基因工程

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基因工程 基因工程(genetic engineering)又称基因拼接技术和DNA重组技术。所谓基因工程是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术,是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内,使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。 基因工程是生物工程的一个重要分支,它和细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程共同组成了生物工程。所谓基因工程(genetic engineering)是在分...

学科概况

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基因工程

基因工程(genetic engineering)又称基因拼接技术DNA重组技术。所谓基因工程是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术,是将外源基因通过体外重组后导入受体细胞内,使这个基因能在受体细胞内复制、转录、翻译表达的操作。

基因工程是生物工程的一个重要分支,它和细胞工程、酶工程、蛋白质工程微生物工程共同组成了生物工程。所谓基因工程(genetic engineering)是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术。它是用人为的方法将所需要的某一供体生物的遗传物质——DNA大分子提取出来,在离体条件下用适当的工具酶进行切割后,把它与作为载体的DNA分子连接起来,然后与载体一起导入某一更易生长、繁殖的受体细胞中,以让外源物质在其中“安家落户”,进行正常的复制和表达,从而获得新物种的一种崭新技术。它克服了远缘杂交的不亲和障碍。

1974年,波兰遗传学家斯吉巴尔斯基(Waclaw Szybalski)称基因重组技术为合成生物学概念,1978年,诺贝尔生医奖颁给发现DNA限制酶的纳森斯(Daniel Nathans)、亚伯(Werner Arber)与史密斯(Hamilton Smith)时,斯吉巴尔斯基在《基因》期刊中写道:限制酶将带领我们进入合成生物学的新时代。2000年,国际上重新提出合成生物学概念,并定义为基于系统生物学原理的基因工程。

重组DNA技术的基本定义

重组DNA技术是指将一种生物体(供体)的基因与载体在体外进行拼接重组,然后转入另一种生物体(受体)内,使之按照人们的意愿稳定遗传并表达出新产物或新性状的DNA体外操作程序,也称为分子克隆技术。因此,供体、受体、载体是重组DNA技术的三大基本元件。

基本定义

基因图

狭义上仅指基因工程:是指将一种生物体(供体)的基因与载体在体外进行拼接重组,然后转入另一种生物体(受体)内,使之按照人们的意愿稳定遗传,表达出新产物或新性状。

重组DNA分子需在受体细胞中复制扩增,故还可将基因工程表征为分子克隆(Molecular Cloning)或基因克隆(Gene Cloning)。

广义上包括传统遗传操作中的杂交技术、现代遗传操作中的基因工程和细胞工程。

是指DNA重组技术的产业化设计与应用,包括上游技术和下游技术两大组成部分。

上游技术:基因重组、克隆和表达的设计与构建(即DNA重组技术);

下游技术:基因工程菌(细胞)的大规模培养、外源基因表达产物的分离纯化过程。

广义的基因工程概念更倾向于工程学的范畴。

广义的基因工程是一个高度的统一体:

上游重组DNA的设计必须以简化下游操作工艺和装备为指导思想;

下游过程则是上游重组蓝图的体现与保证。基因工程产业化的基本原则。

基因工程是指重组DNA技术的产业化设计与应用,包括上游技术和下游技术两大组成部分。上游技术指的是基因重组、克隆和表达的设计与构建(即重组DNA技术);而下游技术则涉及到基因工程菌或细胞或基因工程生物体的大规模培养以及基因产物的分离纯化过程。

基因工程是利用重组技术,在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法,对各种生物的核酸(基因)进行改造和重新组合,然后导入微生物或真核细胞内,使重组基因在细胞内表达,产生出人类需要的基因产物,或者改造、创造新特性的生物类型。

从实质上讲,基因工程的定义强调了外源DNA分子的新组合被引入到一种新的寄主生物中进行繁殖。这种DNA分子的新组合是按工程学的方法进行设计和操作的,这就赋予基因工程跨越天然物种屏障的能力,克服了固有的生物种(species)间限制,扩大和带来了定向改造生物的可能性,这是基因工程的xxx特点。

基因工程包括把来自不同生物的基因同有自主复制能力的载体DNA在体外人工连接,构成新的重组的DNA,然后送到受体生物中去表达,从而产生遗传物质的转移和重新组合。

基因工程要素:包括外源DNA,载体分子,工具酶和受体细胞等。

一个完整的、用于生产目的的基因工程技术程序包括的基本内容有:(1)外源目标基因的分离、克隆以及目标基因的结构功能研究。这一部分的工作是整个基因工程的基础,因此又称为基因工程的上游部分。(2)适合转移、表达载体的构建或目标基因的表达调控结构重组。(3)外源基因的导入。(4)外源基因在宿主基因组上的整合、表达及检测转基因生物的筛选。(5)外源基因表达产物的生理功能的核实。(6)转基因新品系的选育和建立,以及转基因新品系的效益分析。(7)生态与进化安全保障机制的建立。(8)消费安全评价。

特征

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1)跨物种性

外源基因到另一种不同的生物细胞内进行繁殖。

2)无性扩增

外源DNA在宿主细胞内可大量扩增和高水平表达。

支撑技术

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核酸凝胶电泳技术

核酸分子杂交技术

细菌转化转染技术

DNA序列分析技术

寡核苷酸合成技术

基因定点突变技术

聚合链反应技术

学科起源

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基因工程

基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展基础上于20世纪70年代诞生的一门崭新的生物技术科学

