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生物化學(xué)與分子生物學(xué):第八節(jié) DNA重組及基因工程技術(shù)對(duì)醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)

作為分子生物學(xué)發(fā)展的重要組成部分,DNA重組及基因工程技術(shù)給生命科學(xué)帶來(lái)了革命性變化,促進(jìn)著生命科學(xué)各學(xué)科研究和應(yīng)用的進(jìn)步,對(duì)推動(dòng)醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域的發(fā)展同樣起著重要的作用。一、對(duì)人類(lèi)遺傳信息的認(rèn)識(shí)遺傳信息決定生物的形態(tài)和特征,是生物生存之本。估計(jì)人類(lèi)的基因組D…

作為分子生物學(xué)發(fā)展的重要組成部分,DNA重組及基因工程技術(shù)給生命科學(xué)帶來(lái)了革命性變化,促進(jìn)著生命科學(xué)各學(xué)科研究和應(yīng)用的進(jìn)步,對(duì)推動(dòng)醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域的發(fā)展同樣起著重要的作用。

一、對(duì)人類(lèi)遺傳信息的認(rèn)識(shí)

遺傳信息決定生物的形態(tài)和特征,是生物生存之本。估計(jì)人類(lèi)的基因組DNA約有4×109bp,含有約5-10萬(wàn)個(gè)基因,但至今人類(lèi)對(duì)自己賴(lài)以生存繁衍的這個(gè)龐大的遺傳信息庫(kù)還知之甚少,目前已經(jīng)知道的人基因只占估計(jì)數(shù)的百分之幾,已搞清楚其表達(dá)調(diào)控者更寥寥無(wú)幾,對(duì)占基因組80-90%不為蛋白質(zhì)編碼序列的認(rèn)識(shí)更少,因而實(shí)際上我們現(xiàn)在對(duì)自己生存的基礎(chǔ)和實(shí)質(zhì)只有很表面的膚淺認(rèn)識(shí),設(shè)想如果人類(lèi)掌握了自身全部遺傳信息的結(jié)構(gòu)、功能、表達(dá)和調(diào)控,無(wú)疑將能夠深刻認(rèn)識(shí)人的生長(zhǎng)、發(fā)育、生存、繁衍的整個(gè)生老病死歷程,將能對(duì)疾病的診斷、治療和預(yù)防提出極有效的措施,將能真正掌握自己生存和發(fā)展f1411.cn/Article/的命運(yùn)。

DNA重組技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,就使人們有可能去深入探索這個(gè)重大的課題。1985年提出的人基因組研究計(jì)劃(Human Genome Project)很快得到世界科學(xué)的響應(yīng),這個(gè)研究計(jì)劃的目標(biāo)是要闡明人類(lèi)遺傳信息的組成和表達(dá),是迄今全球性生物學(xué)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最引人注目的巨大研究工程。DNA重組是完成這個(gè)任務(wù)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(dòng)DNA序列測(cè)定,基因組信息數(shù)據(jù)庫(kù)的建立等新思維和新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和發(fā)展,再加上大規(guī)模引入其它領(lǐng)域先進(jìn)的科學(xué)技術(shù),原預(yù)定21世紀(jì)頭10年繪制出完整的人類(lèi)染色體基因定位圖、測(cè)定出人類(lèi)基因組全部DNA序列,有望按期或提前完成。當(dāng)然在這基礎(chǔ)上要搞清楚全部人類(lèi)基因的功能、各基因間的關(guān)系,基因表達(dá)調(diào)控、人類(lèi)遺傳信息的多樣性等還要經(jīng)歷更長(zhǎng)期和更艱苦的努力。但DNA重組技術(shù)促進(jìn)了分子生物學(xué)迅速發(fā)展,給人類(lèi)探索自身生命的奧秘展示了光明的前景。

