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基因(遺傳因子)是遺傳的物質基礎,是DNA(脫氧核糖核酸)分子上具有遺傳信息的特定核苷酸序列的總稱,攜帶有遺傳信息的DNA序列,是具有遺傳效應的DNA分子片段,是控制性狀的基本遺傳單位,通過指導蛋白質的合成來表達自己所攜帶的遺傳信息,從而控制生物個體的性狀表現。

1 基因 -簡介

基因(Gene,Mendelian factor)基因(Gene,Mendelian factor)

基因(Gene,Mendelian factor),也稱為遺傳因子。是指攜帶有遺傳信息的DNA序列,是控制性狀的基本遺傳單位。基因通過指導蛋白質的合成來表達自己所攜帶的遺傳信息,從而控制生物個體的性狀表現。

現代遺傳學認為,基因是DNA分子上具有遺傳效應的特定核苷酸序列的總稱,是具有遺傳效應的DNA分子片段。

基因位於染色體上,並在染色體上呈線性排列。基因不僅可以通過複製把遺傳信息傳遞給下一代,還可以使遺傳信息得到表達,也就是使遺傳信息以一定的方式反映到蛋白質的分子結構上,從而使後代表現出與親代相似的性狀。

一個基因要有正常的生理機能,它的幾個正常組成部分一定要位於相繼鄰接的位置上,也就是說核苷酸要排成一定的次序,才能決定一種蛋白質的分子結構。假使幾個正常組成部分分處於兩個染色體上,理論上就是核苷酸的種類和排列改變了,這樣就失去正常的生理機能。所以,基因不僅是一個遺傳物質在上下代之間傳遞的基本單位,也是一個功能上的獨立單位。

2 基因 -英文簡述

  A gene is a set of segments of nucleic acid that contains the information necessary to produce a functional RNA product in a controlled manner. They contain regulatory regions dictating under what conditions this product is made, transcribed regions dictating the sequence of the RNA product, and/or other functional sequence regions. The physical development and phenotype of organisms can be thought of as a product of genes interacting with each other and with the environment,and genes can be considered as units of inheritance.

特點

基因有兩個特點:一是能忠實地複製自己,以保持生物的基本特徵;二是基因能夠「突變」,突變大絕大多數會導致疾病,另外的一小部分是非致病突變。非致病突變給自然選擇帶來了原始材料,使生物可以在自然選擇中被選擇出最適合自然的個體。

3 基因 -概念

基因概念的提出

基因基因——遺傳的密碼

遺傳學的奠基人奧地利人孟德爾(Gregor Johann Mendel 1822年—1884年),在布爾諾(Brno, 德Brünn,現屬捷克)的奧古斯丁教派修道院的菜園裡,揮灑了8年的汗水,於1865年2月在奧地利自然科學學會會議上報告了自己植物雜交研究結果,第二年在奧地利自然科學學會年刊上發表了著名的《植物雜交試驗》的論文,發現了遺傳學的兩個基本規律——分離律和自由組合規律。文中指出,生物每一個性狀都是通過遺傳因子來傳遞的,遺傳因子是一些獨立的遺傳單位。這樣把可觀察的遺傳性狀和控制它的內在的遺傳因子區分開來了,遺傳因子作為基因的雛形名詞誕生了。基因的存在最早是由他在19世紀推斷出來的,並不是觀察的結果。在達爾文發表進化論后不久,他試圖通過對豌豆進行試驗來對此解釋該理論。但是直到19世紀末他的研究才被人們所重視。雖然孟德爾還不知道這種物質是以怎樣的方式存在,也不知道它的結構是怎樣的,但孟德爾「遺傳因子」的提出畢竟為現代基因概念的產生奠定了基礎。

