动物基因工程

徐长发，华中科技大学，2016.12.15

前面的阅读材料“植物基因工程”，是对理解本篇阅读材料“动物基因工程”有帮助的。现在，人类已经可以在分子水平上研究动物特性和遗传了。

一．动物细胞

动物和植物的细胞结构虽然有部分相似，但是有比较本质的区别。

动物细胞由细胞膜，细胞质和细胞核这三大部分组成。动物细胞的大致结构参见图1.

图1. 动物细胞结构示意图

细胞膜包裹着细胞，控制细胞内外物质的进出。水和氧气等小分子物质能够*通过，而某些离子和大分子物质则不能*通过。因此，细胞膜除了起着保护细胞内部的作用以外，还具有控制物质进出细胞的作用：既不让有用物质任意地渗出细胞，也不让有害物质轻易地进入细胞。

细胞质有基质和细胞器组成，其中细胞器含有线粒体，内质网，高尔基体，核糖体，中心体，溶酶体这些器件，每个器件都有膜包裹着。这些细胞器控制着细胞的生命活动。

——器件线粒体，是细胞有氧呼吸的场所，是细胞的"动力车间" ，生物体所需要的活动能量95%来自线粒体。线粒体有自身独立的DNA和遗传体系, 线粒体DNA也是双螺旋结构但是环状的，其基因组的基因数量有限。

——器件内质网分为粗面的与滑面的，粗面内质网表面附有核糖体，参与蛋白质的合成和加工；光面内质网，表面没有核糖体，参与脂类合成。

——器件高尔基体，主要功能将内质网合成的蛋白质进行加工、分类、与包装，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。

——器件溶酶体中含几十种水解酶，具有溶解或消化大分子物质的功能，为细胞内的消化器官。

——器件中心体，是细胞分裂时内部活动的中心。

上述细胞器几个器件中，只有中心体是动物细胞所特有的。其它几个器件是动植物细胞都有的只是在功能强弱上有区别而已。

动物细胞和人类细胞基本结构是相同的，只是构件的功能不同。

——动物和人类的细胞核都由由核膜包裹，其中含有染色体，染色体由蛋白质和DNA组成，每个染色体中只有一条DNA大分子，每条DNA都是线性有序排列的。

——动物和人类的染色体都是成对出现的。人的体细胞中，有22对常染色体（男女无区别）和一对性染色体（男为XY，女为XX）。猪的染色体数是38,也就是19对。其性别决定方式也与人类相同。

——动物和人类的细胞分裂过程是一样的，染色体复制加倍，随着分裂的进行，染色体分成形态和数目相同的两份，分别进入两个新细胞中．这样就保证了通过细胞分裂产生的新细胞与原细胞所含的遗传物质相同．人的细胞核中染色体数目是23对共46条，细胞正常分裂后，两个新细胞的染色体数目都是23对共46条。

——动物和人类的遗传方式也是一样的。雄性的精子中含有常染色体和性染色体，雌性的卵细胞中也含有常染色体和性染色体。在受精卵中，异性的常染色体与常染色体组合成对，性染色体与性染色体组合成对。成对的两条常染色体的大小、形态完全一致，从DNA序列来看它们是同源的。而性染色体（人类XY是男性或XX是女性）在大小形态和DNA序列上看都不一致，成对的两条性染色体是不同源的。

动物细胞是可以单独放在细胞培养液中培养增殖的。细胞培养液由葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素和动物血清等组成，动物细胞培养成功的关键在于培养液中是否含有动物血清，因为动物细胞生活的内环境还有一些成分尚未研究清楚，所以需要加入动物血清以提供一个类似生物体内的环境，此外动物血清中也包含了一些动物的激素和酶，可以促进细胞的发育。

动物细胞中所有细胞器件都可以分离出来，线粒体和染色体中的DNA也都可以分离出来。

二．动物的基因图谱和动物基因工程

动物细胞中染色体是成对出现的，有多对染色体，每个染色体是由一条DNA和蛋白质组成的，DNA是一个双链螺旋结构的大分子。每条DNA在染色体中都有具体的位置。每条DNA由许多片段按照一定的顺序线性排列组成，其中有些片段是没有遗传效应的，有些片段是具有遗传效应的，只有那些具有遗传效应的片段才称为基因片段，或简称基因。

DNA控制着细胞的复制，细胞复制后的所有细胞都具有相同的染色体和DNA。在细胞复制过程中，基因控制着生物体的特性和形状，不同基因片段具有不同的性状控制效应，而且在什么时间，什么位置，什么表现方面都有着具体的控制效应。

