基因工程技术的现状和前景发展

基因工程技术的现状和前景发展
摘要
从20世纪70年代初发展起来的基因工程技术，经过30多年来的进步与发展，已成为生物技术的核心内容。

许多科学家预言，生物学将成为21世纪最重要的学科,基因工程及相关领域的产业将成为21世纪的主导产业之一.基因工程研究和应用范围涉及农业、工业、医药、能源、环保等许多领域。

基因工程应用于植物方面
农业领域是目前转基因技术应用最为广泛的领域之一。

农作物生物技术的目的是提高作物产量，改善品质，增强作物抗逆性、抗病虫害的能力。

基因工程在这些领域已取得了令人瞩目的成就。

由于植物病毒分子生物学的发展，植物抗病基因工程也也已全面展开.自从发现烟草花叶病毒（TMV)的外壳蛋白基因导入烟草中,在转基因植株上明显延迟发病时间或减轻病害的症状，通过导入植物病毒外壳蛋白来提高植物抗病毒的能力，已用多种植物病毒进行了试验. 在利用基因工程手段增强植物对细菌和真菌病的抗性方面,也已取得很大进展。

植物对逆境的抗性一直是植物生物学家关心的问题。

由于植物生理学家、遗传学家和分子生物学家协同作战，耐涝、耐盐碱、耐旱和耐冷的转基因作物新品种(系）也已获得成功.植物的抗寒性对其生长发育尤为重要.科学家发现极地的鱼体内有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增长，从而免受低温的冻害并正常地生活在寒冷的极地中.将这种抗冻蛋白基因从鱼基因组中分离出来,导入植物体可获得转基因植物，目前这种基因已被转入番茄和黄瓜中. 随着生活水平的提高，人们越来越关注口味、口感、营养成分、欣赏价值等品质性状.实践证明,利用基因工程可以有效地改善植物的品质，而且越来越多的基因工程植物进入了商品化生产领域，近几年利用基因工程改良作物品质也取得了不少进展，如美国国际植物研究所的科学家们从大豆中获取蛋白质合成基因,成功地导入到马铃薯中，培育出高蛋白马铃薯品种，其蛋白质含量接近大豆,＊*提高了营养价值,得到了农场主及消费者的普遍欢迎。

在花色、花香、花姿等性状的改良上也作了大量的研究。

基因工程应用于医药方面
目前，以基因工程药物为主导的基因工程应用产业已成为全球发展最快的产业之一,发展前景非常广阔.基因工程药物主要包括细胞因子、抗体、疫苗、激素和寡核甘酸药物等。

它们对预防人类的肿瘤、心血管疾病、遗传病、糖尿病、包括艾滋病在内的各种传染病、类风湿疾病等有重要作用。

在很多领域特别是疑难病症上，基因工程工程药物起到了传统化学药物难以达到的作用。

我们最为熟悉的干扰素(IFN)就是一类利用基因工程技术研制成的多功能细胞因子，在临床上已用于治疗白血病、乙肝、丙肝、多发性硬化症和类风湿关节炎等多种疾病。

目前，应用基因工程研制的艾滋病疫苗已完成中试，并进入临床验证阶段;专门用于治疗肿瘤的“肿瘤基因导弹"也将在不久完成研制，它可有目的地寻找并杀死肿瘤，将使癌症的治愈成为可能.由中国、美国、德国三国科学家及中外六家研究机构参与研制的专门用于治疗乙肝、慢迁肝、慢活肝、丙肝、肝硬化的体细胞基因生物注射剂，最终解决了从剪切、分离到吞食肝细胞内肝炎病毒，修复、促进肝细胞再生的全过程。

经4年临床试验已在全国面向肝炎患者.此项基因学研究成果在国际治肝领域中，是继干扰素等药物之后的一项具有革命性转变的重大医学成果.
基因工程应用于环保方面
工业发展以及其它人为因素造成的环境污染已远远超出了自然界微生物的净化能力，已成为人们十分关注的问题.基因工程技术可提高微生物净化环境的能力.美国利用DNA重组技术把降解芳烃、萜烃、多环芳烃、脂肪烃的4种菌体基因链接，转移到某一菌体中构建出可同时降解4种有机物的“超级细菌”,用之清除石油污染，在数小时内可将水上浮油中的2/3烃类降解完，而天然菌株需1年之久.也有人把Bt蛋白基因、球形芽孢杆菌、且表达成功。

