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遺傳物質(zhì)（DNA片段)，在體外切割，然后將重組DNA與載體的遺傳物質(zhì)重新組合，拼接形成重組DNA,再將其引入到?jīng)]有該基因的受體細(xì)胞中，進(jìn)zxtf.net.cn/shouyi/行復(fù)制或表達(dá)，生產(chǎn)出符執(zhí)業(yè)醫(yī)師合人類需要的產(chǎn)品或創(chuàng)造出生物的新性狀，并使之穩(wěn)定地遺傳給下一代。按目的基因的克隆和表達(dá)系統(tǒng)，分為原核生物基因工程，酵母基因工程，植物基因工程和動(dòng)物基因工程�；蚬こ叹哂袕V泛的應(yīng)用價(jià)值，為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)開辟了新的應(yīng)用途徑，也為遺傳疾病的診斷和治療提供了有效方法�；蚬こ踢�可應(yīng)用于基因的結(jié)構(gòu)，功能與作用機(jī)制的研究，有助于生命起源和生物進(jìn)化等重大問題的探討。
二、基因工程的基本原理
從基因工程的定義出發(fā)，它的第一個(gè)重要特征就是可把來自任何一種生物的基因放置到與其他毫無親緣關(guān)系的寄主生物中，因而應(yīng)用基因工程技術(shù)，就可能按照人們的主觀愿望，改造生物的遺傳特性乃至創(chuàng)造出自然界中原本不存在的新的生物類型。第二個(gè)特征是它表明一種已知的DNA片段在新的寄主細(xì)胞內(nèi)可以進(jìn)行擴(kuò)增。這樣就為制備大量純化的DNA片段提供了可能，從而拓寬了分子生物學(xué)的研究領(lǐng)域，如核苷酸的序列測(cè)定，位點(diǎn)特異的突變形成，以及以確保所編碼的多肽鏈在寄主細(xì)胞中能夠?qū)崿F(xiàn)高水平表達(dá)為目的的基因序列操作等等。
基因工程是一門內(nèi)容廣泛的、綜合性的生物技術(shù)，它的創(chuàng)立和發(fā)展是以分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)的綜合發(fā)展為基礎(chǔ)的。
三、基因工程的基本內(nèi)容和技術(shù)
(一) 基因工程的基本內(nèi)容 基因工程是把來自不同生物的外源DNA插入到載體分子上，以形成“雜種”DNA分子，然后將之引入寄主細(xì)胞進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目的基因功能的表達(dá)。由此可見基因工程的核心技術(shù)是分子克隆(molecular cloning) 或重組DNA技術(shù)，。其次是外源基因的高效表達(dá)，而基因表達(dá)也離不開分子克隆技術(shù)。概括起來，基因工程的主要內(nèi)容大致是：
1．從復(fù)雜的生物體基因組中，經(jīng)過酶切消化等步驟，分離帶有目的基因的DNA片段，或用酶學(xué)和化學(xué)方法人工合成基因，還有其他的方法。
2．將外源DNA片段與能夠自我復(fù)制并具有選擇標(biāo)記的載體分子在體外連接，形成重組DNA分子。
3．把重組的DNA分子引入到適宜的受體(寄主)細(xì)胞中進(jìn)行擴(kuò)增。
4．從繁殖的大量細(xì)胞群體中篩選和鑒定，以獲得重組DNA分子的受體細(xì)胞的克隆。
5．從所篩選的受體細(xì)胞克隆提取已擴(kuò)增的目的基因后，或再將其克隆到表達(dá)載體上，導(dǎo)入寄主細(xì)胞，以便在新的背景下實(shí)現(xiàn)功能表達(dá)，產(chǎn)生人們所需的物質(zhì)；或是將已擴(kuò)增的目的基因作進(jìn)一步的分析研究。
(二)基因工程的基本技術(shù)20世紀(jì)70年代初期基因工程的出現(xiàn)并不是一種偶然的事件，而是由科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平所決定的。如在核酸研究方面，采用酶學(xué)、新的柱層析和超速離心的技術(shù)等改進(jìn)了核酸的提取方法，能保證獲得DNA分子大而完整的純凈樣品；并建立了如電泳、酶切圖譜分析、分子雜交、電子顯微鏡技術(shù)等新的微量鑒定方法，以及DNA序列測(cè)定和基因的人工合成等多種分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，從而為基因工程的創(chuàng)立奠定了強(qiáng)有力的技術(shù)基礎(chǔ)。
基因工程操作的主要步驟是：
1. 目的基因分離和制備
目的基因是指準(zhǔn)備導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)的，以研究或應(yīng)用為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。目前獲得目的基因的途徑有：①?gòu)纳锘蚪M群體中分離目的基因；②人工合成目的基因DNA片段；③PCR反應(yīng)合成DNA；④mRNA差異顯示法獲得目的基因；⑤用機(jī)械的方法，例如超聲波把基因組打成片段。
2. DNA片段和載體的連接
含有目的基因的DNA片段和載體DNA連接技術(shù)即DNA重組技術(shù)，其核心步驟是DNA片段之間的體外連接，其本質(zhì)是涉及限制酶，連接酶等酶促反應(yīng)過程。載體是攜帶外源基因進(jìn)入受體細(xì)胞的工具。作為載體的DNA分子，需具備兩項(xiàng)基本條件:①容易進(jìn)入寄主細(xì)胞；②進(jìn)入寄主細(xì)胞后能夠獨(dú)立進(jìn)行自主的復(fù)制和表達(dá)；③容易從宿主細(xì)胞中分離純化。在將DNA片段和載體的連接之前，需要將載體制備切口和與DNA片段的切口相匹配
