基因工程与二十一世纪，本文主要内容关键词为：基因工程论文,二十一世纪论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
随着科学技术的进步与发展，人类不仅可以按自己的所想去改造世界，上天入地，而且随着自身需求的提升，人类开始希望更多地了解自己，破解人类自身生、老、病、死的生命密码，使自己的生活变得更健康，更幸福。伴随新世纪的来临，人类生活也必将进入一个崭新的时代。
健康是人类幸福生活的保障，如何保证健康和抵抗疾病是生物技术的重要研究课题，而药物是人类与疾病作斗争的重要武器，制药工业在二十世纪得到蓬勃发展，许多威胁人类生存的疾病靠发现了针对性药物得以克服。但其中大部分为化学制药。长期以来，一个课题一直困扰着医学界：一些在医疗诊断、预防和治疗中有着重要价值的人体活性多肽（如激素，神经多肽，淋巴因子，凝血因子等）由于材料来源困难或技术方法问题而无法大量合成，只能勉强沿用传统技术方法从动物中提取，但由于原料来源短缺（如人生长激素从尸体脑垂体中分离），制成品各批次质量参差不齐以及毒副作用较大等而限制其在临床上的应用。
1953年，华生和克里克发现DNA双螺旋结构，奠定了现代分子生物学的基础。几十年来有关DNA的研究突飞猛进，70年代DNA重组技术的成功实现使得基因工程技术异军突起，许多人体中的活性肽都可通过重组DNA产生的工程菌来大量高效的合成，预示了医药工业体系的划时代变革。自1977年博耶等人从大肠杆菌中生产出50mg的生长激素释放因子，1982年重组胰岛素被批准正式上市以来，基因工作药物在医药领域的开发显示出巨大的优越性。
简单地说，基因工程就是指在试管内人为地把DNA分子进行切割，拼接（即重组），再设法把它放回到细胞中去进行扩增，并表达产生人们所需要的目的蛋白，生产基因工程药物。其基本操作是这样的：(1)分离有医用价值的蛋白多肽基因的DNA片段，并选择合适的载体；(2)在体外用内切酶切割目的基因和载体；(3)体外连接目的基因和载体分子，使形成重组DNA分子；(4)转化重组体进入适当的受体细胞，并与其一起增殖；(5)从大量的细胞繁殖群体中，筛选获得了重组DNA分子的受体细胞克隆；(6)提取扩增的目的基因；(7)将目的基因克隆到表达载体上，导入寄主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达；(8)目的蛋白分离纯化，生产基因工程药物。其中的基因的分离、转化以及宿主的选择尤为重要。用于基因工程药物生产的宿主可分为四种：细菌，酵母菌，动物细胞体系及动植物个体。其中细菌为原核生物，它生产的目的蛋白与天然蛋白有差别，需要对产物改造，但其产量较高，成本较低。动物细胞及个体体系为真核细胞表达系统，表达产物更接近于天然产物，目前越来越受到重视，具有较大的开发潜力。
目前开发的基因工程药物主要包括基因工程疫苗和基因工程多肽类药物。根据我国药物研究和生产中心截至1996年10月的调查统计数据表明，仅美国在1995和1996年申报的基因工程疫苗与多肽类药物产品就分别达到了234和284种，主要集中在脑瘤、大肠癌、乳腺癌、爱滋病等的诊断和治疗方面。自1778年爱德华·詹纳发明种痘技术至今，接种疫苗每年挽救了成千上万人的性命并成为一种有效的预防疾病的方法。目前，我们所使用的许多疫苗主要是由被杀死或减毒的病源微生物或者细菌毒素组成，由于减毒不充分或大量培养病毒过程中出现问题等原因，有些疫苗具有副作用，而重组DNA技术使得设计新的无毒副作用的基因工作疫苗成为可能。现已开发的基因工程疫苗种类繁多，细菌方面有霍乱弧菌、百日咳杆菌、麻风杆菌、淋球菌、绿脓杆菌、脑膜炎双球菌、链球菌、志贺菌属的一些菌种等；病毒方面有流感病毒、甲肝、乙肝病毒、带状疱疹病毒等；寄生虫方面有疟原虫、丝虫、血吸虫、利什曼原虫等。