薩頓和鮑維里兩人注意到在雜交試驗中遺傳因子的行為與減數分裂和受精中染色體的行為非常吻合,他們作出「遺傳因子位於染色體上」的「薩頓—鮑維里假想」:他們根據各自的研究,認為孟德爾的「遺傳因子」與配子形成和受精過程中的染色體傳遞行為具有平行性,並提出了遺傳的染色體學說,認為孟德爾的遺傳因子位於染色體上,即承認染色體是遺傳物質的載體,第一次把遺傳物質和染色體聯繫起來。這種假想可以很好地解釋孟德爾的兩大規律,在以後的科學實驗中也得到了證實。1909年丹麥遺傳學家約翰遜(W.Johansen 1859~1927)在《精密遺傳學原理》一書中提出「基因」概念,以此來替代孟德爾假定的「遺傳因子」。從此,「基因」一詞一直伴隨著遺傳學發展至今。基因一詞來自希臘語,意思為「生」。約翰遜還提出了「基因型」與「表現型」這兩個含義不同的術語,初步闡明了基因與性狀的關係。不過此時的基因仍然是一個未經證實的,僅靠邏輯推理得出的概念。

基因概念的進一步發展

在一項的研究中,美國格萊斯頓病毒學與免疫學研究所的Warner C. Greene與同事證明,基因Rfv3就是基因Apobec3(一個帶有抗逆轉錄病毒活性的先天免疫基因)。70年代后,基因的概念隨著多學科滲透和實驗手段日新月異又有突飛猛進的發展,主要有以下幾個方面: 

1、基因具重疊性。1977年桑格(F. Sanger)領導的研究小組,根據大量研究事實繪製了共含有5375個核苷酸的ΦX174噬菌體DNA鹼基順序圖,第一次揭示了遺傳的一種經濟而巧妙的編排——B和E基因核苷酸順序分別與A和D基因的核苷酸順序的一部分互相重疊。當然它們各有一套讀碼結構,且基因末端密碼也有重疊現象(A基因終止密碼子TGA和C基因起始密碼子ATG重疊2個核苷酸;D基因的終止密碼子TAA與J基因起始密碼子ATG互相重疊1個核苷酸,順序為TAATG) 

2、內含子和外顯子。人們在研究小雞卵清蛋白基因時發現其轉錄形成的mRNA只有該基因長度的1/4,其原因是基因中一些間隔序列的轉錄物在RNA成熟過程中被切除了。這些間隔序列叫內含子,基因中另一些被轉錄形成RNA的序列叫外顯子。小雞的卵清蛋白基因中至少含7個內含子。因而從基因轉錄效果看,基因由外顯子和內含子構成。

3、管家基因和奢侈基因。具有相同遺傳信息的同一個體細胞間其所利用的基因並不相同,有的基因活動是維持細胞基本代謝所必須的,而有的基因則在一些分化細胞中活動,這正是細胞分化、生物發育的基礎。前者稱為管家基因,而後者被稱為奢侈基因。 

4、基因的遊動性。早在20世紀40年代美國遺傳學家麥克林托克(B.McClintock)在玉米研究中發現「轉座因子」,直至1980年夏皮羅(J.Shapiro)等人證實了可移位的遺傳基因存在,說明某些基因具有遊動性。為此,這位「玉米夫人」榮獲了1983年度諾貝爾獎。

所有這些成果無疑給基因概念中注入鮮活科學的內容,幫助人們揭開層層面紗去更加全面了解基因的真面目。時代在發展,科學在進步,基因概念的深入發展,必將對人類的文明進步產生強大的推動作用。

4 基因 -遺傳物質

關於遺傳物質基礎,科學家早就有所臆測。1864年英國哲學家斯賓塞曾提出「生理單位」,1868年達爾文將其稱為「微芽」,1884年瑞士植物學家馮內格列稱之為「異胞質」,1889年荷蘭學者德弗里斯稱為「泛生子」。

1883年德國魏斯曼稱之為「種質」,並指明生殖細胞中的染色體便是種質,認為種質是遺傳的,體質不遺傳,種質影響體質,而體質不影響種質。這在理論上為重新發現和廣為人們接受的孟德爾遺傳規律鋪平了道路。

基因證明遺傳物質是DNA的實驗

1928年英國細菌學家Frcdrick Griffith利用肺類雙球菌(Streptcoccus pneumoniae )的光滑型(有莢膜,毒性強,可引起動物發生肺炎,簡稱S型)和粗糙型(無莢膜,不引起疾病,簡稱R型)分別給小鼠注射,S型使小鼠死亡,R型不使小鼠致死;若將S型加熱殺死再注入小鼠體內,小鼠不死;若將加熱殺死後的S型與R型混合,並給小鼠注入,則小鼠死亡並在小鼠體內發現S型。他們的結論是:可能是死細菌中的某一成分(轉化源,transforming principle)將無致病能力的細菌轉化為病原細菌。

