淺析基因工程技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用1.doc

基因工程技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用專業(yè) ：09級制藥工程四班 姓名：邢麗學(xué)號：2009212102摘要 基因工程作為一門理論性與實踐性較強(qiáng)的學(xué)科,其方法與技術(shù)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代生命科學(xué)的各個分支領(lǐng)域,成為生命科學(xué)的一門核心技術(shù)。基因工程包含許多獨特的實驗方法和技術(shù),不僅內(nèi)容豐富,涉及面廣,實用性也強(qiáng)?；蚬こ淌峭ㄟ^DNA 重組技術(shù), 獲得具有特殊生物遺傳性狀和功能的遺傳工具生物體, 基因工程技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、食品工業(yè)等。本文主要就基因工程在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用加以闡述。 關(guān)鍵詞 基因工程； 醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用； 基因工程技術(shù)是一項極為復(fù)雜的高新生物技術(shù), 它利用現(xiàn)代遺傳學(xué)與分子生物學(xué)的理論和方法, 按照人類所需, 用DNA 重組技術(shù)對生物基因組的結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行人為修飾或改造, 從而改變生物的結(jié)構(gòu)和功能, 使之有效表達(dá)出人類所需要的蛋白質(zhì)或人類有益的生物性狀2。基因工程從誕生至今, 僅有30 年的歷史, 然而, 無論是在基礎(chǔ)理論研究領(lǐng)域, 還是在生產(chǎn)實際應(yīng)用方面, 都已取得了驚人的成績。首先,基因工程給生命科學(xué)自身的研究帶來了深刻的變化。目前科學(xué)家已完成了多種細(xì)胞器的基因組全序列測定工作。其次, 基因工程具有廣泛的應(yīng)用價值, 能為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)開辟新途徑。1.基因工程1.1 概念 基因工程( 又稱DNA 重組技術(shù)、基因重組技術(shù)) , 是20 世紀(jì)70 年代初興起的技術(shù)科學(xué), 是用人工的方法將目的基因與載體進(jìn)行DNA重組, 將DNA 重組體送入受體細(xì)胞, 使它在受體細(xì)胞內(nèi)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、翻譯, 獲得目的基因的表達(dá)產(chǎn)物。這種跨越天然物種屏障, 把來自任何生物的基因置于毫無親緣關(guān)系的新的寄主生物細(xì)胞之中的能力, 是基因工程技術(shù)區(qū)別于其他技術(shù)的根本特征。1.2 基因工程研究內(nèi)容(1) 從復(fù)雜的生物有機(jī)體基因組中, 經(jīng)過酶切消化或PCR 擴(kuò)增等步驟, 分離出帶有目的基因的DNA 片段。(2) 在體外, 將帶有目的基因的外源DNA 片段連接到能夠自我復(fù)制并具有選擇記號的載體分子上, 形成重組DNA分子。(3)重組DNA 分子轉(zhuǎn)移到適當(dāng)?shù)氖荏w細(xì)胞, 并與之一起增殖。(4) 從大量的細(xì)胞繁殖群體中, 篩選出獲得了重組DNA 分子的受體細(xì)胞克隆。(5) 從這些篩選出來受體細(xì)胞克隆, 提取出已經(jīng)得到擴(kuò)增的目的基因, 供進(jìn)一步分析研究使用。(6) 將目的基因克隆到表達(dá)載體上, 導(dǎo)入寄主細(xì)胞, 使之在新的遺傳背景下實現(xiàn)功能表達(dá), 產(chǎn)生出人類所需要的物質(zhì)。