第八章基因工程的誕生與發(fā)展

第八章

基因工程的誕生與發(fā)展基因——生命的真諦

1909年，丹麥的遺傳學家W.Johanssen根據(jù)希臘語“給予生命”之義，創(chuàng)造了“gene”一詞?；蚴巧镞z傳信息的載體，它是由核苷酸序列(通常為DNA)組成的生物大分子，決定著生物的所有性狀、行為和疾病的發(fā)生?；蚴歉Ｒ簦l(fā)現(xiàn)了某疾病基因，就可以對患者進行基因水平上的治療，從根本上根除疾病的危害?；蚓褪氰F的證據(jù)，基因分析在重大犯罪案件、歷史案件的偵破中是最終確定罪犯的有力工具，當事人的頭發(fā)、血、皮屑的基因分析都將作為確鑿證據(jù)?；蚴瞧髽I(yè)家的聚寶盆

目前生產基因藥物的技術已較成熟，基因藥物已率先進入市場。

美國已有40多種基因藥物投放市場，主要用于治療癌癥、血液病、艾滋病、乙型肝炎、丙型肝炎、細菌感染、代謝病等疑難病癥。美國投放市場的基因藥物，1997年超過60億美元，且每年以20%的速度增長。

我國也有10多種基因藥物投放市場，但大部分基因藥物仍需進口。

因此，基因是企業(yè)家的聚寶盆?；蚬こ痰恼Q生1.隨著遺傳密碼的破譯誕生了一門新的學科――基因工程。2.20世紀70年代，內森、史密斯和阿爾伯發(fā)現(xiàn)了限制性內切酶在分子遺傳中的作用，為基因工程奠定了基礎。3.1973年保羅·伯格成功地實現(xiàn)了DNA的體外重組，人類開始進入按需要設計并改造物種，創(chuàng)造自然界原先不存在的新物種。4.由此興起了以基因工程為主體的生物工程新學科。分子遺傳學和生物工程已成為最活躍最前沿的新領域。我是一個實驗主義者，我能告訴你的檢驗它是否有效的唯一方法就是嘗試它?！Ａ_·伯格保羅·伯格PaulBerg保羅·伯格1926年生于美國。在參加了第二次世界大戰(zhàn)后回到賓夕法尼亞州立大學學習，1948年獲生物化學學士學位，后在凱斯西部保留地大學獲生化博士學位，1959年到斯坦福大學任教。

主要成就

1972年，伯格首次證明可以用兩種不同物種的基因人工合成DNA分子。伯格選擇了名為SV40的猴病毒和λ噬菌體，這兩種病毒的DNA都是閉合的環(huán)狀結構。他設計試驗，首先用限制性內切酶切開SV40和λ噬菌體的DNA環(huán)，然后再用連接酶把這兩種DNA連接成環(huán)，最后讓含有這種DNA的噬菌體在大腸桿菌中繁殖。因此，他開發(fā)了在酶的作用下在試管內將的噬菌體基因與SV40基因結合在一起的技術。雖然，沒有任何一項技術具有原創(chuàng)性但是，利用已報道的多項技術，創(chuàng)造性地實現(xiàn)了不同DNA分子的體外重組SV40

λDNA＋EcoRIRecombinationDNA1972.PNASDavidJacksonRobertSymonsPaulBergDNA體外重組的創(chuàng)建成功，是“遺傳工程”的奠基之作。NP1980PaulBerg

這些工作為分子生物學的研究和遺傳改造展示了一個清晰而又美好的前景具有與沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結構模型同樣的開拓性價值！1973年，加州大學舊金山分校的赫伯特·博耶

