基因工程

基因工程

基因工程(genetic engineering)又稱基因拼接技術和DNA重組技術,是以分子遺傳學為理論基礎,以分子生物學和微生物學的現代方法為手段,將不同來源的基因按預先設計的藍圖,在體外構建雜種DNA分子,然後導入活細胞,以改變生物原有的遺傳特性、獲得新品種、生產新產品。基因工程技術為基因的結構和功能的研究提供了有力的手段。基因工程是生物工程的一個重要分支,它和細胞工程、酶工程、蛋白質工程和微生物工程共同組成了生物工程。

基本信息

學科概況

基因工程

基因工程基因工程
基因工程(geneticengineering)又稱基因拼接技術和DNA重組技術。所謂基因工程是在分子水平上對基因進行操作的複雜技術,是將外源基因通過體外重組後導入受體細胞內,使這個基因能在受體細胞內複製、轉錄、翻譯表達的操作。

基因工程是生物工程的一個重要分支,它和細胞工程酶工程蛋白質工程微生物工程共同組成了生物工程。所謂基因工程(geneticengineering)是在分子水平上對基因進行操作的複雜技術。它是用人為的方法將所需要的某一供體生物的遺傳物質——DNA大分子提取出來,在離體條件下用適當的工具酶進行切割後,把它與作為載體的DNA分子連線起來,然後與載體一起導入某一更易生長、繁殖的受體細胞中,以讓外源物質在其中“安家落戶”,進行正常的複製和表達,從而獲得新物種的一種嶄新技術。它克服了遠緣雜交的不親和障礙。

1974年,波蘭遺傳學家斯吉巴爾斯基(WaclawSzybalski)稱基因重組技術為合成生物學概念,1978年,諾貝爾生醫獎頒給發現DNA限制酶的納森斯(DanielNathans)、亞伯(WernerArber)與史密斯(HamiltonSmith)時,斯吉巴爾斯基在《基因》期刊中寫道:限制酶將帶領我們進入合成生物學的新時代。2000年,國際上重新提出合成生物學概念,並定義為基於系統生物學原理的基因工程。

重組DNA技術的基本定義

重組DNA技術是指將一種生物體(供體)的基因與載體在體外進行拼接重組,然後轉入另一種生物體(受體)內,使之按照人們的意願穩定遺傳並表達出新產物或新性狀的DNA體外操作程式,也稱為分子克隆技術。因此,供體、受體、載體是重組DNA技術的三大基本元件。

基本定義

基因圖基因圖

狹義上僅指基因工程:是指將一種生物體(供體)的基因與載體在體外進行拼接重組,然後轉入另一種生物體(受體)內,使之按照人們的意願穩定遺傳,表達出新產物或新性狀。

重組DNA分子需在受體細胞中複製擴增,故還可將基因工程表征為分子克隆(MolecularCloning)或基因克隆(GeneCloning)。

廣義上包括傳統遺傳操作中的雜交技術、現代遺傳操作中的基因工程和細胞工程。

是指DNA重組技術的產業化設計與套用,包括上游技術和下游技術兩大組成部分。

上游技術:基因重組、克隆和表達的設計與構建(即DNA重組技術);

下游技術:基因工程菌(細胞)的大規模培養、外源基因表達產物的分離純化過程。

廣義的基因工程概念更傾向於工程學的範疇。

廣義的基因工程是一個高度的統一體:

上游重組DNA的設計必須以簡化下游操作工藝和裝備為指導思想;

下游過程則是上游重組藍圖的體現與保證。基因工程產業化的基本原則。

基因工程是指重組DNA技術的產業化設計與套用,包括上游技術和下游技術兩大組成部分。上游技術指的是基因重組、克隆和表達的設計與構建(即重組DNA技術);而下游技術則涉及到基因工程菌或細胞或基因工程生物體的大規模培養以及基因產物的分離純化過程。

基因工程是利用重組技術,在體外通過人工“剪下”和“拼接”等方法,對各種生物的核酸(基因)進行改造和重新組合,然後導入微生物或真核細胞內,使重組基因在細胞內表達,產生出人類需要的基因產物,或者改造、創造新特性的生物類型。

從實質上講,基因工程的定義強調了外源DNA分子的新組合被引入到一種新的寄主生物中進行繁殖。這種DNA分子的新組合是按工程學的方法進行設計和操作的,這就賦予基因工程跨越天然物種屏障的能力,克服了固有的生物種(species)間限制,擴大和帶來了定向改造生物的可能性,這是基因工程的最大特點。

基因工程包括把來自不同生物的基因同有自主複製能力的載體DNA在體外人工連線,構成新的重組的DNA,然後送到受體生物中去表達,從而產生遺傳物質的轉移和重新組合。

基因工程要素:包括外源DNA,載體分子,工具酶和受體細胞等。

一個完整的、用於生產目的的基因工程技術程式包括的基本內容有:(1)外源目標基因的分離、克隆以及目標基因的結構與功能研究。這一部分的工作是整個基因工程的基礎,因此又稱為基因工程的上游部分。(2)適合轉移、表達載體的構建或目標基因的表達調控結構重組。(3)外源基因的導入。(4)外源基因在宿主基因組上的整合、表達及檢測與轉基因生物的篩選。(5)外源基因表達產物的生理功能的核實。(6)轉基因新品系的選育和建立,以及轉基因新品系的效益分析。(7)生態與進化安全保障機制的建立。(8)消費安全評價。

