基因工程
謝培

　　21世紀，高科技發展的熱點之一是現代生物技術中的遺傳工程。遺傳工程有狹義和廣義之分：狹義遺傳工程就是基因工程；廣義的遺傳工程是指所有能改變生物體遺傳性狀的技術。遺傳工程起始於70年代，首先是分子生物學家研究並掌握了分割和拼接遺傳物質去氧核糖核酸（ＤＮＡ）的技術，其後應用到各個方面。通過這種技術，已經可以使細菌產生胰島素和人類生長激素，提高乳牛產奶量，還能將抗禦病蟲害的特殊基因注入到馬鈴薯、玉米、棉花等農作物中。近年來醫務界已治癒了幾種可能致人於死地的酶缺乏症（幾種遺傳病），並且幾乎每週都能發現引發某種疾病的基因……生物技術正在以另人目不暇接的速度和不可思議的方式改變著這個世界。1996年諾貝爾獎獲得者、萊斯大學的化學家羅伯特·柯爾說：“本世紀是物理學和化學的世紀，但下個世紀顯然將是生物學的世紀。”

認識基因

　　將外源遺傳物質人工地轉移到受體生物中，使受體生物獲得新的遺傳屬性，這一工序叫做遺傳工程。基因工程是分子水準上的遺傳工程，是專指來自不同生物的基因（稱目的基因）同有自主複製能力的載體DNA在體外人為地連接，建成新的重組DNA，然後送入受體生物去繁殖和表達，從而達到遺傳物質和性狀的轉移和重新組合。為區別於一般遺傳工程，現在常用基因工程一詞，也稱為基因操作、基因克隆增殖、重組DNA技術。基因工程的主要程式包括目的基因的取得，載體的選擇，限制酶等酶系的選用，體外重組體的構建、轉化，以及目的基因在受體細胞裏的增殖與表達。

　　“基因”到底是什麼呢？

　　現在我們通用的“基因”一詞，是由“ＧＥＮＥ”音譯而來的。基因原稱遺傳因數，這一概念由來已久，例如斯賓塞的“生理單位”，達爾文的“微芽”，魏斯曼的“定子”等都是為了企圖說明世代之間性狀遺傳機理的早期遺傳因數的假說。　

　　1865年，奧地利原天主教神父、遺傳學家約翰·格雷戈爾·孟德爾（1822―1884年）根據豌豆七對不同性狀的雜交實驗，總結出遺傳因數的概念以及在生殖細胞成熟中同對因數分離、異對因數自由組合兩條遺傳規律，也就是人們稱為的孟德爾因數和孟德爾定律。他發現了遺傳基因原理，總結出分離規律和自由組合規律，為遺傳學提供了數學基礎，創立了孟德爾學派，由此成為“遺傳學之父”。

　　“基因”是丹麥的植物學家和遺傳學家威·詹森1909年首先提出來用以表達孟德爾的“遺傳因數”這一概念的。從1910年到30年代美國人湯瑪斯·亨特·摩爾根（1866―1945年）等通過數百種果蠅性狀的雜交實驗，結合細胞學的觀察，不僅證明瞭孟德爾定律的正確性，而且還發現了基因連鎖和交換顯象及其染色體機理，同時還證實了長期存在的一種猜測，即借助於顯微鏡能看到的在細胞核裏呈小棍形狀結構的染色體就是基因的所在地。他闡明瞭基因變異和遺傳的染色體機理，總結為基因學說。

　　但是，當時人們還沒有弄清楚基因到底是什麼。40年代以來遺傳學研究逐步提高到分子水準，40－60年代，經過許多科學家的實驗研究，肯定了基因的化學成分主要為ＤＮＡ，闡明ＤＮＡ的雙螺旋結構以及雙股ＤＮＡ之間堿基互補配對原則，人們才在以後的研究中，越來越清楚地認識了“基因”及其在遺傳中的作用。

　　基因是具有遺傳效應的ＤＮＡ分子片段，它存在於染色體上，並在染色體上呈線性排列。基因不僅可以通過複製把遺傳資訊傳遞給下一代，還可以使遺傳資訊得到表達，也就是使遺傳資訊以一定方式反映到蛋白質的分子結構上，從而使後代表現出與親代相似的性狀。