H.Boyer和斯坦福大學的斯坦利·科恩S.Cohen將外源基因拼接在質粒中，在大腸桿菌中表達，揭開基因工程的序幕。這時，保羅·伯格卻想到了基因重組的安全性問題。他與其他10位研究者聯(lián)名給《科學》雜志寫了一封信，希望科學家深入了解基因重組技術的安全性，先暫停有關試驗，并敦促美國NIH對基因重組技術的使用進行管制。這封信引發(fā)了廣泛的研究和討論，1975年，上百位科學家在Asilomar會議上對不同物種之間基因重組的安全性進行了討論。1976年，NIH出臺了關于基因重組的一系列指導方針?？梢哉f，DNA重組試驗是分子生物學與生物化學研究的里程碑，該技術與基因快速測序以及定位技術，使基因工程成為生物技術快速發(fā)展的基礎。基因工程的產生并不是偶然的，它是分子生物學發(fā)展到一定的階段或時期的一種歷史的必然。基因工程引發(fā)了一場分子生物學革命不僅能將目標基因定向引入到其他物種中去而且可以利用細菌對目的DNA分子進行克隆基于“遺傳重組”技術的生物學的理論不斷創(chuàng)新基于“遺傳工程”技術的生物遺傳改良成效明顯有關基因工程技術發(fā)明獲得Nobel獎基因工程概念

在分子水平上，用人工方法提取或合成不同生物的DNA片段，在體外切割，拼接形成重組DNA，然后將重組DNA與載體的遺傳物質重新組合，

再將其引入到沒有該DNA的受體細胞中，進行復制和表達，生產出符合人類需要的產品或創(chuàng)造出生物的新性狀，并使之穩(wěn)定地遺傳給下一代。基因工程又稱重組DNA技術.(切、接、轉、增、檢）基因槍、農桿菌介導的植物轉基因農桿菌法基因槍法按目的基因的克隆和表達系統(tǒng)，分類為：原核生物基因工程酵母基因工程植物基因工程醫(yī)學基因工程動物基因工程基因工程最突出的優(yōu)點:

就是打破了常規(guī)情況下難以突破的物種之間界限，可在：

原核生物與真核生物之間、動物與植物之間、甚至人與其他生物之間、將遺傳信息進行重組和轉移。基因工程理論依據(jù)不同基因具有相同的物質基礎基因是可以切割的基因是可以轉移的多肽與基因之間存在對應關系基因通過復制把遺傳信息傳給下代遺傳密碼是通用的基因工程與生物工程的關系

生物工程分為六類：即基因工程、蛋白質工程、細胞工程、發(fā)酵工程、酶工程、生化工程。基因工程的地位：現(xiàn)代科技革命高新技術生物技術基因工程基因克隆

如果說20世紀八九十年代是基因工程基礎研究趨向成熟，應用研究初露鋒芒的階段，

那么21世紀初將是基因工程應用研究的鼎盛時期，農、林、牧、漁、醫(yī)等的很多產品都會打上基因工程的標記。

盡管基因工程出現(xiàn)后的一段時間內帶給人們的是猜疑和恐懼，

但實踐表明，基因工程已經給人類帶來了難以估量的經濟和社會效益。特別是對人類所面臨的能源、糧食、人口、環(huán)境和疾病等日趨嚴重的社會問題，基因工程正在并且將要發(fā)揮越來越大的作用。

基因工程與農業(yè)

光合作用固氮作用轉基因植物轉基因動物產生次生代謝產物

如日本科學家利用基因工程使家蠶絲心蛋白基因與綠色熒光蛋白基因相互融合，得到的家蠶蠶絲可發(fā)出綠色的光澤。人們利用花卉的花色基因改變花的顏色、利用花形基因改變花的形狀、利用香味基因改變花的香味等等，以使我們的生活環(huán)境更加色彩斑斕。

轉入無冰晶細菌的抗凍基因幫助草莓抗霜凍近20年轉基因植物發(fā)展的

幾個重要里程碑1983年首例轉基因作物(GeneticallyModifiedCrops，GMC)煙草培育成功1986年轉基因植物獲準進入田間試驗1994年轉基因番茄在美國批準上市2000年全球轉基因作物種植面積4,420萬公頃2006年全球轉基因作物種植面積1.02億公頃順序國家面積（百萬公頃）轉基因作物1*美國*62.5大豆、玉米、棉花、油菜、南瓜、木瓜、紫苜蓿、甜菜2*阿根廷*21.0大豆、玉米、棉花3*巴西*15.8大豆、玉米、棉花4*印度*7.6棉花5*加拿大*7.6油菜、玉米、大豆、甜菜6*中國*3.8棉花、番茄、白楊、矮牽牛、木瓜、甜椒7*巴拉圭*2.7大豆8*南非*1.8玉米、大豆、棉花9*烏拉圭*0.7大豆、玉米10*玻利維亞*0.6大豆11*菲律賓*0.4玉米12*澳大利亞*0.2棉花、油菜、康乃馨13*墨西哥*0.1棉花、大豆14*西班牙*0.1玉米15智利＜0.1玉米、大豆、油菜16哥倫比亞＜0.1棉花、康乃馨17洪都拉斯＜0.1玉米18布基納法索＜0.1棉花19捷克＜0.1玉米20羅馬尼亞＜0.1玉米21葡萄牙＜0.1玉米22德國＜0.1玉米23波蘭＜0.1玉米24斯洛伐克＜0.1玉米25埃及＜0.1玉米