特徵

1)跨物種性

外源基因到另一種不同的生物細胞內進行繁殖。

2)無性擴增

外源DNA在宿主細胞內可大量擴增和高水平表達。

支撐技術

核酸凝膠電泳技術

核酸分子雜交技術

細菌轉化轉染技術

DNA序列分析技術

寡核苷酸合成技術

基因定點突變技術

聚合酶鏈反應技術

學科起源

基因工程基因工程

基因工程是在分子生物學分子遺傳學綜合發展基礎上於20世紀70年代誕生的一門嶄新的生物技術科學。

這個定義表明,基因工程具有以下幾個重要特徵:首先,外源核酸分子在不同的寄主生物中進行繁殖,能夠跨越天然物種屏障,把來自任何一種生物的基因放置到新的生物中,而這種生物可以與原來生物毫無親緣關係,這種能力是基因工程的第一個重要特徵。第二個特徵是,一種確定的DNA小片段在新的寄主細胞中進行擴增,這樣實現很少量DNA樣品"拷貝"出大量的DNA,而且是大量沒有污染任何其它DNA序列的、絕對純淨的DNA分子群體。科學家將改變人類生殖細胞DNA的技術稱為“基因系治療”(germlinetherapy),通常所說的“基因工程”則是針對改變動植物生殖細胞的。無論稱謂如何,改變個體生殖細胞的DNA都將可能使其後代發生同樣的改變。

細菌試驗

基因工程基因工程
迄今為止,基因工程還沒有用於人體,但已在從細菌到家畜的幾乎所有非人生命物體上做了實驗,並取得了成功。事實上,所有用於治療糖尿病的胰島素都來自一種細菌,其DNA中被插入人類可產生胰島素的基因,細菌便可自行複製胰島素。基因工程技術使得許多植物具有了抗病蟲害和抗除草劑的能力;在美國,大約有一半的大豆和四分之一的玉米都是轉基因的。是否該在農業中採用轉基因動植物已成為人們爭論的焦點:支持者認為,轉基因的農產品更容易生長,也含有更多的營養(甚至藥物),有助於減緩世界範圍內的饑荒和疾病;而反對者則認為,在農產品中引入新的基因會產生副作用,尤其是會破壞環境。

誠然,仍有許多基因的功能及其協同工作的方式不為人類所知,但想到利用基因工程可使番茄具有抗癌作用、使鮭魚長得比自然界中的大幾倍、使寵物不再會引起過敏,許多人便希望也可以對人類基因做類似的修改。畢竟,胚胎遺傳病篩查、基因修復和基因工程等技術不僅可用於治療疾病,也為改變諸如眼睛的顏色、智力等其他人類特性提供了可能。我們還遠不能設計定做我們的後代,但已有藉助胚胎遺傳病篩查技術培育人們需求的身體特性的例子。比如,運用此技術,可使患兒的父母生一個和患兒骨髓匹配的孩子,然後再通過骨髓移植來治癒患兒。

隨著DNA的內部結構和遺傳機制的秘密一點一點呈現在人們眼前,特別是當人們了解到遺傳密碼是由RNA轉錄表達的以後,生物學家不再僅僅滿足於探索、提示生物遺傳的秘密,而是開始躍躍欲試,構想在分子的水平上去干預生物的遺傳特性。如果將一種生物的DNA中的某個遺傳密碼片斷連線到另外一種生物的DNA鏈上去,將DNA重新組織一下,就可以按照人類的願望,設計出新的遺傳物質並創造出新的生物類型,這與過去培育生物繁殖後代的傳統做法完全不同。這種做法就像技術科學的工程設計,按照人類的需要把這種生物的這個“基因”與那種生物的那個“基因”重新“施工”,生物科學技術,就稱為“基因工程”,或者說是“遺傳工程”。基本操作步驟 這個過程即為體外重組DNA的過程。首先選擇目的基因所適合的運載工具,如質粒、病毒等,然後用同一種限制酶分別切割運載體和目的基因,使其產生相同的黏性末端,再加入適量的DNA連線酶,在生物體外將目的基因的DNA與運載體的DNA結合起來,形成重組DNA(或重組質粒)將重組的DNA雜合分子,借鑑細菌或病毒侵染細胞的途徑,轉移到選定的生物體細胞中,使重組的DNA在受體細胞中複製、轉錄、翻譯得以表達。把目的基因裝在運載體上並通過運載體將目的基因運到受體細胞的這一過程,在一般情況下,轉化成功率僅為百分之一。為此遺傳工程師們創造了低溫條件下用氯化鈣處理受體細胞和增加重組DNA濃度的辦法來提高轉化率。採用氯化鈣化處理後,能增大受體細胞的細胞壁透性,從而使雜種DNA分子更容易進入。另外也可用基因槍法、雷射微束穿孔法、顯微注射法等方法直接將目的基因轉入受體細胞(如受精卵細胞)。

操作步驟

工具

(1):限制性核酸內切酶、DNA連線酶

(2)載體:質粒載體、噬菌體載體、Ti質粒、人工染色體

轉基因螢光蝌蚪轉基因螢光蝌蚪

1.提取目的

基因獲取目的基因是實施基因工程的第一步。如植物的抗病(抗病毒抗細菌)基因,種子的貯藏蛋白的基因,以及人的胰島素基因干擾素基因等,都是目的基因。

要從浩瀚的“基因海洋”中獲得特定的目的基因,是十分不易的。科學家們經過不懈地探索,想出了許多辦法,其中主要有兩條途徑:一條是從供體細胞的DNA中直接分離基因;另一條是人工合成基因

直接分離基因最常用的方法是“鳥槍法”,又叫“散彈射擊法”。鳥槍法的具體做法是:用限制酶將供體細胞中的DNA切成許多片段,將這些片段分別載入運載體,然後通過運載體分別轉入不同的受體細胞,讓供體細胞提供的DNA(即外源DNA)的所有片段分別在各個受體細胞中大量複製(在遺傳學中叫做擴增,如使用PCR技術),從中找出含有目的基因的細胞,再用一定的方法把帶有目的基因的DNA片段分離出來。如許多抗蟲抗病毒的基因都可以用上述方法獲得。

用鳥槍法獲得目的基因的優點是操作簡便,缺點是工作量大,具有一定的盲目性。又由於真核細胞的基因含有不表達的DNA片段,一般使用人工合成的方法。

人工合成基因的方法主要有兩條。一條途徑是以目的基因轉錄成的信使RNA為模版,反轉錄成互補的單鏈DNA,然後在酶的作用下合成雙鏈DNA,從而獲得所需要的基因。另一條途徑是根據已知的蛋白質的胺基酸序列,推測出相應的信使RNA序列,然後按照鹼基互補配對的原則,推測出它的基因的核苷酸序列,再通過化學方法,以單核苷酸為原料合成目的基因。如人的血紅蛋白基因胰島素基因等就可以通過人工合成基因的方法獲得。

