干扰素（interferon，IFN）是由英国科学家Isaacs 于1957年利用鸡胚绒毛尿囊膜研究流感病毒干扰现象时首先发现的。它是人和动物细胞受到病毒感染，或者受核酸、细菌内毒素、促细胞分裂素等作用后，由受体细胞分泌的一种具有高度生物学活性的糖蛋白。干扰素被发现时，人们以为其抗病毒活性为其唯一特性，随着研究的不断深入，人们逐渐发现IFN 除了具有抗病毒活性外，还具有免疫调节、抗肿瘤等生物学功能。但是，通常情况下人体内干扰素基因处于“睡眠”状态，因而血液中一般测不到干扰素。即使经过诱导，从人血中提取1mg 干扰素，还是需要人血8000mL，其成本高得惊人。据计算，要获取1磅（453g）纯干扰素，其成本高达200亿美元，使大多数病人没有使用干扰素的能力。1980年后，干扰素与乙肝疫苗一样，采用基因工程技术进行生产，其基本原理及操作流程与乙肝疫苗十分类似。现在要获取1磅（453g）纯干扰素，其成本不到1亿美元。从人血中分离纯化干扰素治疗一个肝炎病人的费用高达二三万美元，用基因工程技术生产干扰素治疗一个肝炎病人大约只需二三百美元。基因工程生产出来的大量干扰素，是基因工程药物对人类的又一重大贡献。
常用的制备疫苗的方法，一种是弱毒活疫苗，一种是死疫苗。两种疫苗各有自身的弱点，活疫苗隐含着感染的危险性，死疫苗免疫活性不高，需加大注射量或多次接种。利用基因工程制备重组亚基疫苗，可以克服上述缺点，亚基疫苗指只含有病原物的一个或几个抗原成分，不含病原物遗传信息。重组亚基疫苗就是用基因工程方法，把编码抗原蛋白质的基因重组到载体上去，再送入细菌细胞或其他细胞中而大量生产。这样得到的亚基疫苗往往效价很高，但绝无感染毒性等危险。
防治乙肝的方法是把一定量的HBsAg（乙肝病毒HBV 的外壳蛋白）注射入人体，就使机体产生对HBV 抗衡的抗体。传统乙肝疫苗的来源，主要是从HBV 携带者的血液中分离出来的HBsAg，但这种血液中可能混有其他病原体，而且血液来源也是极有限的，使乙肝疫苗的供应远不能满足需要。基因工程疫苗解决了这一难题。在酵母中表达乙型肝炎表面抗原HBsAg 产量可达每升2.5mg，已于1984年问世。建立在重组HBs 病毒样颗粒的基因工程乙肝疫苗纯度高，免疫效果好，美国于1986年首先批准了基因工程乙肝疫苗的生产。来源于酵母菌的HBs 疫苗不仅是首次，也是至今唯一批准的重组疫苗。截至2000年3月已有116个国家将乙肝疫苗纳入常规免疫接种项目中。然而疫苗逃避突变的出现提出了如何改进的问题，综合策略是增加靶（B 细胞、T 细胞和CTL 表位）的数量，例如来源于PrS、核心蛋白质等其他HBV 的抗原，这样一个或一些突变不至于使病毒逃避免疫监测。目前已研制的包含Pres 的肝核心疫苗能够加强和加快细胞和体液免疫应答，解决抗HBs 的非应答。其他包含Pres 的HBs 疫苗的候选疫苗具有快的血清保护和预防决定簇α逃避突变的作用。已有研究显示外源性和细胞内产生的HBc 有导致细胞应答的潜能，能够控制HBV 病毒，并最后消灭HBV 感染。因此，HBc 颗粒独异的免疫特性以及CTL 表位等都可能为新的治疗性HBV 疫苗的发展提供机会。
2．基因工程用于基因治疗
人体基因的缺失，将导致一些遗传疾病。若将缺失的目的基因用DNA重组的方法连接在载体上，然后将载体导入人体组织靶细胞，使目的基因表达，达到治疗的目的，即基因治疗，这已成为基因工程在医学方面应用的又一重要内容。1979-1980年，美国加州大学洛杉矶分校的研究员Martin Cline 博士进行了人类历史上第一次替代基因治疗，将重组DNA转入来自意大利和以色列的2例遗传性血液病患者的骨髓细胞中，由于此次治疗事前并未征得加州大学主管部门及RAC 的批准，也未向患者所在国家政府部门详细通报有关情况，因此遭到了社会舆论的谴责。1990年9月14日，Blease 等做了人类历史上经批准的第一次基因治疗，受试对象为1例4岁严重复合性免疫缺陷（severe combined immunodeficiency，SCID）患儿，SCID 为腺苷脱氨酶（adenosine deaminase，ADA）缺乏所致，患儿生活在免疫隔离状态下。治疗时，先提取患儿适量白细胞，经实验室处理，插入正常人ADA 基因后，再输入患儿体内，治疗后患儿免疫力增强，不再反复发生感冒，并可上学。
