胞内获得了干扰素,从11g细菌培养物中可以得到20-40mg 千扰素。主要用于治疗乙型肝的重蛆人干扰素a-b是我国 幕一个国内批准生产的基因工程药物(1993年)。我国基因工程 药物开发虽然起炉较晚,基础较差,但是,仅仅用了约10年的 时间,就使基因工程药物从无到有,不断发展壮大,完成了世 界上主要基因工程药物的产业化 以候云德院士(右)为首的研究人员,成功地研制出 干扰素的生产车闯 了我国第一个基因工程药物—干犹素 基因治疗曙光初照 人体的遗传性疾病是很难用一般药物进行治疗的,基 因工程的兴起迎来了基因治疗的曙光。 基因治疗是把正常基因导入病人体内,使该基因的表 达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的,这是治疗遗 传病的最有效的手段。1990年9月,美国对一名患有严重 复合型免疫缺陷症的4岁女童,实施了基因治疗。复合型 免疫峡陷症是一种遗传疾病。女童由于腺苷酸脱氨酶基因 峡失,遺成体内峡乏腺苷酸脱氨酶;而腺苷酸脱氨酶是人 体免疫系统发挥正常功能作用所必需的,因此,女童不能 抵抗病原微生物的威胁,1990年9月,这名女童接受了基时对这一实例,你能镁出什么 因治疗,研究人员将腺苷酸脱氨酶基因转入取自患者的淋 问趣吗? 巴细胞中,使淋巴细胞能够产生腺苷酸脱氨酶,然后,再 将这种淋巴细胞转入患者体内。半年后,在血液中检测出 了被改造的淋巴细胞,女童体内产生的腺苷酸脱氨酶也越 来越多,女童产生抗体的能力显著改善。 从1990年成功转移腺苷酸脱氨酶基因到现在,大部分 基因治疗的临床试验,都是先从病人体内获得某种细胞,例 专题1基因工程23
如T淋巴细胞,进行培养,然后,在体外完:做体内基因治疗。值得提出的是,无论哪 成基因转移,再筛选成功转移的细胞扩增培:种基因治疗,目前都处于初期的临床试验阶 养,最后重新输入患者体内(图1-27,1 段。可以说,在没有完全解释人类基因组的 28)。上述方法虽然操作复杂,但效果较为可:运转机制,充分了解基因调控机制和疾病的 靠,称为体外基因治疗。同时,科学家们又:分子机理之前,进行基因治疗是十分困难的。 千方百计设计出更加简便的基因治疗方法。;另外,还存在着技术方面、伦理道德方面,以 例如,1994年美国科学家利用经过修饰的腺·及安全性方面的诸多困难。如果这些问题能 病毒作载体,成功地将治疗遗传性囊性纤维·逐一解决的话,基因治疗将推动21世纪的医 化病的正常基因转入患者肺组织中。这种直:学革命 接向人体组织细胞中转移基因的治病方法叫 图1-27我国研究人员正在制备用于 图1-28为病人注射基因工程细胞 治疗的基因工程细胞 生物技术资料卡 用于基因治疗的基因种类 用于基因治疗的基因有三类,第一类是从健:治疗,第二类是反义基因,即通过产生的mRNA 康人体上分离得到的功能正常的基因,用以取代·分子,与病变基因产生的mRNA进行互补,来阻 病变基因,或依靠其表达产物,来弥补病变基因,断非正常蛋白质合成。第三类是编码可以杀死癌 带来的生理缺陷,如对血友病和地中海黄血病的:变细的蛋白酶基因,又叫做自杀基因 。 拓展福 神奇的基因芯片 你听说过“基因芯片" gene chip)一词:那么,基因芯片究竟是什么?它的作 吗?基因芯片又叫做DNA芯片,寡核苷酸用又是怎样的呢?通俗地说,基因芯片是 芯片,或DNA徽阵列。其概念来自计算机·通过徽加工技术,将数以万计、乃至百万 芯片,是伴随“人类基因组计划”的研究计的特定序列的DNA片段(基因探针), 进展而快速发展起来的一门高新技术 有规律地排列固定于2cm2的硅片、玻片 24专题1基因工程
等支持物上,构成的一个二维DNA探针阵列,与计算 机的电子芯片十分相似,所以被称为基因芯片。基因芯 片主要用于基因检测工作。科学家让芯片上成千上万的 探针分子,与被检测的带有标记的基因样品,按碱基配 对原理进行杂交。然后,通过荧光检测系统对芯片进行 扫描,再利用计算机系统,对每一探针上的荧光信号进 行比较和检测,从而迅速得出所需要的信息。 基因芯片的用途广泛,可以用于基因测序,寻找有 用的目的基因,或对基因的序列进行分析。例如,科学 家用基因芯片分析了黑猩猩与人某段基因序列的差异, 基因芯片 结果发现二者核酸序列同源性在83.5%-982%之间, 揭示了二者在进化上的高度相似性。 科学家是根据从正常人的基因组中分离出的DNA 与DNA芯片杂交,可以得出标准图谱,以及从病人的 基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交,可以得出病变 图谱,再通过比较上述两种图谱,来对人类的许多疾病 (如感染性疾病、遗传性疾病、恶性肿痼等)进行诊断 的。基因芯片在临床诊断方面表现出的独特优势是:它 不仅能在旱期诊断中发挥作用,与传统检测方法相比, 它可以在一张芯片上,同时对多个病人进行多种疾病的用子检测OMA芯片的荧光检测仪 检测,利用基因芯片,还可以从分子水平上了解疾病 基因芯片的这些特点,能够使医务人员在短时间内掌握大量的疾病诊断信息,找到正确的 治疗措施。除此之外,基因芯片在新药的筛选、临床用药的指导等方面,也有重要作用。 总之,基因芯片诊断技术以其快速、高效、自动化等特点,将成为一项现代化诊断新 技术,并成为学术界和企业界所嘱目的研究和开发的热点。 思考与探究 1根据所学内容,试概括写出基因工程解 决了哪些生活、生产中难以解决的问题。 2右面是两幅同学画的基因工程卡通图。 你能像这位同学一样,展开你想像的翅,用图 画、文字或用音乐创等,来畅想基因工程的未 来吗? 专题1基因工程25
