第19章基因技术要点概述19.1对DNA操作的能力已经导致了一门全新的遗传学。限制性内切酶。能在特定位点剪切DNA的酶。它可以把不同来源的DNA片段接合到一起。使用限制性内切酶来处理基因。用限制性内切酶剪切DNA而产生的片段，可以被接合到质粒里，进而通过质粒插入到宿主细胞中。19.2基因工程包括的步骤简单明了。基因工程实验的四个步骤。基因工程师们把DNA切成片段，然后把这些片段接合进载体里，通过载体将DNA片段运送进细胞中。加工处理基因克隆基因技术被用于许多领域里，包括对DNA的操作。19.3生物技术正引起一场科学变革。DNA测序技术现在已经测出了许多生物体的完整的基因组核苷酸序列，并且可以用于比较。生物芯片生物芯片就是蚀刻上DNA链可以用来筛选基因的玻璃芯片。医药方面的应用如今许多药物和疫苗都是使用基因技术生产出来的。农业方面的应用基因工程师们培育出了抗病虫害和抗杀虫剂的农作物新品种，以及经济效益更高的动物品种。克隆近期的实验研究表明，克隆禽畜是可以实现的。这一结果给农业和社会都造成了广泛的影响。干细胞胚胎干细胞和组织特异性干细胞都能够被用来修复或者替换受损的组织
第 19 章 基因技术 要点概述 19.1 对 DNA 操作的能力已经导致了一门全新的遗传学。 限制性内切酶。能在特定位点剪切 。 DNA 的酶。它可以把不同来源的 DNA 片段接合到一起。 使用限制性内切酶来处理基因。用限制性内切酶剪切 。 DNA 而产生的片段， 可以被接合到质粒里，进而通过质粒插入到宿主细胞中。 19.2 基因工程包括的步骤简单明了。 基因工程实验的四个步骤。基因工程师们把 。 DNA 切成片段，然后把这些片 段接合进载体里，通过载体将 DNA 片段运送进细胞中。 加工处理基因克隆 基因技术被用于许多领域里，包括对 DNA 的操作。 19.3 生物技术正引起一场科学变革。 DNA 测序技术 现在已经测出了许多生物体的完整的基因组核苷酸序列，并 且可以用于比较。 生物芯片 生物芯片就是蚀刻上 DNA 链可以用来筛选基因的玻璃芯片。 医药方面的应用 如今许多药物和疫苗都是使用基因技术生产出来的。 农业方面的应用 基因工程师们培育出了抗病虫害和抗杀虫剂的农作物新品 种，以及经济效益更高的动物品种。 克隆 近期的实验研究表明，克隆禽畜是可以实现的。这一结果给农业和社 会都造成了广泛的影响。 干细胞 胚胎干细胞和组织特异性干细胞都能够被用来修复或者替换受损的 组织
伦理道德与规范基因工程引发了有关危险和隐私方面的重要问题。过去的几十年里，在研究和操作DNA方面，新的强大技术的发展造成了遗传学的革命（图19.1）。这些技术使生物学家们第一次可以直接地干预生物体的遗传命运。在这一章里，我们将探讨这些技术，考虑它们如何应用到那些具有重大实践价值的特殊问题上。在生物学中，像这样对我们未来生活有着如此巨大影响的领域并不多。图19.119.1对DNA操作的能力已经导致了一个著名的质粒。这张电子显微照片中一门全新的遗传学的环状分子是pSC101，第一个被成功限制性内切酶的用来克隆脊椎动物基因的质粒。它的名字源自于它是斯坦利科恩分离出的在1980年，遗传学家使用了一种比第101个质粒。较新颖的基因接合（splice）技术一一这种技术我们将在本章里加以描述一一把编码干扰素（interferon）的人类基因引入到一个细菌细胞的基因组里。干扰素是一种特殊的血液蛋白，它能够增强人类对病毒感染的抵抗力。医药科学家们对它可能在癌症治疗上发挥的作用有很大兴趣。然而，由于干扰素在血液中很稀少，临床试验所需要的大量的提纯干扰素将非常昂贵，因此这种可能性在1980年以前很难进行研究。必须要有一种廉价的生产干扰素的方法，而把产生干扰素的基因引入到细菌细胞使之成为可能。获得了人类干扰素基因的细菌细胞持续快速的产生于扰素，同时生长，分裂。不久培养基中就产生了数以百万计的产生干扰素的细菌，所有这些细菌都是最初获得人类干扰素基因的细菌细胞的后代。基因工程的出现这种从单个改变了的细胞产生一系列遗传性质与之相同的细胞的技术，叫做
