基因工程：从幻想、怀疑到现实

不管是胎儿宫内治疗还是体外授精技术，都只是对付遗传病威胁的一种补救性措施。因为不正常的基因仍然留在病人身体内。最理想的方法是将出了问题的基因切除，换上正常的基因。例如说，我们负责将生产胰岛素的基因“注入”糖尿病患者的有关细胞里，让这些基因指挥细胞生产机体所需的胰岛素来，就用不着像现在治疗糖尿病那样天天注射胰岛素了。这就是所谓基因治疗。

基因治疗可不是一件容易的事。我们先得知道遗传病患者的什么基因出了问题，出了什么问题。就是要对各种病先要作 DNA 的分析诊断。然后要找到“正确的基因，并把准备接入病人身体内的这些遗传物质制备出来，制备

（提取或者合成）既要有足够的数量，又必须保持基因是“活的”。最后，要把基因送进病人细胞内，并嫁接到基因链的准确位置，同时把出错的基因替换下来。这个过程要在不伤害细胞的前提下进行，还要保证新基因能工作起来。人体内细胞有 60—200 万亿个，基因链只有 20 埃那么粗，想想看，给基因做手术有多难！

但遗传学家却能作这样的手术。科学家经过艰苦卓绝的努力建立了一套基因移植技术即基因工程技术，为医学的基因治疗奠定了方法学基础。作为基因工程在医学中的一个分支，基因治疗的每一步发展，都要依赖基因工程理论与技术的进步。

基因工程亦可称为遗传工程，是 60 年代末到 70 年初发展起来的一个遗传学分支。猛然看来，把“工程”和“基因”连在一起似乎有些离奇，但从我们刚才所说的基因手术过程看，的确是一项名副其实的基因改建“工程”。基因工程的基本任务，是把一种新基因移植到生物现有的基因组中；或

者，在另一种情况下，从某种生物的基因组中剔除某种基因，用这种方法使物种的遗传特性发生变化，让生命按照人们设想的方案进行活动。当然，人也可以是实施工程方案的“施工”对象，如胰岛素合成控制基因移入人体的过程，就是一个基因工程过程。

由于 DNA 的重组工艺非常困难和复杂，所以最初许多人对其可能性表示怀疑，认为这只是一种幻想。例如，在 1970 年伦敦举行的现代生物学的社会问题国际讨论会上，就曾对基因工程的现实性问题发生了激烈的争论。然而从当时科学家已取得的成就来看，基因工程是一个人们必须认真对待的现实。一个国家如果人为地推迟对这一领域的研究，势必会影响自己整个科技水平的发展速度，最后处于完全被动的地位。因此，自 70 年代，特别是 70 年代中、后期以来，许多国家都把以基因工程为核心的生物工程研究作为科学研究的重点。

基因工程作为科学的历史虽短，但天然的“基因工程现象”却是普遍存在的。例如我们前面说过的病毒，就是一个“天然的基因工程师”。再如一种称为癌农杆菌的豆科植物共生细菌，也是这样的“工程师”。农杆菌（固氮菌的一个种类）与豆类植物的共生机制，可以说是大自然建立的一个典型的基因工程模型。农杆菌感染豆类植物的根时，细菌能放出称为“Ti 质粒” 的核外遗传物质——环状的 DNA 进入植物的根部细胞。植物根部细胞被 Ti 质粒基因转化后，就会发生癌变形成根瘤。但对植物说，这是因祸得福的事。因为细菌虽通过植物根瘤获得自己生活的必要条件，但它们能够将空气中的

