基因工程的應用與展望
在基因工程技術的帶動下生物技術獲得了迅猛發展，從而改變了分子生物學的面貌，並促進了生物技術產業的興起，由此開始了一個新的科技時代。
一、基因工程開闢了生物學研究的新紀元
（一）基因工程的新技術和新方法為解決生物化學、分子生物學和醫學中的一些重大問題提供了強有力的手段。
過去分離一個基因，測定基因的序列，確定基因的功能，用以改變生物性狀，都是十分困難的事，往往需要幾年、甚至幾十年的時間，現在任何生物學實驗室都能在短時間內完成。測定蛋白質分子的氨基酸順序原是一項十分費力的工作，現在由DNA的快速測序法來帶替；一些生物體內微量存在的蛋白質也可通過克隆基因的大量表達來製備。
（二）生物化學與分子生物學是生物學各分支學科的領頭學科，生物化學與分子生物學帶動了生物學和醫學的發展。
基因工程已成為包括基礎醫學在內的各生物學分支學科在分子水平上研究生命活動規律所不可缺少的重要手段。一些過去難以研究的問題，如細胞識別、發育的基因控制、神經系統和大腦的分子基礎等，藉助新的技術都得到蓬勃的發展，從而開闢了許多新的領域。結構分子生物學、發育分子生物學和神經分子生物學成為當今最活躍、發展最快的分支學科。
（三）由於基因工程的迅速發展，繪製包括人類在內的各種生物的基因組圖譜已全面開始。
人類細胞含有23對染色體，單倍體基因組由大約3×109bp所組成，共有約30000~40000個基因。科學家認為，通過完成全部基因序列的測定，人們將能夠更有效的找到新的方法來治療和預防許多疾病，如癌症和心臟病等。美國政府出資30億美圓在1990年啟動了人類基因組計劃，各國科學家和政府紛紛響應美國科學家的建議，包括美國、英國、日本、德國、法國、中國六國科學家參與了這項生命科學歷史上迄今最為浩大的科學工程研究，各國科學家經過13年的鼎力合作，人類基因組的全部序列測定已於2003年完成（圖8-3-1）。
圖8-3-1 雙脫氧法測定DNA鹼基順序
人類基因組的研究帶動了有關技術的突破和發展，在測定人類基因組序列的同時數十種從低等生物到高等生物的基因組也已經完成全序列的測定，其中包括大腸桿菌、枯草桿菌、釀酒酵母、一種線蟲、多種病原體、果蠅、小鼠、水稻的基因組。
人類基因組計劃的完成鼓勵了科學家進一步規劃後基因組時代的研究任務：解讀基因組信息，即解讀基因組的語義信息，弄清全部編碼的基因，闡明基因表達的時空調節。
二、基因工程促進了生物技術產業的興起
現在是新技術革命時代。基因工程的誕生帶動了現代生物技術的不斷突破和迅猛發展，依賴於生物技術的產業隨之興起。基因工程的最大用武之地是在醫療保健和農業領域，因此生物工程首先在醫藥和化工等領域中嶄露頭角。
（一）基因工程藥物
1977年Itakura K和Boyer H利用當時剛趨成熟的基因工程技術，在大腸桿菌中產生了下丘腦激素14肽生長激素釋放抑制激素。該激素可治療兒童發育時期因生長激素分泌過多而導致的肢端肥大症。從1L工程發酵液中可得到50mg的基因表達產物，相當於50萬頭羊下丘腦提取的該激素量，由此可以了解到基因工程產業化的意義。
其後，基因工程藥物不斷成功問世。1978年胰島素原在大腸桿菌中表達成功。1979年人生長激素基因在大腸桿菌中直接表達。1980年人白細胞干擾素基因獲得克隆和表達。1981年抗口蹄疫的基因工程抗原研製成功。1982年乙肝抗原在酵母菌中表達成功。同年轉基因植物和轉基因動物也分別獲得成功。