　　根據遺傳學研究，一般都認為一條染色體只含有一條ＤＮＡ雙螺旋；如果染色體已分裂為兩個染色單體，那麼每一個單體含有一條ＤＮＡ雙螺旋。但是染色體的寬度要比ＤＮＡ雙鏈大得多，而染色體的長度又比ＤＮＡ雙鏈短得多。據統計，人的染色體總長不到半毫米，而ＤＮＡ分子的總長卻可達數米，所以在染色體中的ＤＮＡ雙鏈總是纏繞又纏繞，呈高度地盤曲的狀態。

　　在染色體中高度盤曲著的ＤＮＡ分子是一條很長的雙鏈，最短的ＤＮＡ分子中大約也含有4000個核苷酸對，最長的大約含有40億個。一個ＤＮＡ分子可以看作是很多區段的集合，這些區段一般不互相重疊，大約各有500－6000個核苷酸對，這樣的一個區段就是一個基因。

　　那麼，基因的內部結構是什麼樣的，科學家又是如何確定它的呢？

　　實際上，在遺傳學發展的早期階段“基因”僅僅是一個邏輯推理概念，而並非一種已經得到證實了的物質和結構。在本世紀30年代，由於證明瞭基因是以直線的形式排列在染色體上，因此人們認為基因是染色體上的遺傳單位。

        隨著分子遺傳學的發展，1953年在沃森和克裏克提出ＤＮＡ的雙螺旋結構以後，人們普遍認為基因是ＤＮＡ的片段，確定了基因化學本質。大多數生物的基因是由ＤＮＡ組成，而ＤＮＡ則是染色體的主要化學成分。大多數真核生物細胞內的ＤＮＡ是由雙股多核苷酸單鏈結合而成。每股ＤＮＡ鏈又是由許多個單核苷酸借磷酸二酯鍵互相連接而成；而兩股之間則是依靠兩者的堿基成分按互補規律分別配對結合，即腺嘌呤（Ａ）與胸腺嘧啶（Ｔ）借兩個氫鍵連接，鳥嘌呤（Ｇ）與胞嘧啶（Ｃ）借三個氫鍵連接，形成一條雙螺旋梯形結構，故稱為ＤＮＡ雙螺旋。

       本世紀60年代，本茨又提出了基因的內部具有一定的結構，可以區分為突變子、互換子和順反子三個不同的單位。ＤＮＡ分子上的一個堿基變化可以引起基因突變，因此可以看成是一個突變子；兩個堿基之間可以發生互換，可以看成是一個互換子；一個順反子是具有特定功能的一段核苷酸序列，作為功能單位的基因應該是順反子。

       因此從分子水準來看，基因就是ＤＮＡ分子上的一個片段，經過轉錄和轉譯能合成一條完整的多肽鏈。可是，通過近來的研究，科學家認為這個結論並不全面，因為有的基因在轉錄出ＲＮＡ後，不再翻譯成蛋白質。另外，還有一類基因，如操縱基因，它們既沒有轉錄作用，又沒有翻譯產物，僅僅起著控制和操縱基因活動的作用。特別是近年來，科學家發現ＤＮＡ分子上有相當一部分片段，只是某些堿基的簡單重複。這類不含有遺傳資訊的堿基片段，在真核細胞生物中數量可以很大，甚至達到50％以上。

      關於ＤＮＡ分子中這些重複堿基片段的作用，目前還不十分瞭解。有人推測可能有調節某些基因活動和穩定染色體結構的作用，其真正的功能尚待研究。由此，目前有遺傳學家認為，應把基因看作是ＤＮＡ分子上具有特定功能的（或具有一定遺傳效應的）核苷酸序列。

　　基因的結構有以下幾個特點：

　　1）基因是結構單位，不能由交換分開，交換只能發生在基因之間，而不在它們之中。2）基因是突變單位，基因可以從一個等位形式變為另一個等位形式，但在基因內部沒有可以改變的更小的單位。3）基因是作用單位，能產生一種特定的表型效應，基因的部分，如果有的話，不能起作用。4）染色體是基因的載體，染色體的存在，使等位元基因可以有規則分離，又可以使非等位基因間相互重組。

　　基因的功能

　　基因有控制遺傳性狀和活性調節的功能。基因通過複製把遺傳資訊傳遞給下一代，並通過控制酶的合成來控制代謝過程，從而控制生物的個體性狀表現。基因還可以通過控制結構蛋白的成分，直接控制生物性狀。