无机氮转化为植物必需的有机氮，以此来加倍“偿还”植物的损失；我们知道，植物没有吸取无机氮的能力，而土壤中的有机氮是比较缺少的。

细菌和植物之间这种绝妙的共生关系，很早就引起了农学家的重视。现在的基因工程学家也看中了这一现象。人们设想，如果把癌农杆菌的宿主扩大到别的植物，特别是扩大到与人类粮食生产最密切的禾本科植物（如小麦、水稻、玉米等）上，未来的农业可能不再需要那么多规模宏大的化肥厂了。当然，这种理想的实现还需要一定的时间。困难的是，共生是双方的基因决定的，要让农杆菌进入小麦的细胞“造”瘤，必须使“联姻”的双方都“同意”才行。这是一个世界尖端研究课题，也是基因工程研究的一个热点。（顺便说一句，前不久中国报刊曾有某个“市民”用“磁化水”解决禾本科植物结瘤固氮难题的报道，后经证明是假的。）据报道，有关这方面的研究已有一些结果：科学家已弄清决定根瘤菌从大气中吸收氮能力的特定基因，并将这个基因移入了大肠杆菌中，准备再用噬菌体将这个基因带入植物体内。

我们从根瘤菌的例子可以看出，要进行一项基因工程，得从以下几个方面入手：

“目的基因”的制备。这是进行基因嫁接的“接穗”，正像 Ti 质粒里的 DNA，或者说是准备用来替换遗传病患者缺陷基因的正常基因，要从天然物中分离这种基因，就要解决单个基因分离、纯化的技术手段问题。
如果工程目标比较特殊，不易从天然物中分离到“目的基因”，就必须能在实验室合成这种基因。获得目的基因后，还必须让它们繁殖一定的数量，并使其保持活性。
寻找到合适的“登月”运载工具。正如农杆菌的“Ti 质粒”那样的“装置”，称为基因载体。没有这基因的“火箭”，基因便无法进入细胞的“月球”。

以上过程的每一步，都是非常复杂和困难的。听起来平淡而且枯燥，但其中的任何一点进展，都是遗传学发展的一项重要标志。所以，当 1969 年美国哈佛大学的三名科学家拜克维茨、爱伦和沙皮罗第一次分离出纯净的单一基因时，在科学界引起了极大的轰动，认为这是一个“极重要的”和“使人类为之骄傲”的成就。

当时分离单独基因的方法，简单说是这样的。在大肠杆菌里寄生有许多细菌病毒，即噬菌体；其中有两种噬菌体——λ—噬菌体和φN—噬菌体最引人注目。它们都有一个 DNA 大分子，但两者 DNA 碱基序列的差别很大。可是它们有一个共同的特点，在一定条件下，两者都具有从大肠杆菌中“截取” 同一基因即半乳糖苷酶基因的奇异能力。科学家利用它们的这种特点，用它们去感染大肠杆菌，经过一系列遗传学的和生化的巧妙处理，最后获得成功，向人类宣布第一次获得分离单个基因的胜利。

在这之前，就有人进行人工合成基因的尝试。1967 年，一篇关于人工合成病毒基因区段（当时说是“合成了生命”）的报道曾引起全世界的反响。这项工作是由 A·科林拜尔、M·古里安和 P·辛斯海默等人完成的。这项工作有着很大的意义，它为人工合成完整的基因开辟了道路。但当时许多行家都认为，这离真正“目的基因”合成的实际应用还相去很远。在试管里合成活的基因的事，当时大多数人还不曾想到。沙皮罗等人的成功更鼓舞了人工合成基因的研究。从一定程度上说，从生物细胞中直接分离符合“工程”计划要求的目的基因，要比人工合成这种基因困难得多。因为在高等生物中，

基因很少单个存在，而且数量极大，很难将它们识别和分离出来。

第一次人工化学合成基因的报道是在 1976 年。美国科学家 T·X·科拉纳花费了 21 年的时间才合成了大肠杆菌酪氨酸转移 RNA（tRNA）基因。他先用一般的化学合成方法合成由 8—12 个核苷酸组成的短链，然后借助一种从生物体中提取出来的起“缝合”作用的酶——核酸区段连接酶将短链连接起来。人工合成基因方法的难度很高。除了要弄清目的基因的详细结构外，还有许多很复杂的问题。如工具酶的提取极不容易；合成操作复杂；副反应多，因而杂质剔除亦难。此外，实验设备和药品也相当昂贵。更困难的是，某些基因的长度由几千对核苷酸组成，人工合成这样的大分子暂时还不可能。于是，人们提出另一种基因合成方法——模板合成法。