这个定义表明,基因工程具有以下几个重要特征:首先,外源核酸分子在不同的寄主生物中进行繁殖,能够跨越天然物种屏障,把来自任何一种生物的基因放置到新的生物中,而这种生物可以与原来生物毫无亲缘关系,这种能力是基因工程的xxx个重要特征。第二个特征是,一种确定的DNA小片段在新的寄主细胞中进行扩增,这样实现很少量DNA样品"拷贝"出大量的DNA,而且是大量没有污染任何其它DNA序列的、xxx纯净的DNA分子群体。科学家将改变人类生殖细胞DNA的技术称为“基因系治疗”(germlinetherapy),通常所说的“基因工程”则是针对改变动植物生殖细胞的。无论称谓如何,改变个体生殖细胞的DNA都将可能使其后代发生同样的改变。

细菌试验

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基因工程

迄今为止,基因工程还没有用于人体,但已在从细菌到家畜的几乎所有非人生命物体上做了实验,并取得了成功。事实上,所有用于治疗糖尿病胰岛素都来自一种细菌,其DNA中被插入人类可产生胰岛素的基因,细菌便可自行复制胰岛素。基因工程技术使得许多植物具有了抗病虫害和抗除草剂的能力;在美国,大约有一半的大豆和四分之一的玉米都是转基因的。是否该在农业中采用转基因动植物已成为人们争论的焦点:支持者认为,转基因的农产品更容易生长,也含有更多的营养(甚至药物),有助于减缓世界范围内的饥荒和疾病;而反对者则认为,在农产品中引入新的基因会产生副作用,尤其是会破坏环境。

诚然,仍有许多基因的功能及其协同工作的方式不为人类所知,但想到利用基因工程可使番茄具有抗癌作用、使鲑鱼长得比自然界中的大几倍、使宠物不再会引起过敏,许多人便希望也可以对人类基因做类似的修改。毕竟,胚胎遗传病筛查、基因修复和基因工程等技术不仅可用于治疗疾病,也为改变诸如眼睛的颜色、智力等其他人类特性提供了可能。我们还远不能设计定做我们的后代,但已有借助胚胎遗传病筛查技术培育人们需求的身体特性的例子。比如,运用此技术,可使患儿的父母生一个和患儿骨髓匹配的孩子,然后再通过骨髓移植来治愈患儿。

随着DNA的内部结构和遗传机制的秘密一点一点呈现在人们眼前,特别是当人们了解到遗传密码是由 RNA转录表达的以后,生物学家不再仅仅满足于探索、提示生物遗传的秘密,而是开始跃跃欲试,设想在分子的水平上去干预生物的遗传特性。如果将一种生物的 DNA中的某个遗传密码片断连接到另外一种生物的DNA链上去,将DNA重新组织一下,就可以按照人类的愿望,设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型,这与过去培育生物繁殖后代的传统做法完全不同。这种做法就像技术科学的工程设计,按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因”重新“施工”,生物科学技术,就称为“基因工程”,或者说是“遗传工程”。基本操作步骤 这个过程即为体外重组DNA的过程。首先选择目的基因所适合的运载工具,如质粒、病毒等,然后用同一种限制酶分别切割运载体和目的基因,使其产生相同的黏性末端,再加入适量的DNA连接酶,在生物体外将目的基因的DNA与运载体的DNA结合起来,形成重组DNA(或重组质粒)将重组的DNA杂合分子,借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径,转移到选定的生物体细胞中,使重组的DNA在受体细胞中复制、转录、翻译得以表达。把目的基因装在运载体上并通过运载体将目的基因运到受体细胞的这一过程,在一般情况下,转化成功率仅为百分之一。为此遗传工程师们创造了低温条件下用氯化钙处理受体细胞和增加重组DNA浓度的办法来提高转化率。采用氯化化处理后,能增大受体细胞的细胞壁透性,从而使杂种DNA分子更容易进入。另外也可用基因枪法、激光微束穿孔法、显微注射法等方法直接将目的基因转入受体细胞(如受精卵细胞)。

操作步骤

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工具

(1)酶:限制性核酸内切酶、DNA连接酶

(2)载体:质粒载体、噬菌体载体、Ti质粒、人工染色体

转基因荧光蝌蚪

1.提取目的

基因获取目的基因是实施基因工程的xxx步。如植物的抗病(抗病毒 抗细菌)基因,种子的贮藏蛋白的基因,以及人的胰岛素基因干扰素基因等,都是目的基因。

要从浩瀚的“基因海洋”中获得特定的目的基因,是十分不易的。科学家们经过不懈地探索,想出了许多办法,其中主要有两条途径:一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因;另一条是人工合成基因。

直接分离基因最常用的方法是“鸟枪法”,又叫“散弹射击法”。鸟枪法的具体做法是:用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段,将这些片段分别载入运载体,然后通过运载体分别转入不同的受体细胞,让供体细胞提供的DNA(即外源DNA)的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制(在遗传学中叫做扩增,如使用PCR技术),从中找出含有目的基因的细胞,再用一定的方法把带有目的基因的DNA片段分离出来。如许多抗虫抗病毒的基因都可以用上述方法获得。

用鸟枪法获得目的基因的优点是操作简便,缺点是工作量大,具有一定的盲目性。又由于真核细胞的基因含有不表达的DNA片段,一般使用人工合成的方法。

人工合成基因的方法主要有两条。一条途径是以目的基因转录成的信使RNA为模版,反转录成互补的单链DNA,然后在酶的作用下合成双链DNA,从而获得所需要的基因。另一条途径是根据已知的蛋白质氨基酸序列,推测出相应的信使RNA序列,然后按照碱基互补配对的原则,推测出它的基因的核苷酸序列,再通过化学方法,以单核苷酸为原料合成目的基因。如人的血红蛋白基因胰岛素基因等就可以通过人工合成基因的方法获得。