成熟的具有代表性的基因工程疫苗如乙型肝炎疫苗是目前最成功的基因工程疫苗。众所周知，肝炎病是困扰人类的最严重的疾病之一，第一代乙型肝炎疫苗是从乙型肝炎病毒(HBV)阳性带毒者血清中分离纯化的乙肝病毒表面抗原作为抗原，但血源性疫苗来源有限，价格昂贵，而且有潜在的危险性，如可能传播爱滋病(AIDS)，丙型肝炎(HCV)等多种血源性疾病。第二代疫苗便是基因工程疫苗，如用基因工程方法表达出乙肝病毒表面抗原，动物实验和临床表明其有良好的抗原性和保护作用，免疫原性与血源性疫苗相同。临床应用后证明抗体转阳率达95%以上。1986年7月，美国FDA正式批准基因工作乙型肝炎疫苗投入市场，类似的其它如多价卡介苗，双特异性抗体等也都得到了广泛开发和应用，在预防和治疗疾病上发挥了重要作用。
目前基因工程疫苗主要通过重组细胞培养系统生产，需要发酵或大规模细胞培养及纯化技术，设备复杂，成本高，而且产量远不能满足全球免疫计划的需要。自1990年以来，利用转基因植物生产基因工程疫苗的研究得到了迅速的发展，其基本原因是将抗原基因导入植物，让其在植物中表达，人摄入该植物或其中的抗原蛋白质后就可以产生对某抗原的免疫应答。与微生物发酵，动物细胞培养等生产基因工程疫苗相比，转基因植物生产基因工程疫苗具有诸多优点：第一，植物细胞与植株的培养条件简单，易成活，产品不需严格的纯化条件，成本低；第二，如前所述，微生物是属原核生物，不能对真核蛋白进行准确的翻译后加工，而转基因植物则可以保持表达蛋白疫苗的自然状态和免疫原性；第三，动物细胞生产疫苗，常用动物病毒作为载体导入抗原基因，生产过程中易污染，存在潜在的危害，而转基因植物生产的疫苗中植物病毒不感染人体，故更为安全；第四，使用方便，可直接口服免疫，易于生产，运输。1990年，第一例利用转基因植物生产的疫苗是用烟草表达的链球菌变异株蛋白疫苗，接着乙肝病毒表面抗原，疟疾孢子虫抗原也在烟草中得到表达。目前用马铃薯，番茄，香蕉等植物都有基因工程疫苗的成功表达。可见虽然利用转基因植物生产疫苗尚存在表达量不高，口服时易消化等缺点，不久的将来，人类可以通过食物来进行对疾病的治疗和预防。
与基因工程疫苗相同，近年来基因工程多肽类药物生产也得到了广泛的开发和研制。近20年来已出现三次高潮，第一次高潮（1978-1982年）是组织纤维蛋白溶酶原激活剂(tpA)和促红细胞生成素(EPO)的商品化；第二次高潮(1983-1988)是一批治疗癌症、爱滋病和心血管疾病系列肽类药物的发现；第三次高潮（1989至今）是当前关于生长因子、神经营养因子、抗病毒药物和爱体方面的研制开发。目前成熟的基因工程药物已广泛用于临床治疗人类疾病。糖尿病是威胁人类健康的顽症之一，全球患者达6000万左右，胰岛素是用于治疗糖尿病的主要药物，以往是从动物胰脏中提取纯化，工艺复杂，来源有限且价格昂贵，1978年胰岛素首次表达成功，1982年美国Lilly公司获得FDA批准投放市场，给治疗糖尿病带来巨大帮助。细胞因子在人类免疫系统中发挥着重要作用，是多功能细胞调节蛋白。目前基因工程生产的细胞因子如成纤维细胞生长因子(FGF)、肿瘤坏死因子(TNF)、造血因子(EPO,CSF)等都对临床病人发挥了重要作用。干扰素是由细胞分泌的一类在同种细胞上具有广谱抗病毒活性等多种生物学功能的蛋白质，还有抑制细胞分裂、抗肿瘤、调节免疫状态等一系列生物活性，目前已有多种基因工程干扰素生产，在预防医学和临床医学上都得到了广泛的应用。