基因工作指令传递即遗传信息的传递是按照“DNA→RNA→蛋白质”这一方向进行的。在相当长的时期内，这一传递路线被认为是唯一的路线。但包括苏联遗传学家 C·M·盖尔申宗在内的一些学者认为，相反的转录即由 RNA

→DNA 的转录可能也应存在。后来，RNA 病毒的发现和研究证实了这一猜测。所谓基因的模板合成法，就是要像艾滋病 HIV 那样，以 mRNA 为模板，先反向转录出一条 DNA 单链（cDNA），再以互补的方式加倍成 DNA 双链。从 mRNA 到 DNA 的关键是要有反转录酶。这种酶最早由诺贝尔奖金获得者、英国科学家伯蒂摩尔和泰米在 1970 年分离出来的。1976 年苏联科学家易列希蒂首次从兔细胞中分离出了一种球蛋白 mR-NA，并以此为模板合成了有 580 个碱基对的家兔球蛋白基因，并通过基因移植手段，使兔基因在大肠杆菌中合成了兔球蛋白。

掌握分离和合成基因技术，是一件非常杰出的成就，但这仅是基因工程的一个非常初步的进展。须知把合乎人的意愿的基因移植到所要转化的生命的染色体序列中，更是一件不容易的事。因为各种生物的细胞都有自己的一套防御机制：细胞中有两类酶，一类是促进 DNA 嫁接或者说“缝合”的连接酶；另一类是专门在 DNA 上寻找各自特定的“切点”，认准后就“下刀”的内切酶，或称为限制性内切酶。在这两种酶的作用下，即是擅于“乱点鸳鸯” 的基因“爱神”病毒也不能为所欲为。例如，人们发现，某些大肠杆菌为宿主的病毒，在另一些大肠杆菌里会遭到“白眼”，大肠杆菌内的限制性内切酶会认出来者不是合适的“新娘”。只有合适的噬菌体 DNA 才能与宿主“联姻”，而不合适的 DNA“新娘”会被大肠杆菌内的内切酶“斩断”：细菌内的内切酶能“识别”出外来病毒 DNA 上的特定部位，然后用其特定的物质使病毒 DNA 从这里断裂。内切酶的这种奇异特性对于分子生物学家来说有着特别的意义。

限制性内切酶的发现是科学史上的一件大事。1968 年，人们第一次从大肠菌中提取出了内切酶。这是在 1978 年获得诺贝尔生物医学奖的沃纳·阿尔伯博士、丹尼尔·内新斯博士和汉密尔顿·史密斯博士对科学的杰出贡献之一。自 70 年代以来，人们已分离提取出了 400 多种内切酶，其中许多内切酶的特定识别点已被弄清。

连接酶和限制性内切酶都是基因移植操作所必备的“工具”，故被称为工具酶，并有基因手术“缝合针”和“分子手术刀”的称誉。当然，除了这两类酶外，还需要许多其他的酶，如逆转录酶、各种合成酶以及能对基因“接头”进行修饰以利“安装”的多核苷酸末端转移酶等。制备各种必要的酶是基因操作的必要条件保证。

基因移植的另一个关键，是要找到合适的转移载体。

说到基因载体，人们自然会想到病毒和噬菌体这类转移基因的天然能手。早在 1965 年，苏联遗传学家盖尔申宗就发现，蚕多角体病毒能在蚕中转移蚕的决定蚕卵颜色的基因。人们还发现，不仅同种生物之间，病毒甚至在人和鼠的培养细胞之间转移基因。

