我是上个世纪80年代末至90年代初在德国学习分子生物学的。

听课的时候，老师们都会给我们讲，20世纪是物理学的时代，由于物理学的发展，极大的改变了我们的生活。由于物理学和工程技术的发展，飞机、火车、轮船这些交通工具的发达，距离不再是问题了。现在我们如果要到世界上任何一个角落去见一个朋友，24小时总能到达你想去的地方。由于电信技术和计算机技术的发展，我们现在足不出户，就可以和远在天边的朋友、亲人视频聊天。那种生离死别的感觉再也不会出现了。科学家们、社会学家们还说，21世纪将是生命科学的时代，以基因工程为代表的生命科学的发展，将会极大地改变我们的生存环境和生活质量，让我们在更好的环境中健康、长寿、快乐地生活着。哈佛大学退休教授、著名的化学家、社会活动家Westheimer于1992年在 Science撰文说道：“在过去40年中，智力上发生的最伟大的革命就发生在生物学，今天，假如有人说他对分子生物学知之甚少的话，人们就会认为他没有受过教育。这句话虽然有些偏颇，但说明了生物学，特别是以基因工程为代表的分子生物学的发展已经渗透到了我们的日常生活中了。当今的新闻，生物学的新发现已经占据了很大的版面。

那么什么是基因工程呢？基因工程又称DNA重组技术，它是在体外将目的基因与载体DNA拼接在一起，然后将重组DNA转染宿主细胞，以实现目的基因在宿主细胞中的扩增和表达，以达到克隆生物、改造生物和诊断治疗疾病的目的。基因工程的诞生实际上是遗传学、分子生物学、细胞生物学等学科发展到一定阶段的成果。它是分子遗传学的一门工具学科。

基因工程的发展史

自从1910年的诺贝尔生理或医学奖授予了德国科学家Albrecht Kossel，以表彰他从脓细胞核中分离出腺嘌呤、胸腺嘧啶、胸腺核苷酸等物质以来，生物化学和分子生物学就得到了迅速的发展。1941年，美国科学家Oswald Avery通过肺炎双球菌转化实验，证明了核酸是遗传物质，让人们对遗传物质研究步入了正确的轨道。1953年，James Watson和Francis Crick提出的DNA右手双螺旋模型，解决了遗传物质的遗传方式和机制，从而使分子生物学进入了新的历史时期。1959年西班牙裔美国科学家Severo Ochoa因其在RNA合成方面的工作与在试管内实现了DNA合成的美国科学家Arthur Kornberg共同分享了1959年的诺贝尔生理或医学奖。1970年美国科学家Howard Martin Temin和David Baltimore因其分别发现了反转录酶而获得诺贝尔生理或医学奖。反转录酶的发现让我们认识到，遗传信息的流向除了可以由DNA转录为RNA外，RNA也可以反转录为DNA，完善了中心法则；反转录酶的发现，使我们可以将正在表达的基因反转录为互补DNA(complementary DNA，cDNA)，以研究基因的功能，还可以以cDNA为探针研究基因在基因组中的位置；反转录酶的发现开创了反向遗传学的新时代，使我们在研究基因的功能时，一开始就从基因的结构开始来研究基因的功能。1960年代，美国科学家Daniel Nathans、Hamilton O. Smith和瑞士科学家Werner Arber发现了限制性内切酶，他们因此分享了1978年的诺贝尔生理或医学奖。限制性内切酶的发现，使我们可以在特定的位置将DNA切割开来，我们就拥有了精确切割DNA的手术刀。同时，很多实验室也发现了DNA连接酶，这样，科学家们就可以将不同的DNA连接起来了。至此，科学家们已经掌握了基因重组的各种工具。基因重组的新时代诞生了！