利用轉基因動物-乳腺生物反應器來生產基因藥物是一種全新的生產模式，與以往的製藥技術相比，具有不可比擬的優越性。哺乳動物乳腺生物反應器好比在動物身上建 "藥廠"。我們可以從動物的乳汁中源源不斷獲得目的基因的產品。它的優越性還表現在產量高，易提純，表達產物已經過充分修飾和加工，具有穩定的生物活性。另外, 作為生物反應器的轉基因動物又可無限繁殖，故具有投資成本低，藥物開發周期短和經濟效益高的優點。因此轉基因動物-乳腺生物反應器技術來製造基因藥物是一種可以獲取巨額經濟利潤的新型產業。如荷蘭金髮馬(GenPharm)公司用轉基因牛生產乳鐵蛋白，英國羅斯林研究所研製成功的轉基因羊乳汁中含有(1-抗胰蛋白酶((1-antitrypsin)可治療肺氣腫（一種因體內缺乏抗胰蛋白酶而導致的遺傳病）。
基因工程藥物包括各類激素、酶、酶的激活劑和抑製劑、受體和配體、細胞因子和調節肽、抗原和抗體等。
（二）基因治療
基因治療是指向受體細胞中引入具有正常功能的基因，以糾正或補償基因的缺陷，也可以利用引入基因以殺死體內的病原體或惡性細胞。基因工程的興起，使得基因治療成為可能。一些目前尚無有效治療手段的疾病，如遺傳病、腫瘤、心腦血管疾病、老年痴呆及愛滋病等，可望通過基因治療來達到防治的目的。下面是基因治療的幾個例子。
1．複合免疫缺陷綜合征的基因治療：1991年美國批准了人類第一個對遺傳病進行體細胞基因治療的方案，即將腺苷脫氨酶（ADA）導入一個4歲患有嚴重複合免疫缺陷綜合征（SCID）的女孩。採用的是反轉錄病毒介導的間接法，即用含有正常人腺苷脫氨酶基因的反轉錄病毒載體培養患兒的白細胞，並用白細胞介素2（IL－2）刺激其增殖，經10天左右再經靜泳輸入患兒。大約1－2月治療一次，8個月後，患兒體內ADA水平達到正常值的25％，未見明顯副作用。此後又進行第2例治療獲得類似的效果。
2．黑色素瘤的基因治療：對腫瘤進行基因治療是人們早已期望的事，在進行了多方面探索的基礎上，發現了腫瘤浸潤淋巴細胞（TIL,即能在腫瘤部位持續存在而無副作用的一種淋巴細胞）在腫瘤治療中的作用。於1992年實施了TNF／腫瘤細胞和IL－2／腫瘤細胞方案，即分別將IL－2基因腫瘤壞死因子（TNF）基因導入取自患者自身並經培養的腫瘤細胞，再將這些培養後的腫瘤細胞注射至病人臀部，3周後切除注射部位與其引流的淋巴結，在適合條件下培養T細胞，將擴增的T細胞與IL－2合併用於病人，結果5名黑色素瘤病人中1名腫瘤完全消退，2名90％的腫瘤消退，另2人在治療後9個月死亡。由於攜有TNF的TIL可積於腫瘤處，因而TIL的應用提高了對腫瘤的殺傷作用。
3．其它遺傳病的基因治療：其它遺傳病諸如白種人中常見的囊性纖維化的進展很快。對於DMD的基因治療，由於有小鼠動物模型，也取得一定進展。例如1993年法國將Ad-RSVmDys（腺病毒－羅斯病毒小肌營養不良蛋白基因重組體）注入小鼠肌內成功。即用腺病毒為載體，與小肌營養不良蛋白（minidystrophin）基因的cDNA重組，在RSV啟動子啟動下，作肌肉注射，證明可在mdy小鼠肌肉表達，此外，對一些遺傳病如血友病，地中海貧血、高雪氏病等正在探索中。
根據樂觀地估計，在今後20年中，基因治療有可能取得重大突破，成為臨床廣泛採用的有效治療手段。
（三）基因工程在農業上的應用
20世紀50年代開始的「綠色革命」，對全世界範圍內重要的糧食作物，如小麥、玉米和水稻等的改良與產量的提高，做出了重要的貢獻。70年代興起的生物技術應用於農業，導致了「第二次綠色革命」。
