作為分子生物學(xué)發(fā)展的重要組成部分，DNA重組及基因工程技術(shù)給生命科學(xué)帶來了革命性變化，促進(jìn)著生命科學(xué)各學(xué)科研究和應(yīng)用的進(jìn)步，對(duì)推動(dòng)醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域的發(fā)展同樣起著重要的作用。
一、對(duì)人類遺傳信息的認(rèn)識(shí)
遺傳信息決定生物的形態(tài)和特征，是生物生存之本。估計(jì)人類的基因組DNA約有4×109bp，含有約5-10萬(wàn)個(gè)基因，但至今人類對(duì)自己賴以生存繁衍的這個(gè)龐大的遺傳信息庫(kù)還知之甚少，目前已經(jīng)知道的人基因只占估計(jì)數(shù)的百分之幾，已搞清楚其表達(dá)調(diào)控者更寥寥無(wú)幾，對(duì)占基因組80-90%不為蛋白質(zhì)編碼序列的認(rèn)識(shí)更少，因而實(shí)際上我們現(xiàn)在對(duì)自己生存的基礎(chǔ)和實(shí)質(zhì)只有很表面的膚淺認(rèn)識(shí)，設(shè)想如果人類掌握了自身全部遺傳信息的結(jié)構(gòu)、功能、表達(dá)和調(diào)控，無(wú)疑將能夠深刻認(rèn)識(shí)人的生長(zhǎng)、發(fā)育、生存、繁衍的整個(gè)生老病死歷程，將能對(duì)疾病的診斷、治療和預(yù)防提出極有效的措施，將能真正掌握自己生存和發(fā)展的命運(yùn)。
DNA重組技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，就使人們有可能去深入探索這個(gè)重大的課題。1985年提出的人基因組研究計(jì)劃（Human Genome Project)很快得到世界科學(xué)的響應(yīng)，這個(gè)研究計(jì)劃的目標(biāo)是要闡明人類遺傳信息的組成和表達(dá)，是迄今全球性生物學(xué)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最引人注目的巨大研究工程。DNA重組是完成這個(gè)任務(wù)的主要手段，其中包括大片段DNA克隆、DNA的大尺度分析、全自動(dòng)DNA序列測(cè)定，基因組信息數(shù)據(jù)庫(kù)的建立等新思維和新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和發(fā)展，再加上大規(guī)模引入其它領(lǐng)域先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，原預(yù)定21世紀(jì)頭10年繪制出完整的人類染色體基因定位圖、測(cè)定出人類基因組全部DNA序列，有望按期或提前完成。當(dāng)然在這基礎(chǔ)上要搞清楚全部人類基因的功能、各基因間的關(guān)系，基因表達(dá)調(diào)控、人類遺傳信息的多樣性等還要經(jīng)歷更長(zhǎng)期和更艱苦的努力。但DNA重組技術(shù)促進(jìn)了分子生物學(xué)迅速發(fā)展，給人類探索自身生命的奧秘展示了光明的前景。
生命關(guān)鍵的基礎(chǔ)在于蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)與核酸相的相互作用，生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系正是生命“活”的本質(zhì)所在。憑借基因工程人們可以克隆獲得天然的或任意設(shè)計(jì)的核酸序列，可以大量獲得過去難以得到的生物體內(nèi)極微量的活性蛋白質(zhì)、可以設(shè)計(jì)獲得任意定點(diǎn)突變（site-directed mutagenesis)的基因和蛋白質(zhì)，這就為研究蛋白質(zhì)與核酸的結(jié)構(gòu)與功能、揭露生命的本質(zhì)提供了很有力的手段。
二、基因工程藥物與疫苗
利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)有應(yīng)用價(jià)值的藥物是當(dāng)今醫(yī)藥發(fā)展一個(gè)重要的方向，現(xiàn)在世界上已有幾千家生物技術(shù)公司，其中多數(shù)都生產(chǎn)醫(yī)藥或醫(yī)藥研究所需的試劑。利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)藥物有兩個(gè)不同的途徑：一是利用基因工程技術(shù)改造傳統(tǒng)的制藥工業(yè)，例如用DNA重組技術(shù)改造制藥所需要的菌種或創(chuàng)建的菌種，提高抗菌素、維生素、氨基酸產(chǎn)量等；二是用克隆的基因表達(dá)生產(chǎn)有用的肽類和蛋白質(zhì)藥物或疫苗，雖然基因診斷和醫(yī)藥研究試劑的基因工程產(chǎn)品已經(jīng)很多，但目前基因工程藥物還只處在發(fā)展的早期，至今真正被衛(wèi)生部門正式批準(zhǔn)投放市場(chǎng)的基因工程肽或蛋白類治療藥物現(xiàn)在還不多，但正在開發(fā)的基因工程治療藥物卻有幾百種，且而逐年迅速增加，可見其具有的巨大潛力�；蚬こ趟幬锊粌H用于醫(yī)藥上，還能用于工農(nóng)業(yè)上，促進(jìn)生產(chǎn)的發(fā)展，已經(jīng)投放市場(chǎng)或近期可望投放市場(chǎng)的基因中程藥物可舉出以下例子。