最早提出重组DNA (Recombinant DNA)技术的是美国斯坦福大学医学院生物化学系Dale Kaiser教授的研究生Peter Lobban。Lobban将重组的过程分为7个步骤：(1) 选择宿主细胞和载体病毒；(2)制备载体DNA；(3) 目的基因的制备；(4)重组DNA； (5)将重组DNA导入宿主细胞中；(6)挑选含重组DNA的细胞；(7) 筛选目的基因。1972年，美国斯坦福大学的Paul Berg在体外将猿猴病毒SV40的DNA和λ噬菌体的DNA分别进行了限制性内切酶的酶切消化，然后再用T4 DNA连接酶将两种消化片段连接起来，结果获得了包括SV40和λDNA 的重组的杂交DNA分子。这个重组体的意义在于他将具有真核基因组特征的病毒SV40与具有原核特征的大肠杆菌的病毒λDNA重组到了一起。这就预示着任何来源的DNA都可以相互重组。由于Berg的开拓性的工作，他获得了1980年诺贝尔化学奖中的一半，另外一半则由发明DNA测序技术的 Walter Gilbert和Frederick Sanger分享。1973年，Berg在斯坦福大学的另一个同事Stanley N. Cohen等人将编码有卡那霉素抗性基因的质粒与编码有四环素抗性基因的另一种大肠杆菌质粒重组后，得到了即抗卡那霉素又抗四环素的重组体。

这之后，重组DNA技术风起云涌。很快，重组DNA技术或基因工程技术迅速在遗传学研究、基因功能的研究、药用蛋白的开发、疾病的基因诊断和基因治疗等方面得到了迅猛发展。

基因工程药物

1981年，我在内分泌科参加临床实习的时候，医生们面对糖尿病患者的时候，医生们一般都建议患者控制饮食、使用一些提高胰岛素敏感性的药物，很少建议病人使用胰岛素。在那个时候，胰岛素是一个非常稀缺的药物，临床医生不敢、也不愿意过早地给病人使用胰岛素。除了经济的原因之外，更主要的是因为猪源或牛源胰岛素作为异源蛋白，具有较强的免疫原性，一旦在人体中产生抗体，将没有更好的治疗糖尿病的替代办法。随着基因工程技术的发展，人们可以通过设计和修饰基因，将编码人胰岛素的DNA序列插入到含有细菌调控元件的病毒中，再转化大肠杆菌，让大肠杆菌中表达人工重组的人胰岛素。这样的胰岛素经过纯化和恢复活性以后，就可以用于治疗糖尿病人了。1982年，人工重组人胰岛素(hrInsulin)成为美国食品药品管理局批准的第一个药用的基因工程产品。现在医生们普遍认为，不仅仅是 I型糖尿病患者需要补充外源性胰岛素，II型糖尿病患者体内同样缺乏胰岛素。II型糖尿病的病理基础是胰岛素抵抗和分泌缺陷。只有早期使用胰岛素治疗才能使II型糖尿病患者分泌胰岛素的细胞得到休息，使其更好地恢复和维持胰岛素分泌功能。这种变化，不仅打消了医生们害怕使用胰岛素产生抗体的疑虑，而且通过早期使用胰岛素，也减少了糖尿病患者罹患并发症的风险。这种观念的转变，正是得益于基因工程技术的开展和普及。

在重组的人生长因子使用之前，医生们从死尸的脑垂体中提取生长因子，用于治疗侏儒症。这样做的结果增加了疯牛病的传播机会，而重组的人生长因子排除了这些问题。血友病的治疗也曾面临着类似的风险。血友病是因为凝血因子 VIII或者IX缺乏而导致的凝血功能障碍，因编码在凝血因子的基因存在于X染色体上，其发生突变以后不能产生有功能的凝血因子，所以患者多为男性。一般的治疗方法是给患者输新鲜血液或者从血液中纯化的凝血因子，但是对于血友病患者来说则面临着血液传播性疾病，诸如艾滋病、乙型肝炎等的危险。而重组的凝血因子则使病人避免了这样的风险。

