第二节  基因与基因工程

一、基因、基因组

早在19世纪就已提出了基因（gene）的概念，但一直到1944年， Avery的研究才证实基因是由DNA组成的。现代对基因的定义是：基因是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。对于编码蛋白质的结构基因来说，基因是决定一条多肽链的DNA片段。DNA是由数量众多的脱氧核苷酸连接而成的生物大分子，4种核苷酸，即腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）的连接及其排列顺序，形成了各种特异性的DNA片段。DNA不仅具有严格的化学组成，还具有特殊的高级结构，它主要以有规则的双螺旋形式存在（图6-4），其基本特点是：

（1）DNA分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的。

（2）DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧。

（3）两条链上的碱基遵循碱基互补配对原则形成碱基对，即A只能与T配对，G只能与C配对。由于碱基可以任何顺序排列，构成了DNA分子的多样性。例如，某DNA分子的一条多核苷酸链有100个不同的碱基组成，它们的可能排列方式就是4100。

图6-4  DNA的反向平行双螺旋结构

DNA的复制是指遗传物质的传代，它以母链DNA为模板，按碱基配对原则合成子链，复制除严格按照碱基配对规律进行外，还依赖于酶学的机制比如DNA聚合酶对模板的识别、即时校读功能以及DNA的修复系统来保证复制的高度保真性。但很多因素如紫外线、电离辐射及烷化剂等能导致DNA损伤，引起分子结构改变，如碱基錯配、缺失、插入，甚至DNA分子重排等，往往导致多种疾病。

案例6-1

[病例摘要]

患者，男，12岁，因手足反复出水疱12年来院就诊。患儿出生后不久即见手足出现水疱，以关节和摩擦部位为著，皮损疼痛明显，夏季重，冬季稍缓解，愈后无瘢痕。体格检查：患儿营养发育好。心肺正常，肝脾未及肿大。皮肤科情况：肘膝关节外侧、掌趾关节背侧见多个厚壁清亮水疱，尼氏征阴性。组织病理：基底细胞空泡变性，表皮真皮间水疱形成。透射电镜显示表皮基底细胞层出现裂隙。

家族史：家系四代中共有患者7人，每代均有患者。

诊断：单纯性大疱性表皮松解症（EBS）。

 [问题]

1. 单纯性大疱性表皮松解症发病的分子机制？

2. 该病确诊的依据？

 

 

基因分子位于染色体上，它可通过复制把遗传信息传递给下一代，从而使后代表现出与亲代相似的性状。染色体位于细胞核内，是以DNA-蛋白质的纤丝存在于间期核内的遗传物质，因可被碱性染料着色而得名。分为常染色体和性染色体两类。正常人体细胞内有24条染色体，它们当中染色体ＸＹ是决定性别的。一个人体内所有细胞的染色体的长度加起来，足足有1600亿公里长。

基因组是指细胞或生物体一条完整单体的全部染色体遗传物质的总和。包括全部基因与调控元件。具体来说，基因组主要指不同的DNA功能区域在整个DNA分子中的分布情况，既总体DNA核苷酸顺序。有时基因组也可以指一大组基因，一个染色体或几个染色体的基因，人类细胞基因组通常指包括 X、Y 染色体在内的24条染色体中的所有基因。

人类基因组计划（human genomeproject,HGP）是美国科学家T.H.Roderick于1986年率先提出的，旨在阐明人类基因组30亿个碱基对的序列，发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面地认识自我。计划于1990年正式启动，这一价值30亿美元的计划的目标是，为30亿个碱基对构成的人类基因组精确测序，从而最终弄清楚每种基因制造的蛋白质及其作用。

从1996年起，HGP研究的重心逐步由“结构”向“功能”转移，这就是“后基因组学”，内容包括功能基因组学和蛋白质组学，另外，基因组与生命形式和生物形态进化的关系研究也将是21世纪“后基因组学”开展研究的主要问题。后基因组研究的进展将为医学发展提供更多的线索和机遇。从基因表达谱的变化、细胞内信号转导过程异常等角度认识疾病将是医学发展中的重要变化。后基因组研究将对各种疾病的发生机制做出最终的解释，也将在各个层次和水平上为疾病的诊断和治疗提供新的线索。相信在不久的将来，我们可以利用基因组全序列所提供的信息来进行各种疾病的基因定位研究和治疗。

 

二、基因工程

1973年，美国斯坦福大学教授的科恩，从大肠杆菌里取出了两种不同的质粒，它们各自具有一个抗药的基因。科恩把两种质粒上不同的抗药基因“裁剪”下来，再把这两种基因拼接在同一个质粒中。当这种杂合质粒进入大肠杆菌体后，这些大肠杆菌就能抵抗两种药物，而且这种大肠杆菌的后代都具备双重抗菌性，拉开了基因工程时代的大幕。科恩本人也以DNA重组技术发明人的身份向美国专利局申报了世界上第一个基因工程的技术专利。

基因工程能通过人们的意愿对不同生物的遗传基因，进行切割、拼接和重新组合，再转入生物体内，产生出人们期望的产物，或创造出具有新的遗传特征的生物类型。

基因工程的核心技术是DNA的重组技术，重组即利用供体生物的遗传物质或人工合成的基因，经过体外或离体的限制酶切割后与适当的载体连接起来形成重组DNA分子，然后在将重组DNA分子导入到受体细胞或受体生物构建转基因生物，该种生物就可以按人类事先设计好的蓝图表现出另外一种生物的某种性状。除DNA重组技术外，基因工程还应包括基因的表达技术，基因的突变技术，基因的导入技术等。

基因工程一般分为6个步骤：①制备目的基因和相关载体；②用特异的限制性内切酶切割目的基因和载体DNA；③将目的基因与载体DNA连接成重组DNA；④把重组DNA导入受体细胞；⑤DNA重组体的筛选和鉴定；⑥DNA重组体的扩增和表达（图6-5）。

 

图6-5  DNA重组体的构建与克隆示意图

从20世纪80年代开始，基因工程药品的研制开发和产业化进程迅速，如治疗糖尿病的重组胰岛素，用于抗病毒、抗肿瘤的干扰素等，被广泛应用在医药保健、农牧业、生态环保等领域，基因工程在农、林、牧、渔业也大显身手，已培育出许多高产、优质、抗性强的转基因动植物新品系。大大地促进了人类社会的进步和发展。

案例6-2

[病例摘要]

患 者，女，71岁，因突然言语不清，右侧肢体不能活动2小时入院。既往有高血压病、糖尿病，自行服药治疗，但控制欠佳。体格检查：BP160/90mmHg，神志清楚，运动性失语，右侧巴氏征阳性。急诊颅脑CT：排除脑出血，左侧大脑中动脉可疑高密度征。

诊断：脑血栓形成。

治疗：因发病在3小时以内，经与静脉滴注重组组织型纤溶酶原激活物（rtPA）溶栓，0.9mg/kg，治疗2小时后，查体发现右侧肢体肌力恢复到4级，复查CT颅脑末见脑出血。

 [问题]

1.动脉粥样硬化血栓形成的分子生物学机制？

2.rtPA溶栓的分了生物学机制？