1、基因工程疫菌 乙型肝炎是常見的傳染病，過去從病人血液中分離乙肝病毒的表面抗原作為疫苗，來源有限，價(jià)格昂貴，有潛在交叉感染的危險(xiǎn)�，F(xiàn)在克隆得病毒編碼的HbsAg基因，使其表達(dá)獲得大量HbsAg用作疫苗。1986年美國(guó)正式批準(zhǔn)基因工程乙肝疫苗投放市場(chǎng)，我國(guó)的科學(xué)工作者也克隆得在我國(guó)流行常見乙肝病毒亞型的HbsAg基因，研制得適用于我國(guó)乙肝基因工程疫苗，并已生產(chǎn)和使用。近期可能投放市場(chǎng)的還有甲型肝炎、巨細(xì)胞病毒、流行性出血熱、輪狀病毒、細(xì)菌性腹瀉等基因工程疫苗。我軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院研制的仔畜腹瀉基因工程疫苗，使仔畜免遭大腸桿菌腹瀉之害，保護(hù)率達(dá)90%以上，為我國(guó)的肉食供應(yīng)做出了貢獻(xiàn)。
2、基因工程肽類藥物 由免疫細(xì)胞和其它細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子是具有很高活動(dòng)性的肽類分子，在調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)分化、調(diào)節(jié)免疫功能、參與炎癥反應(yīng)和創(chuàng)傷修復(fù)中起重要作用，其中許多很有應(yīng)用價(jià)值，但其生成量極微，難以提取獲得，基因工程則可克隆其基因，使之表達(dá)獲得大量產(chǎn)物供用。傳統(tǒng)的肽類激素，血液中的微量活性成分、酶類同樣可用基因工程手段獲得。表20-3列出一些已上市的正在研制的基因工程多肽藥物。
表20-3 基因工程肽類藥物
| 名稱 | 作用 |
| 各種干擾素(interferon IFN) | 抗病毒、抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié) |
| 各種細(xì)胞介素(interleukins ,IL) | 免疫調(diào)節(jié)、促進(jìn)造血 |
| 各種集落刺激因子(colony stimulating factors ,CSF) | 刺激造血 |
| 紅細(xì)胞生成素(erythropopoetin EPO) | 促進(jìn)紅細(xì)胞生成，治療貧血 |
| 腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF) | 殺傷腫瘤細(xì)胞、免疫調(diào)節(jié)、參與炎癥和全身性反應(yīng) |
| 表皮生長(zhǎng)因子(epidermal growth factor, EGF) | 促進(jìn)細(xì)胞分裂、創(chuàng)傷愈合、胃腸道潰瘍防治 |
| 神經(jīng)生長(zhǎng)因子(nerve growth factor ,NGF) | 促進(jìn)神經(jīng)纖維再生 |
| 骨形態(tài)形成蛋白(bone morphogenetic protein ,BMP) | 骨缺損修復(fù)、促進(jìn)骨折愈合 |
| 組織纖溶酶激活劑(tissue-type plasminogen activator ,t-PA) | 溶解血栓、治療血栓疾病 |
| 血凝因子Ⅷ、Ⅸ | 治療血友病 |
| 生長(zhǎng)激素（rgowth hormone ,GH) | 治療侏儒癥 |
| 胰島素(insulin) | 治療糖尿病 |
| 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase ,SOD) | 清除自由基、抗組織損傷、抗衰老 |
3、基因工程抗體 用傳統(tǒng)細(xì)胞融合雜交瘤技術(shù)制備的單克隆抗多數(shù)是鼠源性抗體，用于人體會(huì)產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)，用雜交瘤方法制備人源性抗體又遇到難以克服的困難。用基因工程的方法可以不經(jīng)過雜交瘤技術(shù)而直接獲得特定的人的抗體基因克隆。也可以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，用DNA重組技術(shù)將鼠源性抗體基因人源化，然后放入表達(dá)載體，表達(dá)產(chǎn)生人源化抗體。我國(guó)已成功克隆得到多種腫瘤、抗病毒、抗細(xì)胞因子、抗細(xì)胞受體等不同單克隆的基因，鼠源性抗人肝癌、抗人黑色素瘤、抗人纖維蛋白抗體基因的人源化工作正在進(jìn)行，并已成功直接獲得人源性抗乙型肝炎病毒抗體基因。不同類型的抗體基因已分別在細(xì)菌、昆蟲細(xì)胞、培養(yǎng)的哺乳細(xì)胞和植物中表達(dá)�；蚬こ炭贵w被稱為第三代抗體，其研制雖然剛起步，但已展示出良好的應(yīng)用前景。醫(yī).學(xué)全.在.線m.gydjdsj.org.cn
