介绍生物基本实验技术、细胞生物学、微生物、植物学、遗传学等相关实验操作、仪器使用、试剂、注意事项等等。请大家多多指点,记得给我评论哦!

转基因物种究竟转入了什么?

上一篇 / 下一篇  2011-06-01 11:01:47 / 个人分类:基本实验技术

文章来源
  • 文章来源:转载

基因和基因组(Gene and genome)概念与区别,这两者一字之差,但概念完全不同:基因是指控制生物性状的遗传信息,是一种功能单位,可以统指操纵整个生命世界的遗传信息,也可以指控制某一物种特定性状的遗传信息;基因组是指承载某一物种全部遗传信息的物质—DNA(包括RNA病毒的RNA)。基因的信息功能蕴藏在DNA序列中,功能的发挥受基因组内外机制的综合调控,离开基因组即失去信息功能。

目前人类可以检测DNA序列,但尚未完全解读细胞DNA序列全部的意义,生命体可通过DNA中基因信息的选择性表达与RNA重排,实现在同一基因组状况下细胞性能与状态的分化。转基因技术转移的是经改造的病毒与质粒基因组,因技术原因转入的基因组一般不能融入细胞基因组,因生殖隔离,转基因作物在繁殖过程会回复到原本的自然状态,转基因作物需要人工技术才能维持。

 

什么是基因?(Gene

自发现与识别遗传物质以来,基因(gene)和基因组(genome)是生物医学领域的科学文章中常常涉及的名词,几乎人人都知道这两个词是与遗传有关的词汇。但由于分子遗传学与基因工程学在发展过程中对于这两个词汇缺乏严格的定义与界定,一些应用上的不规范,常常给非专业人士带来困惑。基因与基因组虽一字之差,却有完全不同的含义,指向不同的对象。《基因学》中笼统地说基因是DNAGenes are DNA),笔者认为并不周全。严格说这句话是有语病的,因为离开基因组的DNA就不能发挥基因的功能,基因的信息意义超越了DNA的化学结构,不能简单等同于物。DNA确实是基因存在的物质基础,但这种结构单一的化学分子,本身并不参与建造生命体,仅内含引导万物表达生物特征的信息,这种信息蕴藏在DNA序列中,“基因学”在具体文字中也明确地表示了基因是一种信息。26个英文字母通过字符排列可以组成浩瀚文海,包罗人类思想;计算机二进制代码可以组成庞大的指令系统,驱使电脑行使成千上万种工作;同样基因是4种碱基序列组成的一种生物信息,在生命起源与进化中逐步发展成一个生命信息库,指导整个生命世界的运作。因此基因是指一种生物信息,引导生命世界运动的“基本动因”。

目前在实际使用上,基因这个术语却不严格地赋予了双层含义:从抽象层面说是指遗传信息。广义上统指掌控生命世界的全部遗传信息,狭义上具体指支配某一个特定生物功能或生物特性的遗传信息,如肥胖基因、身高基因、疾病基因等。从具象层面说,基因指的是承载遗传信息的某一段DNA分子;“基因工程”的“基因”,指的是具象层面的基因,“基因工程”实质上是DNA工程。但是基因作为一种信息本身是无形的,依附于DNA,犹如“灵魂依附于活体”,自然界负载某一基因序列的DNA分子从不独立存在,均是有组织地连锁于物种的DNA(基因组)中,受制于基因组的控制,不能单独发挥指令实施功能。所以基因不能单独作为一种“物”而流动。