2.目的基因與運載體結合

基因表達載體的構建(即目的基因與運載體結合)是實施基因工程的第二步,也是基因工程的核心。

將目的基因與運載體結合的過程,實際上是不同來源的DNA重新組合的過程。如果以質粒作為運載體,首先要用一定的限制酶切割質粒,使質粒出現一個缺口,露出黏性末端。然後用同一種限制酶切斷目的基因,使其產生相同的黏性末端(部分限制性內切酶可切割出平末端,擁有相同效果)。將切下的目的基因的片段插入質粒的切口處,首先鹼基互補配對結合,兩個黏性末端吻合在一起,鹼基之間形成氫鍵,再加入適量DNA連線酶,催化兩條DNA鏈之間形成磷酸二酯鍵,從而將相鄰的脫氧核糖核酸連線起來,形成一個重組DNA分子。如人的胰島素基因就是通過這種方法與大腸桿菌中的質粒DNA分子結合,形成重組DNA分子(也叫重組質粒)的。

3.將目的基因導入受體細胞

基因工程基因工程

將目的基因導入受體細胞是實施基因工程的第三步。目的基因的片段與運載體在生物體外連線形成重組DNA分子後,下一步是將重組DNA分子引入受體細胞中進行擴增。

基因工程中常用的受體細胞有大腸桿菌,枯草桿菌,土壤農桿菌,酵母菌和動植物細胞等。

用人工方法使體外重組的DNA分子轉移到受體細胞,主要是借鑑細菌或病毒侵染細胞的途徑。例如,如果運載體是質粒,受體細胞是細菌,一般是將細菌用氯化鈣處理,以增大細菌細胞壁的通透性,使含有目的基因的重組質粒進入受體細胞。目的基因導入受體細胞後,就可以隨著受體細胞的繁殖而複製,由於細菌的繁殖速度非常快,在很短的時間內就能夠獲得大量的目的基因。

4.目的基因的檢測和表達

目的基因導入受體細胞後,是否可以穩定維持和表達其遺傳特性,只有通過檢測與鑑定才能知道。這是基因工程的第四步工作。

以上步驟完成後,在全部的受體細胞中,真正能夠攝入重組DNA分子的受體細胞是很少的。因此,必須通過一定的手段對受體細胞中是否導入了目的基因進行檢測。檢測的方法有很多種,例如,大腸桿菌的某種質粒具有青黴素抗性基因,當這種質粒與外源DNA組合在一起形成重組質粒,並被轉入受體細胞後,就可以根據受體細胞是否具有青黴素抗性來判斷受體細胞是否獲得了目的基因。重組DNA分子進入受體細胞後,受體細胞必須表現出特定的性狀,才能說明目的基因完成了表達過程。

前景

科學界預言,21世紀是一個基因工程世紀。基因工程是在分子水平對生物遺傳作人為干預,要認識它,我們先從生物工程談起:生物工程又稱生物技術,是一門套用現代生命科學原理和信息及化工等技術,利用活細胞或其產生的酶來對廉價原材料進行不同程度的加工,提供大量有用產品的綜合性工程技術。

生物工程的基礎是現代生命科學、技術科學和信息科學。生物工程的主要產品是為社會提供大量優質發酵產品,例如生化藥物、化工原料、能源、生物防治劑以及食品和飲料,還可以為人類提供治理環境、提取金屬、臨床診斷、基因治療和改良農作物品種等社會服務。

生物工程主要有基因工程、細胞工程、酶工程、蛋白質工程和微生物工程等5個部分。其中基因工程就是人們對生物基因進行改造,利用生物生產人們想要的特殊產品。

美國的吉爾伯特是鹼基排列分析法的創始人,他率先支持人類基因組工程如果將一種生物的DNA中的某個遺傳密碼片斷連線到另外一種生物的DNA鏈上去,將DNA重新組織一下,不就可以按照人類的願望,設計出新的遺傳物質並創造出新的生物類型嗎?這與過去培育生物繁殖後代的傳統做法完全不同,它很像技術科學的工程設計,即按照人類的需要把這種生物的這個“基因”與那種生物的那個“基因”重新“施工”,“組裝”成新的基因組合,創造出新的生物。這種完全按照人的意願,由重新組裝基因到新生物產生的生物科學技術,就被稱為“基因工程”,或者稱之為“遺傳工程”。

人類基因組研究是一項生命科學的基礎性研究。有科學家把基因組圖譜看成是指路圖,或化學中的元素周期表;也有科學家把基因組圖譜比作字典,但不論是從哪個角度去闡釋,破解人類自身基因密碼,以促進人類健康、預防疾病、延長壽命,其套用前景都是極其美好的。人類10萬個基因的信息以及相應的染色體位置被破譯後,破譯人類和動植物的基因密碼,為攻克疾病和提高農作物產量開拓了廣闊的前景。將成為醫學和生物製藥產業知識和技術創新的源泉。美國的貝克維茲正在觀察器皿中的菌落,他曾對人類基因組工程提出警告。

科學研究證明,一些困擾人類健康的主要疾病,例如心腦血管疾病、糖尿病、肝病、癌症等都與基因有關。依據已經破譯的基因序列和功能,找出這些基因並針對相應的病變區位進行藥物篩選,甚至基於已有的基因知識來設計新藥,就能“有的放矢”地修補或替換這些病變的基因,從而根治頑症。基因藥物將成為21世紀醫藥中的耀眼明星。基因研究不僅能夠為篩選和研製新藥提供基礎數據,也為利用基因進行檢測、預防和治療疾病提供了可能。比如,有同樣生活習慣和生活環境的人,由於具有不同基因序列,對同一種病的易感性就大不一樣。明顯的例子有,同為吸菸人群,有人就易患肺癌,有人則不然。醫生會根據各人不同的基因序列給予因人而異的指導,使其養成科學合理的生活習慣,最大可能地預防疾病。