2.目的基因与运载体结合

基因表达载体的构建(即目的基因与运载体结合)是实施基因工程的第二步,也是基因工程的核心。

将目的基因与运载体结合的过程,实际上是不同来源的DNA重新组合的过程。如果以质粒作为运载体,首先要用一定的限制酶切割质粒,使质粒出现一个缺口,露出黏性末端。然后用同一种限制酶切断目的基因,使其产生相同的黏性末端(部分限制性内切酶可切割出平末端,拥有相同效果)。将切下的目的基因的片段插入质粒的切口处,首先碱基互补配对结合,两个黏性末端吻合在一起,碱基之间形成氢键,再加入适量DNA连接酶,催化两条DNA链之间形成磷酸二酯键,从而将相邻的脱氧核糖核酸连接起来,形成一个重组DNA分子。如人的胰岛素基因就是通过这种方法与大肠杆菌中的质粒DNA分子结合,形成重组DNA分子(也叫重组质粒)的。

3.将目的基因导入受体细胞

基因工程

将目的基因导入受体细胞是实施基因工程的第三步。目的基因的片段与运载体在生物体外连接形成重组DNA分子后,下一步是将重组DNA分子引入受体细胞中进行扩增。

基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌,枯草杆菌,土壤农杆菌,酵母菌和动植物细胞等。

用人工方法使体外重组的DNA分子转移到受体细胞,主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。例如,如果运载体是质粒,受体细胞是细菌,一般是将细菌用氯化钙处理,以增大细菌细胞壁的通透性,使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞。目的基因导入受体细胞后,就可以随着受体细胞的繁殖而复制,由于细菌的繁殖速度非常快,在很短的时间内就能够获得大量的目的基因。

4.目的基因的检测和表达

目的基因导入受体细胞后,是否可以稳定维持和表达其遗传特性,只有通过检测与鉴定才能知道。这是基因工程的第四步工作。

以上步骤完成后,在全部的受体细胞中,真正能够摄入重组DNA分子的受体细胞是很少的。因此,必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入了目的基因进行检测。检测的方法有很多种,例如,大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因,当这种质粒与外源DNA组合在一起形成重组质粒,并被转入受体细胞后,就可以根据受体细胞是否具有青霉素抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。重组DNA分子进入受体细胞后,受体细胞必须表现出特定的性状,才能说明目的基因完成了表达过程。

前景

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科学界预言,21世纪是一个基因工程世纪。基因工程是在分子水平对生物遗传作人为干预,要认识它,我们先从生物工程谈起:生物工程又称生物技术,是一门应用现代生命科学原理和信息及化工等技术,利用活细胞或其产生的酶来对廉价原材料进行不同程度的加工,提供大量有用产品的综合性工程技术。

生物工程的基础是现代生命科学、技术科学和信息科学。生物工程的主要产品是为社会提供大量优质发酵产品,例如生化药物、化工原料、能源生物防治剂以及食品饮料,还可以为人类提供治理环境、提取金属、临床诊断、基因治疗和改良农作物品种等社会服务

生物工程主要有基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程和微生物工程等5个部分。其中基因工程就是人们对生物基因进行改造,利用生物生产人们想要的特殊产品。

美国的吉尔伯特是碱基排列分析法的创始人,他率先支持人类基因组工程 如果将一种生物的DNA中的某个遗传密码片断连接到另外一种生物的DNA链上去,将DNA重新组织一下,不就可以按照人类的愿望,设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型吗?这与过去培育生物繁殖后代的传统做法完全不同,它很像技术科学的工程设计,即按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因”重新“施工”,“组装”成新的基因组合,创造出新的生物。这种完全按照人的意愿,由重新组装基因到新生物产生的生物科学技术,就被称为“基因工程”,或者称之为“遗传工程”。

人类基因组研究是一项生命科学的基础性研究。有科学家把基因组图谱看成是指路图,或化学中的元素周期表;也有科学家把基因组图谱比作字典,但不论是从哪个角度去阐释,破解人类自身基因密码,以促进人类健康、预防疾病、延长寿命,其应用前景都是极其美好的。人类10万个基因的信息以及相应的染色位置被破译后,破译人类和动植物的基因密码,为攻克疾病和提高农作物产量开拓了广阔的前景。将成为医学生物制药产业知识和技术创新的源泉。美国的贝克维兹正在观察器皿中的菌落,他曾对人类基因组工程提出警告。

科学研究证明,一些困扰人类健康的主要疾病,例如心脑血管疾病、糖尿病、肝病、癌症等都与基因有关。依据已经破译的基因序列和功能,找出这些基因并针对相应的病变区位进行药物筛选,甚至基于已有的基因知识来设计新药,就能“有的放矢”地修补或替换这些病变的基因,从而根治顽症。基因药物将成为21世纪医药中的耀眼明星。基因研究不仅能够为筛选和研制新药提供基础数据,也为利用基因进行检测、预防和治疗疾病提供了可能。比如,有同样生活习惯和生活环境的人,由于具有不同基因序列,对同一种病的易感性就大不一样。明显的例子有,同为吸烟人群,有人就易患肺癌,有人则不然。医生会根据各人不同的基因序列给予因人而异的指导,使其养成科学合理的生活习惯,xxx可能地预防疾病。

