基因工程

一、基因工程的概念

基因工程（gene engineering)，是在分子水平上，提取或用人工方法合成不同生物的遗传物质（DNA片段)，在体外切割，然后将重组DNA与载体的遗传物质重新组合，拼接形成重组DNA,再将其引入到没有该基因的受体细胞中，进www.med126.com/shouyi/行复制或表达，生产出符执业医师合人类需要的产品或创造出生物的新性状，并使之稳定地遗传给下一代。按目的基因的克隆和表达系统，分为原核生物基因工程，酵母基因工程，植物基因工程和动物基因工程。基因工程具有广泛的应用价值，为工农业生产和医药卫生事业开辟了新的应用途径，也为遗传疾病的诊断和治疗提供了有效方法。基因工程还可应用于基因的结构，功能与作用机制的研究，有助于生命起源和生物进化等重大问题的探讨。

二、基因工程的基本原理

　　从基因工程的定义出发，它的第一个重要特征就是可把来自任何一种生物的基因放置到与其他毫无亲缘关系的寄主生物中，因而应用基因工程技术，就可能按照人们的主观愿望，改造生物的遗传特性乃至创造出自然界中原本不存在的新的生物类型。第二个特征是它表明一种已知的DNA片段在新的寄主细胞内可以进行扩增。这样就为制备大量纯化的DNA片段提供了可能，从而拓宽了分子生物学的研究领域，如核苷酸的序列测定，位点特异的突变形成，以及以确保所编码的多肽链在寄主细胞中能够实现高水平表达为目的的基因序列操作等等。

　　基因工程是一门内容广泛的、综合性的生物技术，它的创立和发展是以分子生物学和分子遗传学的综合发展为基础的。

三、基因工程的基本内容和技术

　　(一) 基因工程的基本内容  基因工程是把来自不同生物的外源DNA插入到载体分子上，以形成“杂种”DNA分子，然后将之引入寄主细胞进而实现目的基因功能的表达。由此可见基因工程的核心技术是分子克隆(molecular cloning) 或重组DNA技术，。其次是外源基因的高效表达，而基因表达也离不开分子克隆技术。概括起来，基因工程的主要内容大致是：

　　1．从复杂的生物体基因组中，经过酶切消化等步骤，分离带有目的基因的DNA片段，或用酶学和化学方法人工合成基因，还有其他的方法。

　　2．将外源DNA片段与能够自我复制并具有选择标记的载体分子在体外连接，形成重组DNA分子。

3．把重组的DNA分子引入到适宜的受体(寄主)细胞中进行扩增。

　　4．从繁殖的大量细胞群体中筛选和鉴定，以获得重组DNA分子的受体细胞的克隆。

　　5．从所筛选的受体细胞克隆提取已扩增的目的基因后，或再将其克隆到表达载体上，导入寄主细胞，以便在新的背景下实现功能表达，产生人们所需的物质；或是将已扩增的目的基因作进一步的分析研究。

　　(二)基因工程的基本技术20世纪70年代初期基因工程的出现并不是一种偶然的事件，而是由科学技术的发展水平所决定的。如在核酸研究方面，采用酶学、新的柱层析和超速离心的技术等改进了核酸的提取方法，能保证获得DNA分子大而完整的纯净样品；并建立了如电泳、酶切图谱分析、分子杂交、电子显微镜技术等新的微量鉴定方法，以及DNA序列测定和基因的人工合成等多种分子生物学实验方法，从而为基因工程的创立奠定了强有力的技术基础。

基因工程操作的主要步骤是：

1. 目的基因分离和制备

目的基因是指准备导入受体细胞内的，以研究或应用为目的所需要的外源基因，也可以不是基因，而只是一段DNA片段。目前获得目的基因的途径有：①从生物基因组群体中分离目的基因；②人工合成目的基因DNA片段；③PCR反应合成DNA；④mRNA差异显示法获得目的基因；⑤用机械的方法，例如超声波把基因组打成片段。