　　生物體細胞中的ＤＮＡ分子上有很多基因，但並不是每一基因的特徵都表現出來。即使是由同一受精卵發育分化而來的同一人體不同組織中的細胞，如肌肉細胞、肝臟細胞、骨細胞、神經細胞、紅血球細胞、和胃黏膜細胞等。它們的細胞形狀都是各不相同的。為什麼會出現這種現象呢？原來，細胞核中的基因在細胞的一生中並非始終處於活性狀態，它們有的處於轉錄狀態，即活性狀態，這時基因打開，有的處於非轉錄狀態，即基因關閉。在生物體的不同發育期，基因的活性是不同的，而且基因的活性有嚴格的程式。基因活性的嚴格程式是生命週期穩定的基礎。各種不同的生物因其細胞內的基因具有獨特的活性調節而呈現不同的形態特徵。

　　那麼，基因是如何決定性狀的呢？

　　生物體的一切遺傳性狀都受基因控制，但是基因並不等於性狀，從基因型到表現型（性狀）要經過一系列的發育過程。基因控制生物的性狀主要通過兩條途徑，一是通過控制酶的合成來控制生物的性狀。這是因為由基因控制的生物性狀要表現出來，必需經過一系列的代謝過程，而代謝過程的每一步都離不開酶的催化，所以基因是通過控制酶的合成來控制代謝過程，從而控制生物個體性狀的表現的。另一條途徑是基因通過控制結構蛋白的成分直接控制生物的形狀。蛋白質多肽鏈上氨基酸序列都受基因的控制，如果控制蛋白質的基因中ＤＮＡ的堿基發生變化，則可引起信使ＲＮＡ上相應的堿基的變化，從而導致蛋白質的結構變異。

　　此外，遺傳性狀的表現，不但要受到內部基因的控制，還受到外部花莖條件的制約。因此，不同基因型的個體在不同的環境條件下可以產生不同的表現型，即使同一基因型的個體，在不同環境條件下，也可以產生不同的表現型。也就是說，表現型是基因型與環境共同作用的結果。

國際上生物技術發展的新動向

基因療法

　　隨著人類對基因研究的不斷深入，發現許多疾病是由於基因結構與功能發生改變所引起的。科學家將不僅能發現有缺陷的基因，而且還能掌握如何進行對基因診斷、修復、治療和預防，這是生物技術發展的前沿。這項成果將給人類的健康和生活帶來不可估量的利益。

　　所謂基因治療是指用基因工程的技術方法，將正常的基因轉如病患者的細胞中，以取代病變基因，從而表達所缺乏的產物，或者通過關閉或降低異常表達的基因等途徑，達到治療某些遺傳病的目的。目前，已發現的遺傳病有6500多種，其中由單基因缺陷引起的就有約3000多種。因此，遺傳病是基因治療的主要對象。

　　第一例基因治療是美國在1990年進行的。當時，兩個4歲和9歲的小女孩由於體內腺苷脫氨酶缺乏而患了嚴重的聯合免疫缺陷症。科學家對她們進行了基因治療並取得了成功。這一開創性的工作標誌著基因治療已經從實驗研究過渡到臨床實驗。1991年，我國首例Ｂ型血友病的基因治療臨床實驗也獲得了成功。

　　基因治療的最新進展是即將用基因槍技術于基因治療。其方法是將特定的ＤＮＡ用改進的基因槍技術導入小鼠的肌肉、肝臟、脾、腸道和皮膚獲得成功的表達。這一成功預示著人們未來可能利用基因槍傳送藥物到人體內的特定部位，以取代傳統的接種疫苗，並用基因槍技術來治療遺傳病。目前，科學家們正在研究的是胎兒基因療法。如果現在的實驗療效得到進一步確證的話，就有可能將胎兒基因療法擴大到其他遺傳病，以防止出生患遺傳病症的新生兒，從而從根本上提高後代的健康水準。

