拓展阅读五  基因工程技术的产生及其科学意义

        基因工程技术的产生和发展过程是科学与技术相互促进的最好例证。基因工程技术的产生得益于生物化学与分子生物学、遗传学、免疫学、生理学等领域中的许多重大发现，它的诞生又为这些领域的研究工作提供了新的研究工具和手段，利用基因工程技术在这些领域中获得的新发现又使这一技术自身不断地得以丰富和发展。

        基因工程广义来讲是指任何形式的，人为造成的生物遗传形状改变，故亦称为遗传工程。目前基因工程技术特指在体外进行的，针对特异基因进行的体外或体内操作。

        人工改造生物遗传特性的想法几乎与遗传学同时诞生。遗传学实验如杂交等可以看作是经典的随机DNA重组实验，但是这种重组属于自然发生而非人工设计。1927年，曾为遗传学家Morgan学生的美国印第安那大学的Muller H第一次进行了人工改造生物遗传特性的实验。他利用X射线照射果蝇诱发突变，并因此在1946年被授予诺贝尔生理学或医学奖。不过这种诱发的突变与自然发生的突变一样仍然是随机的，只是发生的几率有所增加，离人工可控的，特异性的基因改造仍相距甚远。

        在20世纪50至60年代期间，随着分子生物学的迅速发展，分子生物学家已经深刻认识到基因工程技术具有不可估量的理论和应用价值。一些著名的学者在当时的论文或著作中已经阐述了基因工程在生物学和医学方面的可观前景，但在当时要针对某一基因的DNA片段进行分离和改造仍然是可望而不可及的梦想。

        DNA重组技术之所以能够付诸实现，主要得益于DNA限制性内切酶和DNA连接酶这两种主要工具酶的发现。限制性内切酶是一类能够识别DNA双螺旋结构中特定序列并将其切断的核酸内切酶。因此可以在DNA的特异性部位切下所需要的DNA片段。DNA连接酶则可以使一段DNA的3ˊ羟基末端和另一段DNA的5ˊ磷酸末端间形成3ˊ,5ˊ-磷酸二酯键，从而把两个DNA片段连接成一个片段。

        1972年，美国斯坦福大学Paul Berg带领的研究组在实验室制造出了第一个人工重组DNA。他们首先用限制性内切酶EcoRI从SV40（猴病毒40）切下一段DNA，同时将λ噬菌体进行切割，然后用DNA末端转移酶在DNA片段的末端分别加上同聚A或同聚T尾，最后在体外与λ噬菌体连接后将其导入细菌体内。他们的论文发表在Proc. Natl. Acad. Sci. USA上。严格来讲，Paul Berg的实验似乎并无原始的创新思路。当时，限制性内切酶已经被用来切割SV40 DNA，DNA连接酶的作用也已经阐明，甚至将两个DNA片段在体外进行连接的想法也已经被提出并正在进行实验。Paul Berg的工作的价值在于他能够将当时已经零星存在的方法综合起来，从而建立一项新的技术。他们的工作的创新性主要有以下几点：① 第一次证明了具有无限前景的基因重组技术的可行性；② 获得的重组DNA是第一个跨越种属界限的人工DNA分子。在此之前，所有自然发生的DNA重组无论在细菌还是高等生物都只能在同一种属间进行，即使是病毒整合也只是在病毒和它固定感染的宿主细胞间进行；③ 第一次同时使用多种工具酶进行基因操作；④ 第一次证明重组的DNA分子可以整合到宿主染色体，因而可以被扩增。Paul Berg的工作于1980年获得了诺贝尔化学奖。

        在Paul Berg的工作完成后不久，另外三项工作对于基因工程技术进入实用阶段起到了决定性的作用。这些工作是：① Janet Mertz和Ronald Davis在同一年发现EcoRI酶切后的DNA片段留下的是一种粘性末端，因此不必进行额外的修饰即可以与用同一限制性内切酶酶切后的片段直接连接；② Herbert Boyer和Stanley Cohen分别领导的课题组在1973年和1974年利用质粒代替λ噬菌体作为基因工程的载体，导入细菌后载体可以自我复制扩增，而且质粒载体带有抗生素抗性基因可以用于筛选；③ 1974年，Boyer和Cohen 又证明，外源基因用质粒导入细菌后不仅可以在其中复制，而且可以在其中转录为RNA。这一结果提示了用细菌表达外源基因的可能性。

        基因工程技术从70年代末期开始进入了迅猛发展和普及时期。一系列新的技术使基因的获得和改造效率大大提高，外源蛋白的大量表达成为可能。归纳起来，当时推动基因工程技术发展和普及的主要因素包括：① 更多的限制性内切酶的纯化、鉴定，尤其是其迅速的商品化使获得适合克隆的DNA片段变得极为容易；② DNA琼脂糖电泳分析技术的建立使得人们可以较为容易地分离纯化所需要的DNA片段；③核酸分子杂交技术的发展推动了重组DNA的鉴定；④ 大量高效率的克隆和表达载体的构建和商品化，尤其是可以用于构建cDNA或基因组文库的载体的发展；⑤ DNA序列分析技术的发展；⑥ 成功地将外源基因导入哺乳动物细胞并在其中表达等等。

        1982年，美国冷泉港实验室举办了一个基因工程技术讲座，并在此基础上出版了第一部全面介绍基因工程相关技术的专著——Molecular Cloning: A Laboratory Manual（分子克隆实验指南）。至此，基因工程技术基本完成了它的诞生和改进过程，成为一项实验室常规技术。此后，惟有聚合酶链反应技术的建立由于大大缩短了获得目的基因和改造目的基因的过程，对于基因工程技术的发展具有重大影响以外，其它大部分工作均为对已有技术的改进和完善。

        我国的科学工作者在“文革”结束后迅速跟踪国际前沿，开展了基因工程技术的实验工作。中国科学院、军事医学科学院等研究院所在70年代末已经开始建立基因工程实验室，主要的医学院校也都在80年代初、中期相继成立了基因工程实验室。至80年代末，基因工程技术已经在国内得到了相当程度的普及，并开始从跟踪研究向创新性研究过渡。国家高新技术发展计划——“863”计划资助了一批基因工程项目，在当时对于国内基因工程技术的发展发挥了重要作用。

【推荐阅读】

1. Michel Morange. A History of Molecular Biology. Boston, Harvard University Press. ( translated by Matthew Cobb from French).1998

2. 昌增益（译者）二十世纪生物学的分子革命-分子生物学所走过的路（原著：Morange M ）. 北京：科学出版社. 2002

（药立波）