基因工程

基因操作原理

PrinciplesofGeneManipulationCHAPTER1

Genemanipulation:

anall–embracingtechnique

基因操作：一項(xiàng)全能技術(shù)

Introduction

導(dǎo)言科學(xué)上的技術(shù)進(jìn)步有時(shí)會(huì)使我們的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生飛躍，從而促進(jìn)創(chuàng)新。隨著基因操作技術(shù)的發(fā)展，分子生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究在20世紀(jì)70年代中期經(jīng)歷了革命性的變化。這一領(lǐng)域的早期工作者們誰(shuí)都沒(méi)有預(yù)測(cè)到這一技術(shù)會(huì)有如此廣泛的應(yīng)用，也不可能預(yù)見(jiàn)到他們開(kāi)發(fā)的方法會(huì)催發(fā)形成一個(gè)嶄新的產(chǎn)業(yè)，僅在美國(guó)就包含數(shù)百家大小不一的公司。Introduction

在英國(guó)．基因操作定義為：將在細(xì)胞外用各種方法產(chǎn)生的核酸分子插入病毒、細(xì)菌質(zhì)粒或其他載體系統(tǒng)，形成遺傳物質(zhì)的新組合，最終整合到本來(lái)不包含這些核酸分子的宿主生物中，并進(jìn)行復(fù)制繁衍。簡(jiǎn)單地說(shuō)，基因操作是從原宿主生物中分離出一段DNA來(lái)，使其在同種或不同種的宿主中得以復(fù)制，這種技術(shù)稱為克隆(cloning)?；蚬こ滩僮髁鞒?/p>

Sequenceanalysis

序列分析克隆技術(shù)使我們可以分離并擴(kuò)增某個(gè)基因組中的片段，進(jìn)而可以測(cè)定該段DNA的序列。通過(guò)對(duì)某些遺傳特性已經(jīng)很清楚的基因進(jìn)行序列分析．我們可以鑒定出控制基因表達(dá)的關(guān)鍵元件的特定序列和結(jié)構(gòu)。如啟動(dòng)子、核糖體結(jié)合位點(diǎn)等。有了這些信息，我們就有可能搜索出新的DNA序列，鑒定出可能的新基因。因?yàn)樗鼈兊倪吔缍加刑囟ǖ幕颉equenceanalysis最初這種序列分析是手動(dòng)進(jìn)行的，但對(duì)肉眼來(lái)說(shuō)大段的核苷酸序列沒(méi)有多少意義，而且很難識(shí)別出什么模式。幸運(yùn)的是，在基因克隆技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)也獲得了長(zhǎng)速發(fā)展，軟件技術(shù)日臻完善．這些都大大簡(jiǎn)化了這種序列分析?，F(xiàn)在利用互聯(lián)網(wǎng)上現(xiàn)有的程序，可以迅速?gòu)男蛄兄袡z索出——整套系列的結(jié)構(gòu)特征。Sequenceanalysis

從一個(gè)基因的核酸序列我們可以輕易地推斷其編碼蛋白的序列。不幸的是，我們還無(wú)法總結(jié)出一個(gè)通用法則，從蛋白質(zhì)多肽鏈的氨基酸序列預(yù)測(cè)出蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。但是，根據(jù)300多個(gè)蛋白質(zhì)的品體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、人們?nèi)匀豢梢灶A(yù)測(cè)出某些結(jié)構(gòu)。序列高度同源意味著在功能上具有相似性。Invivobiochemistry

體內(nèi)生物化學(xué)任何活細(xì)胞，無(wú)論其來(lái)源如何，都要執(zhí)行繁多的生化反應(yīng)。為了分析這些不同的反應(yīng)，生物化學(xué)家們破開(kāi)細(xì)胞，分離出他們所感興趣的關(guān)鍵組分，測(cè)定它們的含量。他們將這些組分純化，確定它們的作用特性。但是，一個(gè)純化后的酶在試管中的性質(zhì)可能與它在細(xì)胞質(zhì)中或在一個(gè)細(xì)胞區(qū)室中與上千種其他的酶和化合物共存時(shí)的性質(zhì)完全不同。Invivobiochemistry

