转基因技术不谋求插入细胞基因组

上一篇 / 下一篇  2011-06-17 14:48:14 / 个人分类:细胞生物学

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  基因技术不谋求插入细胞基因组

  “转基因技术究竟转入了什么?”希望能对进一步理解转基因技术有所帮助,一些网友提出些疑问,主要是些术语规范的问题;其实转基因技术并不神秘,由于涉及一些基础的理论,观察角度不同可能导致理解上的差别;基因学是快速发展中的学科,有些术语定义不很明确,已经明确的也可能随发展而改进,因此在这儿按我的理解作些进一步的解释。非常欣慰在科学网上有所“学术”争议。至于网友推荐的一篇“评论文”,一看感觉对基因的理解完全不在一个层面上,我想对知识的探知不能垄断,不用迷信什么,读者各取所需吧。

  自然界每个物种都是经历了亿万年的发展与进化逐步形成的,基因组的稳定是物种和整个生命世界得以延续的根本保证,物种进化是基因组的演化,一般是在千万年的时间跨度上来演示的。每种基因功能在基因组中的重要程度是不同的,有的功能后续效应深远,基因序列“差之毫里”,物种表现“失之千里”,有的序列差异影响不大,形成同一物种核苷酸的多态性。但是我们不能因此认为转基因只是加入“一个基因,没有什么了不起的”概念。

  随着对生命本质理解的深入,发展中的基因工程技术人为地对自然物种进行改造,希望改变自然物种性状,创造更好地为人类生存服务的人造物种。然而修改基因将动摇生命世界亿万年的自然进化规律,人类正在探试中,如今我们已经可以分析物种基因组的序列,理解病毒样简单物种核酸序列的意义,但尚不能读懂细胞基因组的全部序列;我们获得了人类DNA全序列,但还不能用基因手段掌控自身基因,后续的功能基因组学、细胞基因组调控系统、更高层次遗传基因密码等研究正在进展中,科学家们继续在探索由数十亿对核苷酸组成的庞大的细胞基因组的奥秘。目前的基因技术仅能工程十数个基因的病毒,尚不能工程有含成千上万基因的细胞。如人类的两万余基因仅占细胞核酸总量的1%,尚有99%的核酸功能并不清晰,那我们如何能说“想哪儿就把目的基因插那儿”的大话呢。还反问转入的基因组“到哪儿去了”?理论上没有血缘(遗传)关系的外源基因,细胞核染色体并不接纳,进入细胞也只能在外室(核外)寄住。

  美国科学狂人文特尔宣称首创人造生命,因不可置否,大家静待发展,以观实效。网上这位“评友”好像很是不屑,嫌是去年“过时”的,难道他获得或看到更高档次的“人造生命”了!?而且我确实不知道现在“人源蛋白可以从牛奶里提取的”!牛奶与羊奶本来就可以完全替代人奶,还需要将人基因转到牛羊身上去吗?可能是有人在操作保健品吧!基因工程是当今比较时髦的前卫科学,涉足人多,一般人了解并不深刻,难免有人浑水摸鱼。我们应该充分认识到自然力与自然规律的强大,对自然界有必要的敬畏,也就不会“让人忽悠”了。

  基因置换属于杂交技术

  用等位基因交换的方法将已知基因定点置换进细胞基因组,再用回交的方式在后代中筛选出纯合子,这种培育新品种的方法称杂交技术,与转基因技术毫无关系。我们将携带已知物种的基因序列作上标记,然后与需要改造的同类物种杂交,在子代细胞基因组上寻找标记基因序列,来证明已知基因插入细胞基因组。