伦理道德与规范 基因工程引发了有关危险和隐私方面的重要问题。 过去的几十年里，在研究和操作 DNA 方面，新的强大技术的发展造成了遗传学 的革命（图 19.1）。这些技术使生物学家 们第一次可以直接地干预生物体的遗传 命运。在这一章里，我们将探讨这些技术， 考虑它们如何应用到那些具有重大实践 价值的特殊问题上。在生物学中，像这样 对我们未来生活有着如此巨大影响的领 域并不多。 19.1 对 DNA 操作的能力已经导致了 一门全新的遗传学 限制性内切酶 在 1980 年，遗传学家使用了一种比 较新颖的基因接合（splice）技术――这种 技术我们将在本章里加以描述——把编码干扰素（interferon）的人类基因引入 ） 到一个细菌细胞的基因组里。干扰素是一种特殊的血液蛋白，它能够增强人类对 病毒感染的抵抗力。医药科学家们对它可能在癌症治疗上发挥的作用有很大兴 趣。然而，由于干扰素在血液中很稀少，临床试验所需要的大量的提纯干扰素将 非常昂贵，因此这种可能性在 1980 年以前很难进行研究。必须要有一种廉价的 生产干扰素的方法，而把产生干扰素的基因引入到细菌细胞使之成为可能。获得 了人类干扰素基因的细菌细胞持续快速的产生干扰素，同时生长，分裂。不久培 养基中就产生了数以百万计的产生干扰素的细菌，所有这些细菌都是最初获得人 类干扰素基因的细菌细胞的后代。 基因工程的出现 这种从单个改变了的细胞产生一系列遗传性质与之相同的细胞的技术，叫做 图 19.1 一个著名的质粒。这张电子显微照片中 。 的环状分子是 pSC101，第一个被成功 的用来克隆脊椎动物基因的质粒。它的 名字源自于它是斯坦利·科恩分离出的 第 101 个质粒
克隆（cloning）。它使培养基中的每一个细胞成为一个生产干扰素的微型工厂。人类胰岛素基因也被克隆到细菌中。现在这种对治疗某些类型的糖尿病有重要作用的激素，能够以相对非常低的成本大量的生产出来。除了上述这些医药方面的应用，克隆和有关的分子技术还被用来获取关于基因如何装配和调控的一些基本信息。干扰素实验和其他一些类似的实验标志着一门薪新的遗传科学一一基因工程(geneticengeneering)的诞生。基因工程的本质就是把DNA剪切成可识别的片段，再把这些片段以不同的方式重新排列。在干扰素实验里，一个携带干扰素基因的DNA片段被插入到一个质粒中，通过质粒引入到一个细菌细胞里。许多其他的基因工程方法都使用与之相同的基本策略一一首先把有价值的基因插入到质粒或传染性病毒中，再引入到靶细胞里。要进行这些实验工作，我们必须能够恰当的剪切DNA供体（比如，在干扰素实验中的人类DNA）和质粒DNA，使DNA供体中我们需要的片段能够永久的接合到质粒上。这种剪切是通过一些能识别和剪切DNA中的特定核首酸序列的酶来实现的。这些酶是基因工程的基本工具。限制性内切酶的发现科学发现最开始往往是一些看起来不那么重要的发现，它们在其真正价值被意识到之前往往得不到重视。以基因工程为例，最开始的发现是细菌使用某些酶来抵抗病毒。绝大多数生物体最终都进化出了抵抗捕食者和寄生者的方法，细菌也不例外。细菌的天敌之一是噬菌体，一种感染细菌并在其内部繁殖的病毒。它们使细菌细胞破裂，释放出数以千计更多的病毒。通过自然选择，某些种类的细菌获得了对付这些病毒的强有力的武器：它们含有一种叫做限制性内切酶（restrictionendonuclease）的酶，能够在病毒DNA进入细菌细胞时将其剪切成一个个片段。许多限制性内切酶能识别DNA链上的特定核苷酸序列，与这些序列相结合，并在该序列上的某个特定位点处切断DNA。为什么限制性内切酶没有把细菌自己的DNA也像病毒的一样切断？问题的答案是：细菌能使用其它的一些酶，对它们自已的DNA进行修饰，比如用甲基化酶（methylase）给细菌DNA上的一些核苷酸加一个甲基。当限制性内切酶识
克隆（cloning）。它使培养基中的每一个细胞成为一个生产干扰素的微型工厂 ） 。 人类胰岛素基因也被克隆到细菌中。现在这种对治疗某些类型的糖尿病有重要作 用的激素，能够以相对非常低的成本大量的生产出来。除了上述这些医药方面的 应用，克隆和有关的分子技术还被用来获取关于基因如何装配和调控的一些基本 信息。干扰素实验和其他一些类似的实验标志着一门崭新的遗传科学――基因工 程(genetic engeneering)的诞生。 基因工程的本质就是把 DNA 剪切成可识别的片段，再把这些片段以不同的 方式重新排列。在干扰素实验里，一个携带干扰素基因的 DNA 片段被插入到一 个质粒中，通过质粒引入到一个细菌细胞里。许多其他的基因工程方法都使用与 之相同的基本策略――首先把有价值的基因插入到质粒或传染性病毒中，再引入 到靶细胞里。