目前，基因治疗的前期与临床研究绝大部分是针对肿瘤的。治疗方案的设计包括目的基因的选择、载体的选择及治疗方式的选择等。方案设计的原则是最大限度地满足有效性、安全性和特异性三方面的要求，其中特异性与有效性和安全性均有关系。在基因治疗的病毒载体选择方面，应用最早的为逆转录病毒载体。由于病毒滴度低，以及可能存在的插入突变、同源重组等，使其应用受到限制。但由于逆转录病毒可持久表达，无需反复应用，且只感染“生长”性细胞，特别是生长旺盛的癌细胞，使治疗具有一定的针对性，这在很大程度上避免了外源基因对正常组织的损伤，所以，逆转录病毒仍具有一定的优势。目前研究较多的病毒载体为腺病毒及腺病毒相关病毒。腺病毒虽然感染性强，滴度高，但不能在细胞内持久表达，因为腺病毒基因不能插入宿主染色体内，且能引起宿主强烈的免疫反应，致使宿主器官严重损害而危及生命。1999年9月13日，美国宾州大学人类基因治疗研究所利用腺病毒作载体对一名18岁患者进行鸟氨酸氨基甲酰转移酶基因治疗，4天后患者死亡，死亡原因为腺病毒引起的免疫反应导致重症肝炎、多器官功能衰竭。因此，腺病毒作为载体的安全性令人担忧。
现有的胰岛素治疗方法包括胰岛素泵、胰岛细胞及胰腺的移植等，均存在许多弊端，如低血糖、供体不足、免疫排斥等。基因工程细胞能模拟正常胰岛β细胞的功能，表达、储存、分泌胰岛素并实现葡萄糖介导的胰岛素分泌，可用于糖尿病胰岛素替代治疗。用于糖尿病基因治疗的细胞系包括神经内分泌细胞和非神经内分泌细胞。将葡萄糖转运子2、葡萄糖激酶、细胞外信号调节激酶1／2、CD38、胰十二指肠同源盒1等基因导入神经内分泌细胞系ArT 20、RIN、BTC、MIN、GTC 1，可使它们具有葡萄糖刺激的胰岛素分泌能力；将点突变的胰岛素基因、furin 及磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶启动子、含葡萄糖反应元件、葡萄糖6磷酸酶基因的启动子等转入各种非神经内分泌细胞系中，也实现了胰岛素基因的调控表达和分泌，并产生成熟的胰岛素。无论是神经内分泌细胞，还是非神经内分泌细胞经基因修饰、改建后均可大量分泌具有生物活性的胰岛素，但胰岛素表达的调控，特别是葡萄糖调控下的胰岛素基因的表达及胰岛素分泌还未较好地解决，这也是今后研究的方向。如何将具有治疗作用的基因工程细胞导入糖尿病动物体内甚至糖尿病患者体内，使其在体内能正常发挥作用仍是糖尿病基因治疗中需要解决的问题。
1.4.2基因工程在农业领域中的应用
1983年首例转基因作物（烟草、马铃薯）问世，1986年首批转基因作物批准进行田间试验，1992年中国成为世界上第一个商品化种植转基因作物的国家，开创了转基因作物商品化应用的先河。当时种植的是一种抗黄瓜花叶病毒（CMV）和抗烟草花叶病毒（TMV）的双价转基因烟草，种植面积达到8600公顷。1994年美国孟山都公司下属Calgene 公司研制的延熟保鲜转基因番茄在美国批准上市，这是发达国家批准商业化的第一个转基因作物。随后，转基因作物的商业化种植面积和经济效益迅速扩大。在过去的十几年里，全球转基因植物的种植面积由1996年的170万公顷增长到了2007年的1.143亿公顷。我国实施“863”计划多年来，生物技术水平不断提高，生物技术产业也初具规模，应用生物技术育种的许多转基因作物得到大面积的推广。
