第七十一章重组生命
基因工程的发明
基因最早的名称是遗传因子，发展到今天，其外延和内涵都有很大的扩延。这其中经历了许
多科学家的共同努力，同时也反映了整个生物科学的历史，整个遗传学的历史。
遗传有道探知无限
19世纪中期，根据所得实验结果，孟德尔提出了分离定律，即：植物的每一个性状都是由一
对遗传因子控制的，其中一个来
自父本，一个来自母本。当形成种细胞也即精子或卵子时，成双的遗传因子分离。当精卵结
合，形成新的后代时，又从双亲那里获得控制这个性状的两个遗传因子。
孟德尔还进一步研究总结出了自由组合定律，即：两对或多对遗传性状在后代中出现的情
况说明各种遗传因子自由结合的机会均等。
然而他的理论却并没有被大众接受。但
他为现代遗传学奠定了第一块基石。
基因始出犹抱琵琶
1879年，德国生物学家弗莱明发现了染色体。1882年，弗莱明观察到，当细胞分裂过程中
，染色体聚集成丝状，分成数目相等的两半，并形成两个细胞核。
1902年，美国哥伦比亚大学研究生萨顿发现，在显微镜底下看到的染
色体的分离与组合行为，与孟德尔遗传定律中的分离组合行为完全一致。在体细胞中
，染色体像遗传因子一样也都是成对存在的。而在精子、卵子中，染色体数目只有体细胞染
色体数目的一半。精卵结合，形成受精卵后，染色体又恢复到原来的数目，每对染色体，一
半来自父本，一半来自母本。萨顿因此大胆提出，遗传因子就在染色体上。由于染色体的对
数远小于遗传特征的数目，因此，他预料几个遗传因子可以同在一个染色体上。
1909年，荷兰遗传学家提出用基因这个术语来代替遗传因子，基因这个词就被生物界沿用下
来了。
1910，摩尔根让红果蝇与白果蝇杂交，发现子一代
全是红眼的，显然红对白来说，表现为显性，他又使子一代交配，结果发现子二代中的红白
果蝇的比例正好是3∶1，这是孟德尔的研究结果，于是，摩尔根对孟德尔佩服有加。
摩尔根又进一步观察，发现子二代
的白眼果蝇全是雄性，这说明性状(白)和性别(雄)的因子是“连锁”在一起的，而细胞分裂
时，染色体先由一变二，可见能够遗传性状，性别的基因就在染色体上，它通过细胞分裂一
代代地传下去。
染色体就是基因的载体!摩尔根和他的学生还推算出了各种基因的染色体上的位置，并
画出了果蝇的4对染色体上的基因所排列的位置图。
摩尔根的染色体理论成功地解释了性别遗传。原来，性细胞，即精子和卵子，除可先一分为
二，变成成倍的新细胞体外，它还可以“减数分裂”，即：本来细胞中含有46个染色体，结
果分裂后只剩下23个，这样，精子和卵子结合，又成为一个有46个染色体的新细胞了，这就
是新的生命。男女双方的23个染色体有22个是普通染色体，只有一个是决定性别的，这一个
在女性一方都是X染色体，在男性一方则有可能是X，也可能是Y。精子与卵子结合时，如果
双方都含有X染色体，则生女孩，如果X卵子碰到一个Y精子则生男孩，生男还是生女这个谜
，到摩尔根这里才终于被揭开了。于是，摩尔根创立了著名的基因学说，并获得了1933年的
诺贝尔生理学及医学奖金。
生物学家们假设了看不见的基因。生物学经过前赴后继的努
力，终于找到了基因的实体，那就是脱氧核糖核酸。
1869年，瑞士化学家米歇尔从脓细胞中分离出一种含有氮和磷的物质，这种物质的性质完全
同于蛋白质。由于细胞核主要是由这种物质组成的，因此，他称之为核素。后来，人们发现
这种物质是一种强酸，就改称为核酸。
德国生化学家科塞尔第一个系统地研究了核酸的分子结构，发现了核酸中有四种不同的碱基
，还有磷酸与戊糖。他的学生列文和琼斯又进一步发现，戊糖有脱氧核糖和核糖两种，两者
在结构
上仅差一个氧原子，据此，将核酸分为两大类：脱氧核糖核酸和核糖核酸，即DNA和RNA。
那么，人们是怎样发现DNA是遗传物质呢?