人类基因组计划

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转基因链

信息技术的发展改变了人类的生活方式,而基因工程的突破将帮助人类延年益寿。一些国家人口的平均寿命已突破80岁,中国也突破了70岁。有科学家预言,随着癌症、心脑血管疾病等顽症的有效攻克,在2020至2030年间,可能出现人口平均寿命突破100岁的国家。到2050年,人类的平均寿命将达到90至95岁。

人类将挑战生命科学的极限。1953年2月的一天,英国科学家弗朗西斯·克里克宣布:我们已经发现了生命的秘密。他发现DNA是一种存在于细胞核中的双螺旋分子,决定了生物的遗传。有趣的是,这位科学家是在剑桥的一家酒吧宣布了这一重大科学发现的。破译人类和动植物的基因密码,为攻克疾病和提高农作物产量开拓了广阔的前景。1987年,美国科学家提出了“人类基因组计划”,目标是确定人类的全部遗传信息,确定人的基因在23对染色体上的具体位置,查清每个基因核苷酸的顺序,建立人类基因库。1999年,人的第22对染色体的基因密码被破译,“人类基因组计划”迈出了成功的一步。可以预见,在今后的四分之一世纪里,科学家们就可能揭示人类大约5000种基因遗传病的致病基因,从而为癌症、糖尿病、心脏病血友病等致命疾病找到基因疗法。

继2000年6月26日科学家公布人类基因组"工作框架图"之后,中、美、日、德、法、英等6国科学家和美国塞莱拉公司2001年2月12日联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。这次公布的人类基因组图谱是在原"工作框架图"的基础上,经过整理、分类和排列后得到的,它更加准确、清晰、完整。人类基因组蕴涵有人类生、老、病、死的绝大多数遗传信息,破译它将为疾病的诊断、新药物的研制和新疗法的探索带来一场xxx。人类基因组图谱及初步分析结果的公布将对生命科学和生物技术的发展起到重要的推动作用。随着人类基因组研究工作的进一步深入,生命科学和生物技术将随着新的世纪进入新的纪元。

基因工程在20世纪取得了很大的进展,这至少有两个有力的证明。一是转基因动植物,一是克隆技术。转基因动植物由于植入了新的基因,使得动植物具有了原先没有的全新的性状,这引起了一场农业xxx。如今,转基因技术已经开始广泛应用,如抗虫西红、生长迅速的鲫鱼等。1997年世界十大科技突破之首是克隆羊的诞生。这只叫“多利”母绵羊是xxx只通过无性繁殖产生的哺动物,它完全秉承了给予它细胞核的那只母羊的遗传基因。“克隆”一时间成为人们注目的焦点。尽管有着伦理和社会方面的忧虑,但生物技术的巨大进步使人类对未来的想象有了更广阔的空间。

历史大事记

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克隆羊

1866年,奥地利遗传学家孟德尔神父根据豌豆杂交实验发现生物的遗传基因规律,提出遗传因子概念,并总结出孟德尔遗传定律。

1868年,瑞士生物学家弗里德里希发现细胞核内存有酸性和蛋白质两个部分。酸性部分就是后来的所谓的DNA;

1882年,德国胚胎学家瓦尔特弗莱明在研究蝾螈细胞时发现细胞核内的包含有大量的分裂的线状物体,也就是后来的染色体;

1909年丹麦植物学家和遗传学家约翰逊首次提出“基因”这一名词,用以表达孟德尔的遗传因子概念。

1944年 3位美国科学家分离出细菌的DNA(脱氧核糖核酸),并发现DNA是携带生命遗传物质的分子。

1953年,美国生化学家沃森和英国物理学家克里克宣布他们发现了DNA的双螺旋结构,奠下了基因工程的基础;

1969年 科学家成功分离出xxx个基因。

1980年 科学家首次培育出世界xxx个转基因动物转基因小鼠。

1983年 科学家首次培育出世界xxx个转基因植物转基因烟草

1988年 K.Mullis发明了PCR技术。

1990年10月 被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的国际人类基因组计划启动。

1994年中科院曾邦哲提出转基因禽类金蛋计划和“输卵管生物反应器(oviduct bioreactor)”以及“系统遗传学(system genetics)”等概念、原理、名词和方法等。

1996年,xxx只克隆羊诞生;

1998年 一批科学家在美国罗克威尔组建塞莱拉遗传公司,与国际人类基因组计划展开竞争。

1998年12月 一种小线虫完整基因组序列的测定工作宣告完成,这是科学家xxx次绘出多细胞动物的基因组图谱。

1999年9月 中国获准加入人类基因组计划,负责测定人类基因组全部序列的1%。中国是继美、英、日、德、法之后第6个国际人类基因组计划参与国,也是参与这一计划的惟一发展中国家。

1999年12月1日国际人类基因组计划联合研究小组宣布,完整破译出人体第22对染色体的遗传密码,这是人类首次成功地完成人体染色体完整基因序列的测定。

2000年4月6日美国塞莱拉公司宣布破译出一名实验者的完整遗传密码,但遭到不少科学家的质疑。

2000年4月底 中国科学家按照国际人类基因组计划的部署,完成了1%人类基因组的工作框架图。

2000年5月8日 德、日等国科学家宣布,已基本完成了人体第21对染色体的测序工作。

2000年6月26日 科学家公布人类基因组工作草图,标志着人类在解读自身“生命之书”的路上迈出了重要一步。

2000年12月14日 美英等国科学家宣布绘出拟南芥基因组的完整图谱,这是人类首次全部破译出一种植物的基因序列。

2001年2月12日 中、美、日、德、法、英6国科学家和美国塞莱拉公司联合公布人类基因组图谱及初步分析结果。
科学家首次公布人类基因组草图“基因信息”。

研究状况

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英国:早在20世纪80年代中期,英国就有了xxx家生物科技企业,是欧洲国家中发展最早的。如今它已拥有560家生物技术公司,欧洲70家上市的生物技术公司中,英国占了一半。

