DNA重组及基因工程技术对医学和生命科学发展的贡献

第八节　DNA重组及基因工程技术对医学和生命科学发展的贡献

作为分子生物学发展的重要组成部分，DNA重组及基因工程技术给生命科学带来了革命性变化，促进着生命科学各学科研究和应用的进步，对推动医学各领域的发展同样起着重要的作用。

一、对人类遗传信息的认识

　　遗传信息决定生物的形态和特征，是生物生存之本。估计人类的 基因组 DNA约有4×109bp，含有约5-10万个基因，但至今人类对自己赖以生存繁衍的这个庞大的遗传信息库还知之甚少，目前已经知道的人基因只占估计数的百分之几，已搞清楚其表达调控者更寥寥无几，对占基因组80-90%不为蛋白质编码序列的认识更少，因而实际上我们现在对自己生存的基础和实质只有很表面的肤浅认识，设想如果人类掌握了自身全部遗传信息的结构、功能、表达和调控，无疑将能够深刻认识人的生长、发育、生存、繁衍的整个生老病死历程，将能对疾病的诊断、治疗和预防提出极有效的措施，将能真正掌握自己生存和发展的命运。

DNA重组技术的出现和发展，就使人们有可能去深入探索这个重大的课题。1985年提出的人基因组研究计划（Human Genome Project）很快得到世界科学的响应，这个研究计划的目标是要阐明人类遗传信息的组成和表达，是迄今全球性生物学、医学领域最引人注目的巨大研究工程。DNA重组是完成这个任务的主要手段，其中包括大片段DNA克隆、DNA的大尺度分析、全自动DNA序列测定，基因组信息数据库的建立等新思维和新技术的不断出现和发展，再加上大规模引入其它领域先进的科学技术，原预定21世纪头10年绘制出完整的人类染色体基因定位图、测定出人类基因组全部DNA序列，有望按期或提前完成。当然在这基础上要搞清楚全部人类基因的功能、各基因间的关系，基因表达调控、人类遗传信息的多样性等还要经历更长期和更艰苦的努力。但DNA重组技术促进了分子生物学迅速发展，给人类探索自身生命的奥秘展示了光明的前景。

生命关键的基础在于蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸相的相互作用，生物大分子的结构与功能的联系正是生命“活”的本质所在。凭借基因工程人们可以克隆获得天然的或任意设计的核酸序列，可以大量获得过去难以得到的生物体内极微量的活性蛋白质、可以设计获得任意定点突变（site-directed mutagenesis）的基因和蛋白质，这就为研究蛋白质与核酸的结构与功能、揭露生命的本质提供了很有力的手段。

二、基因工程药物与疫苗

　　利用基因工程技术生产有应用价值的药物是当今医药发展一个重要的方向，现在世界上已有几千家生物技术公司，其中多数都生产医药或医药研究所需的 试剂 。利用基因工程技术生产药物有两个不同的途径：一是利用基因工程技术改造传统的 制药 工业，例如用DNA重组技术改造制药所需要的菌种或创建的菌种，提高抗菌素、维生素、氨基酸产量等；二是用克隆的基因表达生产有用的肽类和蛋白质药物或疫苗，虽然基因诊断和医药研究试剂的基因工程产品已经很多，但目前基因工程药物还只处在发展的早期，至今真正被卫生部门正式批准投放市场的基因工程肽或蛋白类治疗药物现在还不多，但正在开发的基因工程治疗药物却有几百种，且而逐年迅速增加，可见其具有的巨大潜力。基因工程药物不仅用于医药上，还能用于工农业上，促进生产的发展，已经投放市场或近期可望投放市场的基因中程药物可举出以下例子。