什么是基因组(Genome

基因组指物种的全套遗传物质,即DNA(包括RNA病毒的RNA);包括功能基因、结构基因、调节基因以及所谓内含子、外含子等等序列在内的全部DNA。所以严格来说“基因组”是对DNA实体的正确文字表述,某个物种的DNA就是指某个物种的基因组。DNA是一种化学分子,以配对双链螺旋的方式存在,是自然界最稳定的生物大分子,可以经受100度的高温加热,解链后可以再复性;在适当条件下可以在自然界保存数千万年,如冻土中的古生物遗骸中还可找到DNA;因此DNA分子是自然界储存生物信息(基因)的最佳载体,其碱基配对和复制特性,成为生命传承最根本的基础与动力。自然界的DNA分子以基因组的形式存在于细胞中,每个物种基因组必须具备1500个以上的基础基因信息才能维系独立生存,不然就需要寄生于细胞,如支原体、衣原体和病毒等等,因此物种基因组的DNA分子数量是相当庞大的,其碱基对数量往往以百万、千万或亿计。对于如此庞大基因组的运动与复制,必定有个完善的组织与调控系统,保证生命运动的协调、有序以及传代延续中基因信息的完整性,因此生命过程中基因组每段DNA的运作均需得到有效的控制。人类基因组由30亿对核苷酸组成的,已知仅有1%序列被约2.2万个已知基因占用,其余序列功能尚不完全清楚,但基因组不论大小,在每个细胞的分裂增殖过程中均需统一协调运动,其组成、排列与分布保持高度的一致性,这是物种能存在延续的基本条件。人工合成带有目的基因序列的DNA分子,也必须插入恰当的基因组与恰当的位置,才有可能发挥基因功能效应;离开细胞和基因组,DNA分子不能视为基因。因此没有人会把“营养核酸”作为基因看待,因此说“基因流、基因污染”是个伪概念。人类理解的生物污染实质是指某外来(包括人为的)物种或其衍生物的移动或扩张,破坏或影响了人类的生存环境,不能单独指向基因。

基因组DNA发挥信息机制的复杂性

蕴含在DNA序列中的基因信息必须转录为RNA才能实施功能,细胞中有个动态的RNA库。DNA自身非常稳定、保守并组织有序,一个个体不论有多少细胞组成,每个细胞的基因组是相同的,也就是说其DNA序列是一致的,因此我们能够分析每一物种基因组的DNA序列。而从DNA转录而来实施信息功能的RNA世界却是个庞大的不稳定的动态系统,同一个体不同细胞的RNA存在差异,同一个细胞不同时期的RNA也存在差异,RNA分子不稳定,种类繁多、含量差异大、而且处于变动之中,对这个庞大的动态的RNA世界的研究有很大的难度,目前科学家只能笼统地用RNA库来描述与研究某种细胞内的RNA,我们可以从中调出一个某一功能的RNA来研究,但作为一个庞大的动态库,很难明确其确实的“库存”。有如人口调查一般,要搞清每个RNA分子(包括流动人口)的性质是件浩大的工程。而由mRNA指导翻译的蛋白质组更是个浩瀚如海的“蛋白质库。”每种蛋白质的数量与功能与相应分子关系更为复杂,研究难度更大。

目前已知RNA世界中RNA可分为三大类;一类是核酶,这类RNA具备生物活性,参与细胞的结构组成与生命运动,生命中一些的基础功能酶就是RNA,如参与核酸代谢的核酶,参与蛋白质合成的核糖体酶(rRNAtRNA)等;另一类是mRNA,因其序列翻译成蛋白质的氨基酸序列,所以也称谓编码RNA,是我们研究比较清楚的一类RNA;还有一大类长长短短的非编码RNA,因其功能尚不完全清楚而成为当今RNA世界研究的热点,现已知这类RNA可以以其配对效应对DNARNA发生作用,在基因的调控中有重要功能,如小干扰RNA对功能RNA的封闭作用,但是目前尚不能确定的是细胞中丰富的非编码RNA在细胞内是调节基因组的因素还是基因组被调节后的产物,或者兼而有之。

转录中的调节机制,以及所谓基因重排

DNA序列中基因信息通过转录,进而翻译,转换成有形态结构与功能特征的RNA或蛋白质参与生命运动。上世界60年代科学家解密了DNA序列与蛋白质氨基酸序列对应的遗传密码,DNA→RNA→蛋白质成为公认的自然法则。通过蛋白质序列可以推测mRNA以及DNA序列,用DNA工程技术合成或改造一段DNA分子插入病毒载体转染细菌,可以成功地表达一个目的蛋白。因此上世纪末研究人类DNA全序列的科学家预期将能解开人类所有的生命密码,从此掌控自身的健康与疾病。但十余年的科学实践证明遗传信息的运作机制远比人们想象与推测的复杂。人类基因组绝大部分DNA序列文本难以解读,在较为复杂的物种体内,往往难以找出用于合成某种蛋白质的DNA文本,同样也无法完全根据DNA文本推断出可以合成何种蛋白质,科学家仅能在病毒或细菌这样简单的物种基因组中研究与验证这种简单的遗传信息关系,因此利用病毒作载体让细菌来生产目的蛋白的DNA工程技术取得了成功;但在高等生物中尚未取得成功的实例。例如利用DNA工程让母牛在乳液中分泌人体白蛋白只是某些科学家的美好愿望,实现前景很不明朗。