通過(guò)研究突變體，我們更易于理解細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的事件。我們可以通過(guò)突變體來(lái)確定改變對(duì)某個(gè)特定組分的調(diào)控作用，或是缺失該組分或使之喪失活性而產(chǎn)生的后果。突變體在闡明大分子的結(jié)構(gòu)和功能方面也同樣作用巨大。然而，由于使用傳統(tǒng)技術(shù)，人們往往很難對(duì)突變的類型或突變的位點(diǎn)進(jìn)行控制，因而突變體的使用受到了限制。Invivobiochemistry

基因克隆為以上問(wèn)題提供了完美的解決方案。一旦分離到某個(gè)基因或一組基因，都可以將它們引入原來(lái)的細(xì)胞類型或是不同的細(xì)胞類型中，甚至引入完全不同的生物中。基因表達(dá)的水平可以直接測(cè)定或者利用報(bào)告基因來(lái)測(cè)定，而且可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)者的要求調(diào)高或調(diào)低。同樣，人們可以在基因的任意位置引入特定的突變，從單堿基對(duì)突變到大片段的刪除或插入增加，然后進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)和功能分析。Invivobiochemistry

Thenewmedicine

新藥物基因操作在過(guò)去25年中的發(fā)展已經(jīng)使生物學(xué)發(fā)生了革命性的變化。在生物學(xué)中已經(jīng)沒(méi)有什么領(lǐng)域不使用重組DNA技術(shù)，因此傳統(tǒng)的領(lǐng)域劃分(如植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)等)正在迅速崩解。其中醫(yī)藥領(lǐng)域受到重組DNA技術(shù)的沖擊比任何其他領(lǐng)域都更大。Thenewmedicine

重組DNA技術(shù)產(chǎn)生的第一個(gè)醫(yī)藥用途是提供了大量的治療用蛋白質(zhì)，如人類生長(zhǎng)激素(HGH)。這種蛋白質(zhì)用于治療腦下垂體萎縮的青少年，使他們能達(dá)到正常高度。最初HGH是從尸體上切除的腦下垂體中純化而來(lái)的，但是生產(chǎn)足夠治療一個(gè)兒童所需的HGH就需要大量的腦下垂體。此外，用從垂體中純化的HGH治療的一部分兒童還患上了Creutzfeld–Jakob綜合征。Thenewmedicine

當(dāng)人們克隆了HGH基因并將它放在大腸桿菌中表達(dá)后，一個(gè)10L的發(fā)酵罐中生產(chǎn)的HGH就足以醫(yī)治上百個(gè)兒童。從此以后．人們第一次用上了許多種治療用蛋白質(zhì)，它們中許多也是在大腸桿菌中生產(chǎn)的，而另一些則用酵母或動(dòng)物細(xì)胞生產(chǎn)，還有一些是通過(guò)植物或動(dòng)物的乳汁生產(chǎn)的。它們之間的惟一共性就是利用基因操作技術(shù)克隆了相關(guān)的基因，然后使其過(guò)量表達(dá)。Thenewmedicine

人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了新的疫苗生產(chǎn)方法?，F(xiàn)在的乙肝疫苗就是在酵母細(xì)胞表面表達(dá)一個(gè)乙肝病毒的抗原，而人們?cè)跉W洲的大部分地區(qū)使用了一種重組的疫苗消滅狐貍的狂犬病。基因操作還可用于提高微生物細(xì)胞中小分子的水平，其做法是克隆某個(gè)特定生化合成途徑的所有基因，并過(guò)量表達(dá)。與之相反，也可以關(guān)閉某些特定的代謝途徑，從而將特定的中間代謝物導(dǎo)入其他的途徑，變成我們的目標(biāo)終產(chǎn)物。Thenewmedicine

基因克隆使核酸探針的合成變得很容易，而這樣的探針在醫(yī)藥上有許多用途。例如，它們可用于判斷或確認(rèn)某種微生物病原的種類，或者用于在出生前或初生時(shí)診斷遺傳疾病。這種技術(shù)的一個(gè)改進(jìn)，就是用克隆的細(xì)胞色素P450來(lái)確定新藥物的代謝方式，以及它是否會(huì)產(chǎn)生任何潛在的有毒副產(chǎn)物。Biotechnology:thenewindustry

生物技術(shù)：一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)1992年利用生物工程技術(shù)的產(chǎn)品