要进行这些实验工作，我们必须能够恰当的剪切 DNA 供体（比如， 在干扰素实验中的人类 DNA）和质粒 DNA，使 DNA 供体中我们需要的片段能 够永久的接合到质粒上。这种剪切是通过一些能识别和剪切 DNA 中的特定核苷 酸序列的酶来实现的。这些酶是基因工程的基本工具。 限制性内切酶的发现 科学发现最开始往往是一些看起来不那么重要的发现，它们在其真正价值被 意识到之前往往得不到重视。以基因工程为例，最开始的发现是细菌使用某些酶 来抵抗病毒。 绝大多数生物体最终都进化出了抵抗捕食者和寄生者的方法，细菌也不例 外。细菌的天敌之一是噬菌体，一种感染细菌并在其内部繁殖的病毒。它们使细 菌细胞破裂，释放出数以千计更多的病毒。通过自然选择，某些种类的细菌获得 了对付这些病毒的强有力的武器：它们含有一种叫做限制性内切酶（restriction endonuclease）的酶，能够在病毒 DNA 进入细菌细胞时将其剪切成一个个片段。 许多限制性内切酶能识别 DNA 链上的特定核苷酸序列，与这些序列相结合，并 在该序列上的某个特定位点处切断 DNA。 为什么限制性内切酶没有把细菌自己的 DNA 也像病毒的一样切断？问题的 答案是：细菌能使用其它的一些酶，对它们自己的 DNA 进行修饰，比如用甲基 化酶（methylase）给细菌 DNA 上的一些核苷酸加一个甲基。当限制性内切酶识
别序列上的核苷酸被甲基化后，这个内切酶就不能与该序列结合了。结果，细菌DNA被保护而避免了在那些位点上被降解。另一方面，病毒DNA没有被甲基化因此无法逃脱被剪切的命运。限制性内切酶如何剪切DNA限制性内切酶的识别序列通常是4到6个核苷酸长度，而且经常是回文结构（palindromes）。这意味着识别序列一端的核苷酸与另一端的互补，因此DNA双螺旋的两条链在识别序列处，沿各自的方向有相同的核苷酸组成。核苷酸的这种排列方式产生两种重要结果：第一，因为双螺旋的两条链上有着同样的识别序列，限制性内切酶可以同时结合并切断两条链，从而有效的将DNA截成两半。这种同时截断两条链的能力很可能就是限制性内切酶进化成识别这种双重反向对称的核苷酸序列的原因所在。第二，限制性内切酶切断的键通常不是位于它所结合的识别序列的中央，而DNA链是反平行的，所以双螺旋两条链的切入位点是相互错开的。（图19.2）剪切发生后，每一个DNA片段都有一段几个核苷酸长的单链未端。两个片段的单链末端是互补的。为什么限制性内切酶有这样大的用途细菌的限制性内切酶有成百上千种，每一种都有自己独特的识别序列。一种特定内切酶的识别序列有可能碰巧出现在给定的一个样品DNA里：识别序列越短，它碰巧出现在样品里的几率就越大。因此，一种特定的限制性内切酶很可能可以把任何来源的DNA切成一个个片段。每一个片段都将有彼此互补的单链未端，未端的序列是该内切酶特有的。由于这些末端的互补性，它们可以互相配对（因此它们有时被称为“粘性末端（stickyends）")。一旦它们的末端完成配对，两个片段就能在使磷酸二脂键重新生成的DNA连接酶（ligase）的帮助下接合到一起。限制性内切酶如此重要的原因在于，由同一种限制性内切酶产生的片段中的任何两个都能接合到一起。被同一种内切酶剪切的大象和驼鸟的DNA片段可
别序列上的核苷酸被甲基化后，这个内切酶就不能与该序列结合了。结果，细菌 DNA 被保护而避免了在那些位点上被降解。另一方面，病毒 DNA 没有被甲基化， 因此无法逃脱被剪切的命运。 限制性内切酶如何剪切 DNA 限制性内切酶的识别序列通常是 4 到 6 个核苷酸长度，而且经常是回文结构 （palindromes）。这意味着识别序列一端的核苷酸与另一端的互补 ） ，因此 DNA 双螺旋的两条链在识别序列处，沿各自的方向有相同的核苷酸组成。核苷酸的这 种排列方式产生两种重要结果： 第一， 因为双螺旋的两条链上有着同样的识别序列，限制性内切酶可以同 时结合并切断两条链，从而有效的将 DNA 截成两半。这种同时截断两条链的能 力很可能就是限制性内切酶进化成识别这种双重反向对称的核苷酸序列的原因 所在。 第二， 限制性内切酶切断的键通常不是位于它所结合的识别序列的中央， 而 DNA 链是反平行的，所以双螺旋两条链的切入位点是相互错开的。（图 19.2） 剪切发生后，每一个 DNA 片段都有一段几个核苷酸长的单链末端。两个片段的 单链末端是互补的。 为什么限制性内切酶有这样大的用途 细菌的限制性内切酶有成百上千种，每一种都有自己独特的识别序列。