2. 在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用2.1 基因工程藥物 利用基因工程技術(shù)開發(fā)新型治療藥物是當(dāng)前最活躍和發(fā)展最快的領(lǐng)域。自1982 年世界第一個基因工程藥物- - - 重組胰島素投放市場以來, 基因工程藥物就成為制藥行業(yè)的一支奇兵, 每年平均有3- 4 個新藥或疫苗問世, 開發(fā)成功的約50個藥品, 諸如人胰島素、忍尿激酶、人生長激素、干擾素、激活劑、乙肝疫苗等廣泛應(yīng)用于治療癌癥、肝炎、發(fā)育不良、糖尿病和一些遺傳病上, 在很多領(lǐng)域特別是疑難病癥上, 起到了傳統(tǒng)化學(xué)藥物難以達(dá)到的作用4, 5, 6。為治愈癌癥正在研制的用單克隆抗體制成的“生物導(dǎo)彈”, 就是按照人類的設(shè)計, 把“生物導(dǎo)彈”發(fā)射出去, 精確的命中癌細(xì)胞, 并炸死癌細(xì)胞, 而不傷害健康的細(xì)胞, 比如專門用于腫瘤的“腫瘤基因?qū)棥钡??？梢? 生物工程藥物將成為21世紀(jì)藥業(yè)的支柱。而脫氧核糖核酸或者基因疫苗的問世, 變革了機(jī)體的免疫方式。如今, 人們翹首關(guān)注困擾人類的艾滋病病毒疫苗的早日問世。 盡管目前誘變育種技術(shù)仍是改良微生物工業(yè)生產(chǎn)菌種的主要手段,但是基因工程技術(shù)在改良工業(yè)生產(chǎn)菌種方面已有成功的報道。最常見的是將控制藥物合成關(guān)鍵步驟的酶基因克隆,通過適當(dāng)?shù)妮d體轉(zhuǎn)移到原生產(chǎn)菌中,以使控制限速步驟的酶水平,從而提高產(chǎn)量。Malmberg等7構(gòu)建了一種帶有編碼賴氨酸-氨基轉(zhuǎn)移酶基因( lysine-aminotranster-ase,LAT)這種控制Streptomyces clavuligerus生物合成頭霉素C的限速步驟的關(guān)鍵酶的基因(lat)的高拷貝質(zhì)粒,并轉(zhuǎn)入這種頭霉素產(chǎn)生菌,使LAT提高活力提高了4倍,在2 L發(fā)酵罐中產(chǎn)生頭霉素的能力是原來的2倍,重組菌胞外LAT產(chǎn)物-氨基己二酸的積累量也比原受體菌高。伊維菌素( ivermectins)是一個市場很大的抗蟲抗生素,其前體阿弗米丁(avermectins)的產(chǎn)生菌種的發(fā)酵液中有8個以上的組分,其中只有B1a組分才是制備伊維菌素的原料。Ikeda等8經(jīng)過近十年的努力,已將阿弗米丁的生物合成基因簇全部搞清,并經(jīng)過誘變與DNA重組,獲得了僅產(chǎn)阿弗米丁B2a單一組分和B1a、B2a組份的重組工程菌,這不僅大大提高了阿弗米丁有效組分的發(fā)酵效價,且給提取、精制、半合成等后處理工序帶來了很大的便利。可以預(yù)見,隨著對各種工業(yè)生產(chǎn)的微生物藥物生物合成途徑的深入了解以及基因重組技術(shù)的不斷進(jìn)展,應(yīng)用基因工程方法定向構(gòu)建高產(chǎn)菌株的成功實例將越來越多。在抗生素發(fā)酵過程中供氧往往是一個限制因素,充足的氧氣供給是藥物工業(yè)發(fā)酵穩(wěn)定和提高產(chǎn)量,降低成本的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的解決方法如增加通氣量等對設(shè)備要求高,能量消耗大。20世70年代末在專性好氧菌透明顫(Vitreoscilla)中發(fā)現(xiàn)了血紅蛋白(VHb),它能促進(jìn)氧氣擴(kuò)散到細(xì)胞末端氧化酶上。于是人們想到了將其基因Vgb克隆到其它微生物中,以促進(jìn)微生物在低氧條件下生長。 1988年Khosla等9從Vitreoscilla中分離出Vgb基因并將之轉(zhuǎn)入大腸桿菌(Ecoli),提高了大腸桿菌在溶氧量低于5%時對氧的利用率。