除病毒外，另一种理想的载体是质粒。质粒可以在不同细菌菌系之间甚至在不同种细菌之间进行交流，使细菌的抗药性基因得以互相转移，这是人们较早就知道的。70 年代以来科学家对 Ti 质粒的研究，引起了基因工程专家对质粒作载体的重视。一般正常植物细胞里是没有质粒的。因而 Ti 质粒对植物细胞的入侵能力，很容易受到人们的青睐，质粒是细菌中普遍存在的一种核外遗传物质，是一种环形的 DNA 结构。也像病毒一样能够自体复制。如将外源 DNA 安装在质粒 DNA 环上，外源 DNA 在质粒自体复制时也能得到复制。这是基因载体所必备的条件。当然，还有其他载体以及其他介导方法，如脂质体，转位子，显微注射等。

除了自体复制能力外，不管是病毒还是质粒，还必须具备另外一些条件。例如，它们要有能被合适的内切酶所识别的切口，才能将目的基因装上来。这有如装配工作，既要有各种工具，还要有与工具相匹配的螺钉、螺孔、螺帽等。在遗传学中，将目的基因装在载体的过程叫基因体外重组。

基因体外重组的基本条件是两种基因（即载体基因和目的基因）要有互相匹配的“接头”。让我们设想一下，两条双链 DNA 要牢固地连接起来，接头应是什么样子？无疑两者的接头都要留出一个长度相等的半边链“尾巴” 才好。这样，对接时，两“尾”相对扣合，“严丝合缝”。而且，由 CNA 双链之间的互补关系决定，双方“尾巴”上的碱基应成互补关系才能“粘”得牢。奇妙的是，多数限制性内切酶都具有这种特性，当它们“切”开 DNA 双链时，DNA 双链上的断口并不在一对碱基上，因而断开的端头上就适于组接的“尾巴”，遗传学称之为“粘性末端”。由于一种内切酶只识别一种切口，而一条 DNA 上又不止一处有相同切口位点，因而一条足够长的 DNA 被一种内切酶处理后，会被切成长短不同的许多 DNA 片段，任何两段都可以找到互补端，而且一条片段的两端也可以对接。

不难理解，在进行基因体外重组时，只要将载体 DNA 和含有目的基因的DNA 链用同一种合适的内切酶去处理，两者切口上便具有相同的互补粘性末端，在连接酶的作用下，它们就会嫁接在一起，而接口上又恢复原来的基因碱基顺序。

有时目的基因和载体 DNA 都缺少粘性末端（有的内切酶切口是平整的），就需要用人造末端法来进行重组前的加工。简单说，在特定的条件下，按照酶切形成的粘性末端位置给两种 DNA 的平整末端各加数个大致相等，但又是互补的脱氧核糖核苷，如给一种 DNA 片段加 dA，给另一种加 dT。这样，在目的 DNA 和载体 DNA 混合时，相互补的末端便把两者连接在一起，实现体外重组。

下一个目标是让载体进入目标细胞。导入方法很多，可因不同载体的情况而异。例如以病毒为载体时，“改装”了的病毒以“感染”的方式进入被转化细胞，在多种酶的作用下，目的基因进入预定位置，而病毒却被“消灭”。质粒载体现有多种，而且大都是经过改造的，所以都有已知的切点和运载对象。当某种目的基因适于某种质粒作载体时，用工具酶将目的基因组装在质

粒 DNA 环上，然后用一种方法，例如用美国夏威夷大学孟德尔等人发明的方法，用氯化钙处理受体细胞以提高胞膜的透性，然后在低温下孵育，质粒就可以进入受体。

目的 DNA 导入过程是我们肉眼看不到的。因为，要知道导入是否成功，事先应找到特定的标志。例如，我们用一种经过改造的四环素质粒 pSC100 作载体，将一种基因移入自身没有抗性的大肠杆菌中时，如果转化试验后大肠杆菌不能被四环素杀死，就可以确定转化是成功的。