三、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和植物
克隆的基因不僅導(dǎo)入細(xì)菌和培養(yǎng)的細(xì)胞，而且能轉(zhuǎn)入動(dòng)植物體內(nèi)、改變其遺傳特性。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物（transgenic animals)就是指在其基因組內(nèi)穩(wěn)定地整合有外源基因、并能遺傳給后代的動(dòng)物。1979年Mintz等將SV40病毒NDA導(dǎo)入小鼠早期胚胎的囊胚腔，第一次得到載有人工導(dǎo)入外源基因的嵌合體小鼠（chimeic morse)。1982年P(guān)almiter等將克隆的生長(zhǎng)激素基因用顯微注射（microinjection)的方法直接導(dǎo)入小鼠受精卵細(xì)胞核內(nèi)，所得轉(zhuǎn)基因的小鼠的肝、肌、心等組織都能產(chǎn)生生長(zhǎng)激素，小鼠比原個(gè)體大幾倍，稱為“巨鼠”，使人們意識(shí)到轉(zhuǎn)基因技術(shù)的巨大潛力及其在遺傳育種方面的劃時(shí)代意義，除受精卵外，從胚胎中分離的多潛能干細(xì)胞（ES細(xì)胞,embryonic stem cells)也能接受外源基因發(fā)育成個(gè)體，外源基因的導(dǎo)入還可以采取逆轉(zhuǎn)錄病毒載體感染等方法。目前已經(jīng)得到的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物除鼠外還有轉(zhuǎn)基因兔、羊、豬等。
利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物可以建立人類疾病的動(dòng)物模型，為對(duì)人類疾病病因研究，以及測(cè)試新治療方法提供了有力手段。例如用導(dǎo)入各種癌基因、致瘤病毒基因或其調(diào)控序列等的轉(zhuǎn)基因小鼠，可以觀察腫瘤發(fā)生的歷程和影響因素；導(dǎo)入相關(guān)突變基因的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物可以造出糖尿病、鐮刀形細(xì)胞貧血、白內(nèi)障等疾病模型；用肝炎病毒基因的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物可以研究肝炎病毒基因在肝炎病中的作用，利用導(dǎo)入各種細(xì)胞因子基因、免疫功能基因、以及特定核酸序列的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物可以從整體研究細(xì)胞因子、免疫調(diào)控、基因表達(dá)調(diào)控等問題。
近年來轉(zhuǎn)基因動(dòng)物技術(shù)又有新的發(fā)展。ES細(xì)胞導(dǎo)入與目的基因同源的序列，則在體內(nèi)可以經(jīng)同源重組使用的基因發(fā)生突變，這樣成長(zhǎng)起來的動(dòng)物有目的基因的缺陷，這種技術(shù)稱為基因打靶（gene targetting)。用基因打靶可以在整體水平上研究基因的功能，并能制造出遺傳缺陷的疾病模型。
用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物還能獲得治療人類疾病的重要的蛋白質(zhì)。例如導(dǎo)入了凝血因子Ⅸ基因的轉(zhuǎn)基因綿羊分泌的乳汁中含有豐富的凝血因子Ⅸ，能在效地用于血友病的治療。
轉(zhuǎn)基因技術(shù)在遺傳育種上闖出了新路。成功獲得“巨鼠”，激起了人們的創(chuàng)造優(yōu)良品持家畜的熱情。我國(guó)水生生物研究所將生長(zhǎng)激素基因轉(zhuǎn)入魚受精卵，得到的轉(zhuǎn)基因魚生長(zhǎng)顯著加快、個(gè)體增大；轉(zhuǎn)基因豬也正在研制中。
轉(zhuǎn)基因植物在育種上也獲得成績(jī)。1994年比普遍西紅柿保鮮時(shí)間更長(zhǎng)的轉(zhuǎn)基因西紅柿投放市場(chǎng)，1996年轉(zhuǎn)基因玉米、轉(zhuǎn)基因大豆相繼投入商品生產(chǎn)。美國(guó)最早研制得抗蟲棉花，我國(guó)科學(xué)家將自己發(fā)展的蛋白酶抑制劑基因轉(zhuǎn)入棉花獲得抗棉鈴蟲的棉樺株。到1996年全世界已有250萬(wàn)公頃土地種植轉(zhuǎn)基因植物。與按傳統(tǒng)孟德爾遺傳規(guī)律育種比較，轉(zhuǎn)基因技術(shù)顯出其優(yōu)越和更大的潛力，提高光合作用、擴(kuò)大固氮能力、提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、抗蟲、抗病、抗旱等轉(zhuǎn)基因植物都在研究中。將人的基因轉(zhuǎn)入植物還可能獲得醫(yī)學(xué)上的治療用途的藥物，例如將人抗體基因轉(zhuǎn)入煙草，從煙葉中就能提取得人的抗體蛋白。