它能钉死蚊虫与害虫，而对人畜无害,不污染环境.现已开发出的基因工程菌有净化农药的DDT的细菌、降解水中的染料、环境中有机氯苯类和氯酚类、多氯联苯的工程菌、降解土壤中的TNT炸药的工程菌及用于吸附无机有毒化合物（铅、汞、镉等）的基因工程菌及植物等. 90年代后期问世的DNA改组技术可以创新基因,并赋予表达产物以新的功能，创造出全新的微生物,如可将降解某一污染物的不同细菌的基因通过PCR技术全部克隆出来,再利用基因重组技术在体外加工重组,最后导入合适的载体，就有可能产生一种或几种具有非凡降解能力的超级菌株，从而*＊地提高降解效率。

四、前景展望由于基因工程运用DNA分子重组技术,能够按照人们预先的设计创造出许多新的遗传结合体，具有新奇遗传性状的新型产物，增强了人们改造动植物的主观能动性、预见性.而且在人类疾病的诊断、治疗等方面具有革命性的推动作用，对人口素质、环境保护等作出具大贡献。

所以,各国政府及一些大公司都十分重视基因工程技术的研究与开发应用，抢夺这一高科技制高点。

其应用前景十分广阔。

我国基因工程技术尚落后于发达国家，更应当加速发展，切不可坐失良机。

但是，任何科学技术都是一把“双刃剑”，在给人类带来利益的同时,也会给人类带来一定的灾难。

比如基因药物，它不仅能根治遗传性疾病、恶性肿瘤、心脑血管疾病等，甚至人的智力、体魄、性格、外表等亦可随意加以改造；还有,克隆技术如果不加限制，任其自由发展，最终有可能导致人类的毁灭。

还有,尽管目前的转基因动植物还未发现对人类有什么危害，但不等于说转基因动植物就是十分安全的，毕竟这些东西还是新生事物，需要实践慢慢地检验.转基因生物和常规繁殖生长的品种一样，是在原有品种的基础上对其部分性状进行修饰或增加新性状,或消除原来的不利性状，但常规育种是通过自然选择,而且是近缘杂交,适者生存下来，不适者被淘汰掉。

而转基因生物远远超出了近缘的范围，人们对可能出现的新组合、新性状会不会影响人类健康和环境,还缺乏知识和经验，按目前的科学水平还不能完全精确地预测。

所以,我们要在抓住机遇，大力发展基因工程技术的同时,需要严格管理，充分重视转基因生物的安全性.
近两年来我国化学生物学领域的突出进展
时间：2015—04-17 来源:学术堂所属分类：应用化学论文
近年来，化学生物学已经成为具有举足轻重作用的一门新兴交叉学科，是推动未来生命科学和生物医药发展的关键研究领域。

通过充分发挥化学和生物学、医学交叉的优势，化学生物学的研究具有重要的科学意义和应用前景,能够深入揭示生物学新规律,促进新药、新靶标和新的药物作用机制的发现，造福于人类的健康事业，推动社会经济发展。

目前，化学生物学研究已经引起各国政府和全球重要科研机构的高度重视，成为发达国家竞相资助和优先发展的领域之一。

化学生物学研究受到各国政府、科研机构和大制药公司的高度重视。

美国国立健康研究院（NIH）提出的生物医学路线图计划（NIH Ｒoadmap) ，将化学生物学设定为 5 个研究方向之一。

它们还设立了巨额预算作为化学生物学的培训经费以及建立了若干着名的小分子化合物筛选平台。

例如，博大研究院( Broad Institute) 就是一个由哈佛大学和麻省理工学院共建的合作单位,致力于开发在生命科学和医药学中能探究基因组学的新工具.化学遗传学( chemical genetics) 以及化学基因组学（chemical genomics）在该过程中发挥着重要的作用.耶鲁大学基因组和蛋白质组研究中心( YaleUniversity Center for Genomics and Proteomics) 专门成立了化学生物学研究小组，从事化学生物学新技术的开发，并应用于功能基因组等方面的研究中。