随着转基因技术的发展，利用转基因动物乳腺作为生物反应器生产基因工程药物的研究受到广泛重视。其基本方法是将药用蛋白质的基因连接到乳汁蛋白基因的调节元件下游，然后将连接产物显微注射到哺乳动物受精卵或胚胎干细胞，当转基因胚胎长成个体后，在泌乳期药用蛋白质基因得到表达，这样可从动物乳汁获得基因工程药物。与微生物发酵、动物细胞培养相比，具有组织特异性强、表达效率高、表达产物生物活性与天然产物相同、纯化简单等优点。自1988年开始在大哺乳动物乳腺生物反应器中表达基因工程药物以来，已在牛奶、山羊奶，猪奶中表达了抗凝血酶、纤维蛋白原、人血清白蛋白、胶原蛋白、生育激素、乳铁蛋白、糖基转移酶、蛋白C等。虽然离商品化生产还有距离，尚存在表达不稳定等问题，但已经取得了大量成功经验，二十一世纪中基因工程药物的生产将会更简单，更广泛。
从孟德尔发现生物遗传性状由细胞物质控制以来，人类逐渐认识到控制生物遗传性状的单位是基因，它决定了生物的生存、繁殖和死亡的全部遗传信息，不同的物种有其特定的基因组。人类基因组就存在于我们每个人的每一个有核细胞中，1986年美国首先提出人类基因组计划(HGP,Human Genome Project)，1987年美国国会正式通过HGP，其战略地位与原子弹计划和阿波罗登月计划同样重要，预计2003年完成，人类基因组大约含有10万个基因，其中10%与疾病相关，HGP的目的就在于确定人类DNA的总体结构，弄清其中各种基因的结构、功能、位置、相互关系，从整体上认识遗传信息的组成及其调控方式，定位和识别与疾病相关的基因，促进生命科学和医学的发展。几千种遗传病包括癌症、心血管病和其它遗传易感性多因子疾病，由此得到预测、预防、早期诊断和治疗的办法，基因工程药物将会得到更广泛的开发和应用，从而使人类生活水平进一步得到改善和提高，基因药物产业也将成为永远的朝阳产业。
我国政府早在“七五”就对基因工程药物的开发和研制投入资金，目前已有30多家生物技术公司取得生产基因工程药物的许可，有十几种药物得到了产业化生产。
当然，任何事物都有两重性，乐观者让我们对未来的憧憬更加美好，但悲观者同时也为我们敲响了警钟。自从DNA重组技术成功以来，生物安全性及生命伦理问题便随之产生，有人认为，通过基因工程技术将某一基因引入细菌，也可能对人类构成潜在危险，可能增加新病种的产生，某些未被鉴定的基因被导入大肠杆菌，也有可能释放出对人体有害的产物，此外动植物和微生物的进化已被大自然控制了千百万年，基因工程技术可能会干扰这种进化过程，如克隆技术应用人类将会产生巨大的伦理危机等。与悲观者相反，乐观者认为基因工程技术作为现代生物技术的核心对理解高等生物基因结构和组织具有重大帮助，杂种病毒的构成，基因的分离和重组以及治疗性蛋白基因的研究会使人类从中获得真正的实际利益。当然生物安全性是科学家和社会所关注的重要问题之一，在安全设计上，为防止杂种DNA分子外溢可能带来的危险，各国都制定出相应的研究条例，如美国国家卫生研究院(NIH)在1976年便制定并公布了“重组DNA研究准则”，除了规定禁止若干类型的重组DNA实验之外，还制定了许多具体的规定条文，如在实验室安全防护方面，明确规定了物理防护和生物防护两个方面的统一标准，物理防护分为四个不同等级，生物防护分为三个不同的等级。因此，说到底，生物技术潜在的危险性并不在于生物技术本身，而在于这些技术的使用者。我们应用现代生物技术将有可能消灭癌症，攻克爱滋病，通过克隆技术可扩大移植器官供体的来源，它给人类健康带来的好处是不言而喻的。
随着人类基因组计划的接近完成，基因工程药物的开发将会出现新的浪潮，困扰人类健康生活的疾病终将都会得到攻克。会有那么一天，人类可以终身摆脱疾病的困扰和痛苦，到那时，医院的存在或许主要不是医治患者，而是保证每个人终身健康美丽快乐。在每个人出生时，医生就为其封闭了死亡基因，威胁人类健康的顽疾都将成为尘封的历史，二十一世纪，将没有不能治疗的疾病困扰人类。人类将可以根据自己的意愿设计自己的生活。