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DNA重組與基因工程
點(diǎn)擊次數(shù)：916 發(fā)布時(shí)間：2015-10-12
自從DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，生命科學(xué)的面貌發(fā)生了巨大變化，從分子水平上了解物種進(jìn)化和親緣關(guān)系，了解生命體系在細(xì)胞層次和系統(tǒng)層次的活動(dòng)規(guī)律有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，它所取得的成果，已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)及醫(yī)藥衛(wèi)生等方面有了重要應(yīng)用。DNA重組技術(shù)是指將不同的DNA片段（如基因等）按人們的設(shè)計(jì)方案定向連接起來(lái)，并在特定的受體細(xì)胞中，與載體一起得到復(fù)制與表達(dá)，使受體細(xì)胞獲得新的遺傳特性。從某種意義上說(shuō)，DNA重組技術(shù)也可理解為基因工程。嚴(yán)格說(shuō)，基因工程的涵義更為廣泛，還可以包括除DNA重組技術(shù)以外的一些其他可使生物基因組結(jié)構(gòu)得到改造的技術(shù)。限制性內(nèi)切酶與DNA連接酶的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用是DNA重組技術(shù)得以建立的關(guān)鍵?，F(xiàn)在，人們能夠在體外直接操作基因，改造其遺傳特性，使基因在不同個(gè)體，甚至在遠(yuǎn)為不同的生物種屬之間的轉(zhuǎn)移成為現(xiàn)實(shí)。這為某些遺傳疾病的治療和新品種的培育提供了的可能性，從而為人類健康、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)，以及控制和改造整個(gè)地球上的生物界展現(xiàn)了無(wú)限廣闊的美好前景。
1 基因工程的原理與步驟
基因工程始于70年代初。1973年美國(guó)斯坦福大學(xué)科恩研究小組將大腸桿菌中兩個(gè)不同的抗藥性的質(zhì)粒（一種在細(xì)菌染色體以外的遺傳單元，通常由環(huán)形雙鏈DNA構(gòu)成）結(jié)合在一起，構(gòu)成一個(gè)雜合質(zhì)粒，再引入大腸桿菌。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種雜合質(zhì)粒不但復(fù)制，而且能夠同時(shí)表達(dá)出原來(lái)的兩種抗藥性。第二年科恩等人又用金黃色葡萄球菌中的抗藥性質(zhì)粒與大腸桿菌的抗藥性質(zhì)粒結(jié)合，得到了同樣結(jié)果。接著他們又進(jìn)一步用高等動(dòng)物非洲爪蛙的決定核糖體RNA結(jié)構(gòu)的基因（rRNA）與大腸桿菌的質(zhì)粒重組到一起，并引進(jìn)到大腸桿菌中去，結(jié)果發(fā)現(xiàn)爪蛙的基因在細(xì)菌細(xì)胞中同樣可以復(fù)制與表達(dá)，產(chǎn)生出與爪蛙核糖體RNA*一樣的RNA?？贫鞯热说墓ぷ髯C明，人們可以根據(jù)自己的意愿、目的，通過(guò)對(duì)基因的直接操縱而達(dá)到定向改造生物遺傳特性，甚至創(chuàng)造新的生物類型。
基因工程一般要經(jīng)過(guò)五個(gè)步驟。*步是目的基因的分離與制備，其方法主要包括從細(xì)胞中分離提純和人工合成。人工合成是指先通過(guò)化學(xué)合成方法合成出一個(gè)個(gè)小的dna片段，然后再用連接酶把這些小片段聯(lián)接成為一個(gè)完整的基因。