美、日和大部分欧洲发达国家的一流大学均建立了化学生物学人才培养计划.各出版机构都相继出版了高水平的化学生物学专业学术杂志，此外
许多生物和化学国际会议也设立了化学生物学分会。

这些努力都极大地推动了国际上化学生物学研究水平的快速进步。

在化学生物学的发展过程中,相继出现了如组合化学、高通量筛选技术、分子进化、基因组（芯片) 技术、单分子和单细胞技术等一系列新技术和新方法，为化学与生物学、医学交叉领域的研究注入了新的内涵和驱动力。

近年来，化学生物学家以小分子探针为主要工具，对细胞生命现象,尤其是细胞信号转导过程中的重要分子事件和机理进行了深入的研究。

通过充分发挥小分子化学探针研究信号转导的优势，探索和阐述信号转导途径的分子事件与规律以及在病理状态下的变化规律，为疾病的诊断和治疗研究探索新的思路。

与此同时，化学生物学在与包括生物化学、分子生物学、结构生物学、细胞生物学等领域的交叉合作越发深入，研究优势越发明显,这也推动了化学、医学、药学、材料科学和生物学科相关前沿的探索研究，现举例介绍目前的一些具体的交叉研究趋势: 第一，生物有机化学与细胞生物学的交叉融合，利用有机化学手段，通过设计合成一系列多样化的分子探针,研究细胞信号转导过程的重要分子机理；第二，药物化学与医学的交叉融合，为了实现“从功能基因到药物”的药物研发模式，采用信号传导过程研究与靶标发现相结合,注重药物靶标功能确证与化合物筛选相融合的研究策略; 第三,化学生物技术与生命科学问题的交叉融合，以化学生物学技术为手段，着重发展针对蛋白质、核酸和糖等生物大分子的特异标记与操纵方法,以揭示它们所参与的生命活动的调控机制; 第四，分析化学与生物学的交叉融合,以化学分析为手段，发展在分子水平、细胞水平或活体动物水平上获取生物学信息的新方法和新技术。

化学在让生命可视、可控、可创造的进程中日益彰显其核心作用.
以下对近两年来我国化学生物学领域取得的突出进展加以具体的归纳和介绍.
1 基于小分子化合物及探针的研究
1. 1 以小分子化合物为探针，深入研究细胞生理、病理活动的调控机制
自吞噬（autophagy) 是细胞内的一个重要降解机制。

中国科学院上海有机化学研究所马大为和美国哈佛大学袁钧英合作，发现spautin—1 可以特异性地抑制泛素化酶USP10 和USP13，进一步促进了VPS34/P13 复合物的降解,导致特异性地抑制自吞噬.他们发现USP10 和USP13 作用于VPS34 / P13 复合物
的亚单位Beclin—1，Beclin-1 是一肿瘤抑制剂，调控P53 的水平。

他们的发现提供了一个蛋白去泛素化调控P53 和Beclin-1 的水平、抑制肿瘤的新机制
[1］。

近年来,细胞坏死逐渐被认为是哺乳动物的发育和生理过程的重要组成部分，并参与了人类的多种病理过程。

雷晓光和王晓东等通过筛选得到 1 个抑制细胞坏死的小分子化合物坏死磺酰胺( necrosulfonamide）。

此前王晓东实验室的研究证实了ＲIP3 的激酶活性在肿瘤坏死因子TNF—α 诱导的细胞坏死过
程中是不可或缺的，并发现MLKL 扮演着ＲIP3 激酶其中1 个底物的角色.这次发现的小分子正是通过特异识别MLKL 而阻止坏死信号的传导［2］，对于设计并开发针对细胞坏死相关疾病的药物起到了极大的提示和推动作用。

裴端卿等继发现维生素C能够显着提高小鼠与人的体细胞重编程效率（效率可以达到约10％) 引起广泛关注之后,进一步研究发现体细胞的组蛋白去甲基化酶
Jhdm1a/1b是维生素C 介导的细胞重编程的关键作用因子.他们发现，维生素C 能够诱导小鼠成纤维细胞H3K36me2 /3 去甲基化，并促进体细胞重编程。