3. 外源DNA片段引入受體細(xì)胞
重組體DNA分子只有導(dǎo)入合適的受體細(xì)胞，才能進(jìn)行大量地復(fù)制，擴(kuò)增和表達(dá)。受體細(xì)胞有多種，原核細(xì)胞、低等真核細(xì)胞生物的細(xì)胞如酵母、植物細(xì)胞和高等真核細(xì)胞生物的細(xì)胞如哺乳動(dòng)物細(xì)胞等。胰島素基因工程生產(chǎn)就是將外源DNA導(dǎo)入原核細(xì)胞大腸桿菌中進(jìn)行表達(dá)實(shí)現(xiàn)的。
4. 目的基因的篩選和鑒定
通過以上方法將重組DNA導(dǎo)入受體細(xì)胞后，還需要經(jīng)過篩選，才能確定真正所需要的含有目的基因重組DNA的細(xì)胞。將含有目的基因重組體的細(xì)胞篩選出來就等于獲得了目的序列的克隆，所以篩選是基因克隆的重要步驟。主要方法有：①根據(jù)重組載體的標(biāo)志作篩選②核酸雜交法③PCR法④免疫學(xué)方法⑤核苷酸序列測(cè)定
5. 目的基因的表達(dá)
構(gòu)建好的重組 DNA 分子進(jìn)入寄主細(xì)胞的過程，稱為轉(zhuǎn)化。如果接受異源 DNA 的細(xì)胞不是細(xì)菌，而是動(dòng)物細(xì)胞或植物細(xì)胞，常常稱為轉(zhuǎn)染。一般來說，只有處于感受態(tài)的細(xì)菌才能接受異源 DNA。另外，還有一系列技術(shù)方法幫助細(xì)胞接受外源DNA。這些方法包括：適當(dāng)加入磷酸鈣、DEAE-葡聚糖、顯微注射、應(yīng)用脂質(zhì)體或電穿孔等。
四、基因工程的應(yīng)用
人們將外源基因直接導(dǎo)入動(dòng)植物細(xì)胞或受精卵中去，并能在這些細(xì)胞中得到表達(dá)，這種技術(shù)稱為轉(zhuǎn)基因技術(shù)。轉(zhuǎn)基因技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域、農(nóng)牧業(yè)領(lǐng)域等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。
1．轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物：利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將具特殊經(jīng)濟(jì)價(jià)值的外源基因?qū)雱?dòng)植物體內(nèi)，這樣構(gòu)建出來的轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物不僅改良了動(dòng)植物性狀(如抗蟲、抗病、抗除草劑、抗倒伏等作物新品種及抗病、產(chǎn)肉產(chǎn)蛋量高等動(dòng)物新品種)，而且轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物可作為生產(chǎn)許多重要重組蛋白及其它人們所需要的產(chǎn)物。如近年來，人們將蘇云金芽孢桿菌基因?qū)胫参锍晒ε嘤隹瓜x棉花、水稻、番茄、煙草、玉米、馬鈴薯等作物新品種；又如技術(shù)人員通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育出的帶有�；虻霓D(zhuǎn)基因豬，個(gè)頭大，生長(zhǎng)速度快，飼料利用率高；此外轉(zhuǎn)基因動(dòng)物為人類異體器官移植提供供體，是挽救無數(shù)重危病人的希望所在。
2．基因藥物：基因藥物是借助基因克隆的方法更有效、更純凈地產(chǎn)生人類所需要的貴重或新型藥物。第一類為基因重組多肽和蛋白質(zhì)類藥物，如重組人胰島素、人生長(zhǎng)激素、人血小板生長(zhǎng)因子、降鈣素等；第二類為酶類基因工程藥物，如尿激酶原、超氧化物歧化酶等。
3．基因治療：將外源基因通過基因轉(zhuǎn)移技術(shù)將其插入病人適當(dāng)?shù)氖荏w細(xì)胞中,使外源基因制造的產(chǎn)物能治療某種疾病�，F(xiàn)在發(fā)達(dá)國(guó)家用于乙型血友病等單基因缺陷遺傳疾病的基因治療技術(shù)，已快速地?cái)U(kuò)展到惡性腫瘤、糖尿病、心腦血管疾病等多基因相關(guān)疾病，以及各型肝炎、艾滋病等重要病毒性傳染病的研究治療等方面。
4．基因食品：人體無法合成一些必需氨基酸，而要從外界食物中攝取。而禾谷類和豆類的種子又恰恰缺乏某些類型的氨基酸。例如，玉米中缺少賴氨酸和色氨酸，豆類貯存的甲硫氨酸和半胱氨酸也很少�，F(xiàn)在科學(xué)家們已通過基因克隆使這些蛋白酶生產(chǎn)基因轉(zhuǎn)移到了一些植物細(xì)胞中，并在其中得到了表達(dá)，這就是轉(zhuǎn)基因食物，它們?yōu)槿祟惖臓I(yíng)養(yǎng)和健康需求提供了新的科學(xué)保證，是對(duì)傳統(tǒng)食品的一種革命。運(yùn)用基因手段，還可將不同種屬植物的基因分子在體外以特殊的方法連接，構(gòu)成一種新的基因分子，從而創(chuàng)造出新的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的品種。
