基因會變嗎

毋庸置疑，基因肯定是會變的?；蛲蛔兛梢允亲匀话l(fā)生，也可以是人工誘導(dǎo)所致。因為自發(fā)突變頻率很低，人工誘變就顯得非常重要。摩爾根的學(xué)生繆勒取得了突破性進(jìn)展，不僅是人工誘變的創(chuàng)始人，也是第一位成功的誘變育種家。

短腿羊的出現(xiàn)

1791年，在美國新英格蘭的一戶農(nóng)民賽斯·懷特家的羊群里，發(fā)現(xiàn)了一只背長腿短且略彎曲的雄綿羊。由于腿短，它跳不過羊圈籬笆，故而易于圈養(yǎng)。經(jīng)過懷特的精心選育，一個新的綿羊品種——安康羊產(chǎn)生了。達(dá)爾文對此很感興趣，曾將該例收錄在他的著作《動物和植物在家養(yǎng)下的變異》一書中。但安康羊在1870年左右絕種了。這種短腿羊，最初是在其親代的生殖細(xì)胞中的基因產(chǎn)生了變化而導(dǎo)致的?；虻淖兓Q為基因突變。大約在1920年左右，挪威一戶農(nóng)民的羊群里，又突然出現(xiàn)了一只短腿羊，這是因為又新產(chǎn)生了一次基因突變。由此又重新育成了一個短腿綿羊的新品種。

短腿羊

突變這個概念和術(shù)語最初是由荷蘭植物學(xué)家、孟德爾定律的重新發(fā)現(xiàn)者之一德·弗里斯在1901年提出來的，當(dāng)時他把在月見草中觀察到的偶然出現(xiàn)的、巨大的、可遺傳的變化稱為突變。后來知道，德弗里斯在月見草中觀察到的“突變”是染色體畸變而非基因突變。但由于突變概念的提出，使人們將遺傳物質(zhì)的變異引起的可遺傳性變異與生物體對環(huán)境條件變化引起的不可遺傳的變異嚴(yán)格區(qū)分開來。當(dāng)然，最早區(qū)分可遺傳的變異與不遺傳變異的，應(yīng)該追溯到魏斯曼。魏斯曼1885年提出“種質(zhì)學(xué)說”時，就曾明確區(qū)分可遺傳的種質(zhì)變異與不遺傳的體質(zhì)變異。

繆勒與突變基因

通常說突變是自發(fā)產(chǎn)生的時候，并不是說突變是無緣無故發(fā)生的，而是指未經(jīng)人為干預(yù)而自然發(fā)生的。突變發(fā)生肯定有原因，只是原因不明，或者說我們沒有去深究。有時是我們不感興趣，有時甚至是沒有必要去深究。然而，自發(fā)突變是一種頻率很低的突變，僅靠自發(fā)突變無異于守株待兔?？茖W(xué)的發(fā)展不能等待大自然恩賜，科學(xué)研究需要新的突變，必須想辦法使之容易得到，使研究工作的效率提高。在這方面取得突破性進(jìn)展的是繆勒——摩爾根的學(xué)生、得力助手和傳人。

氨基酸

繆勒祖籍德國，1890年12月21日生于美國紐約市，1967年4月5日卒于美國印第安納波利斯。1907年繆勒考入哥倫比亞大學(xué)，1910年畢業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位。在大學(xué)期間，曾認(rèn)真閱讀洛克的《遺傳、變異和進(jìn)化》，并進(jìn)修威爾遜講授的染色體遺傳學(xué)。大學(xué)畢業(yè)后在康內(nèi)爾醫(yī)學(xué)院和哥倫比亞大學(xué)生理學(xué)系深造，1912年獲碩士學(xué)位。同年，被摩爾根招為研究生，在摩爾根的實驗室里攻讀博士，1916年取得博士學(xué)位。1916～1918年受生物學(xué)家赫胥黎的邀請，到休斯敦水稻研究所講學(xué)。1918～1920年繆勒回哥倫比亞大學(xué)繼續(xù)從事遺傳突變研究。1921～1932年，在得克薩斯大學(xué)任教并成為教授。1932年，繆勒曾去柏林，并遭法西斯當(dāng)局逮捕，后經(jīng)營救獲釋，應(yīng)蘇聯(lián)遺傳學(xué)家瓦維洛夫之邀請去蘇聯(lián)。1933～1937年在列寧格勒和莫斯科科學(xué)院工作，曾卷入到與李森科爭論的糾紛中，為此他離開了蘇聯(lián)，并參加了西班牙志愿軍。1938年繆勒到了英國，在愛丁堡大學(xué)任教，直至1940年。其后便回到美國，先在阿默斯特學(xué)院任教，1945年轉(zhuǎn)到印第安納大學(xué)，直至去世。