人類基因組計畫

轉基因鏈轉基因鏈

信息技術的發展改變了人類的生活方式,而基因工程的突破將幫助人類延年益壽。一些國家人口的平均壽命已突破80歲,中國也突破了70歲。有科學家預言,隨著癌症、心腦血管疾病等頑症的有效攻克,在2020至2030年間,可能出現人口平均壽命突破100歲的國家。到2050年,人類的平均壽命將達到90至95歲。

人類將挑戰生命科學的極限。1953年2月的一天,英國科學家弗朗西斯·克里克宣布:我們已經發現了生命的秘密。他發現DNA是一種存在於細胞核中的雙螺鏇分子,決定了生物的遺傳。有趣的是,這位科學家是在劍橋的一家酒吧宣布了這一重大科學發現的。破譯人類和動植物的基因密碼,為攻克疾病和提高農作物產量開拓了廣闊的前景。1987年,美國科學家提出了“人類基因組計畫”,目標是確定人類的全部遺傳信息,確定人的基因在23對染色體上的具體位置,查清每個基因核苷酸的順序,建立人類基因庫。1999年,人的第22對染色體的基因密碼被破譯,“人類基因組計畫”邁出了成功的一步。可以預見,在今後的四分之一世紀裡,科學家們就可能揭示人類大約5000種基因遺傳病的致病基因,從而為癌症、糖尿病、心臟病、血友病等致命疾病找到基因療法。

繼2000年6月26日科學家公布人類基因組"工作框架圖"之後,中、美、日、德、法、英等6國科學家和美國塞萊拉公司2001年2月12日聯合公布人類基因組圖譜及初步分析結果。這次公布的人類基因組圖譜是在原"工作框架圖"的基礎上,經過整理、分類和排列後得到的,它更加準確、清晰、完整。人類基因組蘊涵有人類生、老、病、死的絕大多數遺傳信息,破譯它將為疾病的診斷、新藥物的研製和新療法的探索帶來一場革命。人類基因組圖譜及初步分析結果的公布將對生命科學和生物技術的發展起到重要的推動作用。隨著人類基因組研究工作的進一步深入,生命科學和生物技術將隨著新的世紀進入新的紀元。

基因工程在20世紀取得了很大的進展,這至少有兩個有力的證明。一是轉基因動植物,一是克隆技術。轉基因動植物由於植入了新的基因,使得動植物具有了原先沒有的全新的性狀,這引起了一場農業革命。如今,轉基因技術已經開始廣泛套用,如抗蟲西紅柿、生長迅速的鯽魚等。1997年世界十大科技突破之首是克隆羊的誕生。這隻叫“多利”母綿羊是第一隻通過無性繁殖產生的哺乳動物,它完全秉承了給予它細胞核的那隻母羊的遺傳基因。“克隆”一時間成為人們注目的焦點。儘管有著倫理和社會方面的憂慮,但生物技術的巨大進步使人類對未來的想像有了更廣闊的空間。

歷史大事記

克隆羊克隆羊

1866年,奧地利遺傳學家孟德爾神父根據豌豆雜交實驗發現生物的遺傳基因規律,提出遺傳因子概念,並總結出孟德爾遺傳定律。

1868年,瑞士生物學家弗里德里希發現細胞核記憶體有酸性和蛋白質兩個部分。酸性部分就是後來的所謂的DNA;

1882年,德國胚胎學家瓦爾特弗萊明在研究蠑螈細胞時發現細胞核內的包含有大量的分裂的線狀物體,也就是後來的染色體;

1909年丹麥植物學家和遺傳學家詹森首次提出“基因”這一名詞,用以表達孟德爾的遺傳因子概念。

1944年3位美國科學家分離出細菌的DNA(脫氧核糖核酸),並發現DNA是攜帶生命遺傳物質的分子。

1953年,美國生化學家沃森和英國物理學家克里克宣布他們發現了DNA的雙螺鏇結構,奠下了基因工程的基礎;

1969年科學家成功分離出第一個基因。

1980年科學家首次培育出世界第一個轉基因動物轉基因小鼠。

1983年科學家首次培育出世界第一個轉基因植物轉基因菸草。

1988年K.Mullis發明了PCR技術。

1990年10月被譽為生命科學“阿波羅登月計畫”的國際人類基因組計畫啟動。

1994年中科院曾邦哲提出轉基因禽類金蛋計畫和“輸卵管生物反應器(oviductbioreactor)”以及“系統遺傳學(systemgenetics)”等概念、原理、名詞和方法等。

1996年,第一隻克隆羊誕生;

1998年一批科學家在美國羅克威爾組建塞萊拉遺傳公司,與國際人類基因組計畫展開競爭。

1998年12月一種小線蟲完整基因組序列的測定工作宣告完成,這是科學家第一次繪出多細胞動物的基因組圖譜。

1999年9月中國獲準加入人類基因組計畫,負責測定人類基因組全部序列的1%。中國是繼美、英、日、德、法之後第6個國際人類基因組計畫參與國,也是參與這一計畫的惟一開發中國家。

1999年12月1日國際人類基因組計畫聯合研究小組宣布,完整破譯出人體第22對染色體的遺傳密碼,這是人類首次成功地完成人體染色體完整基因序列的測定。

2000年4月6日美國塞萊拉公司宣布破譯出一名實驗者的完整遺傳密碼,但遭到不少科學家的質疑。

2000年4月底中國科學家按照國際人類基因組計畫的部署,完成了1%人類基因組的工作框架圖。

2000年5月8日德、日等國科學家宣布,已基本完成了人體第21對染色體的測序工作。

2000年6月26日科學家公布人類基因組工作草圖,標誌著人類在解讀自身“生命之書”的路上邁出了重要一步。

2000年12月14日美英等國科學家宣布繪出擬南芥基因組的完整圖譜,這是人類首次全部破譯出一種植物的基因序列。

2001年2月12日中、美、日、德、法、英6國科學家和美國塞萊拉公司聯合公布人類基因組圖譜及初步分析結果。
科學家首次公布人類基因組草圖“基因信息”。

研究狀況

英國:早在20世紀80年代中期,英國就有了第一家生物科技企業,是歐洲國家中發展最早的。如今它已擁有560家生物技術公司,歐洲70家上市的生物技術公司中,英國占了一半。