2. DNA片段和载体的连接

含有目的基因的DNA片段和载体DNA连接技术即DNA重组技术，其核心步骤是DNA片段之间的体外连接，其本质是涉及限制酶，连接酶等酶促反应过程。载体是携带外源基因进入受体细胞的工具。作为载体的DNA分子，需具备两项基本条件:①容易进入寄主细胞；②进入寄主细胞后能够独立进行自主的复制和表达；③容易从宿主细胞中分离纯化。在将DNA片段和载体的连接之前，需要将载体制备切口和与DNA片段的切口相匹配

3. 外源DNA片段引入受体细胞

重组体DNA分子只有导入合适的受体细胞，才能进行大量地复制，扩增和表达。受体细胞有多种，原核细胞、低等真核细胞生物的细胞如酵母、植物细胞和高等真核细胞生物的细胞如哺乳动物细胞等。胰岛素基因工程生产就是将外源DNA导入原核细胞大肠杆菌中进行表达实现的。

4. 目的基因的筛选和鉴定

通过以上方法将重组DNA导入受体细胞后，还需要经过筛选，才能确定真正所需要的含有目的基因重组DNA的细胞。将含有目的基因重组体的细胞筛选出来就等于获得了目的序列的克隆，所以筛选是基因克隆的重要步骤。主要方法有：①根据重组载体的标志作筛选②核酸杂交法③PCR法④免疫学方法⑤核苷酸序列测定

5. 目的基因的表达

构建好的重组 DNA 分子进入寄主细胞的过程，称为转化。如果接受异源 DNA 的细胞不是细菌，而是动物细胞或植物细胞，常常称为转染。一般来说，只有处于感受态的细菌才能接受异源 DNA。另外，还有一系列技术方法帮助细胞接受外源DNA。这些方法包括：适当加入磷酸钙、DEAE-葡聚糖、显微注射、应用脂质体或电穿孔等。

四、基因工程的应用

人们将外源基因直接导入动植物细胞或受精卵中去，并能在这些细胞中得到表达，这种技术称为转基因技术。转基因技术在医药领域、农牧业领域等方面有着广泛的应用前景。

1．转基因动植物：利用转基因技术将具特殊经济价值的外源基因导入动植物体内，这样构建出来的转基因动植物不仅改良了动植物性状(如抗虫、抗病、抗除草剂、抗倒伏等作物新品种及抗病、产肉产蛋量高等动物新品种)，而且转基因动植物可作为生产许多重要重组蛋白及其它人们所需要的产物。如近年来，人们将苏云金芽孢杆菌基因导入植物成功培育出抗虫棉花、水稻、番茄、烟草、玉米、马铃薯等作物新品种；又如技术人员通过转基因技术培育出的带有牛基因的转基因猪，个头大，生长速度快，饲料利用率高；此外转基因动物为人类异体器官移植提供供体，是挽救无数重危病人的希望所在。

2．基因药物：基因药物是借助基因克隆的方法更有效、更纯净地产生人类所需要的贵重或新型药物。第一类为基因重组多肽和蛋白质类药物，如重组人胰岛素、人生长激素、人血小板生长因子、降钙素等；第二类为酶类基因工程药物，如尿激酶原、超氧化物歧化酶等。 

3．基因治疗：将外源基因通过基因转移技术将其插入病人适当的受体细胞中,使外源基因制造的产物能治疗某种疾病。现在发达国家用于乙型血友病等单基因缺陷遗传疾病的基因治疗技术，已快速地扩展到恶性肿瘤、糖尿病、心脑血管疾病等多基因相关疾病，以及各型肝炎、艾滋病等重要病毒性传染病的研究治疗等方面。

4．基因食品：人体无法合成一些必需氨基酸，而要从外界食物中摄取。而禾谷类和豆类的种子又恰恰缺乏某些类型的氨基酸。例如，玉米中缺少赖氨酸和色氨酸，豆类贮存的甲硫氨酸和半胱氨酸也很少。现在科学家们已通过基因克隆使这些蛋白酶生产基因转移到了一些植物细胞中，并在其中得到了表达，这就是转基因食物，它们为人类的营养和健康需求提供了新的科学保证，是对传统食品的一种革命。运用基因手段，还可将不同种属植物的基因分子在体外以特殊的方法连接，构成一种新的基因分子，从而创造出新的优质高产的品种。