1、基因工程疫菌 乙型肝炎是常见的传染病，过去从病人血液中分离乙肝病毒的表面抗原作为疫苗，来源有限，价格昂贵，有潜在交叉感染的危险。现在克隆得病毒编码的HbsAg基因，使其表达获得大量HbsAg用作疫苗。1986年美国正式批准基因工程乙肝疫苗投放市场，我国的科学工作者也克隆得在我国流行常见乙肝病毒亚型的HbsAg基因，研制得适用于我国乙肝基因工程疫苗，并已生产和使用。近期可能投放市场的还有甲型肝炎、巨细胞病毒、流行性出血热、轮状病毒、细菌性腹泻等基因工程疫苗。我军事医学科学院研制的仔畜腹泻基因工程疫苗，使仔畜免遭大肠杆菌腹泻之害，保护率达90%以上，为我国的肉食供应做出了贡献。

2、基因工程肽类药物 由免疫细胞和其它细胞分泌的细胞因子是具有很高活动性的肽类分子，在调节细胞生长分化、调节免疫功能、参与炎症反应和创伤修复中起重要作用，其中许多很有应用价值，但其生成量极微，难以提取获得，基因工程则可克隆其基因，使之表达获得大量产物供用。传统的肽类激素，血液中的微量活性成分、酶类同样可用基因工程手段获得。表20-3列出一些已上市的正在研制的基因工程多肽药物。

表20-3 基因工程肽类药物

名称 作用 各种干扰素(interferon IFN) 抗病毒、抗肿瘤、免疫调节 各种细胞介素(interleukins ,IL) 免疫调节、促进造血 各种集落刺激因子(colony stimulating factors ,CSF) 刺激造血 红细胞生成素(erythropopoetin EPO) 促进红细胞生成，治疗 贫血 肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF) 杀伤肿瘤细胞、免疫调节、参与炎症和全身性反应 表皮生长因子(epidermal growth factor, EGF) 促进细胞分裂、创伤愈合、胃肠道溃疡防治 神经生长 因子(nerve growth factor ,NGF) 促进神经纤维再生 骨形态形成蛋白(bone morphogenetic protein ,BMP) 骨缺损修复、促进骨折愈合 组织纤溶酶激活剂(tissue-type plasminogen activator ,t-PA) 溶解血栓、治疗血栓疾病 血凝因子Ⅷ、Ⅸ 治疗血友病 生长激素（rgowth hormone ,GH） 治疗侏儒症 胰岛素(insulin) 治疗 糖尿病 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase ,SOD) 清除自由基、抗组织损伤、抗 衰老

　　3、基因工程抗体　用传统细胞融合杂交瘤技术制备的单克隆抗多数是鼠源性抗体，用于人体会产生免疫排斥反应，用杂交瘤方法制备人源性抗体又遇到难以克服的困难。用基因工程的方法可以不经过杂交瘤技术而直接获得特定的人的抗体基因克隆。也可以计算机辅助设计，用DNA重组技术将鼠源性抗体基因人源化，然后放入表达 载体 ，表达产生人源化抗体。我国已成功克隆得到多种肿瘤、抗病毒、抗细胞因子、抗细胞受体等不同单克隆的基因，鼠源性抗人肝癌、抗人黑色素瘤、抗人纤维蛋白抗体基因的人源化工作正在进行，并已成功直接获得人源性抗乙型肝炎病毒抗体基因。不同类型的抗体基因已分别在细菌、昆虫细胞、培养的哺乳细胞和植物中表达。基因工程抗体被称为第三代抗体，其研制虽然刚起步，但已展示出良好的应用前景。

　　三、 转基因动物 和植物

　　克隆的基因不仅导入细菌和培养的细胞，而且能转入动植物体内、改变其遗传特性。 转基因动物 （transgenic animals）就是指在其基因组内稳定地整合有外源基因、并能遗传给后代的动物。1979年Mintz等将SV40病毒NDA导入小鼠早期胚胎的囊胚腔，第一次得到载有人工导入外源基因的嵌合体小鼠（chimeic morse）。1982年Palmiter等将克隆的生长激素基因用显微注射（microinjection）的方法直接导入小鼠受精卵细胞核内，所得转基因的小鼠的肝、肌、心等组织都能产生生长激素，小鼠比原个体大几倍，称为“巨鼠”，使人们意识到 转基因技术 的巨大潜力及其在遗传育种方面的划时代