2008年全球種植轉基因作物的國家和面積資料來源：CliveJames,ISSAAA,2008抗蟲轉基因棉花獲大面積推廣轉基因作物使發(fā)達國家和發(fā)展中國家的農民受益25個國家的>1330萬農戶種上了轉基因作物其中90%為發(fā)展中國家的小農戶轉基因水稻在基本不打農藥的情況下大幅度提高產量PhotosbyZhenZhuandJumin

Tu38轉基因作物種植比例2006年38轉基因西紅柿

1994年5月，美國食品和藥品管理局（FDA）批準首個轉基因食物——西紅柿FLAVRSVER進入消費市場。FDA相信該轉基因西紅柿與普通育種生長的西紅柿同樣安全。轉乙烯形成酶反義基因、儲存期延長40－50天的番茄以前，農民要趁西紅柿還沒有成熟，果實還是綠色的時候就采摘下來。因為西紅柿成熟后，皮也軟了，運輸過程中容易破。

沒有成熟的西紅柿被運送到商店后，噴上乙烯將它們催熟，變成紅色再擺出去賣。這種人工催熟的西紅柿沒有自然成熟的西紅柿好吃。

西紅柿的皮變軟，是因為多聚半乳糖醛酸酶把細胞壁中的膠質給分解了。生物學家們把編碼多聚半乳糖醛酸酶的基因克隆出來，測定了它的序列。然后合成一個和它相反的“反義基因”。

把“反義基因”轉入西紅柿細胞中，會干擾原來基因的活動，讓它再也沒有辦法合成多聚半乳糖醛酸酶，細胞壁中的膠質不會被分解掉。于是，西紅柿即使成熟了，皮也不會變軟。我們就可以等到它自然成熟了再采摘，不用擔心不好運輸。FLAVRSAVR西紅柿就是這樣。

轉基因西紅柿獲準上市，標志著FDA首次完成對轉基因農產品的評估和放行。但是在過去的十幾年，一直到現(xiàn)在，人們對于轉基因食品的爭論一直沒有停止過。為什么要進行轉基因生物安全評價44轉基因生物是人類有史以來發(fā)展最快的技術，也是爭論最大的技術。爭論的科學問題包括：GMO“轉基因生物(geneticallymodifiedorganism)”會不會變成病原物？（生物武器）基因漂移、基因污染（野生資源）“超級雜草”的可能性對非靶標生物的影響（生物多樣性）病毒的重組與異源包裝食品安全性：毒性、過敏性44近年來，歐美關于轉基因是否安全的爭論又鬧得沸沸揚揚。

轉基因食品生產和輸出大戶美國，從其自身利益出發(fā)，主張只要科學上無法證明它有害，就不應該限制。而轉基因食品輸入最多的歐洲國家，公眾對轉基因食品普遍感到恐慌：

他們認為，動物實驗顯示某些轉基因食品對動物有害，而對人類如何由于時間短還不清楚；

但只要不能否定其危險性，就應該加以限制。但事實是：無論世界上工業(yè)化國家還是發(fā)展中國家的農民，他們都是依靠自己的獨立決策在5年間將轉基因作物的種植面積增加了25倍之多。

