DNA重组与基因工程

自从DNA双螺旋结构发现以来，生命科学的面貌发生了巨大变化，从分子水平上了解物种进化和亲缘关系，了解生命体系在细胞层次和系统层次的活动规律有了长足的进步，它所取得的成果，已经在工业、农业及医药卫生等方面有了重要应用。DNA重组技术是指将不同的DNA片段（如基因等）按人们的设计方案定向连接起来，并在特定的受体细胞中，与载体一起得到复制与表达，使受体细胞获得新的遗传特性。从某种意义上说，DNA重组技术也可理解为基因工程。严格说，基因工程的涵义更为广泛，还可以包括除DNA重组技术以外的一些其他可使生物基因组结构得到改造的技术。限制性内切酶与DNA连接酶的发现与应用是DNA重组技术得以建立的关键。现在，人们能够在体外直接操作基因，改造其遗传特性，使基因在不同个体，甚至在远为不同的生物种属之间的转移成为现实。这为某些遗传疾病的治疗和新品种的培育提供了的可能性，从而为人类健康、农业增产，以及控制和改造整个地球上的生物界展现了无限广阔的美好前景。

1 基因工程的原理与步骤
基因工程始于70年代初。1973年美国斯坦福大学科恩研究小组将大肠杆菌中两个不同的抗药性的质粒（一种在细菌染色体以外的遗传单元，通常由环形双链DNA构成）结合在一起，构成一个杂合质粒，再引入大肠杆菌。结果发现这种杂合质粒不但复制，而且能够同时表达出原来的两种抗药性。第二年科恩等人又用金黄色葡萄球菌中的抗药性质粒与大肠杆菌的抗药性质粒结合，得到了同样结果。接着他们又进一步用高等动物非洲爪蛙的决定核糖体RNA结构的基因（rRNA）与大肠杆菌的质粒重组到一起，并引进到大肠杆菌中去，结果发现爪蛙的基因在细菌细胞中同样可以复制与表达，产生出与爪蛙核糖体RNA*一样的RNA。科恩等人的工作证明，人们可以根据自己的意愿、目的，通过对基因的直接操纵而达到定向改造生物遗传特性，甚至创造新的生物类型。
基因工程一般要经过五个步骤。*步是目的基因的分离与制备，其方法主要包括从细胞中分离提纯和人工合成。人工合成是指先通过化学合成方法合成出一个个小的dna片段，然后再用连接酶把这些小片段联接成为一个完整的基因。
第二步为目的基因与载体的连接。虽然直接把目的基因引入变体细胞，这也不是不可能的，但多数情况下因每种生物经过漫长的进化演变，已具有抗拒异种生物侵害而保存自己种族的本领。所以，当外源DNA赤裸裸地进入细胞后往往会被一种叫做限制性内切酶的酶类破坏分解。这就需要一种能够把目的基因安全送进受体细胞的运载工具，即载体。这些载体除能比较方便地进入受体细胞外，还要能在受体细胞中复制自己，以便扩增。此外，基因工程中所应用的载体往往带有一定的选择标记和特定的酶切位点，这样可以方便选择和装拆外源DNA。zui常用的载体是质粒（如大肠杆菌质粒pBR322）和病毒（如λ噬菌体——一种细菌病毒，为双链DNA）。外源DNA与载体DNA连接即形成重组DNA。在连接过程中通常需要两种酶：限制性核酸内切酶（能特异性的切断DNA链）和连接酶。
第三步为将重组DNA引入受体细胞。重组DNA分子建立之后，还要引进到受体细胞中去，使细胞获得新遗传特性，此过程称为转化或感染。目前基因工程的受体细胞主要是细菌，因为细菌具有操作方便，易于培养，繁殖迅速等优点。
第四步为筛选出含有重组体的克隆（即复制）。由于细胞转化的频率较低，转化率一般在10-6水平，即转化后的带有重组DNA的细菌只占其总数的百万分之一，所以必需用一些方法进行检出和筛选。然后对筛选出的含有重组体DNA的细胞进行克隆。图6．11为DNA重组体的构建与克隆示意图。
DNA重组与基因工程通过以上步骤，便得到了带有异源目的基因的细菌。第五步就是要使这些带有异源目的基因的细菌得到表达，生产出人类所需要的产品。 
人们已经成功地利用这种将外源基因导入细菌中的技术，将人或动物的某些基因（如胰岛素等）导入大肠杆菌，取得了举世注目的巨大成果。

2 基因工程在农业和医药领域的应用

长期以来，人们用动植物和微生物手段（即杂交和选择）来培养植物和动物新品种。后来又发展到人工诱变。但是，不同物种之间的生殖隔离给种间杂交带来了极大的困难。同时，人工诱变又不能定向，所以以往的育种工作带有很大的盲目性，并且效率极低。许多育种专家一生的心血只能培育出几个优良品种。从理论上讲，基因工程可以把任何不同种类生物的基因组合到一起，使得它具有所需要的遗传特性，这是人类向育种的自由王国迈出的一大步，使得在定向改造生物本性方面具有了的预见性和准确性。

在农作物中，已成功地对马铃薯进行了改造，不但使其获得了抗病毒基因，而且也得到了高蛋白质含量的马铃薯新品种。把一个蛋白水解酶抑制剂基因引入烟草之后，使得以烟叶为食的害虫不能消化其中的蛋白质而无法繁殖，从而这一烟草品种就获得了抗虫害的能力。对蕃茄的基因改造得到了比较不易软化和擦伤的品种，因此可以在成熟后收获并且保存较长时间，也避免了过去在成熟前收获而口味不好的缺点，该产品已经在美国上市。虽然植物基因工程的应用还刚刚开始，但为农作物的大量增产和品种改造提供了无法估量的发展前景。