自从弗莱明爵士在1928年发现青霉素以来，由微生物产生的抗生素在疾病治疗和人类健康等方面发挥着重要作用。但是，随着抗生素的过度滥用，病原菌的抗药性不断增加，具有新结构、新活性的抗生素发现以及大量生产是医生们面临的紧迫问题。传统的生产抗生素的方法是在环境中大量筛选具有高表达抗生素的细菌。但是，从自然界直接筛选新抗生素的难度在增加着。基因编码酶，酶又催化抗生素小分子的生物合成，因此遗传信息间接的决定了抗生素的结构和生理活性。抗生素中生物合成基因往往成簇排列，尤其是红霉素等聚酮类抗生素编码基因以模块和结构域的形式存在着，形成抗生素装配的生产线。不同的模块负责不同二碳单位（乙酸，丙酸或丁酸）的掺入，不同的还原结构域的存在与否决定了β-酮基的修饰状态，而硫酯酶结构域的位置决定了聚酮链的长度。微生物学家邓子新根据抗生素生物合成的这一特性，等通过基因工程等手段，替换、缺失、添加各种结构域编码基因，定向改变链长、基团、立体结构等，而且其他多种聚酮合成后修饰基因的引入，进一步增加了新结构衍生物的多样性，成为新结构新活性抗生素的重要来源。

流行病学调查显示，我国的乙型肝炎病毒的携带者和乙肝患者约占总人口的10%左右，乙型肝炎及其并发症是严重危害我国人民健康的传染病之一。预防乙型肝炎最有效的方法就是乙肝疫苗的注射。由于乙肝病毒在体外不能复制，所以不能制备传统意义上的、像脊髓灰质炎疫苗一样的减毒或灭活疫苗。基因工程为我们提供了生产仅含有乙肝病毒表面抗原或表面抗原亚单位的疫苗。从上个世纪80年代开始，这种人工重组的疫苗在我国大量使用以来，乙肝的发病率以及乙肝病毒的携带者均有了明显的下降。

疾病病因的研究

遗传性疾病的发生一般都是由基因突变造成的。传统的遗传学研究，则是根据患病表型，家系分析来确定这些疾病是否为遗传性疾病。但是对于致病基因的确立则困难重重。A-1短指（趾）畸形虽然早在1903年就被发现，长期作为典型案例出现在各国遗传学和生物学教科书中，其患者的中间指（趾）节缩短，甚至与远端指（趾）节融合，尽管世界各国科学家都在根据自己掌握的病例家系来寻找致病基因，但屡遭失败，被称为百年遗传之谜。2001年，遗传学家贺林教授领导的团队，利用基因工程的手段，对3个A-1短指（趾）畸形大家族系进行了分子遗传学分析，结果发现正是由于患者体内的Indian hedgehog基因突变，导致这一基因功能的丧失，从而引发了指节的缺失，成功揭示了A-1型短指（趾）症致病机理。

基因诊断

在疾病的诊断方面，医生们应用探针杂交技术、反转录聚合酶链反应(RT-PCR)、芯片技术等方法，对各种感染性疾病、遗传病性疾病进行诊断。比如，应用抗重组的HIV蛋白的抗体可以进行ELISA或者Western-blot以检测血清中是否有艾滋病病毒的存在。用RT-PCR可以检测到艾滋病的病毒核酸，而这些检测都是通过对HIV基因组的克隆和序列分析发展而来的。

β地中海贫血是世界范围内广为流行的遗传性血液病，主要分布在地中海沿岸和东南亚地区，在我国南方，特别是两广和云贵等地区也很常见。该病是由于第11号染色体上的 β珠蛋白基因发生突变所致，使 β珠蛋白肽链合成的缺乏或减少携带一个突变 β珠蛋白基因的杂合子虽有血液学和血红蛋白合成异常，但没有临床症状。当两个 β地中海贫血杂合子婚配时，每次妊娠均有1/4的机会生育出携带两个突变 β珠蛋白基因的 β地中海贫血重型患儿。他们具有严重的溶血性贫血的临床表现，目前没有有效的治疗手段，只能依赖输血维持生命，但过多的输血将带来体内铁沉积，导致心力衰竭而死亡。广西的一对医生夫妇，在忍受了失去一对儿女的悲痛后，迫切盼望能生育一个健康的孩子，于1980年代，在怀孕17周时，来上海请曾溢滔教授为腹中的胎儿进行产前诊断。通过血液学、血红蛋白和珠蛋白基因分析，确认夫妇俩均是 β地中海贫血杂合子，经过遗传咨询后，夫妇双方都同意通过羊水细胞的DNA分析对胎儿作产前基因诊断。非常幸运的是，羊水细胞DNA分析结果显示胎儿没有遗传到父母的突变基因，也就是说没有罹患 β地中海贫血，胎儿继续妊娠直到分娩出健康的胎儿。孩子的父母喜悦万分，即将新生儿取名为“上海”，以示对上海以及曾溢滔教授和他的同事们的感激之情。这一例产前基因诊断的成功，也揭开了我国将基因工程技术应用于临床实践新的一页。