蛋白质工程的崛起 1983年,美国某基因公司的一名科学家提出了蛋白质 工程这一名词。随着分子生物学、晶体学以及计算机技术 的迅猛发展,蛋白质工程已取得了很大的进展。目前,它 已成为研究蛋白质结构和功能的重要手段,并将广泛应用 于制药和其他工业生产中。 你如道国际人类蛋白质组计 蛋白质工程崛起的缘由 划吗? 为什么要进行蛋白质工程的研究呢?我们知道,将 它与蛋白质工程有什么关系? 种生物的基因转移到另一种生物体内,后者可以产生它本 我国科学家承担了什么任务? 不能产生的蛋白质,进而表现出新的性状,这就是基因工 程的实质。基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋 白质,这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的, 它们的结构和功能符合特定物种生存的需要,却不一定完 全符合人类生产和生活的需要。例如,干扰素是动物体内 的一种蛋白质,可以用于治疗病毒的感染和癌症,但在体 外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝 氨酸,那么在-70℃的条件下,可以保存半年。又如,前 面我们提到玉米中赖氦酸的含量比较低,原因是赖氨酸合 成过程中的两个关键酶—天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧 天然蛋白质进行改造,你认 酸合成酶的活性,受细胞内赖氨酸浓度的影响较大,当赖 为应该直接对蛋白质分子进行 氨酸浓度达到一定量时,就会抑制这两个酶的活性。所以 操作,还是通过对基因的操作赖氨酸含量很难提高。如果我们将天冬氨酸激酶的第352 来实现? 位的苏氨酸变成异亮氨酸,将二氢吡啶二羧酸合成酶中 104位的天冬酰胺变成异亮氨酸,就可以使玉米叶片和种 子中的游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。还有许多工业用 酶也是在改变天然酶的特性后,才使之适应生产和使用需 :要的。 蛋白质工程的基本原理 蛋白质工程是怎样进行的呢?蛋白质工程的目标是根 据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质的结构进行分 子设计。由于基因决定蛋白质,因此,要对蛋白质的结构 ·进行设计改造,最终还必须通过基因来完成。 我们知道,天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进 :行的基因→表达(转录和翻译)→形成氨基酸序列的多肽 链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能;而蛋白 26专题1基因工程
质工程却与之相反,它的基本谂径是:从预期的蛋白质功 能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列 找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)(图1-29)。 蛋白质工程 DNA合成 分子设计 基因 氨基酸序列 蛋白质 预期功能 DNA mRNA 多肽链 三维结构 生物功能 转录 折叠 中心法则 图1-29蛋白质工程流程图 某多肽链的一段氦基酸序列:苷酸序列?请把相应的碱基序列写出来。 是 丙氨酸一色氨酸一赖氨酸 2.确定目的基因的碱基序列后,怎样 甲硫氨酸一苯丙氦酸 才能合成或改造目的基因(DNA)? 讨论 1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核 通过以上分析和讨论可以看出,蛋白质工程是指以蛋 白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础.通 过基因修饰或基因合成.对现有蛋白质进行改造.或制造 种新的蛋白质.以满足人类的生产和生活的需求。也就 是说,蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第 二代基因工程,是包含多学科的综合科技工程领域。 异想天开 能不能根据人类需要的夤白质的結构,设计应的 基因,导入适合的细菌中,让细菌生产人奥所需要的蛋 白质食品呢? 粮食的工厂化生产示意图 专题1基因工程27