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1。4。3 遗传工程
今天，科学家可以从任何生物中分离到感兴趣的基因，能够将分离到的基因插入到一种小的、能够自动复制的染色体外遗传结构如细菌质粒（plasmid）或病毒DNA上并将这种人工重组的DNA导入宿主细胞如细菌、酵母等细胞内，也能够对这类含有重组DNA的生物进行大容量培养，最后分离和纯化所需要的基因。科学家还能够将基因连接到某种特殊调节信号上，使基因在细菌、植物或动物中正确表达。在某些情况下，还可将基因限制在高等植物和动物的某些特殊组织或细胞中表达。简言之，科学家可以按照自己的意愿将基因切割下来和将其同任何来源的DNA分子连接在一起，最后再将其导入细胞中，并使之按照要求进行表达。像这样一种基因操作程序就是遗传工程（genetic engineering）。
遗传工程自20世纪80年代以来得到了迅速发展，特别是在高等植物和动物方面以及商业和
医疗方面，应用研究非常活跃。
在植物方面，自20世纪70年代初发现一种称为农杆菌（Agrobacterium tume faciens）的土壤细菌能够将其质粒（Ti质粒）上的DNA插入到植物染色体上，使植物产生根冠瘤（crown gall）以后，科学家将Ti质粒加以改造，以其作为基因载体（vector），现在可以将任何有用的基因导入植物基因组中，培育出转基因植物（transgenic plant）。例如，利用源于Ti质粒的载体将细菌的一种抗除草剂草甘膦（glyphosate）的基因转入植物基因组中，使转基因植物对草甘膦产生抗性而不被杀死。
目前，植物基因工程的一个重要目标是培育出既能抗生物逆境（抗虫、抗病）又能抗非生物逆境（抗旱、抗盐碱、抗寒等）的综合抗性强的转基因植物。在抗虫性转基因植物培育方面的成就比较突出。利用苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis，BT）的内毒素基因转化植物，现已培育出一些对某些害虫有抗性的杀虫转基因植株。由于自然BT…内毒素种类不是很多（50多种），且一种毒素只能杀死某些害虫，而害虫的种类又很多，因此需人工构建一种具有广谱性杀虫效应的基因，然后再以此转化各种植物。关于抗非生物逆境的遗传工程也是方兴未艾，现已初显成效。但由于抗性机制复杂，且涉及的基因数目很多，距离生产应用还有一定距离。
转基因技术在动物方面的应用也日渐广泛。培育转基因动物有几种方法，采用较多的是向受精卵内微量注射某种特殊载体。由于受精卵含有外源DNA，当将其移植到代孕母亲子宫内后，发育成的个体就能表达外源基因。如果外源基因编码的蛋白质具很高的医疗效果，则可将其连接到只在乳房组织中才具活性的某种DNA调节序列之下，让转基因动物产生具有医药价值的乳汁。例如，血纤溶酶原激活物（plasminogen activator）具有溶解人体血块的作用，科学家将编码血纤溶酶原激活物的基因置于只在乳房组织中行使功能的启动子（promoter）控制之下，然后再将这种人工基因注射到绵羊的受精卵内，由代孕母体产下的转基因母羊就能分泌出血纤溶酶原激活物含量很高的羊奶。最后药物生产厂家就可从这种羊奶中分离和纯化出血纤溶酶原激活物，以用于临床治疗心脑血管血栓等疾病。
随着动物转基因技术的发明，接着就产生了用于治疗各种遗传疾病的基因疗法（gene therapy）。哺乳动物中第一例基因疗法是用来纠正小鼠的生长激素缺乏症。患有生长激素缺乏症的小鼠在体型上比正常小鼠矮小得多，当将一种人工构建的大鼠生长激素基因通过转基因技术转移到侏儒症小鼠基因组中以后，转基因小鼠在体重上是侏儒症小鼠的2~3倍。
转基因技术和基因疗法在人体上的应用具有更广阔的前景，因为通过引入外源野生型基因、纠正人体有缺陷的功能可以治疗和缓解人体的遗传疾病。虽然不能采用上述小鼠的生殖细胞基因疗法那样来治疗人体的遗传疾病，但可采用体细胞基因疗法（somatic gene therapy）治疗某些遗传疾病。1991年，W。P。Andeson等首次采用此法成功治疗了一例严重的综合免疫缺损病。这种疾病是由于一个编码血液中的腺苷脱氨酶的基因发生突变所造成的。在此基因疗法方案中，首先从患者骨髓中取出血液干细胞，然后加入转基因（transgene），最后再将转基因细胞送回到血液系统中去。