1944年,美O.T. Avery等為了尋找導致細菌轉化的原因,他們發現從S 型肺炎球菌中提取的DNA與R型肺炎球菌混合后,能使某些R型菌轉化為S型菌,且轉化率與DNA純度呈正相關,若將DNA預先用DNA酶降解,轉化就不發生。結論是:S型菌的DNA將其遺傳特性傳給了R型菌,DNA就是遺傳物質。從此核酸是遺傳物質的重要地位才被確立,人們把對遺傳物質的注意力從蛋白質移到了核酸上。

T2同位素標記感染實驗T2同位素標記感染實驗

 1952年美國冷泉港卡內基遺傳學實驗室的Hershey及其學生Chase利用噬菌體同位素標記感染實驗,進一步證明了DNA是遺傳物質。他們將噬菌體外殼的蛋白質用35S標記,核酸用32P標記,結果進入宿主細胞能複製的是32P標記的核酸,35S蛋白質外殼留在宿主細胞的外面。

1956年德國科學家Fraenkel-Conrot將煙草花葉病病毒的蛋白質和RNA分別提取出來,分別塗抹在健康的煙草葉子上,結果只有塗抹RNA的葉片的病,而塗抹蛋白質組分的葉片不得病。這就證明在不具有DNA的病毒中,RNA是遺傳物質。

5 基因 -結構與功能

DNA示意圖DNA示意圖

關於基因的本質確定后,人們又把研究視線轉移到基因傳遞遺傳信息的過程上。在20世紀50年代初人們已懂得基因與蛋白質間似乎存在著相應的聯繫,但基因中信息怎樣傳遞到蛋白質上這一基因功能的關鍵課題在20世紀60年代至20世紀70年代才得以解決。

從1961年開始,尼倫伯格(M.W. Nirenberg)和科拉納(H.G. Khorana)等人逐步搞清了基因以核苷酸三聯體為一組編碼氨基酸,並在1967年破譯了全部64個遺傳密碼,這樣把核酸密碼和蛋白質合成聯繫起來。然後,沃森和克里克等人提出的「中心法則」更加明確地揭示了生命活動的基本過程。

1970年特明(H.M. Temin)以在勞斯肉瘤病毒內發現逆轉錄酶這一成就進一步發展和完善了「中心法則」,至此,遺傳信息傳遞的過程已較清晰地展示在人們的眼前。過去人們對基因的功能理解是單一的即作為蛋白質合成的模板。但是1961年法國雅各布(F. Jacob)和莫諾(J.L. Monod)的研究成果,又大大擴大了人們關於基因功能的視野。他們在研究大腸桿菌乳糖代謝的調節機制中發現了有些基因不起合成蛋白質模板作用,只起調節或操縱作用,提出了操縱子學說。從此根據基因功能把基因分為結構基因、調節基因和操縱基因。

結構基因和調控基因

根據操縱子學說,並不是所有的基因都能為肽鏈進行編碼。於是便把能為多肽鏈編碼的基因稱為結構基因,包括編碼結構蛋白和酶蛋白的基因,也包括編碼阻遏蛋白或激活蛋白的調節基因。有些基因只能轉錄而不能翻譯,如tRNA基因和rRNA基因。還有些DNA區段,其本身並不進行轉錄,但對其鄰近的結構基因的轉錄起控制作用,被稱為啟動基因和操縱基因。啟動基因、操縱基因與其控制下的一系列結構基因組成一個功能單位叫做操縱子(operon)。就其功能而言,調節基因、操縱基因和啟動基因都屬於調控基因。這些基因的發現,大大拓寬了人們對基因功能及相互關係的認識。

