是基因工程吧
基因工程簡(jiǎn)介
我們常常說基因是生物體進(jìn)行生命活動(dòng)的“藍(lán)圖”,這是因?yàn)樯矬w可以通過基因的特異性表達(dá),來完成各種生命活動(dòng).例如,青霉菌能夠產(chǎn)生出對(duì)人類有用的抗生素——青霉素；豆科植物的根瘤菌能夠固定空氣中的氮；家蠶能夠吐出絲……那么,人們能不能通過改造生物體的基因,定向地改變生物的遺傳特性呢?比如,通過對(duì)基因進(jìn)行改造和重新組合,讓禾本科的植物也能夠固定空氣中的氮,讓細(xì)菌“吐出”蠶絲,讓微生物生產(chǎn)出人的胰島素、干擾素等珍貴的藥物.科學(xué)家們經(jīng)過多年的努力,終于在20世紀(jì)70年代,創(chuàng)立了一種能夠定向改造生物的新技術(shù)——基因工程.那么,什么是基因工程呢?基因工程又是怎樣改變生物遺傳特性的呢?
一 基因工程的基本內(nèi)容
基因工程又叫做基因拼接技術(shù)或DNA重組技術(shù).這種技術(shù)是在生物體外,通過對(duì)DNA分子進(jìn)行人工“剪切”和“拼接”,對(duì)生物的基因進(jìn)行改造和重新組合,然后導(dǎo)入受體細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行無性繁殖,使重組基因在受體細(xì)胞內(nèi)表達(dá),產(chǎn)生出人類所需要的基因產(chǎn)物.通俗地說,就是按照人們的主觀意愿,把一種生物的個(gè)別基因復(fù)制出來,加以修飾改造,然后放到另一種生物的細(xì)胞里,定向地改造生物的遺傳性狀.
基因工程是在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)施工的.DNA分子的直徑只有2.0nm(粗細(xì)只有頭發(fā)絲的十萬分之一),其長(zhǎng)度也是極其短小的.如流感嗜血桿菌的DNA,長(zhǎng)度只有0.83?m,即使是較大的大腸桿菌,其長(zhǎng)度也只有1.36?m.要在如此微小的DNA分子上進(jìn)行剪切和拼接,是一項(xiàng)非常精細(xì)的工作,必須要有專門的工具.
基因操作的工具
用什么樣的工具才能準(zhǔn)確無誤地對(duì)基因進(jìn)行剪切和拼接呢?這是從事基因工程研究的科學(xué)家首先遇到的難題.例如,通過基因工程培育抗蟲棉時(shí),就需要將抗蟲的基因從某種生物(如蘇云金芽孢桿菌)中提取出來,“放入”棉的細(xì)胞中,與棉細(xì)胞中的DNA結(jié)合起來,在棉中發(fā)揮作用.這里遇到的難題主要有兩個(gè)：首先是蘇云金芽孢桿菌的一個(gè)DNA分子有許多基因,怎樣從它的DNA分子的長(zhǎng)鏈上辨別出所需要的基因,并且把它切割下來.其次是如何將切割下來的抗蟲基因與棉的DNA“縫合”起來.為了突破這些難關(guān),科學(xué)家進(jìn)行了許多試驗(yàn),最后他們發(fā)現(xiàn)了一種“基因剪刀”和“基因針線”,可以用來完成基因的剪切和拼接.
基因的剪刀——限制性內(nèi)切酶 基因的剪刀指的是DNA限制性內(nèi)切酶(以下簡(jiǎn)稱限制酶).限制酶主要存在于微生物中.一種限制酶只能識(shí)別一種特定的核苷酸序列,并且能在特定的切點(diǎn)上切割DNA分子(如圖).例如,從大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的一種限制酶只能識(shí)別GAATTC序列,并在G和A之間將這段序列切開.目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了二百多種限制酶,它們的切點(diǎn)各不相同.蘇云金芽孢桿菌中的抗蟲基因,就能被某種限制酶切割下來.
基因的針線——DNA連接酶 從圖中可以看出,被限制酶切開的DNA兩條單鏈的切口,帶有幾個(gè)伸出的核苷酸,它們之間正好互補(bǔ)配對(duì),這樣的切口叫做黏性末端.可以設(shè)想,如果把兩種來源不同的DNA用同一種限制酶來切割,然后讓兩者的黏性末端黏合起來,似乎就可以合成重組的DNA分子了.但是,實(shí)際上僅僅這樣做是不夠的,互補(bǔ)的堿基處雖然連接起來,但是這種連接只相當(dāng)于把斷成兩截的梯子中間的踏板連接起來,兩邊的扶手的斷口處還沒有連接起來(如圖).要把扶手的斷口處連接起來,也就是把兩條DNA末端之間的縫隙“縫合”起來,還要靠另一種極其重要的工具——DNA連接酶.
