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1、1 引言 我国自20世纪70年代末即开始了基因工程研究工作，经过20多年的研究开发，我国的基因工程发展在医学、农业各个领域取得了令人瞩目的成果，正向产业化迈进。目前，基因工程技术已经突破了经典的研究方法和研究内容，能直接从生物细胞中分离出所需的基因（特定的DNA片段），并使其增殖以得到大量同质基因。它运用克隆得到的大量DNA片段，测定基因在染色体上的位置，分析基因的结构与功能，并进而能用人工方法来合成基因、改造基因。基因工程技术形成了一个内容广泛而暂新的新领域。自然界创造的新的生物物种一般需要几十万乃至几百万年，但是在实验室用基因工完成程技术可能在几天之内完成这个过程。基因工程使人类从单纯地认
2、识生物和利用生物的传统模式跳跃到随心所欲地改造生物和创造新生物的新时代，为生物学、医药学、遗传学、农业科学、环境科学和某些工业研究开拓了广阔的、革命性的发展前景。1.1 基因工程的概况 1.1.1 概述 基因工程（genetic engineering），也叫基因操作、遗传工程或重组体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性细胞中，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。一般来说，基因工程是专指用生物化学的方法，在体外将各种来源的遗传物质（同源的或异源的、原核的或真核的、天然的或人工合成的DNA片段
3、）与载体系统的DNA结合成一个复制子。这样形成的杂合分子可以在复制子所在的宿主生物或细胞中复制，继而通过转化或转染宿主细胞，使之生长和筛选转化子，并进行无性繁殖，使之成为克隆。然后直接利用转化子，或者将克隆的分子自转化子分离后再导入适当的表达体系，使重组基因在细胞内表达，产生特定的基因产物。 基因工程中内外源DNA插入载体分子所形成的杂合分子又称为嵌合DNA或DNA嵌合体。构建这类重组体分子的过程，即对重组体分子的无性繁殖过程又称为分子克隆、基因克隆或重组DNA、 1.1.2 基因工程发展史 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
4、，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
5、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”（germlinetherapy），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。1989年，我国批准了第一个在我国生产的基因工程药物重组人干扰素lb，标志着我国生产的基因工程药物实现了零的突破。重组人干扰素lb是世界上第一个采用中国人基因克隆和表达的基因工程药物，也是到目前为止唯一的一个我国自主研制成功的拥有自主知识产权的基因工程一类新药。从此
6、以后，我国基因工程制药产业从无到有，不断发展壮大。1998年，我国基因工程制药产业销售额已达到了7.2亿元人民币。截止1998年底，我国已批准上市的基因工程药物和疫苗产品共计15种。目前，国内已有30余家生物制药企业取得了基因工程药物或疫苗试生产或正式生产批准文号。根据1997年对全国452从个事生物技术研究、开发和生产的单位进行的通讯调查结果，截止1996年底，我国已有8种基因工程药物和疫苗商品化（包括试生产），1996年基因工程药物和疫苗销售额约为2.2亿元人民币，仅占同期全国医药生物技术产品年销售额21.16亿元人民的10.4%。然而可喜的是，近年来我国基因工程制药产业发展迅猛，年销售额
7、已从1996年的2.2亿元人民币增长到1998年的7.2亿元人民币，年均增长率高达80%。预计2000年我国基因工程药物销售额将达到22.8亿元人民币。基因工程在制药业中具有广阔的发展前景,我国的基因制药行业已经初具规模,但与世界发达国家存在差距,主要表现在具有自主知识产权的产品较少,产业规模小、经济效益低。目前,基因制药产业面临着历史性的机遇,主要表现在政府支持、资源丰富、基因信息公开、国际交流增加等方面。提高自主开发能力、保护基因资源是当前亟待解决的问题,同时,应加强对基因制药领域技术壁垒的研究与准备。1.1.3 基因工程的国内外对比 我国生物技术产业，特别是生物制药产业规模与美国相比差距
8、很大。1996年，我国生物技术销售额为114亿元人民币，美国为100亿美元，相差7倍。1996年，我国基因工程和疫苗销售额为2.3亿元人民币，同期美国75亿美元。1998年，我国基因工程药物和疫苗销售额为7.2亿元人民币，还不到1亿美元，而1996年美国Amgen公司的两个主要产品Neupgen（G-CSF）和Epogen（红细胞生成素）销售额均达到10亿美元。从上市品种看，1998年，我国有15种基因工程药物和疫苗获准上市，美国上市的生物药物（主要是基因工程药物）共53种。我国基国工程药物市时间较美国同品种上市时间晚5年-10年。1.1.4 基因工程的原理 基因工程技术所应用的原理就是用生物