1928年，英国细菌学家格里菲斯
把有毒的肺炎双球菌加热杀死后，注射到小鼠体内，小鼠不再患病。可是当他把加
热杀死后的有毒菌和活的无毒菌混合后注射到小鼠体内时，这些小鼠全都患病死亡了，而且
在小鼠体内发现了活的有毒菌。
实验的结果让人产生了很多疑问，格里菲斯提出，死去的有毒菌中有一种转化因子，它们可
以使无毒菌转化为有毒菌。
美国洛克菲勒研究所的细菌学家艾弗里敏锐地意识到格里菲斯工作的重要性。他和他的两
同事立即着手捕捉神秘的转化因子。他们把有毒的肺炎双球菌加热杀死，
当把其中的蛋白质、糖类都除去
后，剩余的物质仍有转化作用，这个剩余物质经过纯化后证明，它们就是DNA。DNA不仅可
以使无毒菌转化成有毒菌，而且转化生成的有毒菌还可以一代代复制下去。这就表明，DNA
是遗传信息的携带者，基因就在DNA上。
1953年，在证明了DNA是遗传物质和基因的载体之后，遗传学家和分子生物学家又提出了DNA
双螺旋结构模型，根据这个模型，DNA分子是由两条互补的多核苷酸链相互缠绕而成，其中
每条链所具有的特殊的碱基结构都可作为合成另一条互补链的模板。
双螺旋模型的建立，使遗传学家能够从分子水平分析遗传与变异的现象，研究维系生命现象
基础——DNA分子的自我复制过程，以揭示遗传信息是怎样从亲代准确地传到子代的本质。
基因科学应运而生
基因不再是一个神秘物质了，它以一种真正的分子物质
呈现
在我们的面前。科学家们能够像研究其他小分子一样，客观地探索基因的结构及功能，这样
人们便开始从分子的层次上研究基因的遗传现象。
随着遗传学及相关科学的发展，基因工程应运而生。基因工
程又叫重组DNA工程，它是利用重组技术，在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法，对
各种生物的核酸(基因)进行改造和重新组合，然后导入微生物或真核细胞内进行无性繁殖，
产生出人类需要的基因产物，或改造、创造新的生物类型。
基因工程是一门内容广泛、综合性的生物技术学科，要在60年代科学发展水平下，真正
实施基因工程，还有许多问题亟待解决。例如要详细了解DNA编码蛋白质的情况，以及DNA与
基因的关系等等，就必须首先弄清DNA核苷酸序列的整体结构。这项工作首先是通过对病毒
基因组的研究发展起来的，因为病毒的基因组要比细胞的基因组小得多。而且更重要的是这
种病毒分子能够在感染的寄主细胞中扩增成几十万份的拷贝，使DNA的剂量增加，这样也就
不难把它同寄主细胞的DNA分离开来。
70年代中期，由于两项关键性技术的问世，DNA的结构分析问题才从根本上得到了解决。这
两项技术是：(1)DNA分子的切割与连接技术；(2)DNA的核苷酸序列分析技术。
应用核酸内切限制酶和DNA连接酶对DNA分子进行体外的切割与连接，这是在60年代末和70年
代初发展起来的一项重要的基因操作技术。对DNA重组
技术的创立具有重要意义的另一个发现是DNA连接酶。在1967年，世界上几乎有5个实验室同
时发现了DNA连接酶，这种酶能够参与DNA裂口的修复，而在一定的条件下还能连接DNA分子
的自由末端。
大多数的DNA片断是不具备自我复制能力的。所以为了能够在寄主细胞中进行繁殖，就必须
将这种DNA片断连接到一种在特定系统中具备自我复制能力的DNA分子上。这种DNA分子就是
所谓的基因克隆载体。
科恩实验意义重大
在各种基因克隆载体中研究得最为深入，而且业已被改建成实用的克隆载体是大肠杆菌。
1973年，美国科学家科恩等进行了第一次基因工程的实验，他们从不同的大肠杆菌中提出两
种质粒，一种质粒含有抗四环素基因，另一种含有抗链霉素基因，在试管中将两种质粒连
接在一起，然后引进到不含抗药质粒的大肠杆菌中，结果大肠杆菌既抗四环素，又抗链霉素
，它表明大肠杆菌同时获得了两种遗传性状。
大肠杆菌，由于它们形成的重组质粒可以在原寄主细胞中增殖，这似乎比较容易理解，那么
，不同物种的外源DNA片断是否也可以在大肠杆菌细胞中增殖呢?