  这种技术不能看作是外源基因插入细胞基因组,因为插入的等位基因是同种或同类自然物种的,由人工选择或诱导的,等位基因的概念是其在染色体上处于同等位置,基本功能相同,而表现性状或强度有差异,是自然变异分化形成的。置换的等位基因不能差异太大,即等位基因的保守序列不能改变,如差异太大,则有缺陷或后代不能生存。严格地讲,有性繁殖的物种都有杂交的含义,因为其染色体都是杂合子,比纯合子有生存优势,不然就失去有性繁殖的意义了。杂交是不影响生育繁殖的,只在特殊情况下等位基因相差太大才影响繁殖。网上有科普作家说,转基因作物是因为利用杂交品种而不能繁殖的说法,是不正确的。我们不能将杂交育种技术与转基因育种技术混为一谈,一个有“血源”关系,可以遗传;一个没有“血源” 关系,不能遗传。

  病毒序列插入细胞基因组会失去病毒活性

  实验研究人员在某些细胞基因组上发现一些病毒序列,虽然并不了解何时整合或有何功能,但可推测病毒基因组作为外源基因,是可以插入细胞基因组的;但细胞基因组中的病毒序列并没有病毒的自然特征,因此被称为“假病毒”。医学研究也发现有一些病毒基因组(如逆转录病毒等)可以插入感染细胞的基因组,即所谓整合;有些研究,报告在人类肝细胞中发现有乙肝病毒序列的整合,但尚不了解其意义,这些插入的序列因构型的改变不再表现病毒活性。而整合可能与肝癌的发生却有一定的关联,但至今尚未明确其与肝癌发生关联的机制,因为不是所有的肝癌病例都发现乙肝病毒整合的。

  用病毒作基因载体的研究是因为病毒有转入细胞效率高的优势,并不是用其插入基因组的性能,而且这恰恰是在转基因技术中需要避免的,因为第一插入后有致癌嫌疑,使被改造的物种病变;第二插入后受细胞基因组影响可能无法保持活性,发挥目的基因的效应,因此插入细胞基因组不是转基因作物研究所选择的机制。国外有报道用逆转录病毒用作基因治疗载体,是以为其能造成持续慢性感染,延长转入基因的效应,并不是利用其可能的整合机制,而且实际效果也不理想。病毒基因插入细胞基因组的研究论文国内外甚多,病毒的复制子、启动子与细胞基因调控机制处于何种关系,尚在研究中。

  转座子是早期生命的原始现象

  前段时间有一位可能是在校学生的网友问我能否用转座子技术将目的基因转入细胞基因组作基因治疗,我说转座子研究在细菌或虫虫中研究大概有可能,在人类转座子现象已经沉默几千万年了,我们有能力使基因“化石”复活吗?有人问人类基因组有百分之多少多少的病毒基因序列,难道不是插进去的?这都是远古时代发生的事件了,生命世界还能倒退到生命发展早期的原始海洋中去吗?人类可以重复原始海洋的环境条件,却不可能重复需要亿万年时间的实验研究。所以转座子现象目前主要用于研究生命的进化与演化规律的,而且转座子现象的机制及其意义尚不完全明确。

  转基因技术不谋求目的基因插入细胞基因组

  转基因技术的目的是需要转入的基因组在受体细胞内工作,发挥目的基因的功能,并不追求目的基因序列是否插入细胞基因组。目的基因是完整的基因组,在寄生细胞内可以独立工作,也必须独立才有可能发挥效应。在某些领域,主要是生物制药和农牧业,转基因技术在理论上与技术上已经成熟,在一些国家已经得到长足的发展。我国科学家在此领域的研究虽谨慎,但并不落后。