该工作也证明了制约体细胞“变身”的分子障碍是组蛋白H3K36me2/3，而维生素C 能够突破这一障碍从而促进重编程的发生［3］，该工作被选为了《Cell Stem Cell》当期的封面文章。

邓宏魁等通过系列筛选工作，首次发现4 个小分子化合物可以完全替代Yamanaka 四因子,将小鼠体细胞诱导成为多潜能性干
细胞，这项工作将直接导致化学再生医药新领域的产生［4］。

宋保亮等针对胆固醇负反馈调控途径,筛选活性小分子化合物，研究其对代谢性疾病的功能作用,并揭示胆固醇代谢负反馈调控的信号转导机制。

首先他们针对SＲEBP 途径构建报告基因系统，对数千种化合物进行筛选，获得 1 种名为白桦酯醇的小分子化合物,它能够特异性地阻断SＲEBP 的成熟,抑制其活性。

在细胞水平，白桦酯醇能显着抑制胆固醇、脂肪酸和甘油三酯等脂质合成基因的表达，减少脂质合成，降低细胞内脂质含量。

因此，白桦酯醇具有良好的抗动脉粥样硬化作用和Ⅱ型糖尿病的治疗作用［5]。

1。

2 若干细胞关键信号转导通路的研究
李林发现了NC043 和中国科学院昆明植物研究所郝小江发现了天然产物
S3 类似物HLY78两个全新的调节Wnt 信号途径的小分子。

其中，NC043 影响细胞内β-catenin 和TCF4 的相互作用而抑制Wnt 信号途径并抑制结肠癌细胞的生长［6］; S3 抑制经典Wnt 信号途径,并且它发挥作用的主要机制是在细胞核里，这为治疗由于经典Wnt 信号途径异常激活而引起的癌症提供了先导化合物.同时,他们还发现S3 对于不同的经典Wnt 信号途径异常激活的肿瘤细胞系的抑制效率也是不一样的，这为后期探明不同肿瘤细胞系之间的差别和揭示Wnt 信号途径下游转录调控的机理提供了契机。

1。

3 重要靶标、抑制剂和标记物的发现
陈国强等在前期发现从腺花香茶菜中提取的腺花素( Adenanthin) 能够诱导
白血病细胞分化的基础上，成功地捕获了它在细胞内的靶蛋白-——过氧化还原酶（peroxiredoxin) I/II，并依此阐释了白血病细胞分化的新机理［7］.通过对腺花素进行分子改造,并在明确其活性基团后,合成生物素标记的腺花素分子，他们借助蛋白质组学和生物信息学技术平台的支持，以生物素标记的腺花素为“诱饵”，利用蛋白质组学和生物信息学技术，在白血病细胞中“垂钓”腺花素可能结合的蛋白质，结果发现，腺花素能够与过氧化还原酶Prx I和Prx II 共价结合，该工作对白血病的病理研究及治疗都将起到极大的推动作用。

吴乔、林天伟、黄培强等发现了名为TMPA 的化合物，能够通过与吴乔等前期发现的与糖代谢调控密切相关的新靶点—Nur77 的基因转录调控因子的结合，使原先结合Nur77 的LKB1 得到分子释放。

后者能够从细胞核转运到胞浆，并激活直接参与糖代谢调控的重要蛋白激酶AMPK，达到降低血糖目的.
此外，他们还通过晶体结构解析了Nur77-TMPA的复合物晶体，从原子水平上进一步解释了TMPA 结合Nur77 的构象和精确位点,为今后设计和研发新型的糖尿病药物提供了必不可少的结构基础[8]。