1.什么是动物基因图谱

如果把某动物的所有的染色体按其形状不同做出序号，因为每个染色体只有一条DNA,这样就把所有的DNA规定了序号，做纵向排列；再把每一条DNA的所有片段有序的排列起来，做横向排列，表明每段(包括基因片段和非基因片段）的前后排列位置和每个片段的碱基对的组成（每个基因片段都是由若干A、T、G、C碱基对组合成的），我们就可以得到一张该动物的基因图谱。

动物基因图谱现在已经容易得到了。基因排序可以自动化完成，速度很快。

如果把尽可能多的同类动物的基因图谱收集在一起，就可以形成一个基因图库。基因图谱和基因图库对研究动物非常有用。

2.动物基因工程

动物的基因图谱有什么用？和植物的一样，它记录了动物生命的全部信息。动物的特性是由基因决定的，改变了基因就会改变动物的特性，改良动物品种就会目标准确，行之有效。只不过，人们现在对基因片段的功能还认识有限，有的认识了，更多的还没有认识。当人们对基因片段功能有了更深入的认识的时候，人们就可以在分子水平上对基因做手术，例如切除不需要的基因片段，插入更需要的基因片段（这种基因片段又称为目的基因片段）。那么，按照人类需要改良动物品种，甚至创造动物品种都是容易的了。

所谓动物基因工程就是按照人们的要求，对动物DNA做编辑重组，在基因水平上改变动物的遗传特性，以达到改良品种和创造新物种的目的。

动物基因图谱库也有极其重要的作用。对于相同科目但不同品种的动物，比对它们的基因图谱就可以发现造成不同品种的原因，这不仅可以认识哪些基因片段发生变化造成了品种变化，发现某些基因片段的功能，而且可以为动物品种改良在基因序列中找到了切入点。对于同一科目但不同时期的动物，如果能够比对它们的基因图谱，那就会发现动物的演化进程。对于不同科目的动物，也可以比对它们的基因图谱，分析不同基因片段的功能，找出杂交排斥的原因，于是跨物种的动物基因工程就成为可能。

三。动物转基因工程及其实现方法

要将目的基因片段插入动物的基因序列中来实现基因工程，有许多关键困难。一是插入的位置，何处是正确的，插错位置会怎样；二是目的基因片段在基因序列中起到什么作用；三是人们要实现的某个功能往往是多个基因片段共同作用的结果，是哪些基因片段又是怎样地发挥作用，等等，人们都还不清楚。所以人们现在只能做动物转基因工程。

像植物转基因工程那样，动物基因工程应该由以下几个步骤。

一是要获得符合人们要求的目的基因片段。

二是要把目的基因片段插入或融入载体的DNA中（载体可能是某种生物的质粒体，也可以是某种细菌体），做出载体的重组DNA。

三是要把重组的载体DNA植入动物的细胞中，并进行培养增殖。

四是要挑选出转基因成功的细胞。

显微注射法是最先使用的转基因方法。其基本原理是直接将目的基因注入受精卵细胞的原核内，在目的基因和胚胎基因组融合后再进行细胞培养，筛选出已实现转基因的胚胎，将其植入受体孕育。

还有基因转移法，先把目的基因插入大肠杆菌，再将其注入细胞，细胞受其感染而携带目的基因片段。

胚胎干细胞基因转移方法也被常用。所谓胚胎干细胞，是人体中还未成熟的细胞，具有再分化形成其它器官细胞的能力，被称为万能细胞。将目的基因片段注入胚胎干细胞，再将这种转基因胚胎干细胞注入受体的胚胎中融合，受体孕育出来的后代就是要得到的转基因动物了。

体细胞介导的转基因技术也是被广泛采用的。其基本原理是把目的基因导入动物体细胞的遗传物质中，再采用显微操作技术把融合好的细胞核移植到该动物的去核卵细胞中，这样，转基因卵细胞在母体中就孕育出了转基因动物。