第二步為目的基因與載體的連接。雖然直接把目的基因引入變體細(xì)胞，這也不是不可能的，但多數(shù)情況下因每種生物經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的進(jìn)化演變，已具有抗拒異種生物侵害而保存自己種族的本領(lǐng)。所以，當(dāng)外源DNA赤裸裸地進(jìn)入細(xì)胞后往往會(huì)被一種叫做限制性內(nèi)切酶的酶類破壞分解。這就需要一種能夠把目的基因安全送進(jìn)受體細(xì)胞的運(yùn)載工具，即載體。這些載體除能比較方便地進(jìn)入受體細(xì)胞外，還要能在受體細(xì)胞中復(fù)制自己，以便擴(kuò)增。此外，基因工程中所應(yīng)用的載體往往帶有一定的選擇標(biāo)記和特定的酶切位點(diǎn)，這樣可以方便選擇和裝拆外源DNA。zui常用的載體是質(zhì)粒（如大腸桿菌質(zhì)粒pBR322）和病毒（如λ噬菌體——一種細(xì)菌病毒，為雙鏈DNA）。外源DNA與載體DNA連接即形成重組DNA。在連接過(guò)程中通常需要兩種酶：限制性核酸內(nèi)切酶（能特異性的切斷DNA鏈）和連接酶。
第三步為將重組DNA引入受體細(xì)胞。重組DNA分子建立之后，還要引進(jìn)到受體細(xì)胞中去，使細(xì)胞獲得新遺傳特性，此過(guò)程稱為轉(zhuǎn)化或感染。目前基因工程的受體細(xì)胞主要是細(xì)菌，因?yàn)榧?xì)菌具有操作方便，易于培養(yǎng)，繁殖迅速等優(yōu)點(diǎn)。
第四步為篩選出含有重組體的克隆（即復(fù)制）。由于細(xì)胞轉(zhuǎn)化的頻率較低，轉(zhuǎn)化率一般在10-6水平，即轉(zhuǎn)化后的帶有重組DNA的細(xì)菌只占其總數(shù)的百萬(wàn)分之一，所以必需用一些方法進(jìn)行檢出和篩選。然后對(duì)篩選出的含有重組體DNA的細(xì)胞進(jìn)行克隆。圖6．11為DNA重組體的構(gòu)建與克隆示意圖。
DNA重組與基因工程通過(guò)以上步驟，便得到了帶有異源目的基因的細(xì)菌。第五步就是要使這些帶有異源目的基因的細(xì)菌得到表達(dá)，生產(chǎn)出人類所需要的產(chǎn)品。
人們已經(jīng)成功地利用這種將外源基因?qū)爰?xì)菌中的技術(shù)，將人或動(dòng)物的某些基因（如胰島素等）導(dǎo)入大腸桿菌，取得了舉世注目的巨大成果。
2 基因工程在農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用
長(zhǎng)期以來(lái)，人們用動(dòng)植物和微生物手段（即雜交和選擇）來(lái)培養(yǎng)植物和動(dòng)物新品種。后來(lái)又發(fā)展到人工誘變。但是，不同物種之間的生殖隔離給種間雜交帶來(lái)了極大的困難。同時(shí)，人工誘變又不能定向，所以以往的育種工作帶有很大的盲目性，并且效率極低。許多育種專家一生的心血只能培育出幾個(gè)優(yōu)良品種。從理論上講，基因工程可以把任何不同種類生物的基因組合到一起，使得它具有所需要的遺傳特性，這是人類向育種的自由王國(guó)邁出的一大步，使得在定向改造生物本性方面具有了的預(yù)見性和準(zhǔn)確性。
在農(nóng)作物中，已成功地對(duì)馬鈴薯進(jìn)行了改造，不但使其獲得了抗病毒基因，而且也得到了高蛋白質(zhì)含量的馬鈴薯新品種。把一個(gè)蛋白水解酶抑制劑基因引入煙草之后，使得以煙葉為食的害蟲不能消化其中的蛋白質(zhì)而無(wú)法繁殖，從而這一煙草品種就獲得了抗蟲害的能力。對(duì)蕃茄的基因改造得到了比較不易軟化和擦傷的品種，因此可以在成熟后收獲并且保存較長(zhǎng)時(shí)間，也避免了過(guò)去在成熟前收獲而口味不好的缺點(diǎn)，該產(chǎn)品已經(jīng)在美國(guó)上市。雖然植物基因工程的應(yīng)用還剛剛開始，但為農(nóng)作物的大量增產(chǎn)和品種改造提供了無(wú)法估量的發(fā)展前景。