基因工程藥物研究

　　基因工程藥物，是重組ＤＮＡ的表達產物。廣義的說，凡是在藥物生產過程中涉及用基因工程的，都可以成為基因工程藥物。在這方面的研究具有十分誘人的前景。

　　基因工程藥物研究的開發重點是從蛋白質類藥物，如胰島素、人生長激素、促紅血球生成素等的分子蛋白質，轉移到尋找較小分子蛋白質藥物。這是因為蛋白質的分子一般都比較大，不容易穿過細胞膜，因而影響其藥理作用的發揮，而小分子藥物在這方面就具有明顯的優越性。另一方面對疾病的治療思路也開闊了，從單純的用藥發展到用基因工程技術或基因本身作為治療手段。

　　現在，還有一個需要引起大家注意的問題，就是許多過去被征服的傳染病，由於細菌產生了耐藥性，又捲土重來。其中最值得引起注意的是結核病。據世界衛生組織報導，現已出現全球肺結核病危機。本來即將被消滅的結核病又死灰復燃，而且出現了多種耐藥結核病。據統計，全世界現有17.22億人感染了結核病菌，每年有900萬新結核病人，約300萬人死於結核病，相當於每10秒鐘就有一人死於結核病。科學家還指出，在今後的一段時間裏，會有數以百計的感染細菌性疾病的人將無藥可治，同時病毒性疾病日益曾多，防不勝防。不過與此同時，科學家們也探索了對付的辦法，他們在人體、昆蟲和植物種子中找到一些小分子的抗微生物多肽，它們的分子量小於4000，僅有30多個氨基酸，具有強烈的廣普殺傷病原微生物的活力，對細菌、病菌、真菌等病原微生物能產生較強的殺傷作用，有可能成為新一代的“超級抗生素”。除了用它來開發新的抗生素外，這類小分子多肽還可以在農業上用於培育抗病作物的新品種。

加快農作物新品種的培育

　　科學家們在利用基因工程技術改良農作物方面已取得重大進展，一場新的綠色革命近在眼前。這場新的綠色革命的一個顯著特點就是生物技術、農業、食品和醫藥行業將融合到一起。

　　本世紀五、六十年代，由於雜交品種推廣、化肥使用量增加以及灌溉面積的擴大，農作物產量成倍提高，這就是大家所說的“綠色革命”。但一些研究人員認為，這些方法目前已很難再使農作物產量有進一步的大幅度提高。

　　基因技術的突破使科學家們得以用傳統育種專家難以想像的方式改良農作物。例如，基因技術可以使農作物自己釋放出殺蟲劑，可以使農作物種植在旱地或鹽鹼地上，或者生產出營養更豐富的食品。科學家們還在開發可以生產出能夠防病的疫苗和食品的農作物。

　　基因技術也使開發農作物新品種的時間大為縮短。利用傳統的育種方法，需要七、八年時間才能培育出一個新的植物品種，基因工程技術使研究人員可以將任何一種基因注入到一種植物中，從而培育出一種全新的農作物品種，時間則縮短一半。

　　雖然第一批基因工程農作物品種5年前才開始上市，但今年美國種植的玉米、大豆和棉花中的一半將使用利用基因工程培育的種子。據估計，今後5年內，美國基因工程農產品和食品的市場規模將從今年的40億美元擴大到200億美元，20年後達到750億美元。有的專家預計，“到21世紀初，很可能美國的每一種食品中都含有一點基因工程的成分。”

　　儘管還有不少人、特別是歐洲國家消費者對轉基因農產品心存疑慮，但是專家們指出，利用基因工程改良農作物已勢在必行。這首先是由於全球人口的壓力不斷增加。專家們估計，今後40年內，全球的人口將比目前增加一半，為此，糧食產量需增加75％。另外，人口的老齡化對醫療系統的壓力不斷增加，開發可以增強人體健康的食品十分必要。

　　加快農作物新品種的培育也是第三世界發展中國家發展生物技術的一個共同目標，我國的農業生物技術的研究與應用已經廣泛開展，並已取得顯著效益。

分子進化工程的研究

　　分子進化工程是繼蛋白質工程之後的第三代基因工程。它通過在試管裏對以核酸為主的多分子體系施以選擇的壓力，模擬自然中生物進化歷程，以達到創造新基因、新蛋白質的目的。

　　這需要三個步驟，即擴增、突變、和選擇。擴增是使所提取的遺傳資訊ＤＮＡ片段分子獲得大量的拷貝；突變是在基因水準上施加壓力，使ＤＮＡ片段上的堿基發生變異，這種變異為選擇和進化提供原料；選擇是在表型水準上通過適者生存，不適者淘汰的方式固定變異。這三個過程緊密相連缺一不可。