轉基因技術改變了傳統的育種方式，通過導入優良基因而使作物獲得新的性狀，畜牧飼養業也得益於基因工程，在短時間內就培育出各種高產、優質、抗病及短生長期的新品種。基因工程還可將栽培植物和飼養動物作為生物反應器通過轉基因使植物的莖、根和種子或禽類的蛋、哺乳動物的乳汁中含有大量珍貴的藥物和疫苗。
基因工程使得人類能夠充分地利用自然界的基因資源。
三、基因工程研究的展望
20世紀70年代初基因工程的出現帶動了生物技術的興起和發展，由此生物學進入了一個新的發展時期，其主要特點是：第一，生物科學以前所未有的高速度向前發展。第二，生物科學與工程學科結合出現了規模空前的大科學工程研究。巨大的信息網路世界將世界各實驗室相連，生物科學的研究變得更有組織、更有計劃、更有規模了。第三，生物科學進入了一個創造與實踐的全新時代。
（一）基因工程和有關生物技術為人類認識生命世界，認識人類自身提供了有效手段。
人類基因組計劃的完成使科學家步入全面解讀人類遺傳信息的「後基因組時代」。這項工作有巨大的理論和實踐意義，對生物學和醫學將產生深遠的影響，人類將全面地走向徹底認識自身的時代。由此發展起來的新策略、新技術在生物技術產業中也能發揮重大作用，有關基因序列的信息在科學研究和實踐應用中的價值也會越來越大。
（二）發育機理研究可能取得突破。
生命科學領域存在著三大難題：生命是如何起源的？生物是如何發育的（基因組中的基因如何調節而差別表達）？大腦與神經系統的工作原理是怎樣的？這些難題一直困擾著生命科學家。這些難題通過基因工程技術都有可能取得重大進展。
由於採用基因工程技術，利用轉位因子插入控制發育的基因內部使其失活，或通過基因敲除（knockout）技術去除某些控制發育的基因，生物發育就停止在該基因控制的階段，用這些方法及其他一些方法，可以克隆到控制發育的基因。現在知道，發育程序並不是在受精卵中早已完全確定的，而是在發育過程中通過有關基因系統間一系列的相互作用而逐漸展開的。但是即使是果蠅的發育都還遠未弄清楚，更何況是人體。但重要的是，生物發育已不再是不可捉摸的事，它被歸結為一系列連續發生的、彼此相關的基因事件，只要假以時日，這一系列基因事件將都會弄清楚。
通過基因敲除、基因插入失活、基因重組等技術，我們有可能逐漸弄清楚對於一個最簡單的生命體應該具備什麼樣的基因，從而對生命是如何起源的神秘問題進行探索，這對未來人工合成或組裝生命是重要的。
（三）最困難的課題可能是洞悉人類大腦的工作原理和活動規律，這是當代科學界面臨的最大挑戰。
基因工程作為研究分子生物學的重要手段，在神經生物學的研究中也發揮了重要的作用。神經信號的基本形式是沿神經原質膜傳播的動作電位或神經脈衝，它由神經細胞膜發生瞬間離子通道透性改變而引起的。現已將多種離子通道蛋白的基因及神經遞質受體的基因克隆出來，因而能夠通過克隆基因的表達獲得足夠量的通道受體蛋白，在體外研究它的作用，了解神經迴路的作用機制。更引人注目的是學習和記憶的分子基礎研究。學習可能使神經細胞突觸連接的有效性產生長期變化，其中涉及基因表達的改變和第二信使系統的信號轉導，前者與長期記憶有關，後者參與短期記憶。記憶、意識的研究必將對信息科學提供強大的動力。對大腦的研究是人類探索自然的重要組成部分，它不僅反映了人類對自然和人類對自己的認識水平，認識能力，並將直接影響到人類的思想和意識形態。
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