运用基因工程技术，把特定的基因转入农作物中，构建转基因植物，具有抗虫害，抗病毒、细菌和真菌病害，抗除草剂，良好的开花习性（如开花时间和花色），良好的果实和球茎成熟储藏特性（如延迟成熟、延长花架期的番茄、减少马铃薯储藏是使用发芽抑制剂用量），抗逆（如冷、热、渍、旱和盐碱土壤），保鲜，高产，高质的优点。例如，苏云金芽孢杆菌所产生的毒素蛋白（BT）对许多鳞翅类害虫有杀灭作用，已有喷洒苏云金芽孢杆菌发酵产物或提纯了的BT 于农作物叶面，用于虫害防治的实验。1996年浙江农业大学核农所教授高明尉等带领课题组运用转基因技术将苏云金杆菌的杀虫蛋白基因（Bt 基因）导入水稻，并于1998年获得了抗螟虫的种质资源克螟稻1号和2号。克螟稻稳定地传递和表达了抗螟基因，对常见的二化螟、三化螟和纵卷叶具有高度的抗性，危害水稻的螟虫的幼虫一旦吃了这种水稻的茎叶，两天之内就会死亡。另外，转基因动物实验首先在小鼠获得成功，之后随着“多莉”羊、恒河猴等动物转基因实验的不断成功，现在转基因动物技术已用于牛、羊，使得从牛／羊奶中可以生产蛋白质药物，称为“乳腺反应器”工程。把生长激素基因转入奶牛或肉牛，提高牛奶产量，提高饲料转化率等等，亦有实验报道。但是，转基因植物／动物真正达到实际应用，还需许多基础研究，还有很长的路要走。
1.4.3基因工程在工业领域中的应用
除转基因动物和植物外，工程菌也获得了快速的发展，并在环境工程、工业生产等领域得到广泛的应用。油轮的海上事故常常使海面和海岸产生严重的石油污染，造成生态问题。早在1979年美国GEC 公司构建成具有较大分解烃基能力的工程菌，并经美国联邦最高法院裁定，获得专利。这是第一例基因工程菌专利。无冰晶细菌帮助草莓抗霜冻基因工程可以绕过远缘有性杂交的困难，使基因在微生物、植物、动物之间交流，迅速并定向地获得人类需要的新的生物类型。
酿酒、食品、发酵、酶制剂等工业门类均利用微生物代谢过程。基因工程方法在改造所用微生物的特性中有极大潜力，因此，可以应用在工业生产的许多方面，提高质量、改进工艺或发展新产品。在啤酒酿造中，主要的发酵微生物是酿酒酵母（Saccharomyces cerev isiae），酿酒酵母可把麦芽汁中的葡萄糖、麦芽糖、麦芽二糖等成分转变成乙醇。但是麦芽汁中还有约占碳水化合物总数20%的糊精不能被酿酒酵母利用。另一种酵母叫糖化酵母（S.diastaticus），能分泌把糊精切开成为葡萄糖的酶，但由此生产的啤酒口味不好。用基因工程技术，把糖化酵母中编码切开糊精的酶的DNA基因引入酿酒酵母中，这样的酿酒酵母工程菌能最大限度地利用麦芽中的糖成分，使啤酒产量大为提高，并且因为残余糊精量的降低，亦提高了啤酒的质量。
在白酒和黄酒的酿造中，常用霉菌产生的淀粉水解酶使淀粉糖化，然后由酿酒酵母把糖转化为乙醇，淀粉需先经高温蒸煮，淀粉颗粒溶胀糊化，才能被霉菌产生的淀粉糖化酶所作用。蒸煮消耗的能量甚多，不少实验室已经试验将淀粉糖化酶基的基因转入酿酒酵母，使淀粉糖化及乙醇发酵两步操作均由酵母来完成，并且力求免去蒸煮过程，可以大大节约能源。干酪是高附加值奶制品，且有极高的营养价值。制造干酪需要大量的凝乳酶。传统的方法是从哺乳小牛的第四个胃中提取凝乳酶粗制品，这当然很不经济。现在已经做到将小牛的凝乳酶基因转入酿酒酵母中去，经酵母菌培养生产出大量具天然活性的凝乳酶，用于干酪制造业。近来把乳酸克鲁维酵母（K luyveromyces lactis）的水解乳糖的基因转入酿酒酵母，使得可利用乳清发酵来产生酒精。
本章小结
本章简要介绍了基因工程的概念、基因工程诞生的基本理论基础和技术基础、基因工程的发展，以及基因工程的研究内容、基本过程和基本原理，并用实例说明基因工程在医学、农业、工业等领域中的应用。
思考题
1.什么是基因工程，基因工程的三大理论基石是什么？
2.基因工程的基本步骤是什么？
3.请举例说明基因工程在医学、农业及工业等领域的应用。
（叶子弘）