德国:德国政府认识到,生物科技将是保持德国未来经济竞争力的关键,于是在1993年通过立法,简化生物技术企业的审批手续,并且拨款1.5亿马克,成立了3个生物技术研究中心。此外,政府还计划在未来5年中斥资12亿马克,用于人类基因组计划的研究。1999年德国研究人员申请的生物技术专利已经占到了欧洲的14%。

法国:法国政府在过去10年中用于生物技术的资金已经增加了10倍,其中最典型的项目就是1998年在巴黎附近成立的号称“基因谷”的科技园区,这里聚集着法国最有潜力的新兴生物技术公司。另外20个法国城市也准备仿照“基因谷”建立自己的生物科技园区。

西班牙:马尔制药公司是该国生物科技企业的代表,该公司专门从海洋生物中寻找抗癌物质。其中xxx开发价值的是ET-743,这是一种从加勒比海和地中海的海底喷出物中提取的红色抗癌药物。ET-743计划于2002年在欧洲注册生产,将用于治疗骨癌、皮肤癌、卵巢癌、乳腺癌等多种常见癌症。

印度:印度政府资助全国50多家研究中心来收集人类基因组数据。由于独特的“种姓制度”和一些偏僻部落的内部通婚习俗,印度人口的基因库是全世界保存得最完整的,这对于科学家寻找遗传疾病的病理和治疗方法来说是个非常宝贵的资料库。但印度的私营生物技术企业还处于起步阶段。

日本:日本政府已经计划将用于生物技术研究的经费增加23%。一家私营企业还成立了“龙基因中心”,它将是亚洲xxx的基因组研究机构

新加坡:新加坡宣布了一项耗资6000万美元的基因技术研究项目,研究疾病如何对亚洲人和白种人产生不同影响。该计划重点分析基因差异以及什么样的治疗方法对亚洲人管用,以最终获得用于确定和治疗疾病的新知识;并设立高技术公司来制造这一研究所衍生出的药物和医疗产品。

中国:参与了人类基因组计划,测定了1%的序列,这为21世纪的中国生物产业带来了光明。这“1%项目”使中国走进生物产业的国际先进行列,也使中国理所当然地分享人类基因组计划的全部成果、资源与技术。

应用

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农牧业、食品工业

运用基因工程技术,不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种,还可以培养出具有特殊用途的动、植物。

1.转基因

生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国)。

2.转基因牛

乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)。

3.转黄瓜抗青枯病基因的甜椒

4.转鱼抗寒基因的番

5.转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯

6.不会引起过敏的转基因大豆

7.超级动物

导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠

8.特殊动物

导入人基因具特殊用途的猪和小鼠

9.抗虫棉

苏云金胞杆菌可合成毒蛋白杀死棉铃虫,把这部分基因导入棉花的离体细胞中,再组织培养就可获得抗虫 棉。

环境保护

基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。

利用基因工程培育的指示生物能十分灵敏地反映环境污染的情况,却不易因环境污染而大量死亡,甚至还可以吸收和转化污染物。

基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质(通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类,用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属,分解DDT等毒害物质。)

医学

基因作为机体内的遗传单位,不仅可以决定我们的相貌、高矮,而且它的异常会不可避免地导致各种疾病的出现。某些缺陷基因可能会遗传给后代,有些则不能。基因治疗的提出最初是针对单基因缺陷的遗传疾病,目的在于有一个正常的基因来代替缺陷基因或者来补救缺陷基因的致病因素。

用基因治病是把功能基因导入病人体内使之表达,并因表达产物——蛋白质发挥了功能使疾病得以治疗。基因治疗的结果就像给基因做了一次手术,治病治根,所以有人又把它形容为“分子外科”。

我们可以将基因治疗分为性细胞基因和体细胞基因治疗两种类型。性细胞基因治疗是在患者的性细胞中进行操作,使其后代从此再不会得这种遗传疾病。体细胞基因治疗是当前基因治疗研究的主流。但其不足之处也很明显,它并没前改变病人已有单个或多个基因缺陷的遗传背景,以致在其后代的子孙中必然还会有人要患这一疾病。

无论哪一种基因治疗,处于初期的临床试验阶段,均没有稳定的疗效和完全的安全性,这是当前基因治疗的研究现状。

可以说,在没有完全解释人类基因组的运转机制、充分了解基因调控机制和疾病的分子机理之前进行基因治疗是相当危险的。增强基因治疗的安全性,提高临床试验的严密性及合理性尤为重要。尽管基因治疗仍有许多障碍有待克服,但总的趋势是令人鼓舞的。据统计,截止1998年底,世界范围内已有373个临床法案被实施,累计3134人接受了基因转移试验,充分显示了其巨大的开发潜力及应用前景。正如基因治疗的奠基者们当初所预言的那样,基因治疗的出现将推动新世纪医学的xxx性变化。

医药卫生

1.基因工程药品的生产:许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限,其价格往往十分昂贵。
微生物生长迅速,容易控制,适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内,让它们产生相应的药物,不但能解决产量问题,还能xxx降低生产成本。

⑴基因工程胰岛素

胰岛素是治疗糖尿病的xxx药,长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取,100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素,其产量之低和价格之高可想而知。

将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌,每2000L培养液就能产生100g胰岛素!大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题,还使其价格降低了30%-50%!