  细胞基因组的稳定是自然力的表现,以保持物种的延续性与多样性,改动其组成与功能是目前人力所不能及的。由于是在细胞基因组之外,作为独立的核外染色体,转入的基因组与物种没有遗传(血缘)关系,因此是不稳定的,缺失人工的维护可回归原态,被改造的物种完全有回旋的余地,因此目前转基因技术尚不涉及永久性改变物种的伦理学问题。对转基因作物的监督主要是转入基因的产物对随后食物链的影响。由于目前的基因工程技术只能改造和组建质粒、病毒这样的简单基因组,只能承载较小或简单基因序列,也不易同时对一种作物进行多次操作,转基因技术一般只能转入简单的单性能基因序列,尚不涉及物种多基因控制的性状,所以现有的转基因作物的基本性状并未发生重大的改变。如转基因物种出现使自然环境恶化或不利于人类生存的倾向,停止人为技术,转基因物种就会自行恢复至原自然物种状态,消除影响。理解这些就不会对转基因技术发生太大的误解。人工构建的目的基因组失去自然宿主,只能保存在实验室特殊条件下。

  改变细胞基因组的伦理问题

  (由于目前人类还没有掌握这项技术,所以这个题义是务虚的。)如果转基因技术是将目的基因插入细胞基因组并发挥功能,这将在伦理上引发争议。从基因学基本原理分析,所有物种的细胞及细胞基因组的结构、组分、运动规律是类同的,有笑话说一个国王和一棵白菜的染色体组成分——核苷酸是一样的。这表明如果人类能够掌握将外源基因序列(不管是人工合成的还是自然中其它生物基因组中截取的)插入另一个物种的细胞基因组,并能发挥外源基因功能,那人类不仅可用此技术改造客观世界所有物种的基因组,创造新物种,同样也可用于人类的细胞基因组,将新基因插入人类细胞基因组,这样不仅可用于遗传病的治疗或基因治疗,也可插入新基因使人类获得新的机能。而且转入细胞基因组的基因是有遗传稳定性的,通过插入新基因的积累,理论上还可以逐步实施多基因控制的性能转入,例如生产出有翅膀的鸟人或八条腿的蜘蛛人。由于遗传的稳定性,细胞基因组没有丢失某段序列的进化机制,因此理论上这些鸟人或蜘蛛人可稳定地繁衍一群群的鸟人与蜘蛛人,这样的“稳定”实在是太可怕了。当然这样的阿凡达世界是科幻的,这也从另一方面提示将外来基因序列插入细胞基因组的研究是难以达到的,目前还是幻想,是基因工程研究的极限吧,这也可能是人类科技发展的极限之一;在改造客观世界的同时,从遗传基因上改造人类自身。现在还没有人争议这个问题,是因为了解到我们离掌握改造细胞基因组的技术还十分遥远。创造人造物种(非杂交物种)是个十分严肃的重大问题,文特尔将人工序列放在染色体片段中混装一下,首创了人造支原体生命,挑战上帝(自然界),已经兴奋的不得了;国内外专家们对这位“科学狂人”尚不以为然,议论了一下就“熄火”了;而那位评友说他早就能在染色体上定位插入人造序列,而且想怎么样就这么样,真是不可思议,希望他的成就不要又是“电泳条带或序列分析”,而是“活的,有功能的阿凡达前体”。

  上世纪末我们都以为人类染色体测序完成后,科学家可以用基因工程掌控人类的健康与疾病了,现在看来预言落空,因为了解到遗传三联码上还有(几层?)更高级的“语言”,我们还不了解;我们可以将染色体切成一段段来测序,但尚无技术将一段段染色体再组装回去,文特尔的混装尚没有新技术的突破。