生命關(guān)鍵的基礎(chǔ)在于蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與核酸相的相互作用,生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系正是生命“活”的本質(zhì)所在。憑借基因工程人們可以克隆獲得天然的或任意設(shè)計(jì)的核酸序列,可以大量獲得過(guò)去難以得到的生物體內(nèi)極微量的活性蛋白質(zhì)、可以設(shè)計(jì)獲得任意定點(diǎn)突變(site-directed mutagenesis)的基因和蛋白質(zhì),這就為研究蛋白質(zhì)與核酸的結(jié)構(gòu)與功能、揭露生命的本質(zhì)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(shù)生產(chǎn)有應(yīng)用價(jià)值的藥物是當(dāng)今醫(yī)藥發(fā)展一個(gè)重要的方向,現(xiàn)在世界上已有幾千家生物技術(shù)公司,其中多數(shù)都生產(chǎn)醫(yī)藥或醫(yī)藥研究所需的試劑。利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)藥物有兩個(gè)不同的途徑:一是利用基因工程技術(shù)改造傳統(tǒng)的制藥工業(yè),例如用DNA重組技術(shù)改造制藥所需要的菌種或創(chuàng)建的菌種,提高抗菌素、維生素、氨基酸產(chǎn)量等;二是用克隆的基因表達(dá)生產(chǎn)有用的肽類(lèi)和蛋白質(zhì)藥物或疫苗,雖然基因診斷和醫(yī)藥研究試劑的基因工程產(chǎn)品已經(jīng)很多,但目前基因工程藥物還只處在發(fā)展的早期,至今真正被衛(wèi)生部門(mén)正式批準(zhǔn)投放市場(chǎng)的基因工程肽或蛋白類(lèi)治療藥物現(xiàn)在還不多,但正在開(kāi)發(fā)的基因工程治療藥物卻有幾百種,且而逐年迅速增加,可見(jiàn)其具有的巨大潛力;蚬こ趟幬锊粌H用于醫(yī)藥上,還能用于工農(nóng)業(yè)上,促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展,已經(jīng)投放市場(chǎng)或近期可望投放市場(chǎng)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(jiàn)的傳染病,過(guò)去從病人血液中分離乙肝病毒的表面抗原作為疫苗,來(lái)源有限,價(jià)格昂貴,有潛在交叉感染的危險(xiǎn),F(xiàn)在克隆得病毒編碼的HbsAg基因,使其表達(dá)獲得大量HbsAg用作疫苗。1986年美國(guó)正式批準(zhǔn)基因工程乙肝疫苗投放市場(chǎng),我國(guó)的科學(xué)工作者也克隆得在我國(guó)流行常見(jiàn)乙肝病毒亞型的HbsAg基因,研制得適用于我國(guó)乙肝基因工程疫苗,并已生產(chǎn)和使用。近期可能投放市場(chǎng)的還有甲型肝炎、巨細(xì)胞病毒、流行性出血熱、輪狀病毒、細(xì)菌性腹瀉等基因工程疫苗。我軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)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(hù)率達(dá)90%以上,為我國(guó)的肉食供應(yīng)做出了貢獻(xiàn)。

2、基因工程肽類(lèi)藥物 由免疫細(xì)胞和其它細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子是具有很高活動(dòng)性的肽類(lèi)分子,在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)分化、調(diào)節(jié)免疫功能、參與炎癥反應(yīng)和創(chuàng)傷修復(fù)中起重要作用,其中許多很有應(yīng)用價(jià)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(dá)獲得大量產(chǎn)物供用。傳統(tǒng)的肽類(lèi)激素,血液中的微量活性成分、酶類(lèi)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(lèi)藥物