该工作所发现的化合物TMPA 或可成为一种新型糖尿病治疗药物的“雏形”,为未来新型糖尿病治疗药物的研发
提供一个全新方向和路径。

杨财广等[9]进行了基于mＲNA 中N6 位甲基化修饰的腺嘌呤（N6-methyladenosine,m6A) 去甲基化酶FTO 结构开展小分子调控的研究，首次获得了对核酸去甲基化酶FTO 具有酶活和细胞活性的小分子抑制剂.张翱、镇学初等［10］针对帕金森氏病治疗过程中出现的异动症进行作用机制研究，阐明了5—羟色胺1A 受体和FosB 基因与异动症的关系，进而发现了同时靶向多巴胺D2 和5—羟色胺1A 受体的新型抗帕金森活性化合物。

1. 4 天然产物分子的生物及化学合成
谭仁祥等通过研究发现了螳螂肠道真菌( Daldinia eschscholzii ) 产生的
结构全新的Dalesconol 类免疫抑制物及其独特的“异构体冗余现象"。

在此基础上，发现Dalesconol 类免疫抑制物是由不同的萘酚通过酚氧游离基耦合产生的,同时发现其“异构体冗余现象”很可能源于真菌漆酶引致的关键中间体优势
构象[11］.该成果不仅为此类免疫抑制物来源问题的解决奠定了重要基础，而且为酚类合成生物学研究提供了新的思路和概念。

萘啶霉素( NDM）、奎诺卡星（QNC）及Ecteinascidin 743 （ET-743）均属于四氢异喹啉生物碱家族化合物，它们都具有显着的抗肿瘤活性,其中ET—743 已发展为第 1 例海洋天然产物来源的抗肿瘤新药。

这 3 种化合物都具有一个独特的二碳单元结构，其生
物合成来源问题一直没有得到解决。

唐功利等［12］在克隆了NDM 和QNC生物合成基因簇的基础上，通过前体喂养标记、体内相关基因敲除—回补以及体外酶催化反应等多种实验手段相结合的方式，阐明了二碳单元的独特生源合成机制: NapB/D 及QncN/L 在催化功能上均属于丙酮酸脱氢酶及转酮醇酶的复合体，它们负责催化二碳单元由酮糖转移至酰基承载蛋白（ACP) 上，而后经过非核糖体蛋白合成( NＲPS)途经进入到最终的化合物中。

这种将基础代谢中的酮糖直接转化为次级代谢所需要的二碳单元在非核糖体肽合成途径中是首次报道。

该研究结果也有助于揭示海洋药物ET—743 独特的二碳单元生物合成来源，为非核糖体聚肽类天然产物的组合生物合成带来新的前体单元。

此外，他们还利用全基因组扫描技术定位了抗生素谷田霉素生物合成的基因簇，通过基因敲除结合生物信息学分析确定了基因簇边界。

谷田霉素可以抑制致病真菌，且对肿瘤细胞表现出极强的毒性（比抗肿瘤药物丝裂霉素的活性高约1000 倍）; 该家族化合物属于DNA 烷基化试剂，典型的结构特征是吡咯吲哚环上的环丙烷结构.在对突变株的发酵检测中成功分离、鉴定了中间体YTM-T 的结构,并结合体外生化实验揭示了一类同源于粪卟啉原III—氧化酶( Coproporphyrinogen III oxidase)
的甲基化酶以自由基机理催化YTM-T 发生C—甲基化[13]，这是此类蛋白催化自由基甲基化反应的首例报道，为下一步阐明YTM 结构中最重要的环丙烷部分生物合成途径奠定了基础。

Pyrroindomycins( PTＲ) 是能够有效对抗各类耐药病原体的一种天然产物，它含有 1 个环己烯环螺连接的tetramate这一独特的结构。

刘文等［14］通过对PYＲ生物合成的研究揭示了 2 个新的蛋白质,均能够单独在体外通过迪克曼环化反应将N-乙酰乙酰基的—l-丙氨酰硫酯转化成tetramate。

这一工作揭示了一种通过酶的方式首先生成C—X（X＝O 或N)键,然后再生成C—C 键来构建 5 元杂环的生物合成途径。

1. 5 金属催化剂在活细胞及信号转导中的应用
利用化学小分子在活体环境下实现生物大分子的高度特异调控是化学生物学领域的前沿热点问题之一.作为生物体内含量最多的一类生物大分子，蛋白质几乎参与了所有的生命活动，因此“在体”研究与调控其活性及生物功能意义重大。

