第十五章 基因重组与基因工程

    自1973年 Stanley Cohen等人首次在体外将重组的 DNA分子形成无性繁殖系以来；

经历了对多年时间，科学家们分离、分析及操作基因的能力几乎达到无所不能的地步；

当代科学家可以从细菌数千个基因、哺乳类动物数万个基因中分离某一目的基因；他们

还能使外源基因在一定的受体细胞或宿主体内成功地表达有特殊生物学意义的蛋白质c

不仅如此，人们甚至雄心勃勃地计划描绘人类的全部基因图谱，搞清楚每个基因的结构

及功能，这就是1990年开始实施的人类基因组工程。重组DNA技术作为分子生物学发

展的一个重要领域；不但为生命科学的理论研究提供了崭新的技术手段，而且为工农业

生产和医学领域的发展开辟了广阔的前景。分子医学正是重组DNA技术与医学实践相

结合的结果。

               第一节     自然界的基因转移和重组

    自然界不同物种或个体之间的基因转移和重组是经常发生的，它是基因变异和物种

演变、进化的基础。人类在进行基因克隆、动物克隆、植物克隆以及基因治疗等科学实

验和实践中所进行的基因操作也离不开基因转移和重组。这种人工操作基因的过程就是

重组DNA技术。重组DNA技术正是基于人们对自然界基因转移和重组的认识而发展起

来的。

                          一、接合作用

    当细胞与细胞、或细菌通过菌毛相互接触时，质粒DNA（见本章第二节）就可从一

个细胞（细菌）转移至另一细胞（细菌），这种类型的DNA转移称为接合作用（ conjugation）。并非任何质粒DNA都有这种转移能力，只有某些较大的质粒，如  F因子（F factor）方可通过接合作用从～个细胞转移至另一个细胞。  F因子含细菌性鞭毛蛋白编码基因，决定细菌表面性鞭毛的形成。当含有F因子的细菌(F+细胞）与没有F因子的细菌（F-细胞）相遇时，性鞭毛连接就会在两细胞间形成，接着质粒双链DNA中的一条链就会被酶切割、产生单链缺口，切口单链DNA通过鞭毛连接桥向F-细胞转移。随后，在两细胞内分别以单链DNA为模板合成互补链（图15－l）。

                        二、转化及转导作用

    除接合作用外，细菌还可通过转化和转导作用获得新DNA。

    （－）转化作用    通过自动获取或人为地供给外源DNA，使细胞或培养的受体细胞获得新的遗传表型，这就是转化作用(transformation）。例如。当溶菌时，裂解的DNA片段作为外源DNA被另一细菌摄取，并通过重组机制将外源DNA整合进基因组，受体菌就会获得新的遗传性状，这就是自然界发生的转化作用（图15－2）。但是，由于较大的外源DNA不易透过细胞膜，因此自然界发生的转化作用效率并不高，染色体整合几率则更低。

   （二）传导作用

    当病毒从被感染的（供体）细胞释放出来、再次感染另一（受体）细胞时，发生在供体细胞与受体细胞之间的DNA转移及基因重组即为转导作用（transduction）。自然界常见的例子就是由噬菌体感染宿主时伴随发生的基因转移事件（图15-3）。当噬菌体感染宿主时会有两种结局：一种是噬菌体DNA在宿主菌内迅速增殖，产生新的病毒颗粒，并溶解细菌、释放出新生噬菌体，这就是所谓的溶菌生长途径（lysis pathway）；另一种是噬菌体DNA整合进宿主染色体，随宿主DNA复制而被动复制，这就是溶源菌生长途径（lysogenic pathway）。在溶原菌生长方式中，噬菌体（此时称原噬菌体）与宿主菌（称溶原菌）“和平共处”可维持无数代，直到宿主遭遇特殊事件（如 DNA损伤诱发SOS反应）使原噬菌体DNA从细菌染色体上被切下，进入溶菌途径。当原噬菌体DNA被从细菌染色体上切除时，如果有部分宿主DNA被随着切下，新生的噬菌体在下次感染细菌时就可能将前～宿主DNA转移至新的宿主细胞，发生转导作用。

                              三、转座

    大多数基因在基因组内的位置是固定的，但有些基因可以从一个位置移动到另一位置。这些可移动的DNA序列包括插人序列和转座子。由插入序列和转座子介导的基因移位或重排称为转座（transposition）。转座的确切机制目前尚不十分清楚。这里仅简单介绍插入序列和转座子的概念。

    （－）插入序列转座

    典型的插入序列（insertion sequence，  IS）是长 750－ 1500 hp的 DNA片段，其中包括两个分离的、由  9－ 41bp构成的反向重复序列（ inverted  repeats）及一个转座酶（transposase）编码基因，后者的表达产物可引起转座（transposihon）。反向重复序列的侧翼连接有短的（4－12bp）、不同的插入序列所特有的正向重复序列。插入序列发生的转座有

两种形式：保守性转座（conservative transposition）是插入序列从原位迁至新位；复制性转

座（dupicative transposition）是插入序列复制后，其中的一个复制本迁移至新位，另一个

仍保留在原位（图 15－4）。

    （二）转座子转座

    转座子（transposons）就是可从一个染色体位点转移至另一位点的分散的重复序列。

与插入序列类似，转座子也是以两个反向重复序列为侧翼序列，并含有转座酶基因；与

插入序列不同的是，它们含有抗生素抗性等有用的基因。在很多转座子中，它的侧翼序