从很普通的现象就可以理解生命中基因调节系统的存在,除外单细胞物种,多细胞物种出现了细胞形态与功能分化,同一个体不同种类细胞虽然具有相同的基因组,但细胞表现的形态与功能却可出现很大的差异,如人体的神经细胞、皮肤细胞、肌细胞、血液细胞等等。基因调节系统机制的研究是生命科学的热点与难点。

从胚胎细胞与干细胞的研究分析,环境因子是调节基因组首要因素,如在胚胎细胞培养中,加入一种白血病细胞的抑制因子,就可使胚胎细胞增殖但处于胚胎母细胞状态(ES细胞)而不分化,在皮肤细胞培养中导入含4个转录因子的基因载体或其蛋白质可使其回归到干细胞状态,成为类似于ES细胞的多能干细胞(iPS细胞)。而这两类细胞都能在不同组织或组织因子诱导下分化为功能各异的组织细胞,成为再生医学研究的新热点。

这些环境因子是如何作用于基因组的细节尚不清楚,目前了解基因调控机制的表现方式有两种:一种通过基因组中基因有沉默与活跃两种状态来实施,显性表象是通过双链DNA分子的去甲基化和松弛解链。DNA分子活跃片段的差异使基因组内基因信息得到不同组合的发挥,随后导致细胞的形态与功能发生相应的分化。另一种是通过基因重排进行。即在DNA序列向RNA序列转录的过程中,通过DNA分子弯曲与转录酶在DNA序列上选择性读取,如跳过内含子或某段核酸序列,重组外显子,使DNA与转录的RNA之间出现不连续对应或重排的现象,这种重排使RNA分子或随后翻译的蛋白质分子种类大大地增加;例如人类的2万多基因能指导产生数十万种蛋白质,高等动物免疫系统免疫球蛋白的产生是个典型的例子。

DNA的重排将破坏基因组的稳定与完整性而毁掉物种,所以自然界基因重排现象并不发生在DNA序列上,而仅发生在DNARNA转录的过程中,表现在RNA或蛋白质分子上。而且在RNA分子上序列重新编接(alternative splicing)是有规律的,控制此规律的“生命密码”与调节DNA序列的动静机制一样,科学家目前仅仅知道其存在,尚未了解和掌控,细胞生命通过这套复杂而多层次的调控系统对基因组作用,来控制细胞乃至整体生物的表现特征与特性。(有一类没有再增殖分裂能力的终末细胞不在此例,如红细胞只有单一的运氧功能,发生过程中可以逐步将整个基因组丢失。)从物种(包括人类)DNA测序到掌控基因组还有非常遥远的路程要走,所以我们不能轻易谈论与相信创造生命的神话,自然界每一个物种都经历了亿万年的进化过程。在强大的进化规律面前,人类对进化产物的改造能力是十分有限的,即便是实验室用什么新方法改造了一点基因组成分。

关于转基因物种的问题

“基因工程”的本意是基因重组或基因改造,是通过DNA工程技术从某一物种基因组截取一段承载目的基因的DNA分子,插入到需要改造物种的基因组中,实质是一种“断章取义”,离开了基因组的一段DNA分子有如一段离开了文章的文字,能否插入另一个基因组,而且插入后是否有意义或是否是原意需要就事论事;除了基因组简单的病毒或质粒,人类尚未掌控庞大的细胞基因组改造的技术,我们可以分析一个物种DNA的全部序列,包括人类的,但细胞物种基因组序列的全部意义及其重组技术尚在探索中。