目前已用克隆表達(dá)VHb的方法提高了放線紫紅素、頭孢霉素C、紅霉素等產(chǎn)生菌及青霉素?；富蚬こ叹漠a(chǎn)量6。血紅蛋白基因工程的研究和應(yīng)用,必將對抗生素工業(yè)和其它重組藥物發(fā)酵工業(yè)的節(jié)能等帶來美好的前景。作為半合成頭孢菌素類抗生素重要原料的7-氨基頭孢烷酸（7-ACA),目前國內(nèi)外仍以化學(xué)裂解頭孢菌素C的工藝路線為主。國內(nèi)外已報道可用經(jīng)由GL-7-ACA的二步法(化學(xué)/酶法或二步酶法)來生產(chǎn)7-ACA,與化學(xué)裂解法相比不僅收率提高,且能大大減少環(huán)境污染,簡化生產(chǎn)工藝。但二步法中關(guān)鍵的GL-7-ACA酰化酶在假單胞菌中表達(dá)量低而且分離純化困難,限制了這種方法的應(yīng)用。通過將GL-7-ACA?；富蜣D(zhuǎn)入大腸桿菌中表達(dá)恰好可以解決這一問題11。最近又報道可將編碼2個酶的基因直接轉(zhuǎn)入頭孢菌素C的生產(chǎn)菌種中,使其在發(fā)酵時直接產(chǎn)生7-ACA。調(diào)節(jié)基因在藥物的生物合成中也起著重要作用,增加調(diào)節(jié)基因的基因量能夠大幅提高藥物產(chǎn)量。 Hopwood等將放線紫紅素生物合成的一個調(diào)節(jié)基因act導(dǎo)入原產(chǎn)生菌,盡管基因的拷貝數(shù)僅增加了2倍,放線紫紅素的產(chǎn)量卻增加了3040倍。某些抗生素生產(chǎn)菌的產(chǎn)量不高,是由于其自身對該抗生素的抗性不高。因此,利用高拷貝質(zhì)粒的基因量效應(yīng),增加菌種對自身產(chǎn)生的抗生素的抗性,可能增加抗生素的產(chǎn)量。例如,將氨基糖苷-6-乙酰轉(zhuǎn)移酶基因?qū)肟敲顾睾托旅顾禺a(chǎn)生菌,由于提高了對氨糖類抗生素的抗性,產(chǎn)量提高了26倍。2.2 基因治療 基因治療是指由于某種基因缺陷引起的遺傳病通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)而得到糾正。臨床實踐已經(jīng)表明: 基因治病已經(jīng)變革了整個醫(yī)學(xué)的預(yù)防和治療領(lǐng)域。比如白癡病, 用健康的基因更換或者矯正患者的有缺損的基因, 就有可能根治這種疾病?，F(xiàn)在已知的人類遺傳病約有4000種, 包括單基因缺陷和多基因的綜合癥。運用基因工程技術(shù)或基因打靶的手段, 將病毒的基因殺滅, 插入矯正基因, 得以治療、校正和預(yù)防遺傳疾病的目的。目前, 基因治療已擴(kuò)大到腫瘤、心血管系統(tǒng)疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等的治療8。人類也已成功實現(xiàn)了腎、心、肝、胰、肺等器官的移植, 也有雙器官和多器官的聯(lián)合移植。 基因治療有兩種途徑: 一是體細(xì)胞的基因治療, 一是生殖細(xì)胞的基因治療。由于生殖細(xì)胞的基因治療操作技術(shù)異常復(fù)雜, 又涉及倫理緩行之理充足, 故尚無人涉足9?；蚬こ淌?0 世紀(jì)生命科學(xué)中最偉大的成績, 開辟了生命科學(xué)的新紀(jì)元。經(jīng)過幾十年的發(fā)展, 基因工程技術(shù)已成為一個巨大的朝陽產(chǎn)業(yè), 它可以超越動物、植物、微生物之間的界限, 創(chuàng)造出新的生物類型?；蚬こ滩粌H在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用廣泛, 而且也廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、冶金、環(huán)保、資源、能源、畜牧漁業(yè)等領(lǐng)域, 為人類的豐衣足食和健康長壽提供了持續(xù)的實用價值很高的產(chǎn)品, 發(fā)展前景極為廣闊。 