從20世紀80年代世界上第一例轉基因植物的誕生，到目前全世界大約1億多公頃的轉基因作物。研究者還利用轉基因動物大量生產醫(yī)用蛋白，人類將最新的生物技術應用于醫(yī)藥、食品、農業(yè)領域以擺脫自然對傳統(tǒng)作業(yè)的限制。1998年8月，英國阿伯丁的羅威特研究所教授普茲泰發(fā)現(xiàn)老鼠食用轉基因土豆之后免疫系統(tǒng)受到破壞，普茲泰進一步推論，很多消費者也象被用于試驗的老鼠一樣食用沒有經過嚴格鑒定的轉基因食品。該消息的發(fā)布，使世界各國如日中天的轉基因熱潮蒙上了一層陰影......科學家們開始擔心，由轉基因技術創(chuàng)造出來的新型基因和生物可能會有害于人類。它們可能對生態(tài)環(huán)境造成新的污染，即基因污染，而這種新的污染源很難消除。轉基因農作物和以此為原料制造的轉基因食品對人體的影響也尚未定論。目前，轉基因農作物的安全性問題在比美、歐等地已經成了一個社會問題，消費者掀起了相當規(guī)模的反對轉基因農作物和食品的運動。總部設在荷蘭首都阿姆斯特丹的國際非政府組織綠色和平（Green-peace）是全球反轉基因運動的一面旗幟。在20世紀50年代，基因化學領域還籠罩在一片迷霧之中，然而…….而到了20世紀末，生物學家已經開發(fā)出一整套工具，這些工具使得對基因物質進行排序、克隆和操縱成了可能。新的基因技術所涉及的社會的、道德的、哲學的內涵無疑是深刻的……轉基因生物有影響的幾次事件

國外：1998年英國普茲泰事件（馬鈴薯事件）2000年美國星聯(lián)StarLink玉米事件2005年美國BT10轉基因玉米事件2005年美國轉基因玉米MON863事件2006年美國轉基因長粒米污染事件5050

英國普茲泰事件（Pusztai）51Pusztai博士1998年，英國博士普茲泰Pusztai稱，他用基因馬鈴薯飼喂大鼠，其體重和器官重量減輕，破壞免疫系統(tǒng)。51

英國皇家學會評論（1999.5）不能確定轉基因和非轉基因馬鈴薯的化學成份有差異大鼠體重減輕系飼料中未補充蛋白質動物數(shù)量少，喂幾種不同的食物，且都不是大鼠的標準食物，缺少統(tǒng)計意義試驗設計差，未作雙盲測定統(tǒng)計方法不當試驗結果無一致性Pusztai被勸提前退休5252星聯(lián)玉米：美國安萬特Aventis公司開發(fā)，轉入了蘇云金芽孢桿菌的Cry9C抗蟲基因。部分人可能對其蛋白質過敏，1998年，美國只批準作為家畜飼料和工業(yè)用途。2000年，發(fā)現(xiàn)該玉米混入了食品中。星聯(lián)StarLink

玉米事件5353美國回收處理，引發(fā)全球的星聯(lián)玉米召回。日、韓、澳等國減少美國的玉米進口；美國本土的消費者也不購買。2002年，安萬特公司為消費者的集體訴訟支付了900萬美元；為回收市場上可能含有星聯(lián)玉米的300多種食品，安萬特和相關保險公司支付了約10億美元安萬特公司因此而倒閉！事件結果5454美國轉基因長粒米污染事件2006年8月，拜耳公司對外公布未經批準的轉基因水稻LLRice601少量混入商品稻米中，立即引起日本和歐盟采取緊急措施限制進口美國米。同月：

日本厚生勞動省宣布停止進口美國長粒米

歐盟采取緊急措施，規(guī)定只有附獨立實驗室按照認可的檢測方法出具的檢測報告證明不含有LLRice601，美國長粒大米才能進入歐盟市場。5555美國米出口下挫41%；農民控告拜耳公司要求賠償；多國已禁止美國長粒米進口；許多國家要求測試進口米；對中粒和短粒米的市場也造成影響；美國米可能再也無法以“非轉基因稻米”出售。2006年底，美國批準了該產品的種植。5656國內幾起重大事件湖北轉基因水稻事件2005年湖北轉基因水稻未獲安全證書，違規(guī)進入商業(yè)化種植，--湖北大米不能出省--中國大米不能出口--社會影響極為惡劣