从上述基因与基因组的关系,我们可以清晰的了解基因是离不开基因组的,离开基因组将一段含基因序列核酸分子注入细胞是没有意义的。因此在转基因技术中,目前科学家实施的方法是将一段含有目的基因序列的核酸插入一个基因载体;质粒或病毒基因组。然后将这种经过改造的基因组转入被转基因的物种。转入的基因组以寄生方式自我调节发挥其所携带目的基因的效应。由于是寄生的,作为外来的“微生物”会受到宿主细胞或免疫系统的对抗与排斥而逐渐丢失,因此要获得持续的效果,转基因技术一般都是在物种的受精卵或种子时期进行;即便如此,寄生的基因组可能会遭遇生殖隔离屏障而在传代中丢失,因此转基因物种需要人为的特殊技术来生产,不能顺其自然连续生产。

至于用逆转录病毒作为基因载体,将转入的基因组插入宿主细胞的基因组,已有很多研究与论述。虽然逆转录酶与逆转录病毒在生命的起源、RNADNA转移、原始DNA或基因组的进化中发挥了根本性的作用,在早期生命或低等生物中被反复地论证。然而这种外源基因组的插入机制将破坏原基因组的组成与结构,并不利于物种的稳定。因此在漫长的进化过程中,高等物种逐步演化出一套完整的遗传物质自我稳定机制,如核酸复制纠错系统、干扰素系统、免疫系统等等,抵御外来基因组的入侵。因此这种逆转录转座子现象对于人类来说早已沉默,对于现有高等生物物种中是否还存在这种现象尚需存疑。用细胞DNA随机粉碎、电泳与病毒基因杂交技术可以证实病毒序列是否插入细胞DNA序列中,但对于庞大的细胞基因组,病毒基因组插入何处?插入后是自我调控还是受细胞基因组调控?能否保持并发挥基因功能?在这些基础问题未明确之前,不能断论转基因作物的外源基因组已插入细胞基因组从而创造了人造物种。

媒体上有“科普专家”称转基因“不过是增加一个基因”这种说法是不准确的,转入的必须是一个能独立“工作”的基因组;另外称一个“物种有上万基因增加一个基因没什么了不起的”也不客观,因为这要看转入的是什么基因,我们不必担忧什么“基因流”,但要考虑转入基因的产物对生物的影响,例如促使细胞增殖的生长激素类基因功能可使被改造的物种生长失控,如动物疯长会影响与环境的协调,并可能影响随后的食物链,转基因鱼未能获得美国FDA批准很可能是基于此类担忧。因此讨论转基因物种的安全性要就事论事。植物与动物的生物特性差异很大,转基因植物转入基因的衍生物对人类的影响很小或没有,因此一些国家对转基因作物的研究力度很大,相应产业发展很快;而转基因动物需要担忧转入基因的产物对食物链(人类)的延伸作用,因此长期处于研究阶段。

人类理想中的转基因技术是将一个目的基因加入细胞基因组而改造物种,而目前的转基因物种(包括基因治疗)仅是外加一个自我调控的寄生基因组,尚未真正涉及细胞基因组;如果转入基因组的调控系统与细胞基因组发生某种反应或交差调控,干扰细胞基因组的调控,细胞生长有可能失控发展成异常细胞(肿瘤细胞)使成体消亡;基因治疗更需要考虑到免疫系统与干扰素系统对外来蛋白质与核酸的排斥作用,这是转基因技术(特别是在用病毒作载体的实验)研究中常见的。所以基因技术的前景远比人们所想象的复杂与困难,每个物种的细胞基因组都经历了亿万年的演化与自然选择发展而来的,其组成与组织的合理性是自然界的真理,目前人类的基因技术尚无法撼动生命世界遗传物质运动的基本规律,对物种基因组的探索也是人类求知的极限之一。在自然界中,尚未观察到不同物种基因组重组创造新物种现象,不能随意用实验技术来诠释自然界的规律。


TAG: 转基因物种

 

评分:0

我来说两句

显示全部

:loveliness: :handshake :victory: :funk: :time: :kiss: :call: :hug: :lol :'( :Q :L ;P :$ :P :o :@ :D :( :)

Open Toolbar