四．转基因动物的一些有益的研究成果

动物转基因技术已有近30年的研究历史，作为一项生物高新技术，其在农牧业、医药和环境保护等方面都已经取得了非常多的好成绩和好应用。

把生长激素基因片段转入牲畜和水产动物，可以使这些转基因动物生长速度更快，肉质更鲜美，提高繁殖速度，节省饲料。现在已有，转基因鱼，转基因牛，转基因羊，转基因鸡等。

把抗冻基因片段转入鱼的体内，已获得的转基因鱼具有更好的抗寒能力。

把某种基因片段转入绵羊的体内，已获得高产羊毛的转基因绵羊。

把抗病毒基因片段转入奶牛体内，已获得预防乳腺炎和疯牛病的健康肉牛和高产奶牛。

生长激素注射是治疗侏儒症的唯一方法。以前，要获得生长激素需解剖尸体，从大脑的底部摘取垂体，并从中提取生长激素。现在，利用基因工程方法将人的生长激素基因导入大肠杆菌中，就可以大量快速地繁殖这种转基因大肠杆菌，并从中提取生长激素。现在，人们从450 升大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于以前利用6万具尸体操作的结果。

干扰素是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白。它几乎能抵抗所有病毒引起的感染，是一种抗病毒的特效药。干扰素对治疗某些癌症和白血病也有好的疗效。传统的干扰素生产方法是从人血液中的白细胞内提取，每300升血液只能提取出1mg干扰素。现在，把人的干扰素转移到大肠杆菌中，再从这种转基因大肠杆菌中提取干扰素，产量大，成本低。

胰岛素是治疗糖尿病的特效药。传统的胰岛素的获取方法，是从猪、牛等家畜的胰腺中提取，每100kg胰腺只能提取4-5g胰岛素，产量低，价格昂贵，远不能满足社会需要。现在，把人的胰岛素基因转入大肠杆菌中，再从中提取胰岛素，快捷廉价。

我国已经用这种方法，还能廉价地获得一些其他的医用激素。

转基因牛羊作为生物反应器，从其乳产品中提取人所需要的生物制品药物也是研究的热点。

把一种人类的抗凝血酶基因片段转入山羊，再从这种羊的奶中提取抗凝血酶，用于治疗一种抗凝血酶缺乏症。这种产品美国已经批准上市。

把一种人类的基因片段转入奶牛中，再从其牛奶中提取治疗淋巴癌的特效药物，已经获得成功。

把人类的某些基因片段转入奶牛中，使得这种转基因牛奶中含有人乳的好几种营养成分，已经获得成功。牛奶人乳化是一个很有潜力的研究方向。

把人类的某些基因片段转入鸡的体内，使鸡蛋白中含有人体所需要的一些蛋白质，例如瘦蛋白可以使得人体肥瘦均匀，好多种病毒的抗体蛋白可以使人避免一些疾病。因此，转基因鸡作为生物转换器是现在的研究热点。

关于治疗血友病，乙肝，高血压，高血脂，糖尿病，帕金森病，贫血病，艾滋病等疾病的转基因生物反应器正在研究之中，还没有取得突破。主要原因是还没有找到能够治疗这些疾病的最有效的基因片段。

从上面列举的事实不难看到，转基因动物的研究具有太多太多的应用前景。

正如转基因植物产品引起广泛争论那样，转基因动物及其生物制品也引起了广泛的担心和争论。不过应该放心的是，上述转基因产品即使研究出来，也要经过严格的论证才能上市。

五．转基因敲除猪及其应用前景 

转基因敲除猪这项研究成果在2002年被美国《发现》杂志列为当年100项重大科学发现之一。

猪的器官大小与人很接近，为了把猪的器官移植到人体上，南京医科大学代谢疾病研究中心正在研究这种转基因敲除猪的改良和繁殖工作。他们利用一系列基因改造手段把猪细胞中对器官移植会引起排斥反应的基因敲掉，还转入一些其它的人体基因，使得猪器官移植到人体后没有排斥反应，与人相容地存活。

具体一点，对猪而言，引起排斥反应的主要原因是猪血管内皮细胞上含有一种人类没有的糖分子，当猪器官植入人体后，人体的免疫系统会将这种糖分子认作外来物而发起攻击，几分钟内即可将移植器官摧毁。要解决这一问题，就要“敲掉”猪细胞中负责产生这种糖分子的基因，然后再用这种经过修改的细胞进行克隆，这样培育出的猪器官移入人体后，就可避免超急免疫反应。

2002年他们先进行了敲掉猪的一个基因的研究，取得了成功。后来10年，他们又做出了“双基因敲除猪”，解决了“急性免疫反应”，并在此基础上，给猪细胞转入一些人的基因，对它进行“人源化”修饰和改造，培育出基本不含“排斥基因”的“转基因敲除猪”。经过这样“基因改造”的猪，就会变成一个适用于人体的、不会产生免疫排斥的“万能供体”。