世界上第一個試管嬰兒

繆勒一生發(fā)表論文372篇，出版專著《單基因改變所致的變異》，并參與由摩爾根主編的《孟德爾遺傳機(jī)制》的編寫?？娎帐禽椛溥z傳學(xué)的創(chuàng)始人，并因此而榮獲1946年諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎。由他建立的檢測突變的CIB方法至今仍是生物監(jiān)測的手段之一。

1927年，繆勒在《科學(xué)》雜志發(fā)表了題為《基因的人工蛻變》的論文，首次證實X射線在誘發(fā)突變中的作用，搞清了誘變劑劑量與突變率的關(guān)系，為誘變育種奠定了理論基礎(chǔ)。具體來說，繆勒解決了如下幾個問題：

一、用較高劑量的X射線處理精子，能誘發(fā)生殖細(xì)胞發(fā)生真正的基因突變。所謂真正的基因突變，是從兩個角度表現(xiàn)出來的，一是具有物質(zhì)性質(zhì)的基因發(fā)生了變化，而不是像德弗里斯在月見草中發(fā)現(xiàn)的染色體畸變；二是變化了的基因能真實遺傳，經(jīng)過了4代或4代以上的穩(wěn)定遺傳，并且大多數(shù)表現(xiàn)出典型的孟德爾遺傳方式。

果蠅的連鎖遺傳圖解

二、在用X射線處理果蠅的同時，再以數(shù)千個未經(jīng)處理的果蠅作為對照。在同樣的培養(yǎng)條件下，受高劑量X射線處理的果蠅之突變率比未受處理的果蠅之突變率高出約150倍。用X射線處理，在短時間內(nèi)即得到了幾百個突變體，經(jīng)過幾代培育已發(fā)現(xiàn)100個以上的突變基因。

三、突變類型包括致死突變、半致死突變、非致死突變。致死突變又可分為隱性致死突變和顯性致死突變。其中顯性致死突變是大量的，可通過卵的計數(shù)和其對性比率的影響看出，有不少誘發(fā)的可見突變，是在過去從未看到的基因座位上發(fā)生的，而其中有些突變的表型效應(yīng)與以往看到的并不完全相似。但大多數(shù)突變是過去已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過的，如白眼、小翅、帶叉的剛毛等。這說明X射線誘發(fā)的變異大多數(shù)與自發(fā)突變中出現(xiàn)的基因突變完全相同，只是后者出現(xiàn)的頻率要低得多。

轉(zhuǎn)基因生物的安全性

四、除基因突變外，X射線也能造成基因在染色體上的次序重新排列，且這種情況占有很高的比例；還能造成較大片段的染色體畸變，如缺失、斷裂、易位、倒位等。

五、X射線處理并非是使該染色體上存在的全部基因物質(zhì)都發(fā)生永久性的改變，常常只影響到其中一部分。受處理的基因復(fù)制產(chǎn)生兩個或兩個以上的子代基因，往往只有其中一個發(fā)生突變，似乎表現(xiàn)出某種滯后效應(yīng)。

六、X射線處理并未顯著提高回復(fù)突變率。這說明誘變的發(fā)生也是隨機(jī)的，誘變劑并不對已發(fā)生突變的基因青睞有加。

七、用不同劑量的X射線，在生命周期的不同時刻和不同條件下處理果蠅，將得到不同的結(jié)果。繆勒的工作表明，在使用劑量的范圍內(nèi)，隱性致死因子并不直接隨所吸收的X射線的能量而變化，而是更接近于隨能量的平方根變化。

1945年，美國在日本長崎和廣島投下了尚處于初級研究階段的核武器——原子彈。原子彈的巨大爆炸威力和大規(guī)模殺傷效應(yīng)，給人們以非常深刻的印象。然而，原子彈的受害者僅僅是死傷嗎？不死不傷的人難道一點也未受到影響嗎？在此之前，人們與放射性物質(zhì)打交道已有40余年，但對其生物學(xué)效應(yīng)、特別是遺傳學(xué)效應(yīng)幾乎一無所知?？娎談t在他的論文中明確指出：“現(xiàn)代X射線治療常用的照射處理實踐肯定不會造成永久性的不孕，這主要是站在一種純粹理論性的概念上來防護(hù)的，這種理論概念為孕性恢復(fù)后產(chǎn)生的卵必定代表‘未受損傷’的組織……這個假設(shè)在這里被證明是錯誤的……”繆勒由于1927年的工作而于1946年獲諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎，這標(biāo)志著人類對誘變的認(rèn)識已趨成熟。隨后，“原子時代的遺傳學(xué)”、“輻射遺傳學(xué)”成為熱點。其它物理或化學(xué)誘變劑逐一被發(fā)現(xiàn)及研究。為了維護(hù)人類健康，檢測致畸、致癌、致突變環(huán)境因素的工作日益受到重視。