转基因动物和基因治疗

转基因动物是指将特定的外源基因导入动物受精卵或胚胎，使之稳定整合于动物的染色体基因组并能遗传给后代的一类动物。导入的外源基因可以是完整的、有功能的，也可以是突变的、没有功能的。假如导入的基因是有功能的完整基因，则可以纠正已有的基因缺陷，或者在动物体内大量生产这种蛋白。通过这种方法，人们试图利用动物的乳腺作为生物反应器，生产药用蛋白。在上海交通大学医学遗传研究所在曾溢滔院士的领导下，先后获得了乳汁中表达人凝血因子IX蛋白的转基因山羊和整合了人血清白蛋白基因的转基因牛，为建立“动物药厂”迈出了重要的一步。假如导入的基因是突变的，则可通过定点打靶技术将原有的正常基因屏蔽掉，用以观察在该基因缺失的情况下会出现哪些异常的表型。这种方法有称之为基因敲除。医学院长江学者王铸钢教授通过对PML基因敲除小鼠和PML/RARa转基因鼠的表型分析，阐明了PML和PML/RARa融合蛋白在APL发病机制中的作用，并在整体动物水平证明此融合蛋白对PML蛋白功能的显性负效应作用；发现PML具有细胞生长抑制和肿瘤抑制活性，PML可以抑制细胞周期调节蛋白的表达而使细胞周期延长。

基因工程技术在疾病的基因治疗中也展现了巨大的作用。基因治疗是针对有缺陷基因进行的一种治本的治疗方式。其具体方法是利用基因工程的手段，在体外将可以编码正常的、有功能的蛋白的基因克隆出来，再通过打靶载体，替换掉有突变的基因，从而纠正因基因突变所导致的遗传学疾病、肿瘤等对身体造成的伤害。

基因治疗概念的提出是在1972年，但是真正在人身上开始基因治疗则是在近20年后的1990年。第一个接受基因治疗的是一个4岁的、罹患腺苷脱氨酶缺陷症、名叫Ashanti DeSilva美国小女孩。腺苷脱氨酶缺陷症是一种X-染色体连锁的遗传性免疫缺陷症。由于患者胸腺发育不良，而导致缺乏有功能的T淋巴细胞，从而不能对抗原进行呈递。因此，这样患者只能生活在过滤过的空气中，假如外出的时候，需要将自己装在一个大气球中。任何轻微的感染都会因为患者的免疫缺陷而导致严重的后果。美国国立卫生研究院的科学家们用反转录病毒载体将腺苷脱氨酶的基因在体外直接导入了患者的T淋巴细胞，然后再将这些T淋巴细胞回输给患者，这样就恢复了患者的免疫功能。目前，已经有超过1700例患者接受了这样的治疗。

我国是第2个进行基因治疗的国家。1991年，复旦大学遗传学研究所与第二军医大学附属长海医院血液科合作，对乙型血友病患者刘氏两兄弟在经过6 年治疗后，未发现与基因治疗相关的副作用或并发症。这是迄今为止世界上唯一进行基因治疗的血友病病例。过去，乙型血友病只能通过频繁输血或血制品补充血液中的凝血成分，但疗效短，费用高，且面临输血引起肝炎等病毒感染的威胁。科学家和血液病专家首先对取自患者皮肤的成纤维细胞进行体外培养，同时把能够产生凝血因子的正常基因装入载体，再将载体转入培养的细胞，使之大量繁殖。最后，用胶原包埋这些细胞在人体内，使之不断产生凝血因子，形成正常的凝血功能。迄今为止，先后有4 位4~15岁男孩在长海医院接受此项治疗，病情得到了很大的改善。

