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基因工程

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1 拼音

jī yīn gōng chéng

2 概述

基因工程也称为遗传工程、基因拼接技术或DNA重组技术。这种技术是在生物体外,通过对DNA分子进行人工“剪接”和“拼接”,对生物的基因进行改造和重新组合然后导入受体细胞内进行无性繁殖,使重组基因在受体细胞内表达,产生出人类所需要的基因产物。基因工程是生物技术的主体技术。基因工程是指按照人类的愿望,将不同生物的遗传物质在体外人工剪切并和载体重组后转入细胞内进行扩增,并表达产生所需蛋白质的技术。基因工程能够打破种属的界限,在基因水平上改变生物遗传性,并通过工程化为人类提供有用产品及服务。

3 基因工程的诞生与发展

基因工程是人工进行基因切割、重组、转移和表达的技术。基因工程诞生于70年代。自1977年成功地用大肠杆菌生产生长激素释放抑制因子以来,人胰岛素人生长激素胸腺素干扰素尿激酶肝火病毒疫菌、口蹄疫疫菌、腹泻疫菌和肿瘤坏死因子等数十种基因工程产品相继问世;1982年开始进入商品市场,在医疗保健和家畜疾病防治中获得广泛应用,并已取得或正在取得巨大的效果和收益。基因工程的基本步骤为:取得所需要的DNA特定片段(目的基因);选择基因的合适运载体(另一种DNA分子);使目的基因和运载体结合,得到重组DNA;将重组DNA引入细菌或动植物细胞并使其增殖;创造条件,使目的基因在细胞中指导合成所需要的蛋白质或其他产物,或育成动植物优良新种(或新品种)。

运用基因工程技术已育成高赖氨酸、高苏氨酸、高维生素K的生产菌株,并成功地将淀粉酶基因经持导入了酵母,使之直接利用淀粉生产酒精,从而将发酵工业推到一新的高度。农业上采用基因工程技术已培育成抗虫害烟草、抗除莠剂烟草和抗斑纹病烟草、高蛋白稻米、瘦肉型猪、优质产毛羊等动植物新品种。我国近年来基因工程也取得了重大成果,如乙型肝炎病毒疫苗甲型肝炎病毒疫苗、幼畜腹泻疫苗、青霉素酰化酶基因工程菌株等,有的已推广使用、有的正在试产;胰岛素、干扰素和生长激素等基因工程产品正进行高效表达试验;抗烟草斑纹病毒、抗除莠剂,抗虫害的植物基因工程研究工作已获阶段性成果;高等植物基因导入的新方法,固氮及相关DNA结构和调控等研究达到了世界先进水平。

4 基因工程的基本步骤

基因工程一般包括四个步骤:一是取得符合人们要求的DNA片段,这种DNA片段被称为“目的基因”;二是将目的基因与质粒或病毒DNA连接成重组 DNA;三是把重组DNA引入某种细胞;四是把目的基因能表达的受体细胞挑选出来。

基因工程的基本步骤是:

第一步:获得符合人类意愿的基因,即获得目的基因。目的基因是依据基因工程设计中所需要的某些DNA分子片段,含有所需要的完整的遗传信息。获得目的基因的方法很多,目前采用的分离、合成目的基因的方法主要有:

超速离心法:根据不同基因的组成不同,即其内的碱基对的比例不同,其浮力、密度等理化性质也不同的原理,应用密度梯度超速离心机,直接将特殊的目的基因分离出来。

分子杂交法:采用加碱或加热的方法使DNA变成单链,而后加入有放射性标记的RNA,让DNA在特定的条件下,结合成DNA和RNA的杂交分子,再用多聚酶制备出足够数量的双链DNA分子,进而获得DNA目的基因。

反转录酶法:先分离出特定的mRNA,再用反转录酶做催化剂,以RNA为模板合成所需要的DNA目的基因。

合成法:如果已知目的基因的碱基排列顺序,可用酶法或化学法,直接合成目的基因。目前此法已很少采用。

第二步:把目的基因接到某种运载体上,常用的运载体有能够和细菌共生的质粒、温和噬菌体(病毒)等。

DNA重组技术:重组DNA就是让DNA片段和载体连接。外源DNA是很难直接透过细胞膜进入受体细胞的。即使进入受体细胞之中,也会受到细胞内限制性内切酶的作用分解。目的基因结合到经过改造的细菌中的质粒(细菌细胞中的小环状DNA分子)或温和噬菌体(病毒)上后形成的组合体称为重组体DNA。在这一技术中,限制性内切酶是一种常用的工具酶,它能“切开”质粒的环形DNA,也能切取目的基因,然后把目的基因DNA片段与质粒DNA分子的两端,在连接酶的作用互补连接形成重组体DNA。

第三步:通过运载体把目的基因带入某生物体内,并使它得到表达。目的基因的表达是指目的基因进入受体细胞后能准确地转录翻译。目的基因能否表达是基因工程是否成功的关键。

目前,人类已经利用外源基因,如人的生长激素基因、人胸腺激素基因、人干扰素基因、牛生长激素基因等,导入细菌中,生产出相应的产品,在临床上得到了广泛的应用,取得了可观的经济效益和社会效益。

DNA 分子很小,其直径只有20埃,约相当于五百万分之一厘米,在它们身上进行“手术”是非常困难的,因此基因工程实际上是一种“超级显微工程”,对 DNA的切割、缝合与转运,必须有特殊的工具。

要把目的基因从供体 DNA长链中准确地剪切下来,可不是一件容易的事。1968年,沃纳·阿尔伯博士、丹尼尔·内森斯博士和汉密尔·史密斯博士第一次从大肠杆菌中提取出了限制性内切酶,它能够在DNA上寻找特定的“切点”,认准后将DNA分子的双链交错地切断。人们把这种限制性内切酶称为“分子剪刀”。这种“分子剪刀”可以完整地切下个别基因。自70年代以来,人们已经分离提取了 400多种“分子剪刀”。有了形形色色的“分子剪刀”,人们就可以随心所欲地进行DNA分子长链的切割了。

DNA的分子链被切开后,还得缝接起来以完成基因的拼接。1976年,科学们在5个实验室里几乎同时发现并提取出一种酶,这种酶可以将两个DNA片段连接起来,修复好DNA链的断裂口。1974年以后,科学界正式肯定了这一发现,并把这种酶叫作DNA连接酶。从此,DNA连接酶就成了名符其实的“缝合”基因的“分子针线”。只要在用同一种“分子剪刀”剪切的两种 DNA碎片中加上“分子针线”,就会把两种DNA片段重新连接起来。

把“拼接”好的 DNA分子运送到受体细胞中去,必须寻找一种分子小、能自由进出细胞,而且在装载了外来的 DNA片段后仍能照样复制的运载体。理想的运载体是质粒,因为质粒能自由进出细菌细胞,应当用“分子剪刀”把它切开,再给它安装上一段外来的 DNA片段后,它依然如故地能自我复制。有了限制性内切酶、连接酶及运载体,进行基因工程就可以如愿以偿了。

运载体将目的基因运到受体细胞是基因工程的最后一步,目的基因的导入过程是肉眼看不到的。因此,要知道导入是否成功,事先应找到特定的标志。例如我们用一种经过改造的抗四环素质粒PSC100作载体,将一种基因移入自身无抗性的大肠杆菌时,如果基因移入后大肠杆菌不能被四环素杀死,就说明转入获得成功了。

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开放分类:生物学
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  • 评论总管
    2019/8/20 15:56:20 | #0
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本页最后修订于 2010年3月17日 星期三 12:49:33 (GMT+08:00)
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