⑵基因工程干扰素

干扰素治疗病毒感染简直是“xxx灵药”!过去从人血中提取,300L血才提取1mg!其“珍贵”程度自不用多说。

基因工程人干扰素α-2b(安达芬) 是中国xxx个全国产化基因工程人干扰素α-2b,具有抗病毒,抑制肿瘤细胞增生,调节人体免疫功能的作用,广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗,是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。

⑶其它基因工程药物

人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产,均为解除人类的病苦,提高人类的健康水平发挥了重大的作用。

2.基因诊断与基因治疗: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。基该方法是:基因置换、基因修复、基因增补和基因失活等。

运用基因工程设计制造的“DNA探针”检测肝炎病毒等病毒感染及遗传缺陷,不但准确而且迅速。通过基因工程给患有遗传病的人体内导入正常基因可“一次性”解除病人的疾苦。

但基因治疗技术尚未成熟,未成熟的关键问题在于:①如何选择有效的治疗基因;②如何构建安全载体,病毒载体效率较高,但却有潜在的危险性;③如何定向导入靶细胞,并获得高表达。

SCID的基因工程治疗

重症联合免疫缺陷(SCID)患者缺乏正常的人体免疫功能,只要稍被细菌或者病毒感染,就会发病死亡。这个病的机理是细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶(简称ADA)的基因(ada)发生了突变。可以通过基因工程的方法治疗。

发展

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80年代中期以来,中国生物技术蓬勃发展、成绩喜人。由于国家高技术研究计划(即“八六三”计划)、攻关计划和国家自然科学基金会都将生物技术作为优先发展领域予以重点支持,中国生物技术整体研究水平迅速提高,取得了一批高水平的研究成果,为中国新兴生物技术产业的建立和发展提供了技术源泉。中国基因工程制药产业进入快速发展时期。

产业现状

1989年,中国批准了xxx个在中国生产的基因工程药物——重组人干扰素αlb,标志着中国生产的基因工程药物实现了零的突破。重组人干扰素αlb是世界上xxx个采用中国人基因克隆和表达的基因工程药物,也是到目前为止xxx的一个中国自主研制成功的拥有自主知识产权的基因工程一类新药。从此以后,中国基因工程制药产业从无到有,不断发展壮大。1998年,中国基因工程制药产业销售额已达到了7.2亿元人民币。截止1998年底,中国已批准上市的基因工程药物和疫苗产品共计15种。国内已有30余家生物制药企业取得了基因工程药物或疫苗试生产或正式生产批准文号。

根据1997年对全国452从个事生物技术研究、开发和生产的单位进行的通讯调查结果,截止1996年底,中国已有8种基因工程药物和疫苗商品化(包括试生产),1996年基因工程药物和疫苗销售额约为2.2亿元人民币,仅占同期全国医药生物技术产品年销售额21.16亿元人民的10.4%。然而可喜的是,中国基因工程制药产业发展迅猛,年销售额已从1996年的2.2亿元人民币增长到1998年的7.2亿元人民币,年均增长率高达80%。预计2000年中国基因工程药物销售额将达到22.8亿元人民币。

基因工程在制药业中具有广阔的发展前景,中国的基因制药行业已经初具规模,但与世界发达国家存在差距,主要表现在具有自主知识产权的产品较少,产业规模小、经济效益低。基因制药产业面临着历史性的机遇,主要表现在政府支持、资源丰富、基因信息公开、国际交流增加等方面。提高自主开发能力、保护基因资源是当前亟待解决的问题,同时,应加强对基因制药领域技术壁垒的研究与准备。

国内外对比

中国生物技术产业,特别是生物制药产业规模与美国相比差距很大。1996年,中国生物技术销售额为114亿元人民币,美国为100亿美元,相差7倍。1996年,中国基因工程和疫苗销售额为2.3亿元人民币,同期美国75亿美元。1998年,中国基因工程药物和疫苗销售额为7.2亿元人民币,还不到1亿美元,而1996年美国Amgen公司的两个主要产品Neupgen(G-CSF)和Epogen(红细胞生成素)销售额均达到10亿美元。

从上市品种看,1998年,中国有15种基因工程药物和疫苗获准上市,美国上市的生物药物(主要是基因工程药物)共53种。中国基国工程药物市时间较美国同品种上市时间晚5年-10年。

存在的主要问题

1、同种产品生产厂家过多,造成市场恶性竞争,严重影响产业的健康发展:中国已批准上市的基因工程药物和疫苗绝大多数是多家生产。例如:干扰素α2a生产厂家有5家,干扰素α2b有5家,白细胞介素-2有10家,G-CSF有7家,GM-CSF有6家。基因工程药物临床应用剂量一般都很小(微克级),通常2-3个厂家满负荷生产就能满足全国市场需要。因此,过多厂家生产同一种基因工程药物势必造成市场过度竞争,使各生产企业的利润下降,同时还导致现有生产能力开工不足,成本增加,使企业不能获得合理利润,无法步入良性发展的轨道,甚至迫使有些企业严重亏损和破产。

这种重复生产的现象与中国新药研究开发的指导思想不无关系。以往中国新药的研究开发是以引进开发为主,中国研制上市的和在研的新药绝大部分是仿制国外的,创新药物很少。已批准的15种基因工程药物和疫苗中,只有干扰素αlb拥有我自主知识产权。在研究的生物新药中,绝大多数是国外进入二、三期临床后中国开始跟踪研制的。由此不难看出,中国新药研究开发缺乏创新和低水平重复是导致医药产业重复生产的源头。大力加强创新药物的研究是从源头解决基因工程药物重复生产问题的根本出路。同时,中国还必须进一步完善新药审批制度和专利制度,从制度上鼓励创新,切实保护创新者的知识产权,避免重复生产。

