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遗传工程

将外源遗传物质人工地转移到受体生物细胞中,使受体生物获得新的属性的遗传操作过程。广义的遗传工程包括所有定向改变生物遗传基础的遗传操作过程。

遗传工程从广义上理解可划分为三种水平:①群体水平的遗传工程,即数量遗传工程或多基因工程,是通过常规的选种选配有目的地改变群体基因频率和基因型频率的过程;②细胞水平的遗传工程,即细胞工程。在畜牧业中应用的细胞工程包括人工授精、超数排卵、胚胎移植、胚胎切割、性别选择与控制、核移植、体外受精等操作;③分子水平的遗传工程,即重组DNA技术(recombinant DNA technique)或基因工程。狭义的遗传工程则专指这一种遗传操作。

简史

遗传工程起于20世纪70年代,但其理论和技术在60年代已奠定基础。例如,限制性核酸内切酶和DNA连接酶等都是基因工程中的重要工具,它们都是1967~1973年陆续发现的。70年代初,生物化学研究的进展为重组DNA技术奠定了基础。1972年美国分子生物学家伯格(P.Berg)等将动物病毒SV40的DNA与噬菌体P22的DNA连接,构成首批重组DNA分子;1973年美国分子生物学家科恩(S.N.Cohen)等又将几种不同的外源DNA插入质粒PSC101的DNA中,并将其引入大肠埃希氏菌,开创了遗传工程研究。随后,真核生物基因转移到原核生物或真核生物的成功例子也不断涌现。

高等动物的基因工程研究,经过几年探索后取得了突破。1982年,美国以帕尔特(Palmiter)为首的研究小组将大白鼠生长激素基因通过显微注射方法注入小白鼠受精卵的卵原核获得成功,开创了基因导入的新技术。随后一些实验室转向家畜的基因转移研究,取得了一批重要成果,培育出了一批转移基因动物。中国在猪、羊、兔、鱼等动物中,也成功地实现了基因转移。畜牧业中的基因转移技术研究已由单纯培育“超级”动物转向利用基因工程开发多种基因产品的研究。

操作步骤

目的基因的取得

主要方法有以下几种:①直接从目的生物(或称供体)的基因组中用机械(如超声波)或限制性内切酶切断后分离出来;②通过反向转录酶,以mRNA为模板,反转录成互补DNA,如人的胰岛素和血红蛋白的结构基因均用此法取得;③人工合成基因,即用化学方法或酶促合成法取得所需目的基因;④从基因库中筛选、扩增而来,此法又叫鸟枪散射弹法(简称散弹法),目前认为是取得任何目的基因的最好方法。

DNA片段与载体连接

载体是携带目的基因并将其转移至受体细胞内复制和表达的运载体。DNA片段与载体的连接方式有四种:①粘性末端连接;②平端连接;③同聚末端连接;④人工接头分子连接。

导入宿主细胞

高等动物中将重组DNA分子导入宿主细胞实现基因转移的方法主要有:①显微注射法。将外源DNA通过显微注射直接导入受精卵中的原核。这项技术继1982年首先在小鼠获得成功后,目前在绵羊、牛、免、猪等动物实验中均获得成功。②以精子作载体直接将外源DNA导入卵子法。意大利罗马大学(1989年)首先用这种方法在小鼠中实现了基因转移,现已在多种家畜中取得成功。③胚胎干细胞介导法。胚胎囊胚期的内细胞团是未分化的多潜能细胞,将这些细胞注入另一囊胚期胚胎的囊胚腔中,很多与受体胚胎的囊胚细胞聚集而成为受体胚胎的一部分。向囊胚细胞导入外源基因,然后通过囊胚细胞的介导即可实现基因转移。目前此法已在小鼠及猪实验中获得成功。④异源嵌合体导入法。通过两个不同亲本的胚胎结合形成嵌合体的过程,将异源基因结合在嵌合体中。此法已在鸡中获得成功。⑤逆转录病毒感染法。以逆转录病毒作为外源DNA的载体,携带有外源基因的逆转录病毒可以在感染过程中整合到宿主的染色体中。此法已在鸡、小鼠中获得成功。

筛选与检测

对进行过遗传工程操作的受体要进行检测和筛选,确定外源DNA是否在宿主细胞中整合并得到表达,可采用遗传学方法、免疫学方法及分子杂交方法进行。

应用前景

遗传工程是一个新兴的生物技术领域,有重大的理论意义和巨大的潜在经济价值,无论在发酵工业、动植物育种或基因治疗方面都有广阔的应用前景。高等动物转基因技术的成功,在畜牧业中至少有以下几个方面的应用前景:①提高生长速度,培育“超级”动物。如转移牛的(或人的)生长激素结构基因与小鼠金属琉因基因启动子组成的DNA片段,培育超级羊、超级免、超级猪等。②改变结构蛋白,提高产量和质量。如改变一种或几种角蛋白基因的调节,提高羊毛产量;改变酪蛋白的基因,影响产奶量;利用基因导入使乳牛分泌人的乳蛋白;扦入卵清蛋白基因,提高鸡的产蛋性能。③导入某种高产基因,提高繁殖力。如在绵羊中导入布罗拉(Booroola)基因,可使绵羊产羔率提高50%以上。④导入某种特异组织相容性抗原,增强抗病性。如导入某种免疫球蛋白的基因,培育对特定疫病有先天抗性的转基因动物。⑤通过基因转移,获得新的代谢途径。如导入某种催化酶基因,使生物体合成某些必需氨基酸;导入反刍动物瘤胃中分解纤维素的基因,增强单胃动物粗纤维消化能力。⑥以转基因动物为“工厂”,生产人类所需的某些药品。如利用奶山羊生产溶血栓物质tPA(组织型溶纤维蛋白酶原激活因子)等。

动物的基因转移虽已取得突破性进展,但目前还有不少问题,如外源DNA与宿主细胞的整合率不高,外源DNA在宿主体内表达率更低,以及由于外源基因插入打破了机体固有的平衡状态,使机体出现某些失调等,尚有待进一步研究解决。