与发展较为成熟的蛋白质活性抑制剂及相应的“功能缺失性"研究相比，小分子激活剂对于研究蛋白质的结构与功能更为有效。

这主要是因为后者可以在活细胞及活体动物、组织内实现“功能获得性”研究，从而为目标蛋白质在天然环境下的功能及其在生命活动中扮演的角色提供更准确和细致的信息.然而，通过小分子实现蛋白质的原位激活是一项极具挑战性的任务，目前大多数成功的例子都来源于大规模小分子库筛选而获得的针对某一特殊蛋白质靶标的“别构剂"，而没有
一种广泛适用于不同类型蛋白质的普适性小分子激活策略。

陈鹏课题组通过将基于钯催化剂的“脱保护反应”与非天然氨基酸定点插入技术相结合，首次利用小分子钯催化剂激活了活细胞内的特定蛋白质［15］。

该方法通过将一种带有化学保护基团的赖氨酸( 炔丙基碳酸酯-赖氨酸，Proc-赖氨酸) 以非天然氨基酸的形式定点取代目标蛋白质上关键活性位点的天然赖氨酸，使蛋白质的活性处于“关闭“状态。

利用能够高效催化“脱保护反应"的钯化合物，他们在活细胞内实现了蛋白质侧链的原位脱保护反应（Proc—赖氨酸向天然赖氨酸的转化) ，使该蛋白质重新回到“开启”状态，实现“原位"激活。

这一策略的优势在于将非天然氨基酸直接插入了目标蛋白质酶的催化活性位点，使其处于完全“关闭”的状态；而在激活过程中只要产生少量的处于“开启”状态的蛋白质就足以对其功能及相关生
物学功能进行研究。

利用这一技术,他们深入研究了一种细菌三型分泌系统的毒素效应蛋白OspF（磷酸丝氨酸裂解酶)对宿主细胞内的胞外信号调节激酶（Erk) 参与的信号转导通路的影响，并证明了该方法可作为普适性平台,为活细胞及活体内的生物大分子激活提供了新的策略和工具。

2 基于蛋白质和多肽的研究
李艳梅课题组长期致力于化学合成糖肽疫苗和免疫学研究，取得了一系列成果。

现阶段化学合成疫苗的研究主要存在两大问题: 一是需要寻找有效的特异性抗原，以区分正常组织和病变组织，二是需要寻找疫苗体系以打破免疫耐受，促进机体免疫反应。

针对第 1 个问题,他们以MUC1糖肽为骨架，合成了具有不同糖基化修饰的肿瘤相关糖肽抗原。

以牛血清白蛋白为载体,筛选表位,并研究构效关系，发现T9 位苏氨酸的糖基化修饰对糖肽的免疫原性具有至关重要的影响。

针对第2 个问题,他们对疫苗进行了结构优化，通过T 细胞表位、免疫刺激剂和自组装片段等策略提高免疫反应效果，设计合成了两组分疫苗、三组分疫苗以及自组装疫苗等一系列高效的疫苗，能够产生高强度的IgG 抗体，同时可以通过疫苗分子调节体液免疫和细胞免疫。

这些疫苗产生的抗体能够结合并通过补体依赖细胞毒性作用杀死瘤细胞.该研究为进一步的疫苗研究打下了坚实的基础[16，17］。

目前，治疗癌症的主要方法仍然是化疗法。

利用能够特异性靶向癌细胞的药物可以减少药物的负效应，提高癌症患者的治愈率.不同类型的纳米载体，如脂质体类、多聚纳米颗粒、嵌段共聚物胶团和树枝状高分子,常用于抗癌药物的靶向性释放。

为了更大地提高抗癌药物的特异性释放效率，多种方法被相继开发，例如,将叶酸配体引入纳米载体引导药物靶向癌细胞的特定部位，将对生理特性的环境敏感分子( 酸度敏感分子、温控分子以及特定酶响应分子）引入纳米载体用于体内特定环境的释放。

刘克良等［18］制备了外围为疏水性含有叶酸修饰的聚乙二醇( PEG) 而核心为超顺磁性Fe3O4。