名稱(chēng)作用
各種干擾素(interferon IFN)抗病毒、抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)
各種細(xì)胞介素(interleukins ,IL)免疫調(diào)節(jié)、促進(jìn)造血
各種集落刺激因子(colony stimulating factors ,CSF)刺激造血
紅細(xì)胞生成素(erythropopoetin EPO)促進(jìn)紅細(xì)胞生成,治療貧血
腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)殺傷腫瘤細(xì)胞、免疫調(diào)節(jié)、參與炎癥和全身性反應(yīng)
表皮生長(zhǎng)因子(epidermal growth factor, EGF)促進(jìn)細(xì)胞分裂、創(chuàng)傷愈合、胃腸道潰瘍防治
神經(jīng)生長(zhǎng)因子(nerve growth factor ,NGF)促進(jìn)神經(jīng)纖維再生
骨形態(tài)形成蛋白(bone morphogenetic protein ,BMP)骨缺損修復(fù)、促進(jìn)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、治療血友病
生長(zhǎng)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(tǒng)細(xì)胞融合雜交瘤技術(shù)制備的單克隆抗多數(shù)是鼠源性抗體,用于人體會(huì)產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng),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(jīng)過(guò)雜交瘤技術(shù)而直接獲得特定的人的抗體基因克隆。也可以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),用DNA重組技術(shù)將鼠源性抗體基因人源化,然后放入表達(dá)載體,表達(dá)產(chǎn)生人源化抗體。我國(guó)已成功克隆得到多種腫瘤、抗病毒、抗細(xì)胞因子、抗細(xì)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(jìn)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(lèi)型的抗體基因已分別在細(xì)菌、昆蟲(chóng)細(xì)胞、培養(yǎng)的哺乳細(xì)胞和植物中表達(dá);蚬こ炭贵w被稱(chēng)為第三代抗體,其研制雖然剛起步,但已展示出良好的應(yīng)用前景。

三、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和植物

克隆的基因不僅導(dǎo)入細(xì)菌和培養(yǎng)的細(xì)胞,而且能轉(zhuǎn)入動(dòng)植物體內(nèi)、改變其遺傳特性。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物(transgenic animals)就是指在其基因組內(nèi)穩(wěn)定地整合有外源基因、并能遺傳給后代的動(dòng)物。1979年Mintz等將SV40病毒NDA導(dǎo)入小鼠早期胚胎的囊胚腔,第一次得到載有人工導(dǎo)入外源基因的嵌合體小鼠(chimeicmorse)。1982年P(guān)almiter等將克隆的生長(zhǎng)激素基因用顯微注射(microinjection)的方法直接導(dǎo)入小鼠受精卵細(xì)胞核內(nèi),所得轉(zhuǎn)基因的小鼠的肝、肌、心等組織都能產(chǎn)生生長(zhǎng)激素,小鼠比原個(gè)體大幾倍,稱(chēng)為“巨鼠”,使人們意識(shí)到轉(zhuǎn)基因技術(shù)的巨大潛力及其在遺傳育種方面的劃時(shí)代意義,除受精卵外,從胚胎中分離的多潛能干細(xì)胞(ES細(xì)胞,embryonic stem cells)也能接受外源基因發(fā)育成個(gè)體,外源基因的導(dǎo)入還可以采取逆轉(zhuǎn)錄病毒載體感染等方法。目前已經(jīng)得到的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物除鼠外還有轉(zhuǎn)基因、羊、豬等。

利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物可以建立人類(lèi)疾病的動(dòng)物模型,為對(duì)人類(lèi)疾病病因研究,以及測(cè)試新治療方法提供了有力手段。例如用導(dǎo)入各種癌基因、致瘤病毒基因或其調(diào)控序列等的轉(zhuǎn)基因小鼠,可以觀察腫瘤發(fā)生的歷程和影響因素;導(dǎo)入相關(guān)突變基因的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物可以造出糖尿病、鐮刀形細(xì)胞貧血、白內(nèi)障等疾病模型;用肝炎病毒基因的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物可以研究肝炎病毒基因在肝炎病中的作用,利用導(dǎo)入各種細(xì)胞因子基因、免疫功能基因、以及特定核酸序列的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物可以從整體研究細(xì)胞因子、免疫調(diào)控、基因表達(dá)調(diào)控等問(wèn)題。

近年來(lái)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物技術(shù)又有新的發(fā)展。ES細(xì)胞導(dǎo)入與目的基因同源的序列,則在體內(nèi)可以經(jīng)同源重組使用的基因發(fā)生突變,這樣成長(zhǎng)起來(lái)的動(dòng)物有目的基因的缺陷,這種技術(shù)稱(chēng)為基因打靶(gene targetting)。用基因打靶可以在整體水平上研究基因的功能,并能制造出遺傳缺陷的疾病模型。

