DNA重組及基因工程技術對醫學和生命科學發展的貢獻

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第八節　DNA重組及基因工程技術對醫學和生命科學發展的貢獻

作為分子生物學發展的重要組成部分，DNA重組及基因工程技術給生命科學帶來了革命性變化，促進著生命科學各學科研究和應用的進步，對推動醫學各領域的發展同樣起著重要的作用。

一、對人類遺傳信息的認識

　　遺傳信息決定生物的形態和特征，是生物生存之本。估計人類的 基因組 DNA約有4×109bp，含有約5-10萬個基因，但至今人類對自己賴以生存繁衍的這個龐大的遺傳信息庫還知之甚少，目前已經知道的人基因只占估計數的百分之幾，已搞清楚其表達調控者更寥寥無幾，對占基因組80-90%不為蛋白質編碼序列的認識更少，因而實際上我們現在對自己生存的基礎和實質只有很表面的膚淺認識，設想如果人類掌握了自身全部遺傳信息的結構、功能、表達和調控，無疑將能夠深刻認識人的生長、發育、生存、繁衍的整個生老病死歷程，將能對疾病的診斷、治療和預防提出極有效的措施，將能真正掌握自己生存和發展的命運。

DNA重組技術的出現和發展，就使人們有可能去深入探索這個重大的課題。1985年提出的人基因組研究計劃（Human Genome Project）很快得到世界科學的響應，這個研究計劃的目標是要闡明人類遺傳信息的組成和表達，是迄今全球性生物學、醫學領域最引人注目的巨大研究工程。DNA重組是完成這個任務的主要手段，其中包括大片段DNA克隆、DNA的大尺度分析、全自動DNA序列測定，基因組信息數據庫的建立等新思維和新技術的不斷出現和發展，再加上大規模引入其它領域先進的科學技術，原預定21世紀頭10年繪制出完整的人類染色體基因定位圖、測定出人類基因組全部DNA序列，有望按期或提前完成。當然在這基礎上要搞清楚全部人類基因的功能、各基因間的關系，基因表達調控、人類遺傳信息的多樣性等還要經歷更長期和更艱苦的努力。但DNA重組技術促進了分子生物學迅速發展，給人類探索自身生命的奧秘展示了光明的前景。

生命關鍵的基礎在于蛋白質與蛋白質、蛋白質與核酸相的相互作用，生物大分子的結構與功能的聯系正是生命“活”的本質所在。憑借基因工程人們可以克隆獲得天然的或任意設計的核酸序列，可以大量獲得過去難以得到的生物體內極微量的活性蛋白質、可以設計獲得任意定點突變（site-directed mutagenesis）的基因和蛋白質，這就為研究蛋白質與核酸的結構與功能、揭露生命的本質提供了很有力的手段。

二、基因工程藥物與疫苗

　　利用基因工程技術生產有應用價值的藥物是當今醫藥發展一個重要的方向，現在世界上已有幾千家生物技術公司，其中多數都生產醫藥或醫藥研究所需的 試劑 。利用基因工程技術生產藥物有兩個不同的途徑：一是利用基因工程技術改造傳統的 制藥 工業，例如用DNA重組技術改造制藥所需要的菌種或創建的菌種，提高抗菌素、維生素、氨基酸產量等；二是用克隆的基因表達生產有用的肽類和蛋白質藥物或疫苗，雖然基因診斷和醫藥研究試劑的基因工程產品已經很多，但目前基因工程藥物還只處在發展的早期，至今真正被衛生部門正式批準投放市場的基因工程肽或蛋白類治療藥物現在還不多，但正在開發的基因工程治療藥物卻有幾百種，且而逐年迅速增加，可見其具有的巨大潛力。基因工程藥物不僅用于醫藥上，還能用于工農業上，促進生產的發展，已經投放市場或近期可望投放市場的基因中程藥物可舉出以下例子。