9、体当中所提取的酶，来在一种动植物，甚至是原生动物，或者原核动物的DNA分子当中剪切下一段我们想要的，用的基因，然后再把它转嫁到另一种生物体当中去。例如：现在的医用疫苗的培养，人工用酵母菌去合成胰岛素，和转基因动植物的出现。这些无不使我们的生活变得更加舒适，并且在工农业，医学上都起到了举足轻重的作用。我们把北海鱼的抗寒耐冻基因转嫁到小麦当中，我们就可以得到抗寒耐冻的新型小麦，这与传统的生物杂交育种相比更加精准地选择了生物的基因以及其表现性状。与此同时，还极大地缩减了研究的时间。用基因工程技术去制造疫苗，合成人体所需要的激素，给很多的病患者带来了福音。并且现在的实验表明：用2000L细菌培养液，通
10、过基因工程技术，就能够提取出100g胰岛素。这相当于1t猪胰脏当中所提取的胰岛素产量，除此之外，前者比后者要便宜近50%。1.1.5 基因工程的基本过程 基因工程的基本内容是有目的地遗传物质功能单位进行综合，创造有价值的生物分子或新的生物、植物或微生物品系。基因工程和其他工程一样，是有设计、有蓝图、有预期目的而进行的一种创造性工作。基因工程是在实验室条件下，进行肉眼看不见的分子水平上的操作，实验所采用的核酸试剂一般是以微克、纳克来进行计算和计量的。 基因工程的基本步骤和过程主要包括： （1）目的基因制取 从生物体的基因组或cDNA文库中分离（克隆）目的基因的DNA片段，或者根据已知目的蛋白质的
11、基因序列人工合成目的基因的DNA片段； （2）基因载体的选择和构建 构建能够将目的基因运载进入受体细胞克隆或表达的工具基因片段，如质粒、噬菌体、病毒等； （3）目的基因与载体DNA的拼接 将目的基因连接到具有自我复制并有选择标记的载体上，形成重组DNA分子； （4）重组体分子导入受体细胞 通过转化、转染、转导或其他基因转移技术，使重组体DNA分子进入受体细胞，通过筛选和无性繁殖（克隆），选择具有重组体DNA分子的细胞克隆（阳性细胞克隆）； （5）外源基因的表达和产物的分离纯化 将阳性细胞克隆的目的基因在细胞内进行高效表达，并且进行表达产物的分离纯化。1.1.6 基因工程的流程 基因工程实验设计
12、可以是多种多样的，具体的操作方法也可以灵活变动，各不相同，但其基本过程大体是一样的。我们可以把基因工程的工艺流程概括成图一所示的模式图。 在图一中，我们把载体的构建部分放在流程图上部的中间，构建好的载体在基因工程上游技术的好多关键的步骤都用得到，图中也简述了基因工程在各领域的应用以及益处。通过这一个流程图，我们可以大致了解一些关于基因工程的知识，还有，下游技术中很多步骤都要进行检测和筛选，有的是进行对目的基因的检测筛选，有的是进行对受体细胞中有无目的蛋白质的检测和筛选。基因工程的上游工程主要是目的基因的制取和无性繁殖。 图一 基因工程的简易流程图1.2 基因工程的应用1.2.1 生产领域 在生
13、产领域,人们可以利用基因技术,生产转基因食品.例如,科学家可以把某种肉猪体内控制肉的生长的基因植入鸡体内,从而让鸡也获得快速增肥的能力.但是,转基因因为有高科技含量, 怕吃了转基因食品中的外源基因后会改变人的遗传性状，比如吃了转基因猪肉会变得好动，喝了转基因牛奶后易患恋乳症等等。华中农业大学的张启发院士认为：“转基因技术为作物改良提供了新手段，同时也带来了潜在的风险。基因技术本身能够进行精确的分析和评估，从而有效地规避风险。对转基因技术的风险评估应以传统技术为参照。科学规范的管理可为转基因技术的利用提供安全保障。生命科学基础知识的科普和公众教育十分重要。1.2.2 军事领域 生物武器已经使用了
14、很长的时间.细菌,毒气都令人为之色变.但是,现在传说中的基因武器却更加令人胆寒.基因武器只对具有某种基因的人(例如某一种族)有杀伤力,而对其他种族的人毫无影响.这种武器的使用无疑会使遭受基因武器袭击的种族面临灭顶之灾。1.2.3 环保领域以往由于治理技术落后，环境意识低下等原因，相当一部分废物未经任何治理而直接排入环境，造成环境污染。现在，通过基因工程技术可以经回收、再循环、再生产方式转化成再生资源或二次能源，从而加以利用，这是防止环境污染、资源再利用的最有效措施。另外我们可以针对一些破坏生态平衡的动植物,研制出专门的基因药物,既能高效的杀死它们,又不会对其他生物造成影响.还能节省成本.例如一
15、直危害我国淡水区域的水葫芦,如果有一种基因产品能够高校杀灭的话,那每年就可以节省几十亿了。 人们期望能够利用基因工程的手段将所希望的遗传基因植入易培养的微生物（如大肠杆菌）体内，使之得以表达复制，另克隆菌起到原菌净化环境的特殊功能，从而达到人们设想的目的。1.2.4 医疗领域 随着人类对基因研究的不断深入，发现许多疾病是由于基因结构与功能发生改变所引起的。科学家将不仅能发现有缺陷的基因，而且还能掌握如何进行对基因诊断、修复、治疗和预防，这是生物技术发展的前沿。这项成果将给人类的健康和生活带来不可估量的利益。 所谓基因治疗是指用基因工程的技术方法，将正常的基因转如病患者的细胞中，以取代病变基因，
16、从而表达所缺乏的产物，或者通过关闭或降低异常表达的基因等途径，达到治疗某些遗传病的目的。目前，已发现的遗传病有6500多种，其中由单基因缺陷引起的就有约3000多种。因此，遗传病是基因治疗的主要对象。 第一例基因治疗是美国在1990年进行的。当时，两个4岁和9岁的小女孩由于体内腺苷脱氨酶缺乏而患了严重的联合免疫缺陷症。科学家对她们进行了基因治疗并取得了成功。这一开创性的工作标志着基因治疗已经从实验研究过渡到临床实验。1991年，我国首例B型血友病的基因治疗临床实验也获得了成功。 基因治疗的最新进展是即将用基因枪技术于基因治疗。其方法是将特定的DNA用改进的基因枪技术导入小鼠的肌肉、肝脏、脾、肠道和皮肤获得成功的表达。
