博耶也向大会宣读了一篇论文。他详细介绍了他们实验室以 及国际上几个小组有关限制性内切酶的研究进展，特别提到一种名位 EcoRI的限制性内切酶可以产生具有互补黏性末端的DNA片段，非常便于DNA连接酶的连接。科恩对博耶的工作非常感兴趣。这正是他在 苦苦寻找的把不同质粒 DNA 切成片段在重新组合连接，进而研究不同 部分功能的方法。博耶其实也意识到，自己发现的内切酶可以用来把质 粒切成独特的片段，进而研究其功能。就在那天晚上，博耶和科恩等人 在离海滩不远的一个快餐店里相聚。他们一边聊天，

6、一边喝着啤酒，吃 着牛肉三明治。或许他们当时都没有想到这个夜晚会被载入当代科学发 展的史册。正是在这样一种轻松、随意的气氛中，科恩向博耶建议两个 实验室联起手来进行重组 DNA的实验，博耶非常愉快地接受了这个建 议。两人马上就对合作实验的方案进行了详细地讨论。一个伟大的设想就这样诞生了。1973年的早春，对科恩和博耶这两个研究小组来说，是一个激动人心的进展季节。研究计划比预计的进展要顺利地多，几乎每天都有新进展。当第一个重组 DNA 分子从大肠杆菌中提纯出来送至U博耶的实验 室后，博耶马上让人对这个 DNA样品进行酶切和电泳分析。电泳结束 后，他们两人怀着忐忑不安的心情来到暗室观察结果，当看到

7、发着荧光的DNA条带整齐地排列在凝胶上，清楚地显示出新质粒比质粒 pSCI01 （原来的载体）多出1条带时，他们激动万分。他们完全明白这个工作 对整个牛物科学将会产牛的巨大影响， 人类社会也将因此发生历史地变 化。1973年5月，报道这项研究结果的论文手稿完成，并投寄到美国 国家科学院会刊。同年11月，论文正式发表，立即在科学界引起轰动。 论文发表前，斯坦福大学和加州大学联合完成了重组DNA技术”的专利申请工作。这是一个非常典型的、因基础理论研究突破而形成实用新 技术的事例，整个现代牛物技术产业就是从这里萌芽的。实践证明，利用重组 DNA技术，可以对不同生物的基因进行新的 组合，得到性状发生改

8、变的新生物。这意味着人类可以根据自己的意愿 设计新的生物，并把它构建出来。人的创造性有一次性得到生动的体现。 从此，生物科学完全超越了经验科学的阶段，第一次具备了工程学科的性质，以至于我们今天把基于重组_ DNA_技术的新的学科分支，称为目_ 前众所周知的基因工程”。第一节 基因工程的诞生与发展一、基因工程的定义基因工程 （Gene engineering ） 原称遗传工程 （Genetic engineering）。从狭义上讲，基因工程是指将一种或多种生物体（供体）的基因与载体在体外进 行拼接重组，然后转入另一种生物体（受体）内，使之按照人们的意愿遗传并表 达出新的性状甚至创造新的物种。因此

9、，供体、受体和载体称为基因工程的三大要素，其中相对于受体而言，来自供体的基因属于 外源基因。除了少数RNA病 毒外，几乎所有生物的基因都存在于 DNA结构中，而用于外源基因重组拼接的 载体也都是DNA分子，因此基因工程亦称为 重组DNA技术（DNA recombination technique）。另外，DNA 重组分子大都需在受体细胞中复制扩增，故还可将基因工程表征为分子克隆或基因的无性繁殖 （Molecular cloning ）。广义的基因工程定义为DNA重组技术的产业化设计与应用，包括上游 技术和下游技术两大组成部分。上游技术指的是外源基因重组、克隆和表达的设 计与构建（即狭义的基因工

10、程）；而下游技术则涉及到含有重组外源基因的生物 细胞（基因工程菌或细胞）的大规模培养以及外源基因表达产物的分离纯化过程。 因此，广义的基因工程概念更倾向于工程学的范畴。二、基因工程诞生的理论基础（一）DNA是遗传物质1944年，Avery进行的肺炎双球菌转化实验，证明了基因的分子载体是 DNA，而不是蛋白质；1952年，Alfred Hershy 和Marsha Chase 通过噬菌体 转染实验证明了遗传物质是DNA。（二）DNA双螺旋结构和半保留复制1953 年，James D. Watson 和 Francis H.C.Crick 揭示了 DNA 分子的双 螺旋结构和半保留复制机制。（三）