德國:德國政府認識到,生物科技將是保持德國未來經濟競爭力的關鍵,於是在1993年通過立法,簡化生物技術企業的審批手續,並且撥款1.5億馬克,成立了3個生物技術研究中心。此外,政府還計畫在未來5年中斥資12億馬克,用於人類基因組計畫的研究。1999年德國研究人員申請的生物技術專利已經占到了歐洲的14%。

法國:法國政府在過去10年中用於生物技術的資金已經增加了10倍,其中最典型的項目就是1998年在巴黎附近成立的號稱“基因谷”的科技園區,這裡聚集著法國最有潛力的新興生物技術公司。另外20個法國城市也準備仿照“基因谷”建立自己的生物科技園區。

西班牙馬爾製藥公司是該國生物科技企業的代表,該公司專門從海洋生物中尋找抗癌物質。其中最具開發價值的是ET-743,這是一種從加勒比海和地中海的海底噴出物中提取的紅色抗癌藥物。ET-743計畫於2002年在歐洲註冊生產,將用於治療骨癌、皮膚癌、卵巢癌、乳腺癌等多種常見癌症。

印度:印度政府資助全國50多家研究中心來收集人類基因組數據。由於獨特的“種姓制度”和一些偏僻部落的內部通婚習俗,印度人口的基因庫是全世界保存得最完整的,這對於科學家尋找遺傳疾病的病理和治療方法來說是個非常寶貴的資料庫。但印度的私營生物技術企業還處於起步階段。

日本:日本政府已經計畫將用於生物技術研究的經費增加23%。一家私營企業還成立了“龍基因中心”,它將是亞洲最大的基因組研究機構。

新加坡:新加坡宣布了一項耗資6000萬美元的基因技術研究項目,研究疾病如何對亞洲人和白種人產生不同影響。該計畫重點分析基因差異以及什麼樣的治療方法對亞洲人管用,以最終獲得用於確定和治療疾病的新知識;並設立高技術公司來製造這一研究所衍生出的藥物和醫療產品。

中國:參與了人類基因組計畫,測定了1%的序列,這為21世紀的中國生物產業帶來了光明。這“1%項目”使中國走進生物產業的國際先進行列,也使中國理所當然地分享人類基因組計畫的全部成果、資源與技術。

套用

農牧業、食品工業

運用基因工程技術,不但可以培養優質、高產、抗性好的農作物及畜、禽新品種,還可以培養出具有特殊用途的動、植物。

1.轉基因魚

生長快、耐不良環境、肉質好的轉基因魚(中國)。

2.轉基因牛

乳汁中含有人生長激素的轉基因牛(阿根廷)。

3.轉黃瓜抗青枯病基因的甜椒

4.轉魚抗寒基因的番茄

5.轉黃瓜抗青枯病基因的馬鈴薯

6.不會引起過敏的轉基因大豆

7.超級動物

導入貯藏蛋白基因的超級羊和超級小鼠

8.特殊動物

導入人基因具特殊用途的豬和小鼠

9.抗蟲棉

蘇雲金芽胞桿菌可合成毒蛋白殺死棉鈴蟲,把這部分基因導入棉花的離體細胞中,再組織培養就可獲得抗蟲棉。

環境保護

基因工程做成的DNA探針能夠十分靈敏地檢測環境中的病毒、細菌等污染。

利用基因工程培育的指示生物能十分靈敏地反映環境污染的情況,卻不易因環境污染而大量死亡,甚至還可以吸收和轉化污染物。

基因工程做成的“超級細菌”能吞食和分解多種污染環境的物質(通常一種細菌只能分解石油中的一種烴類,用基因工程培育成功的“超級細菌”卻能分解石油中的多種烴類化合物。有的還能吞食轉化汞、鎘等重金屬,分解DDT等毒害物質。)

醫學

基因作為機體內的遺傳單位,不僅可以決定我們的相貌、高矮,而且它的異常會不可避免地導致各種疾病的出現。某些缺陷基因可能會遺傳給後代,有些則不能。基因治療的提出最初是針對單基因缺陷的遺傳疾病,目的在於有一個正常的基因來代替缺陷基因或者來補救缺陷基因的致病因素。

用基因治病是把功能基因導入病人體內使之表達,並因表達產物——蛋白質發揮了功能使疾病得以治療。基因治療的結果就像給基因做了一次手術,治病治根,所以有人又把它形容為“分子外科”。

我們可以將基因治療分為性細胞基因和體細胞基因治療兩種類型。性細胞基因治療是在患者的性細胞中進行操作,使其後代從此再不會得這種遺傳疾病。體細胞基因治療是當前基因治療研究的主流。但其不足之處也很明顯,它並沒前改變病人已有單個或多個基因缺陷的遺傳背景,以致在其後代的子孫中必然還會有人要患這一疾病。

無論哪一種基因治療,處於初期的臨床試驗階段,均沒有穩定的療效和完全的安全性,這是當前基因治療的研究現狀。

可以說,在沒有完全解釋人類基因組的運轉機制、充分了解基因調控機制和疾病的分子機理之前進行基因治療是相當危險的。增強基因治療的安全性,提高臨床試驗的嚴密性及合理性尤為重要。儘管基因治療仍有許多障礙有待克服,但總的趨勢是令人鼓舞的。據統計,截止1998年底,世界範圍內已有373個臨床法案被實施,累計3134人接受了基因轉移試驗,充分顯示了其巨大的開發潛力及套用前景。正如基因治療的奠基者們當初所預言的那樣,基因治療的出現將推動新世紀醫學的革命性變化。

醫藥衛生

1.基因工程藥品的生產:許多藥品的生產是從生物組織中提取的。受材料來源限制產量有限,其價格往往十分昂貴。
微生物生長迅速,容易控制,適於大規模工業化生產。若將生物合成相應藥物成分的基因導入微生物細胞內,讓它們產生相應的藥物,不但能解決產量問題,還能大大降低生產成本。

基因工程胰島素

胰島素是治療糖尿病的特效藥,長期以來只能依靠從豬、牛等動物的胰腺中提取,100Kg胰腺只能提取4-5g的胰島素,其產量之低和價格之高可想而知。

將合成的胰島素基因導入大腸桿菌,每2000L培養液就能產生100g胰島素!大規模工業化生產不但解決了這種比黃金還貴的藥品產量問題,還使其價格降低了30%-50%!