　　現在，科學家已應用此方法，通過試管裏的定向進化，獲得了能抑制凝血酶活性的ＤＮＡ分子，這類ＤＮＡ具有抗凝血作用，它有可能代替溶解血栓的蛋白質藥物，來治療心肌梗塞、腦血栓等疾病。

基因技術：進退兩難的境地和兩面性的特徵

　　基因作物在輿論界引發爭議不足為怪。但在同屬發達世界的大西洋兩岸，轉基因技術的待遇迥然不同卻是一種耐人尋味的現象。當美國40％的農田種植了經過基因改良的作物、消費者大都泰然自若地購買轉基因食品時，此類食品在歐洲何以遭遇一浪高過一浪的喊打之聲？

　　從直接社會背景看，目前歐洲流行“轉基因恐懼症”情有可原。從1986年英國發現狂牛病，到今年比利時污染雞查出致癌的二惡英和可口可樂在法國導致兒童溶血症，歐洲人對食品安全頗有些風聲鶴唳，關於轉基因食品可能危害人類健康的假設如條件反射一般讓他們聞而生畏。

　　同時，歐洲較之美國在環境和生態保護問題上一貫採取更為敏感乃至激進的態度，這是轉基因食品在歐美處境殊異的另一緣故。一方面，歐洲各國媒介的環保意識日益強烈，往往對可能危害環境和生態的問題窮追不捨甚至進行誇張的報導，這在很大程度上左右著公眾對諸如轉基因問題的態度。另一方面，以“綠党”為代表的“環保主義勢力”近年來在歐洲政壇崛起，在政府和議會中的勢力不斷擴大，對決策過程施加著越來越大的影響。

　　但是，歐洲人對轉基因技術之所以採取如此排斥的態度，似乎還有一個較為隱蔽卻很重要的深層原因。實際上，在轉基因問題上歐美之間既有價值觀念之差，更是經濟利益之爭。與一般商品不同，轉基因技術具有一種獨特的壟斷性。在技術上，美國的“生命科學”公司一般都通過生物工程使其產品具有自我保護功能。其中最突出的是“終止基因”，它可以使種子自我毀滅而不能象傳統作物種子那樣被再種植。另一種技術是使種子必須經過只為種子公司所掌握的某種“化學催化”方能發育和生長。在法律上，轉基因作物種子一般是通過一種特殊的租賃制度提供的，消費者不得自行保留和再種植。美國是耗資巨大的基因工程研究最大的投資者，而從事轉基因技術開發的美國公司都熟諳利用知識產權和專利保護法尋求巨額回報之道。美國目前被認為已控制了相當大份額的轉基因產品市場，進而可以操縱市場價格。因此，抵制轉基因技術實際上也就是抵制美國在這一領域的壟斷。

　　生物技術在許多領域正在發揮越來越重要的作用：遺傳工程產品在農業領域無孔不入，遺傳工程作物開始在美國農業中佔有重要位置；生物技術在醫學領域取得顯著進展，已有一些遺傳工程藥物取代了常規藥物，醫學界在幾方面從基因研究中獲利；克隆技術的進展為拯救瀕危物種及探索多種人類疾病的治療方法提供了前所未有的機會。目前研究人員正準備將生物技術推進到更富挑戰性的領域。但近來警惕遺傳學家的行為的聲音越來越受到重視。

　　今天，人們借助於所謂的ＤＮＡ切片已能同時研究上百個遺傳基質。基因的研究達到了這樣一個發展高度，幾年後，隨著對人類遺傳物質分析的結束，人們開始集中所有的手段對人的其他部分遺傳物質的優缺點進行有系統地研究。但是，生物學的發展也有其消極的一面：它容易為種族主義提供新的遺傳學方面的依據

　　對新的遺傳學持批評態度的人總喜歡描繪出一幅可怕的景象：沒完沒了的測試、操縱和克隆、毫無感情的士兵、基因很完美的工廠工人……遺傳密碼使基因研究人員能深入到人們的內心深處，並給他們提供了操縱生命的工具。然而他們是否能使遺傳學朝好的研究方向發展還完全不能預料。

　　本文摘自《百年科學發現》