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1.3 分子生物学的现状和展望
作者:生科院    文章来源:西北农林科技大学    点击数:3499    更新时间:2011/4/15
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70年代后,分子生物学理论和技术发展的积累导致出现了基因工程技术。利用分子生物学理论和技术,人类进入了认识生命和改造生命的新时期。

 

1.3.1 重组DNA技术的建立和发展

1967-1970年R.Yuan和H.O.Smith等发现的限制性核酸内切酶为基因工程提供了有力的工具。

 

1972年Berg等将SV-40病毒DNA与噬菌体P22DNA在体外重组成功,转化大肠杆菌,使在真核细胞中合成的蛋白质能在细菌中表达,打破了种属界限。

 

1977年Boyer等首先将人工合成的生长激素释放抑制因子14肽的基因重组入质粒,成功地在大肠杆菌中合成得到这14肽。

1978年Itakura(板仓)等使人生长激素191肽在大肠杆菌中表达成功。

 

1979年美国基因技术公司用人工合成的人胰岛素基因重组转入大肠杆菌中合成人胰岛素。

至今我国已有人干扰素、人白介素2、人集落刺激因子、重组人乙型肝炎疫苗、基因工程幼畜腹泻疫苗等多种基因工程药物和疫苗进入生产或临床试用。

 

世界上还有几百种基因工程药物及其它基因工程产品在研制中,成为当今农业和医药业发展的重要方向,将对医学和工农业发展作出新贡献。

转基因和基因剔除动植物的成功是基因工程技术发展的结果。

 

1982年Palmiter等将克隆的生长激素基因导入小鼠受精卵细胞核内,培育得到比原小鼠个体大几倍的“巨鼠”。

 

我国水生生物研究所将生长激素基因转入鱼受精卵,得到的转基因鱼的生长加快、个体增大。

2002年,日本培育出带菠菜基因的转基因猪。

2005年湖北农科院培育出含人血清蛋白的转基因猪。

1998年,上海医学遗传研究所的转基因羊诞生,导入凝血因子Ⅸ基因的转基因绵羊分泌的乳汁中富含凝血因子Ⅸ,用于血友病。

 

给动物体转入生长激素基因并带上一个金属硫蛋白基因的启动子。使大量表达生长激素。转基因鲑鱼在同一生长期内平均重量要比普通鲑鱼重11倍。

 

1994年能比普通西红柿保鲜时间更长的转基因西红柿投放市场。反义掉多聚半乳糖醛酸酶基因的表达。

 

1996年转基因玉米、转基因大豆相继投入商品生产,美国最早研制得到抗虫棉花,我国科学家将自己发现的蛋白酶抑制剂基因转入棉花获得抗棉铃虫的棉花株。

2000年全世界已近4000万公顷土地种植转基因植物。

 

玉米螟侵害和真菌感染的普通玉米与Bt玉米

 

1996-2001年全球转基因植物种植面积(公顷)

 

 

2001年转基因植物种植面积比例

 

大花斑纹蝴蝶幼虫

第二代转基因米

 

 

 

瑞士联邦理工学院的波特里科斯等人培育的 “金大米”。向水稻中转入4种酶的基因,使水稻能合成Β-胡萝卜素。大米中含有的肌醇六磷酸能与铁结合而影响人对铁的吸收。金大米中还转入3种基因:无花果曲霉的酶基因,它可降解肌醇六磷酸;菜豆的铁蛋白基因,铁蛋白能够储存铁;印度香米的基因,它生产的蛋白质有助于人的肠道吸收铁。

 

 

基因诊断与基因治疗是基因工程在医学领域发展的一个重要方面。

1991年美国向一患先天性免疫缺陷病(遗传性腺苷脱氨酶ADA基因缺陷)的女孩体内导入重组的ADA基因,获得成功。

 

我国也在1994年用导入人凝血因子Ⅸ基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者。

在我国用作基因诊断的试剂盒已有近百种之多。基因诊断和基因治疗正在发展之中。

 

基因工程的迅速进步得益于许多分子生物学新技术的不断涌现。

核酸的化学合成从手工发展到全自动合成,1975~1977年Sanger、Maxam和Gilbert先后发明了三种DNA序列的快速测定法。

 

90年代全自动核酸序列测定仪的问世。

1985年Cetus公司Mullis等发明的聚合酶链式反应(PCR)的特定核酸序列扩增技术,更以其高灵敏度和特异性被广泛应用,对分子生物学的发展起到了重大的推动作用。

 

1.3.2 基因组研究的发展

分子生物学已从研究单个基因发展到研究生物整个基因组的结构与功能。

1977年Sanger测定了ΦX174-DNA全部5375个核苷酸的序列。

 