1、基因工程疫菌?乙型肝炎是常見的傳染病，過去從病人血液中分離乙肝病毒的表面抗原作為疫苗，來源有限，價格昂貴，有潛在交叉感染的危險。現在克隆得病毒編碼的HbsAg基因，使其表達獲得大量HbsAg用作疫苗。1986年美國正式批準基因工程乙肝疫苗投放市場，我國的科學工作者也克隆得在我國流行常見乙肝病毒亞型的HbsAg基因，研制得適用于我國乙肝基因工程疫苗，并已生產和使用。近期可能投放市場的還有甲型肝炎、巨細胞病毒、流行性出血熱、輪狀病毒、細菌性腹瀉等基因工程疫苗。我軍事醫學科學院研制的仔畜腹瀉基因工程疫苗，使仔畜免遭大腸桿菌腹瀉之害，保護率達90%以上，為我國的肉食供應做出了貢獻。

2、基因工程肽類藥物?由免疫細胞和其它細胞分泌的細胞因子是具有很高活動性的肽類分子，在調節細胞生長分化、調節免疫功能、參與炎癥反應和創傷修復中起重要作用，其中許多很有應用價值，但其生成量極微，難以提取獲得，基因工程則可克隆其基因，使之表達獲得大量產物供用。傳統的肽類激素，血液中的微量活性成分、酶類同樣可用基因工程手段獲得。表20-3列出一些已上市的正在研制的基因工程多肽藥物。

表20-3 基因工程肽類藥物

名稱 作用 各種干擾素(interferon IFN) 抗病毒、抗腫瘤、免疫調節 各種細胞介素(interleukins ,IL) 免疫調節、促進造血 各種集落刺激因子(colony stimulating factors ,CSF) 刺激造血 紅細胞生成素(erythropopoetin EPO) 促進紅細胞生成，治療 貧血 腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF) 殺傷腫瘤細胞、免疫調節、參與炎癥和全身性反應 表皮生長因子(epidermal growth factor, EGF) 促進細胞分裂、創傷愈合、胃腸道潰瘍防治 神經生長 因子(nerve growth factor ,NGF) 促進神經纖維再生 骨形態形成蛋白(bone morphogenetic protein ,BMP) 骨缺損修復、促進骨折愈合 組織纖溶酶激活劑(tissue-type plasminogen activator ,t-PA) 溶解血栓、治療血栓疾病 血凝因子Ⅷ、Ⅸ 治療血友病 生長激素（rgowth hormone ,GH） 治療侏儒癥 胰島素(insulin) 治療 糖尿病 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase ,SOD) 清除自由基、抗組織損傷、抗 衰老

　　3、基因工程抗體　用傳統細胞融合雜交瘤技術制備的單克隆抗多數是鼠源性抗體，用于人體會產生免疫排斥反應，用雜交瘤方法制備人源性抗體又遇到難以克服的困難。用基因工程的方法可以不經過雜交瘤技術而直接獲得特定的人的抗體基因克隆。也可以計算機輔助設計，用DNA重組技術將鼠源性抗體基因人源化，然后放入表達 載體 ，表達產生人源化抗體。我國已成功克隆得到多種腫瘤、抗病毒、抗細胞因子、抗細胞受體等不同單克隆的基因，鼠源性抗人肝癌、抗人黑色素瘤、抗人纖維蛋白抗體基因的人源化工作正在進行，并已成功直接獲得人源性抗乙型肝炎病毒抗體基因。不同類型的抗體基因已分別在細菌、昆蟲細胞、培養的哺乳細胞和植物中表達。基因工程抗體被稱為第三代抗體，其研制雖然剛起步，但已展示出良好的應用前景。

　　三、 轉基因動物 和植物

　　克隆的基因不僅導入細菌和培養的細胞，而且能轉入動植物體內、改變其遺傳特性。 轉基因動物 （transgenic animals）就是指在其基因組內穩定地整合有外源基因、并能遺傳給后代的動物。1979年Mintz等將SV40病毒NDA導入小鼠早期胚胎的囊胚腔，第一次得到載有人工導入外源基因的嵌合體小鼠（chimeic morse）。1982年Palmiter等將克隆的生長激素基因用顯微注射（microinjection）的方法直接導入小鼠受精卵細胞核內，所得轉基因的小鼠的肝、肌、心等組織都能產生生長激素，小鼠比原個體大幾倍，稱為“巨鼠”，使人們意識到 轉基因技術 的巨大潛力及其在遺傳育種方面的劃時代

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