一种 特定内切酶的识别序列有可能碰巧出现在给定的一个样品 DNA 里；识别序列越 短，它碰巧出现在样品里的几率就越大。因此，一种特定的限制性内切酶很可能 可以把任何来源的 DNA 切成一个个片段。每一个片段都将有彼此互补的单链末 端，末端的序列是该内切酶特有的。由于这些末端的互补性，它们可以互相配对 （因此它们有时被称为“粘性末端（sticky ends）”）。一旦它们的末端完成配对， 两个片段就能在使磷酸二脂键重新生成的 DNA 连接酶（ligase）的帮助下接合到 ） 一起。限制性内切酶如此重要的原因在于，由同一种限制性内切酶产生的片段中 的任何两个都能接合到一起。被同一种内切酶剪切的大象和鸵鸟的 DNA 片段可
RestrictionsitesZDNACAATTGAATTCTTAACLTAAFduplexStickyends(complementaryRestrictionendonucleasesingle-stranded DNA tails)cleavestheDNACAATTCAATTGCTTAATTTAADDNAfromanothersourceTAATcutwiththesamerestrictionendonucleaseisadded.GOAATKCITAATDNAligaseRestrictionjoins the strands.EndonucleasesGTAATCTTAANRecombinant DNA molecule图19.2许多限制性内切酶作用生成有“粘性末端”的DNA片段。限制性内切酶EcoRI总是在GAATCC序列的G和A之间切入。因为两条链都有同样的序列，两条链将同时被切断。然而，这两个序列在两条链上是沿着相反的方向排列的，结果就产生了互补或者说“有粘性”的单链末端。Restriction sites限制性位点DNAduplexDNA双链stickyends(complementarysingle-strandedDNAtails）粘性末端（互补单链DNA尾部）RestrictionendonucleasecleavestheDNA限制性内切酶剪切DNADNAfromanothersourcecutwiththesamerestrictionendonucleaseisadded加入被同一限制性内切酶剪切的另一来源的DNADNAligasejoinsthestrandsDNA连接酶将各DNA链接合起来重组DNA分子RecombinantDNAmolecule以像两条细菌DNA片段一样很容易的互相结合。基因工程包括对特定基因的剪切和重组等操作。一个限制性内切酶总是在特定的位点切入，产生两个有着短单链末端的片段。因为这些末端彼此互补，由同一内切酶生成的任何来源的任何两个片段都可以结合在一起
以像两条细菌 DNA 片段一样很容易的互相结合。 基因工程包括对特定基因的剪切和重组等操作。一个限制性内切酶总是在 。一个限制性内切酶总是在 特定的位点切入，产生两个有着短单链末端的片段 ，产生两个有着短单链末端的片段。因为这些末端彼此互补 。因为这些末端彼此互补， 由同一内切酶生成的任何来源的任何两个片段都可以结合在一起。 图 19.2 许多限制性内切酶作用生成有“粘性末端”的 DNA 片段。限制性内切酶 。 EcoRI 总是在 GAATCC 序列的 G 和 A 之间切入。因为两条链都有同样的序列，两条链将同时被切断。 然而，这两个序列在两条链上是沿着相反的方向排列的，结果就产生了互补或者说“有 粘性”的单链末端。 Restriction sites 限制性位点 DNA duplex DNA 双链 sticky ends(complementary single-stranded DNA tails) 粘性末端（互补单链 DNA 尾部） Restriction endonuclease cleaves the DNA 限制性内切酶剪切 DNA DNA from another source cut with the same restriction endonuclease is added 加入被同一限 制性内切酶剪切的另一来源的 DNA DNA ligase joins the strands DNA 连接酶将各 DNA 链接合起来 Recombinant DNA molecule 重组 DNA 分子