基因工程干擾素

干擾素治療病毒感染簡直是“萬能靈藥”!過去從人血中提取,300L血才提取1mg!其“珍貴”程度自不用多說。

基因工程人干擾素α-2b(安達芬)是中國第一個全國產化基因工程人干擾素α-2b,具有抗病毒,抑制腫瘤細胞增生,調節人體免疫功能的作用,廣泛用於病毒性疾病治療和多種腫瘤的治療,是當前國際公認的病毒性疾病治療的首選藥物和腫瘤生物治療的主要藥物。

⑶其它基因工程藥物

人造血液、白細胞介素、B肝疫苗等通過基因工程實現工業化生產,均為解除人類的病苦,提高人類的健康水平發揮了重大的作用。

2.基因診斷與基因治療:基因治療是把正常基因導入病人體內,使該基因的表達產物發揮功能,從而達到治療疾病的目的,這是治療遺傳病的最有效的手段。基該方法是:基因置換、基因修復、基因增補和基因失活等。

運用基因工程設計製造的“DNA探針”檢測肝炎病毒等病毒感染及遺傳缺陷,不但準確而且迅速。通過基因工程給患有遺傳病的人體內導入正常基因可“一次性”解除病人的疾苦。

但基因治療技術尚未成熟,未成熟的關鍵問題在於:①如何選擇有效的治療基因;②如何構建安全載體,病毒載體效率較高,但卻有潛在的危險性;③如何定嚮導入靶細胞,並獲得高表達。

SCID的基因工程治療

重症聯合免疫缺陷(SCID)患者缺乏正常的人體免疫功能,只要稍被細菌或者病毒感染,就會發病死亡。這個病的機理是細胞的一個常染色體上編碼腺苷酸脫氨酶(簡稱ADA)的基因(ada)發生了突變。可以通過基因工程的方法治療。

發展

80年代中期以來,中國生物技術蓬勃發展、成績喜人。由於國家高技術研究計畫(即“八六三”計畫)、攻關計畫和國家自然科學基金會都將生物技術作為優先發展領域予以重點支持,中國生物技術整體研究水平迅速提高,取得了一批高水平的研究成果,為中國新興生物技術產業的建立和發展提供了技術源泉。中國基因工程製藥產業進入快速發展時期。

產業現狀

1989年,中國批准了第一個在中國生產的基因工程藥物——重組人干擾素αlb,標誌著中國生產的基因工程藥物實現了零的突破。重組人干擾素αlb是世界上第一個採用中國人基因克隆和表達的基因工程藥物,也是到目前為止唯一的一個中國自主研製成功的擁有自主智慧財產權的基因工程一類新藥。從此以後,中國基因工程製藥產業從無到有,不斷發展壯大。1998年,中國基因工程製藥產業銷售額已達到了7.2億元人民幣。截止1998年底,中國已批准上市的基因工程藥物和疫苗產品總計15種。國內已有30餘家生物製藥企業取得了基因工程藥物或疫苗試生產或正式生產批准文號。

根據1997年對全國452從個事生物技術研究、開發和生產的單位進行的通訊調查結果,截止1996年底,中國已有8種基因工程藥物和疫苗商品化(包括試生產),1996年基因工程藥物和疫苗銷售額約為2.2億元人民幣,僅占同期全國醫藥生物技術產品年銷售額21.16億元人民的10.4%。然而可喜的是,中國基因工程製藥產業發展迅猛,年銷售額已從1996年的2.2億元人民幣增長到1998年的7.2億元人民幣,年均增長率高達80%。預計2000年中國基因工程藥物銷售額將達到22.8億元人民幣。

基因工程在製藥業中具有廣闊的發展前景,中國的基因製藥行業已經初具規模,但與世界已開發國家存在差距,主要表現在具有自主智慧財產權的產品較少,產業規模小、經濟效益低。基因製藥產業面臨著歷史性的機遇,主要表現在政府支持、資源豐富、基因信息公開、國際交流增加等方面。提高自主開發能力、保護基因資源是當前亟待解決的問題,同時,應加強對基因製藥領域技術壁壘的研究與準備。

國內外對比

中國生物技術產業,特別是生物製藥產業規模與美國相比差距很大。1996年,中國生物技術銷售額為114億元人民幣,美國為100億美元,相差7倍。1996年,中國基因工程和疫苗銷售額為2.3億元人民幣,同期美國75億美元。1998年,中國基因工程藥物和疫苗銷售額為7.2億元人民幣,還不到1億美元,而1996年美國Amgen公司的兩個主要產品Neupgen(G-CSF)和Epogen(紅細胞生成素)銷售額均達到10億美元。

從上市品種看,1998年,中國有15種基因工程藥物和疫苗獲準上市,美國上市的生物藥物(主要是基因工程藥物)共53種。中國基國工程藥物市時間較美國同品種上市時間晚5年-10年。