基因的運(yùn)輸工具——運(yùn)載體 要將一個(gè)外源基因,如上面所說的抗蟲基因,送入受體細(xì)胞,如棉細(xì)胞,還需要有運(yùn)輸工具,這就是運(yùn)載體.作為運(yùn)載體的物質(zhì)必須具備以下條件：能夠在宿主細(xì)胞中復(fù)制并穩(wěn)定地保存；具有多個(gè)限制酶切點(diǎn),以便與外源基因連接；具有某些標(biāo)記基因,便于進(jìn)行篩選.目前,符合上述條件并經(jīng)常使用的運(yùn)載體有質(zhì)粒、噬菌體和動(dòng)植物病毒等.
質(zhì)粒是基因工程最常用的運(yùn)載體,它廣泛地存在于細(xì)菌中,是細(xì)菌染色體外能夠自主復(fù)制的很小的環(huán)狀DNA分子,大小只有普通細(xì)菌染色體DNA的百分之一(如圖).質(zhì)粒能夠“友好”地“借居”在宿主細(xì)胞中.一般來說,質(zhì)粒的存在與否對(duì)宿主細(xì)胞生存沒有決定性的作用.但是,質(zhì)粒的復(fù)制則只能在宿主細(xì)胞內(nèi)完成.
大腸桿菌、枯草桿菌、土壤農(nóng)桿菌等細(xì)菌中都有質(zhì)粒.因?yàn)橥寥擂r(nóng)桿菌很容易感染植物細(xì)胞,所以科學(xué)家培育轉(zhuǎn)基因植物時(shí),常常用土壤農(nóng)桿菌中的質(zhì)粒做運(yùn)載體.
基因操作的基本步驟
進(jìn)行基因操作一般要經(jīng)歷四個(gè)基本步驟,也就是基因操作的“四步曲”.
提取目的基因 基因操作的第一步,是取得人們所需要的特定基因,也就是目的基因(如圖).如前
面提到的蘇云金芽孢桿菌中的抗蟲基因,還有植物的抗病(抗病毒、抗細(xì)菌)基因、
種子的貯藏蛋白的基因,以及人的胰島素基因、干擾素基因等,都是目的基因.
要從浩瀚的“基因海洋”中獲得特定的目的基因,猶如大海撈針,是十分不易的.科學(xué)家們經(jīng)過不懈地探索,想出了許多辦法,概括地說,主要有兩條途徑：一條是從供體細(xì)胞的DNA中直接分離基因；另一條是人工合成基因.
直接分離基因最常用的方法是“鳥槍法”,又叫“散彈射擊法”.這種方法猶如用獵槍發(fā)射的散彈打鳥,無論哪一顆彈粒擊中目標(biāo),都能把鳥打下來.鳥槍法的具體做法是：用限制酶將供體細(xì)胞中的DNA切成許多片段,將這些片段分別載入運(yùn)載體,然后通過運(yùn)載體分別轉(zhuǎn)入不同的受體細(xì)胞,讓供體細(xì)胞所提供的DNA(外源DNA)的所有片段分別在各個(gè)受體細(xì)胞中大量復(fù)制(在遺傳學(xué)中叫做擴(kuò)增),從中找出含有目的基因的細(xì)胞,再用一定的方法把帶有目的基因的DNA片段分離出來.如許多抗蟲、抗病毒的基因都可以用上述方法獲得.
用“鳥槍法”獲取目的基因的缺點(diǎn)是工作量大,具有一定的盲目勝.又由于真核細(xì)胞的基因含有不表達(dá)的DNA片段,不能直接用于基因的擴(kuò)增和表達(dá),因此,在獲取真核細(xì)胞中的目的基因時(shí),一般是用人工合成基因的方法.
目前人工合成基因的方法主要有兩條途徑.一條途徑是以目的基因轉(zhuǎn)錄成的信使RNA為模板,反轉(zhuǎn)錄成互補(bǔ)的單鏈DNA,然后在酶的作用下合成雙鏈DNA,從而獲得所需要的基因.另一條途徑是根據(jù)已知的蛋白質(zhì)的氨基酸序列,推測(cè)出相應(yīng)的信使RNA序列,然后按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則,推測(cè)出它的結(jié)構(gòu)基因的核苷酸序列,再通過化學(xué)的方法,以單核苷酸為原料合成目的基因(如圖).如人的血紅蛋白基因、胰島素基因等就可以通過人工合成基因的方法獲得.