斷裂基因

20世紀70年代中期,法國生物化學家查姆幫(Chamobon)??發現,細胞內的結構基因並非全部由編碼序列組成,而是在編碼序列中間插入無編碼作用的鹼基序列,這類基因被稱為間隔或斷裂基因。這一發現於1977年被英國的查弗里斯和荷蘭的弗蘭威爾在研究兔β-球蛋白結構時所證實。1928年,生化學家吉爾伯特(Gilbert)提出基因是一個轉錄單位的設想,他認為基因是一個嵌合體,包含兩個區段:一個區段由遺傳密碼組成,將被表達,稱為「外顯子」;一個區段由非遺傳密碼組成,將在mRNA中被刪除,稱為「內含子」。近年來的研究發現,原核生物的基因一般是連續的,在一個基因的內部沒有非遺傳密碼的序列(即不含「內含子」),而真核生物的絕大多數基因都是不連續的斷裂基因。斷裂基因的表達程序是:整個基因先轉錄成一條長RNA前體,其中的非編碼序列被一種稱為「剪接」的酶切除,兩端再相互連接成一條連續的密碼順序,以形成成熟的mRNA。DNA分子斷裂基因的存在為基因功能的發展賦予了更大的潛力。

重疊基因

長期以來,人們一直認為在同一段DNA序列內是不可能存在重疊的讀碼結構的。但是,1977年,維納(Weiner)在研究Q0病毒的基因結構時,首先發現了基因的重疊現象。1978年,費爾(Feir)和桑戈爾(Sangor)在研究分析φX174噬菌體的核苷酸序列時,也發現由5375個核苷酸組成的單鏈DNA所包含的10個基因中有幾個基因具有不同程度的重疊,但是這些重疊的基因具有不同的讀碼框架。以後在噬菌體G4、MS2和SV40中都發現了重疊基因。基因的重疊性使有限的DNA序列包含了更多的遺傳信息,是生物對它的遺傳物質經濟而合理的利用。

假基因

1977年,G·Jacp在對非洲爪贍5SrRNA基因簇的研究后提出了假基因的概念,這是一種核苷酸序列同其相應的正常功能基因基本相同,但卻不能合成出功能蛋白質的失活基因。假基因的發現是真核生物應用重組DNA技術和序列分析的結果。現已在大多數真核生物中發現了假基因,如Hb的假基因、干擾素、組蛋白、α球蛋白和β球蛋白、肌動蛋白及人的rRNA和tRNA基因均含有假基因。由於假基因不工作或無效工作,故有人認為假基因,相當人的痕迹器官,或作為後補基因。

移動基因

1950年,美國遺傳學家麥克林托卡在玉米染色體組中首先發現移動基因。她發現玉米染色體上有一種稱為Ds的控制基因會改變位置,同時引起染色體斷裂,使其離開或插入部位鄰近的基因失活或恢復恬性,從而導致玉米籽粒性狀改變。這一研究當時並沒有引起重視。20世紀60年代未,英國生物化學家夏皮羅和前西德生物化學家西特爾分別在細菌中發現一類稱為插入順序的可移動位置的遺傳因子,20世紀70年代早期又發現細菌質粒的某些抗藥性可移動的基因,到20世紀80年代已發現這類基因至少有20種。20世紀90年代之前,科學家終於用實驗證明了麥克林托卡的觀點,移動基因不僅能在個體的染色體組內移動,並能在個體間甚至種間移動。現已了解到真核細胞中普遍存在移動基因。基因移動性的發現不僅打破了遺傳的DNA恆定論,而且對於認識腫瘤基因的形成和表達,以及生物演化中信息量的擴大等研究工作也將提供新的啟示和線索。

6 基因 -人類基因組研究

人類只有一個基因組,大約有5-10萬個基因。人類基因組計劃是美國科學家於1985年率先提出的,旨在闡明人類基因組30億個鹼基對的序列,發現所有人類基因並搞清其在染色體上的位置,破譯人類全部遺傳信息,使人類第一次在分子水平上全面地認識自我。 

為了破譯人體DNA分子的全部核苷酸順序,建立完整的遺傳信息資料庫,由多國政府支持的人體基因組計劃在1989年啟動,先後有美、英、日、德、法及中國等6個國家參與,並於2003年4月宣布完成人類基因組序列繪製。此後,有塞萊拉遺傳信息公司等多家公司和實驗室先後宣布獨立或聯合破譯人體基因組。破譯人類基因組序列這一生命科學成就將促進生物學的不同領域如神經生物學、細胞生物學、發育生物學等的發展;醫學也將從中獲得極大益處,5000多種遺傳性疾病以及惡性腫瘤、心血管疾病和其它嚴重危害人類的疾病,都有可能得到預測、預防、早期診斷和治療。