存在的主要問題

1、同種產品生產廠家過多,造成市場惡性競爭,嚴重影響產業的健康發展:中國已批准上市的基因工程藥物和疫苗絕大多數是多家生產。例如:干擾素α2a生產廠家有5家,干擾素α2b有5家,白細胞介素-2有10家,G-CSF有7家,GM-CSF有6家。基因工程藥物臨床套用劑量一般都很小(微克級),通常2-3個廠家滿負荷生產就能滿足全國市場需要。因此,過多廠家生產同一種基因工程藥物勢必造成市場過度競爭,使各生產企業的利潤下降,同時還導致現有生產能力開工不足,成本增加,使企業不能獲得合理利潤,無法步入良性發展的軌道,甚至迫使有些企業嚴重虧損和破產。

這種重複生產的現象與中國新藥研究開發的指導思想不無關係。以往中國新藥的研究開發是以引進開發為主,中國研製上市的和在研的新藥絕大部分是仿製國外的,創新藥物很少。已批准的15種基因工程藥物和疫苗中,只有干擾素αlb擁有我自主智慧財產權。在研究的生物新藥中,絕大多數是國外進入二、三期臨床後中國開始跟蹤研製的。由此不難看出,中國新藥研究開發缺乏創新和低水平重複是導致醫藥產業重複生產的源頭。大力加強創新藥物的研究是從源頭解決基因工程藥物重複生產問題的根本出路。同時,中國還必須進一步完善新藥審批制度和專利制度,從制度上鼓勵創新,切實保護創新者的智慧財產權,避免重複生產。

2、融資渠道單一、產業發展資金不足:基因工程製藥產業是典型的技術產業,具有高投入、高風險、高收益的特點。中國基因工程製藥企業投資大多在2000萬元-1億元人民幣。資金來源除股東投入的股本金外,主要是靠銀行貸款,融資渠道狹窄。由於銀行十分注意資金的的安全性和流動性,高技術投資的風險使銀行對之貸款慎之又慎。同時,中國基因工程製藥使得這些企業融資能力明顯不足,很難從一般融資渠道獲得企業發展所需的資金。發展資金嚴重不足已成為基因工程製藥產業發展的巨大障礙因素。因此,中國應借鑑國外利用風險投資發展高技術產業的成功經驗,制定有關法規政策,積極穩妥地啟動風險投資。

3、醫藥市場競爭無序,行業不正之風盛行:隨著中國從計畫經濟向市場經濟轉軌,醫藥市場出現了新的變化,藥品購銷各個環節利潤分配極不合理。按國家現行價格規定,藥品批發價是出廠價的115%,零售價為批發價的120%。但是,基因工程藥物實際行銷中,醫院一般以國家批發價的70%-85%進藥,從而獲得零售價的30%-50%的利潤,而生產企業的利潤只有5%-15%。這種利潤不合理分配導致眾多製藥企業虧損。更加上同種基因工程藥品由多家生產,迫使生產企業紛紛採取高定價、高讓利的促銷手段,使藥品市場競爭進一步惡化。企業迫於市場壓力,主要精力都用在市場競爭上,無力顧及技術創新。過多的市場投入和讓利,使正常生產經營都十分困難,更談不上如何發展了。醫藥市場惡性競爭非但未能使消費者受益,卻使得國家、製藥企業和廣大消費者的利益受到極大的損害。

另據調查,絕大多數進口基因工程藥品的銷售價格都大大高於同種國產藥品銷售價格,而且更為不合理的是,一半以上的進口基因工程藥品在中國的售價高於原產國售價。

4、企業管理相對滯後,技術兼經營型人才匱乏:中國基因工程製藥產業起步較晚,但是起點相對較高。許多企業的關鍵性生產設備都是從國外進口。然而,在經營管理上與國外相比還有很大的差距。現代企業制度的特點之一是所有權與經營權分離,企業的所有者對經營者進行監督,經營者通過自主經營使企業的資產保值增值。中國大多數基因工程製藥企業,雖然在形式上是有限責任公司或股份有限,但是企業的所有經營者一般由企業出任或委派。企業這種所有權與經營以不分的狀況,既不利於企業長遠發展,也不利於企業經營階層即企業家階層的形成。

基因工程製藥企業是典型的技術密集型高技術企業,企業要在激烈的競爭中求得生存和發展就必須擁有一批高素質的複合型人才。如何培養和造就一批這種複合型人才已成為中國生物製藥閏為亟持解決的問題。

對策及政策建議

根據國家內外工程製藥產業現狀及發展趨勢,為促進中國基因工程製藥產業的快速健康發展,我們提出以下建議:

1、制定產業發展戰略規劃,強化財政稅收優惠政策

中國基因工程製藥產業存在的盲目性和嚴重的重複現象與缺乏明確的產業發展戰略和規劃不無關係。因此,中國應該儘早制定出台生物技術產業發展戰略和指導性發展規劃,在引進、消化、吸收、創新及對傳統產業的改造方面,集中有限財力、物力,重點支持一批具自主智慧財產權和國際競爭優勢,對國民經濟發展和人民生活具有重大影響的關鍵性基因工程產業化項目。只有這樣,中國基本工程製藥產業才能避免盲目性和無政府狀態,從而走上良性發展的道路。

基因工程製藥業與其它高技術產業一樣,具有高投入、高風險和高產出等特點,起步階段必須依靠國家優惠政策扶持才能不斷發展壯大。中國各級政府為支持高科技產為發展雖制定了許多優惠政策,但優惠的力度不夠,而且在具體實施過程中因涉及部門較多,落無實處的情況時有發生。因此,建議國家進一步強化並規範對基因工程製藥產業的財政、稅收優惠政策。

2、大力加強基因工程創新藥物的研製和生產

由於中國上市銷售和在研的基因工程藥物絕大多數是仿製國外的,這使得中國基因工程藥物很難講入國際市場。特別是中國加入WTO後,一些基因工程製藥企業將處於十分被動的境地,有可能會面臨專利糾紛。為了從根本上改變中國基因工程製藥業重複生產和缺乏國際競爭力的局面,中國的新藥研製開發思想必須做戰略調整,從以仿製為主向創新與仿製相結合轉變。為此,中國必須大力加強創新藥物研究,進一步完善智慧財產權保護制度和新藥審批制度,特別是要加大對侵犯智慧財產權的打擊力度,切實保護創新者權益。同時,新藥研製單位和個人應該注意學會用專利保護自己的利益。國外一些公司採取的“專利加發表”的策略具有一定的啟發性。為了使自己的技術專利化,並防止別人申請同樣的專利,美國公司在申請專利後便迅速將專利內容公開發表。這種做法既確立了自己的領先地位,又有效一阻止了他人申請相同的專利。