2、融资渠道单一、产业发展资金不足:基因工程制药产业是典型的技术产业,具有高投入、高风险、高收益的特点。中国基因工程制药企业投资大多在2000万元-1亿元人民币。资金来源除股东投入的股本金外,主要是靠银行xxx,融资渠道狭窄。由于银行十分注意资金的的安全性和流动性,高技术投资的风险使银行对之xxx慎之又慎。同时,中国基因工程制药使得这些企业融资能力明显不足,很难从一般融资渠道获得企业发展所需的资金。发展资金严重不足已成为基因工程制药产业发展的巨大障碍因素。因此,中国应借鉴国外利用风险投资发展高技术产业的成功经验,制定有关法规政策,积极稳妥地启动风险投资。

3、医药市场竞争无序,行业不正之风盛行:随着中国从计划经济向市场经济转轨,医药市场出现了新的变化,药品购销各个环节利润分配极不合理。按国家现行价格规定,药品批发价是出厂价的115%,零售价为批发价的120%。但是,基因工程药物实际营销中,医院一般以国家批发价的70%-85%进药,从而获得零售价的30%-50%的利润,而生产企业的利润只有5%-15%。这种利润不合理分配导致众多制药企业亏损。更加上同种基因工程药品由多家生产,迫使生产企业纷纷采取高定价、高让利的促销手段,使药品市场竞争进一步恶化。企业迫于市场压力,主要精力都用在市场竞争上,无力顾及技术创新。过多的市场投入和让利,使正常生产经营都十分困难,更谈不上如何发展了。医药市场恶性竞争非但未能使消费者受益,却使得国家、制药企业和广大消费者的利益受到极大的损害。

另据调查,绝大多数进口基因工程药品的销售价格都xxx高于同种国产药品销售价格,而且更为不合理的是,一半以上的进口基因工程药品在中国的售价高于原产国售价。

4、企业管理相对滞后,技术兼经营型人才匮乏:中国基因工程制药产业起步较晚,但是起点相对较高。许多企业的关键性生产设备都是从国外进口。然而,在经营管理上与国外相比还有很大的差距。现代企业制度的特点之一是所有权与经营权分离,企业的所有者对经营者进行监督,经营者通过自主经营使企业的资产保值增值。中国大多数基因工程制药企业,虽然在形式上是有限责任公司或股份有限,但是企业的所有经营者一般由企业出任或委派。企业这种所有权与经营以不分的状况,既不利于企业长远发展,也不利于企业经营阶层即企业家阶层的形成。

基因工程制药企业是典型的技术密集型高技术企业,企业要在激烈的竞争中求得生存和发展就必须拥有一批高素质的复合型人才。如何培养和造就一批这种复合型人才已成为中国生物制药闰为亟持解决的问题。

对策及政策建议

根据国家内外工程制药产业现状及发展趋势,为促进中国基因工程制药产业的快速健康发展,我们提出以下建议:

1、制定产业发展战略规划,强化财政税收优惠政策

中国基因工程制药产业存在的盲目性和严重的重复现象与缺乏明确的产业发展战略和规划不无关系。因此,中国应该尽早制定出台生物技术产业发展战略和指导性发展规划,在引进、消化、吸收、创新及对传统产业的改造方面,集中有限财力、物力,重点支持一批具自主知识产权和国际竞争优势,对国民经济发展和人民生活具有重大影响的关键性基因工程产业化项目。只有这样,中国基本工程制药产业才能避免盲目性和无政府状态,从而走上良性发展的道路。

基因工程制药业与其它高技术产业一样,具有高投入、高风险和高产出等特点,起步阶段必须依靠国家优惠政策扶持才能不断发展壮大。中国各级政府为支持高科技产为发展虽制定了许多优惠政策,但优惠的力度不够,而且在具体实施过程中因涉及部门较多,落无实处的情况时有发生。因此,建议国家进一步强化并规范对基因工程制药产业的财政、税收优惠政策。

2、大力加强基因工程创新药物的研制和生产

由于中国上市销售和在研的基因工程药物绝大多数是仿制国外的,这使得中国基因工程药物很难讲入国际市场。特别是中国加入WTO后,一些基因工程制药企业将处于十分被动的境地,有可能会面临专利纠纷。为了从根本上改变中国基因工程制药业重复生产和缺乏国际竞争力的局面,中国的新药研制开发思想必须做战略调整,从以仿制为主向创新与仿制相结合转变。为此,中国必须大力加强创新药物研究,进一步完善知识产权保护制度和新药审批制度,特别是要加大对侵犯知识产权的打击力度,切实保护创新者权益。同时,新药研制单位和个人应该注意学会用专利保护自己的利益。国外一些公司采取的“专利加发表”的策略具有一定的启发性。为了使自己的技术专利化,并防止别人申请同样的专利,美国公司在申请专利后便迅速将专利内容公开发表。这种做法既确立了自己的xxx地位,又有效一阻止了他人申请相同的专利。

在加强创新药物研究的同时,可以有选择地合法仿制一些专利即将过期、疗效明确、应用前景广阔基因工程药物。对仿制药物有关的专利要进行认真的研究,采取有效的专利回避策略,避免简单的、盲目的仿制。要在仿制的基础上创新。创造出专利方法不同的生产工艺和方法,避免引起专利纠纷。