誘變在應(yīng)用方面的發(fā)展

誘變操作其實很簡單，即用誘變劑直接或間接地處理生殖細(xì)胞。對細(xì)菌等生物而言，沒有體細(xì)胞與生殖細(xì)胞的區(qū)別，處理起來就更容易了。

誘變劑大致可分為兩類。像射線、紫外線、激光等物理因素稱為物理誘變劑，用于誘變的射線有：X射線、α射線、β射線、γ射線和中子射線等。而亞硝胺、芥子氣之類的化學(xué)藥物則稱為化學(xué)誘變劑。

骨的基本結(jié)構(gòu)

誘變的目的是為了得到新的突變。在摩爾根時代，遺傳學(xué)研究內(nèi)容的豐富與新突變的發(fā)現(xiàn)息息相關(guān)?，F(xiàn)在，遺傳學(xué)研究的內(nèi)容和手段與過去相比早已面目全非了，但獲得新突變并從中選出對人類有利的突變型仍然是熱點之一。培育新品種的方法現(xiàn)在已有許多新手段，如應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)培育轉(zhuǎn)基因動植物等，但誘變育種仍不失為簡便易行的常用手段。

繆勒不僅是人工誘變的創(chuàng)始人，也是第一位成功的誘變育種家。其實，他培育的CIB果蠅品系就是一個非常有用的果蠅新品種。20世紀(jì)30年代，瑞典的古斯塔夫松、和哈格貝里等就開始致力于誘變育種工作，并取得了較大成就。到50年代，瑞典已成為世界放射誘變育種研究的中心。60～70年代，誘變育種工作已成燎原之勢，經(jīng)誘變而得到的新品種已數(shù)不勝數(shù)。

我國在60年代初開始誘變育種工作，進(jìn)入80年代后，誘變育種工作與我國其它行業(yè)一樣進(jìn)入了鼎盛時期。誘變育種的成果主要體現(xiàn)在作物育種和微生物育種兩方面。作物育種，目標(biāo)致力于早熟、抗病、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)。這些目標(biāo)并不是一下子就能達(dá)到的，特別是與某些品質(zhì)有一定的相關(guān)性，如早熟的難以高產(chǎn)，高產(chǎn)的不早熟，這就須一步步地進(jìn)行?？梢杂镁哂心撤N優(yōu)良品質(zhì)的品種作基礎(chǔ)，通過誘變，從中選出保持該優(yōu)秀品質(zhì)并出現(xiàn)新的優(yōu)良品質(zhì)的突變體。如浙江培育的早熟水稻“原豐早”，就是以“科字6號”為基礎(chǔ)，經(jīng)誘變選擇而育成的。“原豐早”穗大粒多，耐肥抗倒，保留了“科字6號”的豐產(chǎn)品質(zhì)，但比后者早熟45天，從而產(chǎn)量比成熟期相同的其它品種高一成以上?！霸S早”還有適應(yīng)性廣、早晚季均可種植、二熟制或三熟制都能適應(yīng)的優(yōu)點。這類例子舉不勝舉，如湖北育成的“鄂麥6號”、山東育成的“魯棉1號”、黑龍江育成的“黑農(nóng)16號”大豆、廣東育成的“獅選64號”花生等，都是應(yīng)用誘變而培育成功的。

染色體

微生物育種，目標(biāo)在于獲得高產(chǎn)菌株。許多生化藥物如核苷酸、酶制劑、氨基酸、抗生素等，常常用微生物發(fā)酵法來進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。由于許多生化成分在生物組織中的含量較低、提取較為困難，所以這類藥物價格極昂貴。如果某種微生物代謝途徑改變，能累積這類成分，那么即可利用這種微生物來大量生產(chǎn)藥物。工業(yè)化生產(chǎn)的最大優(yōu)點是能大幅度降低藥物的生產(chǎn)成本，而誘變育種可以逐漸提高藥物產(chǎn)量，從而進(jìn)一步降低成本。在我國許多生化制藥廠的抗生素生產(chǎn)車間里，都有著一批專門從事菌種培育的技術(shù)人員。正是由于他們的辛勤勞動，才使得各地的生產(chǎn)水平逐年提高。通過誘變育種，使藥物產(chǎn)量逐漸提高成千上萬倍的例子屢見不鮮。