1990年,美國啟動「人類基因組計劃」,拉開解讀和研究遺傳物質DNA的序幕,截至2009年10月20日,全世界已有5973種生物進行基因組測序,其中已完成發表的有1117種。

7 基因 -基因突變

基因突變是指由於DNA鹼基對的置換、增添或缺失而引起的基因結構的變化,亦稱點突變。在自然條件下發生的突變叫自發突變,由人工利用物理因素或化學藥劑誘發的突變叫誘發突變。基因突變是生物變異的主要原因,是生物進化的主要因素。在生產上人工誘變是產生生物新品種的重要方法。 根據基因結構的改變方式,基因突變可分為鹼基置換突變和移碼突變兩種類型。

鹼基置換突變

由一個錯誤的鹼基對替代一個正確的鹼基對的突變叫鹼基置換突變。例如在DNA分子中的GC鹼基對由CG或AT或TA所代替,AT鹼基對由TA或GC或CG所代替。鹼基替換過程只改變被替換鹼基的那個密碼子,也就是說每一次鹼基替換隻改變一個密碼子,不會涉及到其他的密碼子。引起鹼基置換突變的原因和途徑有兩個。一是鹼基類似物的摻入,例如在大腸桿菌培養基中加入5-溴尿嘧院(BU)后,會使DNA的一部分胸腺嘧啶被BU所取代,從而導致AT鹼基對變成GC鹼基對,或者GC鹼基對變成AT鹼基對。二是某些化學物質如亞硝酸、亞硝基胍、硫酸二乙酯和氮芥等,以及紫外線照射,也能引起鹼基置換突變。

移碼突變

基因中插入或者缺失一個或幾個鹼基對,會使DNA的閱讀框架(讀碼框)發生改變,導致插入或缺失部位之後的所有密碼子都跟著發生變化,結果產生一種異常的多肽鏈。移碼突變誘發的原因是一些像吖啶類染料分子能插入DNA分子,使DNA複製時發生差錯,導致移碼突變。

根據遺傳信息的改變方式,基因突變又可以分為同義突變、錯義突變和無義突變三種類型。

同義突變

有時DNA的一個鹼基對的改變並不會影響它所編碼的蛋白質的氨基酸序列,這是因為改變后的密碼子和改變前的密碼子是簡併密碼子,它們編碼同一種氨基酸,這種基因突變稱為同義突變。

錯義突變

由於一對或幾對鹼基對的改變而使決定某一氨基酸的密碼子變為決定另一種氨基酸的密碼子的基因突變叫錯義突變。這種基因突變有可能使它所編碼的蛋白質部分或完全失活,例如人血紅蛋白β鏈的基因如果將決定第6位氨基酸(谷氨酸)的密碼子由CTT變為CAT,就會使它合成出的β鏈多肽的第6位氨基酸由谷氨酸變為纈氨酸,從而引起鐮刀形細胞貧血病。

無義突變

由於一對或幾對鹼基對的改變而使決定某一氨基酸的密碼子變成一個終止密碼子的基因突變叫無義突變。其中密碼子改變為UAG的無義突變又叫琥珀突變,密碼子改變成UAA的無義突變又叫赭石突變。

8 基因 -基因治療

基因基因治療

基因治療,顧名思義,就是用基因治病,實際上是指用導入人體內的基因的產物蛋白質來治病。日前在此間舉行的一個國際醫藥生物技術研討會上,美國人類基因組科學公司資深研究員倪健博士稱,直接用基因來治療是生物醫藥業發展的一條重要途徑,新一代的生物醫藥——基因組醫藥和基因治療將經歷一場變革,帶來生物醫藥業的第三次浪潮,給人類醫藥保健事業帶來革命性的變化。

基因治療所採用的方式,歸納起來可分為「ex vivo」與「in vivo」兩種。

「Ex vivo」指的是從病人身上取出特定的細胞 (如骨髓細胞,但已壞了),施以基因工程技術改造病症,舉例來說,放入血友病人缺乏的正常基因,再選出會製造血友病人需要的血液蛋白質的細胞。接著採用移植的觀念將改造成功的細胞植入病人體內,如果成功的話,病人將不再常常依靠施打血友病蛋白以止血。達到這個目標則必需 (a) 細胞不會受到排斥 (所以用病人自己的細胞),而且永遠製造血液蛋白質,(b) 製造的血液蛋白質量足以治療出血,(c) 植入的細胞不會變成惡性細胞為害病人。