用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物還能獲得治療人類(lèi)疾病的重要的蛋白質(zhì)。例如導(dǎo)入了凝血因子Ⅸ基因的轉(zhuǎn)基因綿羊分泌的乳汁中含有豐富的凝血因子Ⅸ,能在效地用于血友病的治療。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)在遺傳育種上闖出了新路。成功獲得“巨鼠”,激起了人們的創(chuàng)造優(yōu)f1411.cn/zhicheng/良品持家畜的熱情。我國(guó)水生生物研究所將生長(zhǎng)激素基因轉(zhuǎn)入魚(yú)受精卵,得到的轉(zhuǎn)基因魚(yú)生長(zhǎng)顯著加快、個(gè)體增大;轉(zhuǎn)基因豬也正在研制中。

轉(zhuǎn)基因植物在育種上也獲得成績(jī)。1994年比普遍西紅柿保鮮時(shí)間更長(zhǎng)的轉(zhuǎn)基因西紅柿投放市場(chǎng),1996年轉(zhuǎn)基因玉米、轉(zhuǎn)基因大豆相繼投入商品生產(chǎn)。美國(guó)最早研制得抗蟲(chóng)棉花,我國(guó)科學(xué)家將自己發(fā)展的蛋白酶抑制劑基因轉(zhuǎn)入棉花獲得抗棉鈴蟲(chóng)的棉樺株。到1996年全世界已有250萬(wàn)公頃土地種植轉(zhuǎn)基因植物。與按傳統(tǒng)孟德?tīng)栠z傳規(guī)律育種比較,轉(zhuǎn)基因技術(shù)顯出其優(yōu)越和更大的潛力,提高光合作用、擴(kuò)大固氮能力、提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、抗蟲(chóng)、抗病、抗旱等轉(zhuǎn)基因植物都在研究中。將人的基因轉(zhuǎn)入植物還可能獲得醫(yī)學(xué)上的治療用途的藥物,例如將人抗體基因轉(zhuǎn)入煙草,從煙葉中就能提取得人的抗體蛋白。

四、基因診斷與基因治療

基因克隆和基因分析的手段得到與人類(lèi)疾病有關(guān)的基因異常變化、以及致病微生物基因結(jié)構(gòu)方面的知識(shí),就可能用檢測(cè)和分析基因的方法去診斷疾病。對(duì)與疾病相關(guān)的基因及其調(diào)控了解,就有可能導(dǎo)入外源目的基因去糾正基因缺陷或改變基因表達(dá)調(diào)控以期達(dá)到治療疾病的目的。這些都是分子生物學(xué)進(jìn)展在醫(yī)學(xué)上重要的應(yīng)用。因而本書(shū)列出兩章專(zhuān)門(mén)討論,在此不再重復(fù)敘述。

NDA重組技術(shù)和基因工程使人類(lèi)進(jìn)入了能動(dòng)改造的生物界的新紀(jì)元,使醫(yī)學(xué)發(fā)展到分子醫(yī)學(xué)的新階段。但由于人類(lèi)對(duì)生物基因組的結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)調(diào)控等認(rèn)識(shí)還很有限,因而分子生物學(xué)的成果在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用還處在初級(jí)階段。新的基因工程藥物雖然不斷涌現(xiàn),但已應(yīng)用的還是少數(shù),而且由于對(duì)基因產(chǎn)物的整體效應(yīng)等研究還不夠充分,即使已批準(zhǔn)投入市場(chǎng)的基因工程藥物,有的療效還不很理想;蛟\斷應(yīng)用的范圍尚有待擴(kuò)大,基因治療理想成功的例子還不多。轉(zhuǎn)基因的工作還由于基因?qū)牒笤诨蚪M上的定位整合等知識(shí)和技術(shù)尚不成熟,因而現(xiàn)在轉(zhuǎn)基因的工作還很目、成功率還很低。這些都有待于進(jìn)行許多扎實(shí)的基礎(chǔ)研究,了解更多分子遺傳學(xué)方面規(guī)律,并改進(jìn)和創(chuàng)建新的技術(shù),才能得到提高。然而探索著生命本質(zhì)的分子生物學(xué)已經(jīng)指出了光明的前程,隨著科學(xué)的進(jìn)步,肯定將逐步實(shí)現(xiàn)能按人們的意志去獲得理想的結(jié)果,可以說(shuō)“前途光明燦爛,道路曲折而遙遠(yuǎn)”。

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