11、中心法则和遗传密码1957，Crick又提出了遗传信息传递的 中心法则” 1964年，Marshall Niren berg 和Gobi nd Khora na 破译了 64个遗传密码子。（四）不同基因具有相同的物质基础所有生物的DNA的基本结构是相同的。因此，不同生物的基因（染色 体上具有遗传功能的特定核苷酸序列或 DNA片段）是可以重组互换的。少数RNA病毒的RNA可通过反转录产生cDNA，不影响基因的重组和 互换。（五）基因是可以切割的除少数基因重叠排列外，大多数基因之间有间隔序列，可以从DNA分子上切割下来。重叠排列的基因也可以切割，只不过是破坏了其它基因。（六）基因是可以转移和重组的

12、生物体内的某些基因可以移动，甚至可以在不同的染色体间进行跳跃， 插入 到靶DNA分子中去。（七）遗传密码是通用的（八）基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代三、基因工程诞生的技术突破（一）琼脂糖凝胶电泳1960s，发明了琼脂糖凝胶电泳，可将不同长度的DNA分离开。（二）DNA 连接酶（ligase）1967年，有5个实验室几乎同时发现了 DNA连接酶。（三）限制性核酸内切酶（restriction en zymes）的发现和应用1970年，H . O. Smith等人分离出第一种限制性核酸内切酶。（四）载体1972年前后，使用小分子量的细菌质粒和 入噬菌体作载体。四、基因工程的诞生1972年，

13、美国的Berg和Jacks on等人将猿猴病毒基因组 SV40 DNA、丨 噬菌体基因以及大肠杆菌半乳糖操纵子在体外重组获得成功。翌年，美国斯坦福大学的Cohen和Boyer等人在体外构建出含有四环素和链霉素两个抗性基因的 重组质粒分子，将之导入大肠杆菌后，该重组质粒得以稳定复制，并赋予受体细 胞相应的抗生素抗性，由此宣告了基因工程的诞生。正如Cohen在评价其实验结果时指出的那样，基因工程技术完全有可能使大肠杆菌具备其它生物种类所固 有的特殊生物代谢途径与功能，如光合反应和抗生素合成等。出人意料的是，当时科学界对这项新技术诞生的第一个反应便是应当禁止有 关实验的继续开展，其严厉程度远大于今天

14、人们对人体克隆的关注。包括Cohen 本人在内的分子生物学家们都担心，两种不同生物的基因重组有可能为自然界创 造出一个不可预知的危险物种，致使人类遭受灭顶之灾。于是，1975年西欧几个国家签署公约，限制基因重组的实验规模。第二年美国政府也制订了相应的法 规。至今世界上仍有少数国家坚持对基因重组技术的使用范围进行严格的限制。然而，分子生物学家们毕竟不愿看到先进的科学技术葬送在自己手中。从1972年到1976年短短的四年里，人们对 DNA重组所涉及的载体和受体系统 进行了有效的安全性改造，包括噬菌体DNA载体的有条件包装以及受体细胞遗 传重组和感染寄生缺陷突变株的筛选， 同时还建立了一套严格的 D

15、NA重组实验 室设计与操作规范。众多安全可靠的相关技术支撑以及巨大的潜在诱惑力，终于使DNA重组技术走出困境并迅速发展起来。五、基因工程的成熟早在基因工程发展的初期，人们就已开始探讨将该技术应用于大规模生产与 人类健康水平密切相关的生物大分子， 这些物质在人体内含量极小，但却具有非 常重要的生理功能。1977年，日本的Tfahura及其同事首次在大肠杆菌中克隆 并表达了人的生长激素释放抑制素基因。几个月后，美国的Ullvich随即克隆表达了人的胰岛素基因。1978年，美国Genentech公司开发出利用重组大肠杆 菌合成人胰岛素的先进生产工艺，从而揭开了基因工程产业化的序幕。六、基因工程的腾飞

16、上世纪八十年代以来，基因工程已开始朝着高等动植物物种的遗传特征改良 以及人体基因治疗等方向发展。1982年，美国科学家将大鼠的生长激素基因转 入小鼠体内，培育出具有大鼠雄健体魄的转基因小鼠及其子代。1983年，携带有细菌新霉素抗性基因的重组Ti质粒转化植物细胞获得成功，高等植物转基因 技术问世。1990年美国政府首次批准一项人体基因治疗临床研究计划，对一名 因腺苷脱氨酶基因缺陷而患有重度联合免疫缺陷症的儿童进行基因治疗获得成 功，从而开创了分子医学的新纪元。1991年，美国倡导在全球范围内实施雄心 勃勃的人类基因组计划，用15年时间斥资30亿美元，完成十二万五千个人类 基因的全部测序工作。2001年底，一张覆盖整