向農民賠償300萬元！5757國內幾起重大事件

歐盟米制品事件：2006年中國出口到歐洲的米制品被檢出轉基因成份（可能來自湖北）

--中國米制品出口受措

--中國海關全面檢測

--生產、出口企業(yè)受損

--歐盟委員與中國部長對話，要求提供樣品和方法。5858國內幾起重大事件

2006年亨氏米粉事件：亨氏米粉部分城市下架，企業(yè)損失，嬰兒母親高度關注。

證明是炒作。5959國內幾起重大事件格力高和麥德龍休閑食品事件：2007年6月，綠色和平組織稱：經檢測，中國市場發(fā)現(xiàn)格力高和麥德龍休閑食品含轉基因成份未標識，在中國和外國實行雙重標準

--兩企業(yè)產品下架，至今未完全恢復銷售，損失重大！

證明含轉基因，但不在標識目錄內，無需標識6060一面是轉基因技術所承諾的解決人類面臨的食物短缺、能源危機和資源匱乏等難題，另一面是由于它對人類健康和生態(tài)環(huán)境的潛在風險。如何在促進轉基因技術發(fā)展和保護人類免受這種技術的發(fā)展所帶來的負面影響之間尋求一個恰當?shù)钠胶?，是大多?shù)國家所面臨的挑戰(zhàn)。轉基因技術仍是個爭議巨大的話題，支持者和反對者的辯論仍處進行時。自1996年開始，在孟山都（Monsanto）和旗下的先鋒良種（PioneerHi-Bred）等公司的推動下，美國的轉基因國家戰(zhàn)略飛速推進。2010年，美國的三大轉基因農作物大豆、玉米和棉花的種植面積分別占相應作物總播種面積的93%、86%和93%。“阿根廷：全球第一個轉基因實驗品！”阿根廷是繼美國之后世界上第二個大規(guī)模推進轉基因農業(yè)革命的國家。目前，阿根廷境內可耕種面積的50％被種上了轉基因作物，轉基因大豆、玉米和棉花的種植面積分別占相應作物總播種面積的98%、80%和60%以上。與美國相同，阿根廷的轉基因農業(yè)也是以出口為導向的，其在全球的大豆和玉米市場上已是美國的主要競爭對手，也是僅次于美國的第二大對華大豆供應國。但是，阿根廷不具有轉基因技術自主知識產權，所有的種子和技術均來自美國。“阿根廷在哭泣，孟山都不相信眼淚？”美國種業(yè)巨頭孟山都與阿根廷的種種恩怨：孟山都最初免費派送種子，在成功占領99%市場份額之后又開始收取高額專利費；與孟山都種子配套的殺蟲劑破壞生態(tài)環(huán)境，殺死其他莊稼，引起動物后代器官畸形，使人出現(xiàn)惡心、腹瀉、嘔吐和皮膚損傷等癥狀。在目前出版的有關轉基因的書本中，阿根廷幾乎都以悲情的反面教材形象出現(xiàn)，諸如“阿根廷：全球第一個轉基因實驗品！”“阿根廷在哭泣，孟山都不相信眼淚！”然而……科學的態(tài)度并不是拒絕！我們反對將轉基因作物安全性這一科學問題復雜化、甚至妖魔化。我們要積極應對，而不是逃避：轉基因安全管理：--有科學問題，更有經濟、貿易甚至政治問題！--各級努力，《條例》實施取得一定成效！--內外夾擊、問題多多，形式嚴峻！--責任重大，提高認識，加強管理！

實現(xiàn)目標：保障安全，促進發(fā)展666667涉及轉基因生物技術研究、生物安全、生產、檢驗、衛(wèi)生、經濟和管理等領域的專家。成立國家農業(yè)轉基因生物安全委員會，來自9個部門、9個科研院所、9所大學、共74人。671981-1982轉基因動物的紛紛誕生超級鼠1981年美國科學家小鼠生殖細胞生長激素基因

可以不知疲倦地奔跑數(shù)小時、壽命更長、擁有更強繁殖能力、吃得更多而不增加體重。

轉基因果蠅1981控制眼睛顏色的基因Ry1基因果蠅胚胎野生型結果得到了眼睛顏色為紅色的果蠅，表明轉入的基因已在體內表達。這一性狀隨果蠅繁殖保留了下來基因工程與環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測環(huán)境污染凈化