目前，以基因工程藥物為主導(dǎo)的基因工程應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已成為全球發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，發(fā)展前景非常廣闊?；蚬こ趟幬镏饕?xì)胞因子、抗體、疫苗、激素和寡核甘酸藥物等。它們對預(yù)防人類的腫瘤、心血管疾病、遺傳病、糖尿病、包括艾滋病在內(nèi)的各種傳染病、類風(fēng)濕疾病等有重要作用。在很多領(lǐng)域特別是疑難病癥上，基因工程工程藥物起到了傳統(tǒng)化學(xué)藥物難以達(dá)到的作用。我們最為熟悉的干擾素(IFN)就是一類利用基因工程技術(shù)研制成的多功能細(xì)胞因子，在臨床上已用于治療白血病、乙肝、丙肝、多發(fā)性硬化癥和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等多種疾病。 目前，以基因工程藥物為主導(dǎo)的基因工程應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已成為全球發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，發(fā)展前景非常廣闊?；蚬こ趟幬镏饕?xì)胞因子、抗體、疫苗、激素和寡核甘酸藥物等。它們對預(yù)防人類的腫瘤、心血管疾病、遺傳病、糖尿病、包括艾滋病在內(nèi)的各種傳染病、類風(fēng)濕疾病等有重要作用。在很多領(lǐng)域特別是疑難病癥上，基因工程工程藥物起到了傳統(tǒng)化學(xué)藥物難以達(dá)到的作用。我們最為熟悉的干擾素(IFN)就是一類利用基因工程技術(shù)研制成的多功能細(xì)胞因子，在臨床上已用于治療白血病、乙肝、丙肝、多發(fā)性硬化癥和類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等多種疾病。目前，應(yīng)用基因工程研制的艾滋病疫苗已完成中試，并進(jìn)入臨床驗證階段；專門用于治療腫瘤的“腫瘤基因?qū)棥币矊⒃诓痪猛瓿裳兄?，它可有目的地尋找并殺死腫瘤，將使癌癥的治愈成為可能。由中國、美國、德國三國科學(xué)家及中外六家研究機(jī)構(gòu)參與研制的專門用于治療乙肝、慢遷肝、慢活肝、丙肝、肝硬化的體細(xì)胞基因生物注射劑，最終解決了從剪切、分離到吞食肝細(xì)胞內(nèi)肝炎病毒，修復(fù)、促進(jìn)肝細(xì)胞再生的全過程。經(jīng)4年臨床試驗已在全國面向肝炎患者。此項基因?qū)W研究成果在國際治肝領(lǐng)域中，是繼干擾素等藥物之后的一項具有革命性轉(zhuǎn)變的重大醫(yī)學(xué)成果。 綜上所述，基因工程技術(shù)作為一項新興的生物技術(shù)，其發(fā)展趨勢不可阻擋。但科學(xué)技術(shù)是把雙刃劍的理論同樣適合轉(zhuǎn)基因藥物。為此，我們應(yīng)該適當(dāng)借鑒國外經(jīng)驗，建立一套既符合中國國情，又與國際接軌，且科學(xué)合理的基因安全評價和監(jiān)控體系，為日后我國轉(zhuǎn)基因藥物走向世界奠定基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：1夏煥章 熊宗貴 生物技術(shù)制藥 高等教育出版社 2010.32 童克中.基因及其表達(dá).北京: 科學(xué)出版社, 2001.3 李尉民, 樂寧, 夏紅民.轉(zhuǎn)基因生物及其產(chǎn)品的風(fēng)險與管理.生物技術(shù)通報.2000(4)41- 44.4 朱寶泉. 基因工程技術(shù)在醫(yī)學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用及進(jìn)展 J . 中國醫(yī)藥工業(yè)志.1997.28(2): 56- 58.5 方鵬.基因工程應(yīng)用簡述 J .遼寧師專學(xué)報.2004.6(2):