科恩与人合作，应用上述类似方法，把非洲爪蟾的编码核糖体基因的DNA片断，同大肠杆菌
质粒重组，并导入大肠杆菌细胞。转化分子细胞分析结果表明，动物的基因的确进入到大肠
杆菌细胞，并转录出相应的产生。
科恩的工作是第一次成功的基因克隆实验，其重要意义在于它说明了质粒分子可以作为基因
克隆的载体，能够将外源的DNA导入寄主细胞内；它也说明了像非洲爪蟾这样的真核动物的
基因是可以被成功地转移到原核细胞中去，并实现其功能表达的；它还说明了质粒——大肠
杆菌细胞是一种成功的基因克隆体系，可以作为基因克隆的模式系统进行深入地研究。
锋芒毕露大显身手
1977年，化学合成的生长激素抑制素基因在大肠杆菌中表达成功；1978年用大肠杆菌合成了
人工胰岛素；1981年用酵母细胞表达人干扰素基因获得成功。这些成果表明，用基因工程生
产人体蛋白等药物大有前途。后来人们称1977～1981年这个时期为基因工程的发展时期。
1982年以后，基因工程开始进入应用时期。
20世纪90年代初，美国发起“人类基因组研究计划”，即“人体阿波罗计划”，希望用15年
时间，
到2005年把人体内的DNA分子中的大量信息翻译成由“0”或“1”组成的精确的计算机编码
。如果真的全部完成了基因组的解码任务，对生物学、医学，特别是遗传学将有极大的帮助
，它将揭示人类遗传的许多秘密，造成遗传病的基因也将一目了然。
在医学上，目前，重组DNA技术已开始应用于一些病的治疗，新药的生产，遗传病的预防等
。科学家已成功繁育出能在乳汁生产蛋白质C的转基因猪，转基因羊也开始在新西兰大量繁
育。今后，科学家还可能利用转基因动物生产“人体”器官，用于器官移植。
重组DNA技术在治疗人类面临的严重疾病如癌症、艾滋病的治疗方面也作出了很大贡
献。早
在基因工程刚刚诞生不久，就被迅速地应用于肿瘤发生或细胞癌变理论的研究。这一方面的
大突破是发现了致癌基因，弄清了肿瘤的起因。现在已经确立了若干种关于致癌基因致活
作用的分子机理，但尚没有找到一个固定的规律。艾滋病(AIDS)是获得性免疫缺陷综合症的
称，它是由一种叫做人体免疫缺陷病毒即HIV—1反转录病毒引发产生的，迄今还没有抗HIV
感染的疫苗，也没有找到能抑制此种病毒并治愈病人的药物，目前基因工程在这方面主要是
用基因操作和基因转移技术，研究HIV—1病毒的分子生物学及其病理原因，研究控制HIV—1
病毒基因表达的各种因子。可以肯定，如果没有重组DNA和基因转移技术的应用，我们关于H
IV的生命周期及其致病原因的认识将会受到很大限制。
在全世界大约有2 000种以上的人类疾病是由于单基因缺陷引起的，基因工程技术的发展为
疗这些遗传疾病开辟了一条充满希望的新途径。基因治疗的基本构想是应用DNA重组和基因
转移等技术，把野生型的基因导入患者的体细胞内，合成出正常的基因产物来补偿缺陷型基
因的功能，从而使人类的遗传病得到纠正。
在工业中基因工程被应用于纤维素的开发利用工作；用基因工程提高废弃酵母的经济价值，
在酿酒工业中有很大前途；此外基因工程可用于干酪生产及新型蛋白质的生产。
在农业中，重组DNA技术可以培育出带有许多优良性质的转基因作物，增强作物抵御病虫害
的能力，提高产量和品质，得到经济上的巨大利益。
现在，科学家已完全有能力利用基因工程合成新的物种了，尤其是“多利”出生后，不少人
担心基因工程有一天会危害到人类自己，许多国家因此加强了基因工程的限制和管理。
早在1971年，差不多基因工程还处在酝酿期，关于重组DNA潜在危险性问题的争论就已经开
始。
1976年，美国国家卫生研究院制定并正式颁布了“重组DNA研究准则”。为了避免可能造
的危险性，“安全准则”除了规定禁止许多类型的重组DNA实验外，还制定了许多具体的规
定条文。例如在实验安全防护方面，明确规定了物理防护和生物防护二个方面的具体标准。
物理防护是关于基因工程实验室物理安全防护上的准备规定；生物防护是专门针对大肠杆菌
菌株而规定的安全防护标准。
现在基因工程技术已经发展到了相当成熟的地步，而迄今为止尚未发生重组DNA的危险事例
，“安全准则”在实际运用中也逐渐地趋于缓和，人们更担心和关注的是重组DNA带来的伦
理、道德问题，如克隆人所带来的问题。作为负责的科学家对此有着清醒而深刻的认识。