「In vivo」的方式是將要治療病人的基因經由遺傳工程技術處理后,直接注射入病人身體內,人類對注射疫苗最有經驗,因此許多基因療法的策略是肌肉注射,肌細胞如忠實的 "吞入或感染了" 打入的基因且發揮功能如長期製造足量所需的蛋白質,則為成功的治療,此法不需擔心排斥的問題,但是要防止打入的基因到處亂竄,萬一竄入生殖細胞,可能破壞染色體危及子代。

9 基因 -在遺傳中的作用

基因顯微鏡下的人體基因
基因是決定有機體遺傳特徵的基本單位。基因由脫氧核糖核酸(DNA)分子構成,可以看作是化學指令。每個基因根據其DNA分子的特殊結構,包含某種特殊特徵的代碼,從而決定細胞的組成和作用(就好像計算機程序,不但告訴計算機做什麼,而且還幫助形成計算機本身的結構)。
 
在每個細胞中,成千上萬個基因以特定的順序連接在一起(就好像項鏈上串的珠子),形成稱為「染色體」的結構,實際上就是連續的DNA鏈。據估計,每個細胞中包含大約1.5米長的螺旋形DNA鏈,每條鏈由大約100000個基因組成。
 
基因的特殊組合及其染色體的排列方式構成了每個人的遺傳藍圖。例如,細胞能形成肝組織,而不只是血細胞或神經纖維,它們之所以能這樣做是因為細胞遺傳編碼在起作用。按照這種方式,組織身體細胞得以形成一個人,每個人的眼睛和頭髮都有特定的顏色,而且每個人還有成千上萬個其他特徵,從而使得每個人都是獨一無二的。
 
生殖細胞
 
人體中的每個細胞都包含46條染色體。生殖細胞(卵子和精子)是唯一的例外,每個生殖細胞只包含23條染色體。當卵子通過精子受精后形成受精卵時,生殖細胞就會結合在一起,形成由父母雙方貢獻的帶有各自基因的46條染色體。因為父母中的一方只貢獻23條染色體(使父母雙方成為獨特個體的半數基因編碼),所以子女的基因結構由父母雙方基因物質混合而成。

顯性和隱性性狀

基因給出的性狀分為顯性和隱性。隱性基因只有在其效果超出顯性基因的效果時才產生特定的性狀。
 
眼睛的顏色就相當直觀地說明了性狀的遺傳方式。褐色眼睛的基因是顯性的,而藍色眼睛的基因是隱性的。具有兩個褐色基因的褐色眼睛的父母一方和藍色眼睛的父母另一方(必須有兩個藍色眼睛基因)生出來的孩子將有一雙褐色眼睛,因為褐色眼睛父母一方只有顯性褐色眼睛基因遺傳給孩子的基因結構。但是,如果褐色眼睛父母一方具有顯性褐色眼睛基因和隱性藍色眼睛基因,孩子將有一半的概率從父母雙方接受藍色眼睛基因,從而有一半的概率生有藍色眼睛。(實際上,遺傳的情形並不總是像教科書舉例說明的那樣簡單——有時褐色眼睛的父母一方和藍色眼睛的父母一方所生出來的孩子會有綠色或淡褐色的眼睛。)兩個藍色眼睛的人相結合將總是生出藍色眼睛的子女,因為受精卵只包含隱性藍色眼睛基因。

父母雙方的眼睛都為褐色,並且雙方都有一個隱性藍眼睛基因,那麼生出來的孩子將有四分之一的概率從父母雙方獲得藍色眼睛基因,從而擁有一雙藍色的眼睛。(最後這個基因配對的例子說明了隱性基因如何能夠確定無疑地呈現出來,從而使得性狀特徵出乎意料地隔代顯示。)
 