目前“转基因敲除猪”已经准备好上临床了，角膜、皮肤、胰岛都通过了一定的实验。

现在，该研究所已经有5只比较理想的“转基因敲除猪”，每只都有一百多斤。他们将在南京江宁横溪开建一个“超洁净养猪场”，专门繁殖这种猪，预计要养殖5000-10000头。

这种猪的养殖环境要求很高，要求没有外源性的病毒、细菌，在理论上要求这些猪比一般人的供体还要干净才行。

这种猪的繁殖，可以采用瑞丽羊的繁殖手段，即把这种猪的体细胞遗传物质抽取出来，注入一般健康猪的去核卵细胞中，再让健康母猪孕育。要让这种“转基因敲除猪”繁殖到第三代才能用于临床试验。这种生下来的小猪必须剖腹产，且马上跟母体分开，在无菌的环境下进行人工饲养，饲养过程中还要通过一系列检疫标准。只有符合高标准的“转基因敲除猪”，它的器官才能用于临床。

他们预计2017年到2018年，这种猪的眼角膜和皮肤就可以运用于临床试验，一年后可用于人体移植。胰岛、过渡肝需要2年左右;永久性的心脏、肾脏、肝脏需要根据基因改造的进展情况再定，估计5年左右可以实现临床试验的目标。

猪的病毒会在人体内激活吗? 人们担心移植动物的器官会同时感染上动物的病毒。据了解，猪器官异体移植在国外也曾饱受争议。

当然，对于这种担忧是要拿事实说话的。该研究团队认为：一方面，在过去十几年研究过程中，做了大量的猴子实验，并没有发现猪的病毒转移到猴子的身上。欧洲对异种移植控制比较松的时候，也做过不少给病人移植猪的胰岛和肝脏的病例，留下样本后检测，都没有发现这种猪的内源性病毒。另一方面，他们对这些猪也进行了一些改进，措施保险。

据了解，我国每年等待器官移植的病人达150多万，由于供体短缺，只有1万病人能够如愿。开展异种器官移植是世界公认的解决器官短缺的重要途径，由于猪器官大小及功能与人体器官比较一致且容易繁殖，国际上把猪作为人体异种器官移植来源的首选动物。

肯定，转基因猪的血输给人，也研究得差不多了。

六.利弊得失

动物基因工程的发展非常快，技术手段也越来越成熟。利用DNA做无性繁殖，在技术上已经没有问题了。例如，如果能够从琥珀中得到史前动物的DNA，那么人们现在就可以将这个史前动物克隆出来。转基因技术也发展迅速，各种生物性能优越的动物新品种层出不穷，用转基因动物来大量生产各种生物活性的物质也将成为现实。毋庸置疑，21世纪一定是高新技术农业畜牧业，高新技术生物制品，高新技术药物和医疗的时代。总之基因工程技术必将在生物方面开辟出更广阔而辉煌的前景。

转基因技术是人类科学研究中的一道曙光，是人类认识自然改造自然，认识自我改造自我的新起点，转基因技术的出现是科学技术发展的必然，其势是不可阻挡的。

然而，任何事情都有两面性。例如，人们研究核裂变，做出核电站是和平利用核能而造福人类，但是做出的原子弹又会致祸世界。

事实上，各种技术都有被滥用的可能，就像刀一样，刀可以切肉也可以去杀人。我们难道因此就禁止用刀吗？人类的发展是挡不住的。

通过植物转基因技术来改良作物的品质是一个不可阻挡的趋势。现在，有许多问题是无法通过自然的力量，无法通过常规育种来解决的。例如，抗旱、抗耐贫瘠、抗虫害的植物品种，能在沙漠地区生长的植物品种等就是如此。但是，当人们的要求得到了相当的满足后，就有可能出现滥用植物基因工程的情况，那时就会伤及人类自身。

同样的，动物转基因技术正在发展中，它同样解决了人类无法通过自然的力量和常规手段解决的问题 ，它顺利解决了人类渴求的目标。所以，动物基因工程发展势头也是不可阻挡的。同样可以预计，当发展到一定程度，当人类的基本目标都已经满足的时候，动物基因工程也会伤及人类自身。

科学是实事求是的。因为有危险就不发展，那是唯心的表现，不是科学态度。边发展边预防才是正确的选择。

在新的科学技术面前，我们虽然不是专业里的工作者，但我们可以多了解这些方面的科普知识，积累知识，提高认识，不人云亦云，自己有自己的判断，理性地去判断现在和将来会发生的事情。

此文章版权归属徐长发所有