基因鑒定技術(shù)

DNA鑒定技術(shù)是英國遺傳學(xué)家杰弗里斯在1984年發(fā)明的。DNA鑒定技術(shù)除了可鑒定個人身份外，在鑒定親屬關(guān)系上也很有效。人體細(xì)胞有總數(shù)約為30億個堿基對的DNA，每個人的DNA都不完全相同，人與人之間不同的堿基對數(shù)目達(dá)幾百萬之多，因此通過分子生物學(xué)方法顯示的DNA圖譜也因人而異，由此可以識別不同的人。所謂“DNA指紋”，就是把DNA作為像指紋那樣的獨特特征來識別不同的人。由于DNA是遺傳物質(zhì)，因此通過對DNA鑒定還可以判斷兩個人之間的親緣關(guān)系。由于人體各部位的細(xì)胞都有相同的DNA，因此可以通過檢查血跡、毛發(fā)、唾液等判明身份。

DNA的化學(xué)組成

2000年，我國河南省鄭州市首次頒發(fā)DNA身份證。這張?zhí)厥獾纳矸葑C表面印有持有者的姓名、年齡、性別、出生年月、血型、身份證號、照片等，但它的奧秘和價值所在是下方的一長排條文形碼。個人的遺傳基因秘密就藏在這些條碼中，顯示持有者存在的唯一性。擁有者將真正與世界上其他60億人口區(qū)分開來。DNA身份證在人體器官移植、輸血、耐藥基因的認(rèn)定和干細(xì)胞移植方面都有非常大的作用。

用DNA鑒定身份的技術(shù)在阿根廷內(nèi)戰(zhàn)期間也起到了重要作用。戰(zhàn)爭讓許多孩子失去了父母。戰(zhàn)爭結(jié)束后，政府希望把這些孩子們交付給他們的親戚，使他們回到親人的懷抱?？墒窃鯓邮顾麄儧]見過面的親戚相信孩子是自己的親屬呢？科學(xué)家采用DNA鑒定技術(shù)，將孩子血液中的DNA與可能是他們親戚的DNA相比較，結(jié)果至少幫助50多個孩子找到了親人?，F(xiàn)在這種技術(shù)，已經(jīng)廣泛被各國采用了。

近一個世紀(jì)以來，指紋技術(shù)給偵破工作帶來很大方便。但罪犯越來越狡猾，許多作案現(xiàn)場沒有留下指紋?，F(xiàn)在有了DNA指紋鑒定技術(shù)，只要罪犯在案發(fā)現(xiàn)場留下任何與身體有關(guān)的東西，例如血跡和毛發(fā)，警方就可以根據(jù)這些蛛絲馬跡將其擒獲，準(zhǔn)確率非常高。DNA鑒定技術(shù)在破獲強(qiáng)奸和暴力犯罪時特別有效，因為在此類案件中，罪犯很容易留下包含DNA信息的罪證。

根據(jù)DNA指紋破案雖然準(zhǔn)確率高，但也有出錯的可能，因為兩個人的DNA指紋在測試的區(qū)域內(nèi)有完全吻合的可能。因此在2000年英國將DNA指紋測試擴(kuò)展到10個區(qū)域，使偶然吻合的危險幾率降到十億分之一。即使這樣，出錯的可能性仍未排除。

基因療法

基因療法是通過基因水平的操作來治療疾病的方法?；蚴恰吧脑O(shè)計圖”，當(dāng)基因因為突變、缺失、轉(zhuǎn)移或是不正常的擴(kuò)增而“出錯”時，細(xì)胞制造出來的蛋白質(zhì)數(shù)量或是形態(tài)就會出現(xiàn)問題，人體也就生病了。所以要治療這種疾病最根本的方法，就是找出基因發(fā)生“錯誤”的地方和原因，把它矯正回來，疾病自然就會痊愈了。

近端著絲粒和端著絲粒染色體

目前的基因療法是先從患者身上取出一些細(xì)胞，然后利用對人體無害的逆轉(zhuǎn)錄病毒當(dāng)載體，把正常的基因嫁接到病毒上，再用這些病毒去感染取出的人體細(xì)胞，讓它們把正?；虿暹M(jìn)細(xì)胞的染色體中，使人體細(xì)胞就可以“獲得”正常的基因，以取代原有的異?；颍唤又堰@些修復(fù)好的細(xì)胞培養(yǎng)、繁殖到一定的數(shù)量后，送回患者體內(nèi)，這些細(xì)胞就會發(fā)揮“醫(yī)生”的功能，把疾病治好了。