最后，必须关心的是，我们千辛万苦地将目的基因嫁接到受体 DNA 中后，它能否按照我们的预期目的“工作”起来，即目的基因能否表达！这是一种件麻烦的事。要知道，在生物体内，特别是包括人在内的高等生物细胞内，有很多“沉默”基因，它们几乎是一群完全不工作的“懒汉”，尽管在每一次细胞分裂中都会得到复制。关于这些基因的作用和来源，科学军人尚无一致意见。有人说这些基因是生物进化历史上积累下来的“过时机器”，正像我们家庭那些束之高阁的陈旧玩具；有人说这些“玩具”中至少有一部分是病毒馈赠的礼物；也有人认为这些沉默者极为重要，它们可能是机体发育过程中各种功能基因的功能训练场所。基因工程学关心的是，如果目的基因掉进这群懒汉群中该怎么办。科学家花费了许多精力，已经掌握了一些控制基因“启动”和“关闭”的方法。简单说，科学家找到了一些有关“开关”作用的 DNA 因子，它们可以起到启动基因或关闭基因的作用。

值得一说的是，能够在不同基因位点跳来跳去的“天关”基因的发现，要归功于美国杰出科学家芭芭拉·麦克林托克。40 年代，她在一小块玉米地上所做的遗传学实验中发现了这种跳跃的基因“小妖”。但她最初将自己的这个发现公布于世的时候，却受到科学界的冷遇，因为当时公认的“捻珠串” 基因理论不能容忍这些跑到“串”外的“珍珠”。直到基因转位子的发现无可辩驳地证实她的发现时，已是二十年多年后的事了，1983 年麦克林托克 81 岁时被授予诺贝尔生物医学奖，以表彰她对“我们时代在遗传学领域的第二个伟大发现”。现在，麦氏的理论已成为基因工程学及癌症研究等学科发展的基础。

基因移植开始仅仅在有亲缘关系的微生物之间得到成功；此后，人们又掌握了在无亲缘关系的微生物之间进行基因转移的方法，例如，能把基因从葡萄菌中移入大肠杆菌中。不久，南非蟾蜍基因移入大肠杆菌成功。一时间，分子遗传学家有如生命的魔术师，一次次在公众面前展示他们那些令人目瞪口呆的创造，各发达国家都投入了大量人力物力，以免失去分享基因工程潜在利益的机会。然而，世界著名的生物学家 J·丹尼埃里却认为，今天的生物学家必须认真加以考虑的不是他们能够做些什么，而是他们能否允许自己去这样做。

的确，基因工程来到我们世界不久，人们对它就产生了双重的态度。这门年轻的生机勃勃的科学给我们打开了无限美好的前景，但会不会又是一个“潘多拉的盒子呢？”这绝非是没有根据的担心。

1971 年夏美国麻省坎布里奇的一个病毒研究室曾废弃一个计划中的实验。这个实验是将来自猴病 SV40 的 DNA 接合到λ—噬菌体的 DNA 上，然后再把这种病毒插入大肠杆菌中；已知 SV40。能在某些动物身上诱发肿瘤，但似不诱发人体肿瘤。一位科学工作者提出，这个实验可能有一种危险：被嫁接

了 SV40 基因的大肠杆菌万一从实验室逸出，进入人体后就有可能使人感染取SV40。类似这样的危险实验还可能很多。出于这种忧虑，保罗·伯格以及包括 DNA 双螺旋体发现者 J·沃森在内的一批美国科学家在 1974 年 7 月给美国科学委员会写了一封信，要求在对基因移植将会引起的风险作出评价并提出必要的防护措施之前，某些实验应自动停止，或用延缓拨款的方式加以禁止。于是，美国国家卫生研究院（NIH）专门成立了一个委员会来评价有关研究风险和制定有关措施。