3、积极引导培育风险投资市场

融资困难、资金不足已严重制约了中国基因工程制药产业的迅速发展。欧美发达国家的成功经验表明,风险投资是解决高技术商品化、产业化过程中资金困难的有效途径。因此,中国政府应积极稳妥地引导和培育风险投资,尽制定风险投资运行的法规和政策,为风险投资创造宽松的环境和条件,适时允许投资银行信托投资公司、保险公司等机构发起设立风险投资基金。积极吸引国外风险投资历基金流入。同时,还应该放宽高技术企业股票发行条件,为高技术企业股票上市提供更多机会。积极准备开辟高技术企业股票市场即第二股票市场,为风险投资进入和退了资本市场创造条件。

危害

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关于转基因生物的安全性,没有科学性共识。尽管如此,基因工程农作物已被大规模投放,生物医学应用也日益增加。转基因生物还被投入工业使用和环境恢复,而公众对此却知之甚少。最近几年,越来越多的证据证明存在生态、健康危害和风险,对农民也有不利影响。

基因工程细菌影响土壤生物,导致植物死亡

1999出版的研究资料例举了基因工程微生物释放到环境中将如何导致广泛的生态破环。

当把克氏杆菌的基因工程菌株与砂土和小麦作物加入微观体中时,喂食线虫类生物的细菌和真菌数量明显增加,导致植物死亡。而加入亲本非基因工程菌株时,仅有喂食线虫类生物的细菌数量增加,而植物不会死亡。没有植物而将任何一种菌株引入土壤都不会改变线虫类群落。

克氏杆菌是一种能使乳糖发酵的常见土壤细菌。基因工程细菌被制造用来在发酵桶中产生使农业废物转换为乙醇的增强乙醇浓缩物。发酵残留物,包括基因工程细菌亦可于土壤改良。

研究证明,一些土壤生态系统中的基因工程细菌在某些条件下可长期存活,时间之长足以刺激土壤生物产生变化,影响植物生长和营养循环进程。虽然仍不清楚此类就地观测的程度,但是基因工程细菌引起植物死亡的发现也说明如果使用此种土壤改良有杀伤农作物的可能。

致命基因工程鼠痘病毒偶然产生

澳大利亚研究员在研发对相对无害的鼠痘病毒基因工程时竟意外制创造出可彻底消灭老鼠的杀手病毒。

研究员们将白细胞间介素4的基因(在身体中自然产生)插入到一种鼠痘病毒中以促进抗体的产生,并创造出用于控制鼠害的鼠类避妊疫苗。非常意外的是,插入的基因完全抑制了老鼠的免疫系统。鼠痘病毒通常仅导致轻微的症状,但加入IL-4基因后,该病毒9天内使所有动物致死。更糟的是,此种基因工程病毒对接种疫苗有着异乎寻常的抵抗力。

经改良的鼠痘病毒虽然对人类无影响,但却与天花关系十分密切,让人担心基因工程将会被用于生物战。一名研究员在谈及他们决定出版研究成果的原因时曾说:" 我们想警告普通民众,现在有了这种有潜在危险的技术","我们还想让科学界明白,必须小心行事,制造高危致命生物并不是太困难。"

杀虫剂使用的增加大部分是由于HT作物,尤其是HT大豆使用的杀虫剂增加,这一点可追溯到对HT作物的严重依赖性以及杂草管理的单一除草剂(草甘磷)使用。这已导致转移到更加难以控制的杂草,而某些杂草中还出现了遗传抗性,迫使许多农民在基因工程作物上喷洒更多的除草剂以对杂草适当进行控制。HT大豆中的抗草甘膦杉叶藻(marestail)于2000年在美国首次出现,在HT棉花中也已鉴别出此种物质。

其它研究显示,基因工程农作物本身也会对其使用的除草剂产生抗性,引发严重的自身自长作物问题(同一块地里早先种植的作物种子发芽的植物后来变成杂草)并迫使进一步使用除草剂。加拿大科学家证实了抗多种除草剂之基因工程油菜的迅速演化,此种作物因花粉长距离传播而融合了不同公司研制的单价抗除草剂特性。

此外,科学家还在2002年确认了转基因可从Bt向日葵移动到附近的野生向日葵,使杂化物更强、对化学药品更具抗性,因为较之无基因控制的情况,杂化物多了50%的种子,且种子健康,甚至在干旱条件下也如此。

北卡罗莱那州大学的研究显示,Bt油菜与相关杂草、鸟食草之间的交叉物可产生抗虫性杂合物,使杂草控制更困难。

所有这些事件使预防方法和严格的生物安全管理变得突出。预防原则在《卡塔赫纳生物安全协议》这一主要管理转基因微生物的国际法律中已得到重申。尤其是第 10(6)条声称,如果缺乏科学定论,缔约方可限制或禁止转基因生物的进口,以避免或使生物多样性及人类健康的不利影响降到最低。

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词条目录
  1. 学科概况
  2. 基因工程
  3. 重组DNA技术的基本定义
  4. 基本定义
  5. 特征
  6. 支撑技术
  7. 学科起源
  8. 细菌试验
  9. 操作步骤
  10. 前景
  11. 人类基因组计划
  12. 历史大事记
  13. 研究状况
  14. 应用
  15. 农牧业、食品工业
  16. 环境保护
  17. 医学
  18. 医药卫生
  19. 发展
  20. 产业现状
  21. 国内外对比
  22. 存在的主要问题
  23. 对策及政策建议
  24. 危害

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