隨著化學工業(yè)的迅速發(fā)展，種類繁多、數(shù)量巨大的人工合成化學物質應運而生，其中80%是有毒或能持久存在的。通過基因工程可以提高某些微生物體內特異酶的活性，從而構建降解特殊污染物的微生物，有利于環(huán)保工業(yè)的發(fā)展。美國通用GE(GeneralElectric)公司成功構造具有巨大烴類分解能力的工程菌，并獲專利，用于清除石油污染?；蚬こ淘卺t(yī)藥領域的應用

Ⅰ基因治療（genetherapy）

以基因工程為基礎的治療遺傳疾病、腫瘤、心血管、代謝性疾病的新方法——基因治療是21世紀的一大熱點領域。

基因治療就是制備正?；虼婊蛐Ｕz傳缺陷基因，或關閉、或降低、或調控異?；虻谋磉_，而達到治療疾病的目的。

1990年9月，美國政府首次批準：對患有腺苷脫氨酶（ADA）缺陷而導致重度綜合免疫缺陷癥（SCID）的一個4歲女童進行基因治療，并獲得成功。該患者今年已經21歲了。從而開創(chuàng)了醫(yī)學界的新紀元。人類基因治療重度綜合免疫缺失癥（SCID）患兒一出生就必須生活在隔離室中實施基因治療的必要步驟如下：找到致病基因；克隆得到大量與致病基因相應的正?；颍徊扇∵m當方法把正?；蚍呕氐讲∪松眢w內去；進入體內的正常基因應正常表達?？寺〉玫秸；蛞圆《綝NA為載體正常基因轉入人體細胞再轉入病人身體Ⅱ利用轉基因植物生產藥用蛋白

由于植物本身的特點，使之具有成本極低、純化手續(xù)簡便等得天獨厚的優(yōu)勢。利用植物生產藥用蛋白——植物生物反應器有望成為未來基因工程發(fā)展的另一個重要領域之一。

Ⅲ利用動物生產藥用蛋白

——轉基因動物生物反應器

1980年Gurdon首次獲得轉基因小鼠，Palmifer

在1982年首次獲得表型發(fā)生改變的“超級小鼠”，隨后轉基因動物的研究日漸活躍?，F(xiàn)在轉基因動物技術已用于牛、羊，使得從牛/羊奶中可以生產蛋白質藥物。稱為“乳腺反應器”工程。美國轉基因豬，其體內含有人類的基因，乳汁含有人體蛋白fatorⅧ。只需300～600只這樣的母豬就能滿足全世界對這種蛋白的需求。特殊蛋白質的大量生產乳汁中含有人生長激素的轉基因牛(阿根廷)乳汁中分泌人凝血因子IX的轉基因山羊

1）乳腺是一個外分泌器官，乳汁不進入體內循環(huán)，不會影響轉基因動物本身的生理代謝反應。

2）從乳汁中獲取目的基因產物，產量高，易提純，表達的蛋白質已經經過充分的修飾加工，具有穩(wěn)定的生物活性。

3）從乳汁中源源不斷獲得目的基因的產物的同時，轉基因動物又可無限繁殖。乳腺能成為基因藥物最理想的表達場所Ⅳ基因工程疫苗的生產

傳統(tǒng)制備的疫苗，作用是滅活病原體，或減弱病原體毒力。其安全性，免疫性和持續(xù)性不足。應用基因工程技術可制成更多種類、更價廉、更安全有效的疫苗或多價疫苗。基因工程疫苗只含有病原體部分抗原性?；蚬こ膛c工業(yè)

釀酒工業(yè)食品工業(yè)制藥工業(yè)新型蛋白質的生產哺乳小牛凝乳酶基因胃轉入啤酒酵母凝乳酶凝乳酶生產奶酪的凝乳酶傳統(tǒng)上來自哺乳小牛的胃。現(xiàn)在可以通過基因工程辦法，用酵母生產凝乳酶，大量用于奶酪制造。制造奶酪基因工程技術的意義

基因工程技術跨越生物種屬間不可逾越鴻