  基因组是通过获得新序列而进化的

  基因组内序列重复复制并分化是产生新序列的主要来源,这种进化方式是渐变的,每百万年百分之一,所以一个基因组基因的倍增需要一亿年,这是一条生命世界整体的基础进化规律,是达尔文渐变式进化论所表达的,基因钟的概念也就是这样来的。基因组还有一条获得新基因的途径,即通过染色体外的核酸元件水平地转移插入,这是一条局部的或生命发展进程中阶段性的现象。如质粒与噬菌体在细菌中的表现、逆转录病毒在真核生物中的表现,这种机制使细胞基因快速获得新序列,导致生命进化进程中的跃进现象,这是达尔文尚无法解释的,但今天人们可以理解。但这只是个局部的、阶段性的现象,其只能发生在细菌这样的原核细胞物种,或低等的真核细胞物种(酵母、蠕虫、昆虫?)中;在高等真核细胞物种中被完善的个体防御系统和细胞及细胞基因组稳定系统等机制完全抑制了,如在对一些哺乳动物的研究中,插入细胞基因组的病毒序列并不具备病毒的活性。由于这种插入方式逐步失却了明确的生物学意义,虽在生命进化早期有过兴盛阶段(基因组中大量重复的化石序列),但现在已经日渐式微,仅在少数病毒感染现象中有所表现。除了制备一些细胞因子、生长激素类等生物制剂,人类还没有把细菌作为生活资源来利用,因此转基因作物还没有听说包括细菌,有些人作点细菌的实验就往转基因作物上套,也就天真的可以了,拿根鸡毛当令箭怎么服人吶?

  实验科学与自然

  当前有关生命科学的实验研究中可以创造一些非常特殊的条件,来证明生物大分子的运动规律,以进一步探索当今世界的生命现象的内在规律,但实验室现象并不等同与自然界,结论是需要斟酌的,特别是在与自然界生命发展基本规律(如达尔文进化论)相违背时,更要慎重。

  例如有关不同来源的核酸分子杂交,就是纯粹的实验室现象,核酸配对是生命发生与延续中最基础的分子运动,在核酸的复制、基因的运动与调节、蛋白质的合成以及生物大分子的识别中发挥了根本性的作用,是生命运动中最活跃、最丰富、最普遍的现象。实验室的核酸杂交(Nucleic acid hybridization)结果证实了这类生命中这类现象的分子基础与机制。两条不同来源的核酸只要序列中核苷酸符合相应配对原则,就可体现分子识别,结合成双链,结合的稳定程度取决于配对核酸的长短。因为是来源不同的核酸,这个双链体就有杂合子的含义。虽然被称为杂交,其实是杂合;因为这两条不同来源的单链并没有发生核酸的交叉与交换,如加热分离,还是各自原来的序列。在实验室中我们可以利用PCR方法,在人工合成的引物引导下,生产不同核酸相接的杂交链,也可用连接酶直接合成杂交链;但在真实的细胞生命运动中,没有明确的核酸配对时发生交叉交换的现象及其生物学意义。

  核酸的交叉交换仅仅发生在有性繁殖的生殖细胞减数分裂中,在姐妹染色体之间发生。非常遗憾的是这种字面上的模糊借用,使有些人将有性繁殖中的染色体杂交引伸理解为不同的核酸可以因配对而杂交;更遗憾的被进一步延伸应用至病毒中,认为病毒之间也有杂交现象,引伸出一条自然界并未证实的病毒进化方式,“流感病毒杂交论”,如甲流感就被某些专家认为是人流感与猪流感杂交产生的,并且还要预测人流感与禽流感杂交,来指导流感的预防。在实验室我们可以把两种病毒混在一起作杂交试验,但能理解为自然界的两种病毒同时感染一种动物,进而进入同一细胞去杂交吗!

  从DNA的发生与进化开始,DNA就是不断地复制、复制、再复制,一切有利于其复制的随之分子与机制得以保留;由于对复制底物的争夺,不同的DNA之间发生竞争,竞争促使DNA进化,物种的竞争就是DNA之争,基因组之争。不同物种的DNA之间是不存在交叉或交换机制的,即使是属于同一基因组的处于同一细胞内不同的染色体之间也不会发生交叉与交换。如果自然界存在不同基因组之间的DNA交叉交换,交换使DNA得到优化组合,物种的多样性也将不复存在;物种的有性繁殖也就不需要再发生了。这是与自然界的现实完全相悖的,实验科学必须尊重自然界生命现象的发展规律和基本原则,不能脱离自然。


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