在加強創新藥物研究的同時,可以有選擇地合法仿製一些專利即將過期、療效明確、套用前景廣闊基因工程藥物。對仿製藥物有關的專利要進行認真的研究,採取有效的專利迴避策略,避免簡單的、盲目的仿製。要在仿製的基礎上創新。創造出專利方法不同的生產工藝和方法,避免引起專利糾紛。

3、積極引導培育風險投資市場

融資困難、資金不足已嚴重製約了中國基因工程製藥產業的迅速發展。歐美已開發國家的成功經驗表明,風險投資是解決高技術商品化、產業化過程中資金困難的有效途徑。因此,中國政府應積極穩妥地引導和培育風險投資,盡制定風險投資運行的法規和政策,為風險投資創造寬鬆的環境和條件,適時允許投資銀行、信託投資公司、保險公司等機構發起設立風險投資基金。積極吸引國外風險投資歷基金流入。同時,還應該放寬高技術企業股票發行條件,為高技術企業股票上市提供更多機會。積極準備開闢高技術企業股票市場即第二股票市場,為風險投資進入和退了資本市場創造條件。

危害

關於轉基因生物的安全性,沒有科學性共識。儘管如此,基因工程農作物已被大規模投放,生物醫學套用也日益增加。轉基因生物還被投入工業使用和環境恢復,而公眾對此卻知之甚少。最近幾年,越來越多的證據證明存在生態、健康危害和風險,對農民也有不利影響。

基因工程細菌影響土壤生物,導致植物死亡

1999出版的研究資料例舉了基因工程微生物釋放到環境中將如何導致廣泛的生態破環。

當把克氏桿菌的基因工程菌株與砂土和小麥作物加入微觀體中時,餵食線蟲類生物的細菌和真菌數量明顯增加,導致植物死亡。而加入親本非基因工程菌株時,僅有餵食線蟲類生物的細菌數量增加,而植物不會死亡。沒有植物而將任何一種菌株引入土壤都不會改變線蟲類群落。

克氏桿菌是一種能使乳糖發酵的常見土壤細菌。基因工程細菌被製造用來在發酵桶中產生使農業廢物轉換為乙醇的增強乙醇濃縮物。發酵殘留物,包括基因工程細菌亦可於土壤改良。

研究證明,一些土壤生態系統中的基因工程細菌在某些條件下可長期存活,時間之長足以刺激土壤生物產生變化,影響植物生長和營養循環進程。雖然仍不清楚此類就地觀測的程度,但是基因工程細菌引起植物死亡的發現也說明如果使用此種土壤改良有殺傷農作物的可能。

致命基因工程鼠痘病毒偶然產生

澳大利亞研究員在研發對相對無害的鼠痘病毒基因工程時竟意外製創造出可徹底消滅老鼠的殺手病毒。

研究員們將白細胞間介素4的基因(在身體中自然產生)插入到一種鼠痘病毒中以促進抗體的產生,並創造出用於控制鼠害的鼠類避妊疫苗。非常意外的是,插入的基因完全抑制了老鼠的免疫系統。鼠痘病毒通常僅導致輕微的症狀,但加入IL-4基因後,該病毒9天內使所有動物致死。更糟的是,此種基因工程病毒對接種疫苗有著異乎尋常的抵抗力。

經改良的鼠痘病毒雖然對人類無影響,但卻與天花關係十分密切,讓人擔心基因工程將會被用於生物戰。一名研究員在談及他們決定出版研究成果的原因時曾說:"我們想警告普通民眾,現在有了這種有潛在危險的技術","我們還想讓科學界明白,必須小心行事,製造高危致命生物並不是太困難。"

殺蟲劑使用的增加大部分是由於HT作物,尤其是HT大豆使用的殺蟲劑增加,這一點可追溯到對HT作物的嚴重依賴性以及雜草管理的單一除草劑(草甘磷)使用。這已導致轉移到更加難以控制的雜草,而某些雜草中還出現了遺傳抗性,迫使許多農民在基因工程作物上噴灑更多的除草劑以對雜草適當進行控制。HT大豆中的抗草甘膦杉葉藻(marestail)於2000年在美國首次出現,在HT棉花中也已鑑別出此種物質。

其它研究顯示,基因工程農作物本身也會對其使用的除草劑產生抗性,引發嚴重的自身自長作物問題(同一塊地里早先種植的作物種子發芽的植物後來變成雜草)並迫使進一步使用除草劑。加拿大科學家證實了抗多種除草劑之基因工程油菜的迅速演化,此種作物因花粉長距離傳播而融合了不同公司研製的單價抗除草劑特性。

此外,科學家還在2002年確認了轉基因可從Bt向日葵移動到附近的野生向日葵,使雜化物更強、對化學藥品更具抗性,因為較之無基因控制的情況,雜化物多了50%的種子,且種子健康,甚至在乾旱條件下也如此。

北卡羅萊那州大學的研究顯示,Bt油菜與相關雜草、鳥食草之間的交叉物可產生抗蟲性雜合物,使雜草控制更困難。

所有這些事件使預防方法和嚴格的生物安全管理變得突出。預防原則在《卡塔赫納生物安全協定》這一主要管理轉基因微生物的國際法律中已得到重申。尤其是第10(6)條聲稱,如果缺乏科學定論,締約方可限制或禁止轉基因生物的進口,以避免或使生物多樣性及人類健康的不利影響降到最低。

生物化學術語(一)

我們學習了很多的生物化學的專業術語。現在,我把它們都整理在一起,可以使我們更加全面、完整的學習,認識,了解它們。

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