基因突變
 
通常,基因會毫無變化地從一代傳遞到下一代。但有時也會發生基因突變,即可能因有毒物質的作用、傳染或暴露於放射性物質下而導致基因結構本身發生的變化。而遺傳了變異基因的子女將顯示出不同於父母雙方的特徵。
DNA分子結構的發現開創了醫學研究領域的新紀元。從事基因工程這一新領域研究的科學家們正在探索人工製造基因突變的方法,以便有一天能夠糾正導致各種病症的基因編碼錯誤。

10 基因 -工程應用

工業
 
微生物發酵生產法具有許多優越性,結合基因工程手段,可實現許多美好的設想。例如,用100 kg胰臟只能提取3—4 g胰島素,而用「工程菌」進行發酵生產,則只要用幾升發酵液就可取得同樣數量的產品。1978年美國有兩個實驗室合作,使大腸桿菌產生大白鼠胰島素的研究已獲成功。接著,又報道了通過基因工程使大腸桿菌合成人胰島素實驗成功的消息。1982年,中國科學工作者也利用遺傳工程技術,將人工合成的腦啡肽基因移植到大腸桿菌中,並實現了表達;同時,把人干擾素基因移植到大腸桿菌中合成α-干擾素的工作也獲成功。
 
基因工程藥物的生產是當前基因工程最重要的應用領域,例如有抗腫瘤、抗病毒功能的干擾素、白細胞介素等;用於治療心血管系統疾病的有尿激酶原、鏈激酶及抗凝血因子等;用於預防傳染病的如乙型肝炎疫苗、口蹄疫疫苗等。
 
傳統工業發酵菌種生產的發酵產品數量大,應用廣,如抗生素、氨基酸、有機酸、酶製劑、醇類和維生素等。這類菌種基本上都經過了長期的誘變或重組育種,生產性能已經很難再有大幅提高,要打破這一局面,必須使用基因工程手段才能解決。目前在氨基酸、酶製劑等領域已有大量成功的例子。
 
農業

幾個主要的應用領域包括:①將固氮菌的固氮基因轉移到生長在重要作物上的根際微生物或致瘤微生物中去,或將它引入到這類作物的細胞中,以獲得能獨立固氮的新型作物品種。②將木質素分解酶的基因或纖維素分解酶的基因重組到酵母菌內,使酵母菌能充分利用稻草、木屑等地球上貯量極大並可持續利用的廉價原料來直接生產酒精,可望為人類開闢一個取之不盡的新能源和化工原料來源;③改良和培育農作物和家畜、家禽新品種,包括提高光合作用效率以及各種抗性(植物的抗鹽、抗旱、抗病基因,魚的抗凍蛋白基因)等。
 
醫療
已發現的人類遺傳病有三千多種。現已能用正常基因彌補有缺陷的基因,以治療某些遺傳性疾病,並可能治癒大多數遺傳性疾病。還可以通過轉移基因以刺激免疫力,治療腫瘤和艾滋病。例如,1971年就有人對人類半乳糖血症遺傳病患者的成纖維細胞進行過離體培養,然後將大腸桿菌的DNA作為供體基因,並通過病毒作載體進行轉移,結果使這一細胞的遺傳病得到了「治療」,使它也能利用半乳糖。目前尚無法治療的遺傳病、腫瘤、心腦血管疾病等可望通過基因工程得到治療。
 
環境保護
 
利用基因工程可獲得同時能分解多種有毒物質的新型菌種。1975年科學工作者把降解芳烴、萜烴、多環芳烴的質粒轉移到能降解酯烴的一種假單胞菌細胞內,從而獲得了能同時降解4種烴類的「超級菌」,它能把原油中約三分之二的烴消耗掉。據報道,自然菌種消化海上浮油要1年以上,而「超級菌」
基因超級菌
只要幾小時即可完成。另外,生物農藥代替毒性大、對環境污染嚴重的化學農藥是未來農藥發展的方向。200年以來,中國學者已研製了兼具蘇雲金桿菌和昆蟲桿狀病毒優點的新型基因工程病毒殺蟲劑,還研究成功重組有蠍毒基因的棉鈴蟲病毒殺蟲劑,它們都是高效、無公害的,堪稱是生物農藥領域中的一大創新。

11 基因 -個人對豬肉味的喜好與基因有關

美國科學家研究發現,討厭還是喜歡豬肉做成的菜可能與個人體內的OR7D4基因有關。

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