美國醫(yī)學(xué)家安德森等人對腺甘脫氨酶缺乏癥的基因治療，是世界上第一個基因治療成功的范例。

1990年9月14日，安德森對一例患ADA缺乏癥的4歲女孩進(jìn)行基因治療。這個4歲女孩由于遺傳基因有缺陷，自身不能生產(chǎn)ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在無菌的隔離帳里。他們將含有這個女孩自己的白血球的溶液輸入她左臂的一條靜脈血管中，這種白血球都已經(jīng)改造過，有缺陷的基因已經(jīng)被健康的基因所替代。在以后的10個月內(nèi)她又接受了7次這樣的治療，同時也接受酶治療。1991年1月，另一名患同樣病的女孩也接受了同樣的治療。兩患兒經(jīng)治療后，免疫功能日趨健全，能夠走出隔離帳，過上了正常人的生活，并進(jìn)入普通小學(xué)上學(xué)。

繼安德森之后，法國巴黎奈克兒童醫(yī)院的費舍爾博士與卡波博士也對兩例先天性免疫功能不全的患兒成功地進(jìn)行了基因治療。

盡管目前只有極少數(shù)的基因療法開始在臨床試用，大多數(shù)還處于研究階段，但它的潛力極大、發(fā)展前景廣闊。

基因工程藥物

生物工程技術(shù)的誕生與應(yīng)用不僅改變了我們的生活而且還讓我們的生活多姿多彩。

1977年，美國加利福尼大學(xué)的遺傳學(xué)家博耶等人，用基因重組技術(shù)，在大腸桿菌中制造出5毫克的人生長激素抑制因子。如果用傳統(tǒng)的辦法從羊腦中提取5毫克生長激素抑制因子，那就要有50萬個羊腦。這是基因工程應(yīng)用的一大勝利。

紅細(xì)胞

糖尿病是患者胰腺不能正常分泌胰島素，引起血糖過高而至，其死亡率僅次于癌癥和心臟病。全世界的糖尿病患者已達(dá)數(shù)千萬人。20世紀(jì)初，醫(yī)生們就采用胰島素治療糖尿病。但胰島素以往主要靠從牛、豬等大牲畜的胰臟中提取，一頭牛的胰臟或一頭豬的胰臟只能產(chǎn)生30毫升的胰島素，而一個病人每天則需要4毫升的胰島素，胰島素產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。

1978年，美國化學(xué)家吉爾伯特領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，利用重組DNA技術(shù)成功地使大腸桿菌生產(chǎn)出胰島素。

為基因重組技術(shù)商業(yè)化而建立的第一家公司是南舊金山的一家名叫杰納泰克的公司。該公司是由博耶和企業(yè)家R.斯旺森創(chuàng)辦的，該公司能夠大量生產(chǎn)人體胰島素。1982年，用基因技術(shù)生產(chǎn)的胰島素產(chǎn)品獲得批準(zhǔn)并投入使用。

干擾素是兩位美國科學(xué)家在1957研究病毒的干擾現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)的一種抗病毒的特效藥，能戰(zhàn)勝病毒引起的感染，如水痘、肝炎和狂犬病等。干擾素本是我們身體內(nèi)部少數(shù)幾種能抵御病毒的天然防御物質(zhì)之一，是在病毒入侵細(xì)胞以后從仍然健康的細(xì)胞中自然產(chǎn)生的。但人體內(nèi)產(chǎn)生的干擾素數(shù)量非常小，所以當(dāng)時生產(chǎn)的干擾素數(shù)量很少而十分昂貴。

人染色體的組型

1980年，由美國生物化學(xué)家博耶和科恩創(chuàng)建的基因工程公司，通過各種不同基因組合得到幾種生產(chǎn)干擾素的細(xì)菌。1981年，又用酵母菌生產(chǎn)干擾素獲得成功。過去，用白細(xì)胞生產(chǎn)干擾素，每個細(xì)胞最多只能產(chǎn)生100～1000個干擾素分子；而用基因工程技術(shù)改造的大腸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)，在1～2天內(nèi)，每個菌體能產(chǎn)生20萬個干擾素分子?，F(xiàn)在，美國已經(jīng)采用基因工程來大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)干擾素。

中國在1982年已用基因工程方法組建了生產(chǎn)干擾素的大腸桿菌新菌種，它產(chǎn)生的干擾素跟天然干擾素一樣具有抗病毒活性。同年，復(fù)旦大學(xué)遺傳研究所獲得人干擾素基因克隆的酵母菌株。1983年建立了人甲種干擾素基因工程無性繁殖系，并用于生產(chǎn)。