20世紀(jì)80年代以后,隨著DNA核苷酸序列分析技術(shù)的發(fā)展,人們已經(jīng)可以通過DNA序列自動(dòng)測(cè)序儀(見本章題圖左上照片)對(duì)提取出來的基因進(jìn)行核苷酸序列分析,并且通過一種擴(kuò)增DNA的新技術(shù)(也叫PCR技術(shù)),使目的基因片段在短時(shí)間內(nèi)成百萬倍地?cái)U(kuò)增.上述新技術(shù)的出現(xiàn)大大簡(jiǎn)化了基因工程的操作技術(shù).
目的基因與運(yùn)載體結(jié)合 將目的基因與運(yùn)載體結(jié)合的過程,實(shí)際上是不同來源的DNA重新組合的過程.如果以質(zhì)粒作為運(yùn)載體,首先要用一定的限制酶切割質(zhì)粒,使質(zhì)粒出現(xiàn)一個(gè)切口,露出黏性末端.然后用同一種限制酶切斷目的基因,使其產(chǎn)生相同的黏性末端.將切下的目的基因的片段插入到質(zhì)粒的切口處,再加入適量的DNA連接酶,質(zhì)粒的黏性末端與目的基因DNA片段的黏性末端就會(huì)因堿基互補(bǔ)配對(duì)而結(jié)合,形成了一個(gè)重組DNA分子(如圖).如人的胰島素基因就是通過這種方式與大腸桿菌中的質(zhì)粒DNA分子結(jié)合,形成重組DNA分子(也叫重組質(zhì)粒)的.
將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞 目的基因的片段與運(yùn)載體在生物體外連接形成重組DNA分子后,下一步是將重組DNA分子引入受體細(xì)胞中進(jìn)行擴(kuò)增(如圖).
基因工程中常用的受體細(xì)胞有大腸桿菌、枯草桿菌、土壤農(nóng)桿菌、酵母菌和動(dòng)植物細(xì)胞等.
用人工的方法使體外重組的DNA分子轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞,主要是借鑒細(xì)菌或病毒侵染細(xì)胞的途徑.例如,如果運(yùn)載體是質(zhì)粒,受體細(xì)胞是細(xì)菌,一般是將細(xì)菌用氯化鈣處理,以增大細(xì)菌細(xì)胞壁的通透性,使含有目的基因的重組質(zhì)粒進(jìn)入受體細(xì)胞.目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞后,就可以隨著受體細(xì)胞的繁殖而復(fù)制,由于細(xì)菌繁殖的速度非?？?在很短的時(shí)間內(nèi)就能夠獲得大量的目的基因.
目的基因的檢測(cè)和表達(dá) 以上步驟完成以后,在全部受體細(xì)胞中,真正能夠攝入重組DNA 分子的受體細(xì)胞是很少的.因此,必須通過一定的手段對(duì)受體細(xì)胞中是否導(dǎo)入了目的基因進(jìn)行檢測(cè).檢測(cè)的方法有很多種,例如,大腸桿菌的某種質(zhì)粒具有青霉素抗性基因,當(dāng)這種質(zhì)粒與外源DNA組合在一起形成重組質(zhì)粒,并被轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞后,就可以根據(jù)受體細(xì)胞是否具有青霉素抗性來判斷受體細(xì)胞是否獲得了目的基因.
重組的DNA分子進(jìn)入受體細(xì)胞后,受體細(xì)胞必須表現(xiàn)出特定的性狀,才能說明目的基因完成了表達(dá)過程.例如,科學(xué)家最初做抗蟲棉試驗(yàn)時(shí),雖然已經(jīng)檢測(cè)出棉的植株中含有抗蟲的基因,但讓棉鈴蟲食用棉的葉片時(shí),棉鈴蟲并沒有被殺死,這說明抗蟲基因還不能在高等植物中表達(dá).科學(xué)家在研究的基礎(chǔ)上,又一次對(duì)棉植株中的抗蟲基因進(jìn)行了修飾,然后再讓棉鈴蟲食用棉的葉片,結(jié)果食用的第二天棉鈴蟲就中毒死亡了.這說明抗蟲基因在棉植株中得到了表達(dá)