现在，转基因动物的研究和基因治疗已经获得了巨大的突破，2012年6月27日美国科学家宣布：历经3年的研究，他们利用基因修改技术，成功培育出了30个婴儿。其中两个婴儿含有来自三位不同成人的基因。转基因人的出生，虽然面临极大的伦理学障碍，但是，他可以从根本上让有基因缺陷的人生育出正常的后代。我们有理由相信，随着科学技术的进步，在不远的将来，我们会看到很多经过基因设计和基因修改出生的婴儿，这些孩子可能体格健壮、面容姣好、智力超群。

转基因植物

转基因植物(transgenic plant)也可以称为遗传修饰过的植物(Genetically modifiedplants )，是通过基因工程，将这种植物原本不存在的基因导入，以产生新的性状，改善其营养价值、直接对天敌昆虫具有毒性、提高其对疾病的抵抗力，从而提高农作物的产量，或者新的花卉品种。

第一个转基因植物是1986年在法国和美国大面积种植的转基因烟草，转入的基因是抗除草剂基因。第一个成立转基因公司的是比利时人孟山都等人，他们致力于推广抗虫基因苏云金杆菌毒蛋白(bt)的转基因，用以防制作物害虫对农作物的侵害，以及减少杀虫剂的使用。1992年，我国成为了第一个允许抗病毒烟草商业化种植的国家。第一个上市的农作物是转基因番茄，它可以长久的保存。1994年，欧盟批准了抗除草剂转基因烟草在市场流通。1995年，美国环境保护协会证明转基因bt的土豆是安全的，从而成为第一种被出售的农作物。到2011年，包括中国、美国等在内的29个国家的3亿9千多万公顷的土地上种植了超过11种不同的转基因植物。

人们将 β胡萝卜素的生物合成体系导入到水稻的基因组中，生产出了金黄的黄金水稻，提高了水稻的营养价值。德克萨斯大学休斯敦医学分校的生物化学家们通过调整拟南芥内的丙二烯氧化物和过氧化氢酶的比值，成功决定了植物果实的口味。通过对它的有效控制，我们将可以改变蔬菜和水果的味道。将来有一天，我们可能会吃到柠檬味或香蕉味的西瓜或番茄。农业与生物学院院长唐克轩教授，用基因工程的手段，将乙肝疫苗导入番茄中，番茄就会高效表达乙肝疫苗。假如可以让这些疫苗在消化道中不被消化的话，我们将可以通过吃番茄来免疫，而不需要再忍受注射疫苗的痛苦了。

RNA干扰是一种新发现的基因调控机制。在体内一些双链RNA（dsRNA）分子经加工形成小分子干扰RNA（siRNA），它可以在转录或转录后水平上高效、特异地抑制体内特定基因的表达。棉酚对昆虫是有毒的，但是在棉铃虫体内强大的解毒能力却可以将棉酚降解，从而成为棉花种植的最大危害。根据这一特性，植物学家陈晓亚和他的同事们，将包含正向和反向的解毒酶P450基因序列导入到棉花内，在棉花中表达形成了dsRNA，当昆虫在取食了转基因植物后，体内的靶基因通过RNA干扰途径被抑制，从而使棉铃虫的生长发育受到抑制。这一技术为开发更有效更安全的转基因抗虫植物开辟了新方向。

虽然，有很多人在问，转基因植物是否对人体有害？是否可以影响生殖健康？是否可以将被转的基因传人到杂草中？虽然也曾有一些研究表明转基因食品对周围环境和动物生理造成了伤害，但是，很快这些结论就被推翻了。

结束语

诚然，由于转基因技术的不成熟和伦理学的限制，基因工程的成果现在还面临着一些瓶颈。但是，我们有理由相信，随着时间的推移、随着科学的进步，转基因农作物的安全问题一定会得到解决。总有一天，转基因食品会不可抗拒地走到我们的餐桌上，更加缤纷的花卉会装点我们的城市。基因诊断和基因治疗也将更加普遍，人类的健康也将会得到更大的改善。我们期待着，基因工程更加丰硕的成果！