1978年Fiers等测出SV-40DNA全部5224对碱基序列。

80年代λ噬菌体DNA全部48,502碱基对的序列全部测出;一些小的病毒包括乙型肝炎病毒、艾滋病毒等基因组的全序列也陆续被测定。

1996年底科学家共同努力测出了大肠杆菌基因组DNA的全序列长4×106碱基对。

 

1990年人类基因组计划(Human Genome Project)开始实施,这是生命科学领域有史以来全球性最庞大的研究计划,将在2005年时测定出人基因组全部DNA3×109碱基对的序列、确定人类约2~2.5万个基因(有报道是19599个)的一级结构。

 

2000年底美国已测定出了拟南芥(Arabidopsis thaliana)DNA的全部碱基序列。阿拉伯芥有2.7万个基因,小利线虫有1.95万个基因。

2001年初,美国测定出了水稻的基因组图谱;完成了人类基因组草图框架。

 

1.3.3 单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展

1975年Kohler和Milstein首次用B淋巴细胞杂交瘤技术制备出单克隆抗体以来,人们利用这一细胞工程技术研制出多种单克隆抗体,为许多疾病的诊断和治疗提供了有效的手段。

 

80年代以后随着基因工程抗体技术而相继出现的单域抗体、单链抗体、嵌合抗体、重构抗体、双功能抗体等为广泛和有效的应用单克隆抗体提供了广阔的前景。

 

1.3.4 基因表达调控机理

分子遗传学基本理论建立者Jacob和Monod最早提出的操纵元学说,在分子遗传学基本理论建立的60年代,主要认识了原核生物基因表达调控的一些规律,70年代后逐渐认识了真核基因组结构和调控的复杂性。

 

1977年最先发现猴SV40病毒和腺病毒中编码蛋白质的基因序列是不连续的,这种基因内部的间隔区(内含子)在真核基因组中是普遍存在的,揭开了认识真核基因组结构和调控的序幕。

1981年Cech等发现四膜虫rRNA的自我剪接,从而发现核酶(ribozyme)。

 

80-90年代,使人们逐步认识到真核基因的顺式调控元件与反式转录因子、核酸与蛋白质间的分子识别与相互作用是基因表达调控根本所在。

1990年Jorgensen通过转基因影响牵牛花颜色时发现了一个不能解释的现象。1998年Andrew Fire发现dsRNA可阻断基因表达,提出了RNAi。

 

1.3.5 细胞信号转导机理研究成为新的领域

1957年Sutherland发现cAMP、1965年提出第二信使学说,是认识受体介导的细胞信号转导的第一个里程碑。

1977年Ross等用重组实验证实G蛋白的存在和功能,将G蛋白与腺苷环化酶的作用相联系起来,深化了对G蛋白偶联信号转导途径的认识。

 

70年代中期以后,癌基因和抑癌基因的发现、蛋白酪氨酸激酶的发现及其结构与功能的研究、各种受体蛋白基因的克隆和结构功能的探索等。

目前对某些细胞中的一些信号转导途径已经有初步认识,尤其是在免疫活性细胞对抗原的识别及其活化信号的传递途径方面和细胞增殖控制方面等都形成了一些基本的概念。

 

1.3.6  分子生物学的发展前景

在50年中,分子生物学是生命科学范围发展最为迅速的一个前沿领域,并推动着整个生命科学的发展。

 

分子生物学已建立的基本规律给人们认识生命的本质指出了光明的前景,但分子生物学的发展还要经历漫长的研究道路。

在地球上千姿百态的生物携带庞大的生命信息,迄今人类所了解的只是极少的一部分,还未认识核酸、蛋白质组成生命的许多基本规律;

 

即使我们已经获得人类基因组DNA3×109bp的全序列,确定了人基因的一级结构,但是要彻底搞清楚这些基因产物的功能、调控、基因间的相互关系和协调,要理解80%以上不为蛋白质编码的序列的作用等等,都还要经历艰辛的研究道路。

 

随着分子生物学的发展和人类对生命的认识,21世纪分子生物学的发展将进入一个新时代。

功能基因组学:是应用基因组学的知识和工具来了解影响发育和整个生物体的特定序列表达谱。

 

蛋白质组学:一个基因组所表达的全部蛋白质;或细胞内的全部蛋白质。在特定时间、特定环境和实验条件下基因组活跃表达的蛋白质,称为功能蛋白质组学。

生物信息学:利用数据库、计算机网络和应用软件等对DNA和蛋白质序列资料中各类信息进行识别、存储、分析、模拟和传输的一门科学。

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