其实在此之前就有人产生过这种忧虑。1969 年人们首次人工从大肠杆菌中分离基因成功后，实验人之一的詹姆斯·沙皮罗就声称，他准备放弃这项研究，因为他不能断定这项成就对人类是祸是福。该实验的负责人纳丹·拜克维茨教授也提出这样的疑问。但由于他们没有提出具体危险，因而只得到极少数人的认真对待。第二个危险信号出现于 1973 年 6 月美国戈尔登诺夫核酸会议上，会上公布了斯垣福大学体外重 DNA 分子的成功实验。但仍没有引起人们的太大担心。直至第一批具有生物活性的质粒重组基因出现后，人们才真正意识到，这些被杂交的 DNA 有可能从实验的控制中摆脱出来。

这里存在着一种后果无法预计的危险性。大肠杆菌是一种基因杂交的理想实验材料，同时又是作为正常现象大量生活在人的消化道里的细菌。一旦一种被人工改造过的大肠杆菌从实验室泄漏出来并进入我们的肠道，它们有可能在大量繁殖中取代人体中正常的细菌，或者用它们的质粒将其他细菌进行“自然”的改造。如果它们携有一种致病的因子，人类可能面临一场难以遏制的传染病大泛滥。更直接的危险是基因移植中使用有可以致癌的 RNA 病毒，如前面所说的 SV40 病毒，给它们以新性质，后果也难以设想。

生物学家的“冒险”自然会引起舆论的大哗。“基因工程将带来恐怖！” “基因工程，试管中的恶魔吗？”“生物学家在冒险！”“新细菌——是生命，还是死亡？”——不科学的喧哗常常比科学的深谋远虑更能俘虏人心。

1975 年 4 月NIH 在加里福尼亚州的阿塞罗马发起了一个由世界分子遗传学家参加的大型会议，新闻界乃至法律界人士都列席了大会。会议对各种危险进行分类，讨论了关于制定严格的分子生物学研究准则的问题，会议一致同意撤销 1974 年 7 月关于“延缓拨款”的决定，但强调可能的危险依然存在。科学家将实验分为四个级别，并制订了相应的预防措施。从工作人员生活到实验室设备及操作规范都进行规定。首要的是必须完全排除细菌与工作人员和外界环境接触的一切可能。每一个研究机构都必须设专门的安全小组，对实验室的使用和安全进行控制。

在基因工程实验室安全问题上，1974 年倡议书发起人之一，斯垣福大学教授保罗·伯格的话是耐人寻味的：“这种威胁与原子能威胁只有这样的不同：核弹可以用锁栓加以控制，而微生物进入我们的环境后，我们怎样才能捕捉它们呢？”为了能在实验中有效地控制住无孔不入的细菌，阿塞罗马会议规定，所有基因工程实验都不能用普通细菌进行，而必须使用只能在 36℃ 以下温度生活的大肠杆菌。这就是说，人的正常体温就是实验细菌的致死温度。因而它们进入人体繁殖和传播的路便被堵死了。

为了获得这种安全的突变菌株，美国遗传学家 P·克尔蒂斯花费了整整一年功夫，最后找到了在任何自然条件下都无法存活的大肠杆菌。安全细菌的获得使急待恢复研究的科研工作得以重新开始。1975 年，世界卫生组织在

阿塞罗马会议的建议下，决定负责基因移植研究中的有关问题，并再次强调使用低危险性生物材料的必要性。事实上，人们在这场争论中过分地夸大了由基因移植引起的可能危险。因此，到 70 年代后期，基因工程研究经过一场严肃的反思和自审之后，重新获得了飞跃的发展，并大踏步地进入我们生活的各个领域。

保罗·伯格说，使我们要求停止研究的动机“不是出于道德，而是一些人人皆知的公共卫生知识。”既然这样，为了人的健康而大力发展基因工程也是可以理解的。因为能从基因移植获得最大好处的首先是医学。