将转基因导入人体有缺陷的体细胞中去的载体都是病毒。较老的一类载体是载有转基因的卸甲的反转录病毒。由于反转录病毒的自然侵染循环过程需插入到宿主细胞的染色体上，因此可能会导致插入位点的基因发生突变，这是这类载体存在的主要问题。另一类用于人体基因疗法的载体为腺病毒（adenovirus）。腺病毒通常只侵染呼吸道的上皮细胞，病毒基因组并不插入到宿主染色体上，只是在细胞中以染色体外因子的形式存在，因此就不会出现上述由反转录病毒类载体造成插入突变的不良后果。采用腺病毒载体的基因疗法非常适合治疗囊性纤维化疾病，因为它是一种呼吸道上皮组织疾病，只需向鼻道喷雾，就可向病变部位的细胞引入载有野生型等位基因的病毒。
遗传工程在商业上也具有很重要的应用价值，现在业已取得了不少重大成就。可以预期，在将来必然还会有更多、更令人瞩目的成就问世。现在生产的商业产品主要是一些利用DNA重组技术、通过微生物合成的重要的医药和生化试剂。如人体干扰素（interferon）、人体生长素（growth hormone）和人体胰岛素（insulin）就是3种较知名的遗传工程产品。最早投放市场销售的是于1982年利用重组细菌生产的人体胰岛素。胰岛素是治疗糖尿病的有效药物，1982年以前用于治疗糖尿病的胰岛素都是从小牛和猪的胰腺中分离和纯化的，而且动物胰岛素的疗效不如人体胰岛素疗效高，某些糖尿病人还会对小牛或猪的胰岛素产生过敏性反应。
1。4。4 遗传学与社会、法律和世界观
遗传学影响我们生活的各个方面。世界上某些重大的、有社会影响的问题也都间接与遗传学有关。例如，社会上的某些偏见、伤害和不公正现象大多与性别、种族之间的行为差别有关。遗传学提供了一条分析、研究这些复杂的、尚未解决的社会问题的途径。
另一个带有全球性的、受到社会广泛关注的问题是人类正在快速地破坏自己生存的自然生态环境，各种动物和植物的种类和数目都在急剧减少。生态环境的保护也是遗传学研究的一个重要问题，因为它是保护遗传多样性和遗传资源的重要问题之一。
带有全球性影响的第三个遗传学问题与人类遗传健康有关。人体基因组正在受到日益恶化的环境因素的侵害，特别是一些放射性物质和有毒化学物质能够诱发基因随机突变，而其中绝大多数突变又都是有害的。从短期来看，这些突变可能不会明显增加遗传疾病发生的频率，但如果长期累积有害突变，最终势必引发遗传灾难。现在各国政府都相继制定了相应的限制使用有害物质，特别是一些突变剂和放射性物质的法律、法规。因此有关政府部门和法律制定部门了解了这种危害性，就可以采取有效措施保护人类和其他各种生物生存的环境。
在罪证的确定方面也需要应用遗传学知识和遗传学技术。人体的指纹特征是受遗传控制的，采用人体指纹鉴定对确定犯罪嫌疑人具有很高的可靠性。若采用人体的DNA指纹分析（DNA fingerprint），其可靠性程度又比常规指纹鉴定高出许多倍。DNA指纹是指由一组DNA序列特异性的内切核酸酶切割所产生的一组特殊的DNA片段。由于人体基因组大约含有3×109个核苷酸对，因此除了由同一受精卵裂形成的双胞胎以外，世界上几乎不存在任何在DNA指纹上完全相同的个体。
因此，DNA指纹分析对鉴定亲子关系、强奸、凶杀以及其他犯罪方面就是一种特别有效的手段。随着DNA离体扩增PCR技术即聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR）的发明，现在只要获取极微量的组织样品如血液、精液甚于一根头发泡细胞，就可以进行DNA指纹分析，甚至植物DNA指纹分析也可用于刑事案件的侦破。
遗传学对人的科学世界观形成也具有重要影响。一个人自有意识开始就逐步形成了对宇宙和对自己在宇宙中所取位置的不同世界观。这种世界观就体现了一个人的个性，它支配着人的行为、态度和生活准则，决定人的本质甚至人类社会的性质。任何新学问都必须适应这种世界观，或者说一个人的世界必须与事物发展的客观规律相适应。对新学问无知或拒绝接受必然会导致偏执偏见。遗传学已经为我们提供了不少有影响的新概念，基本上改变了人类本身对人的属性的认识以及人与宇宙中其他事物的关系的认识。
遗传学影响世界观转变的最好例子是生命的起源与进化。遗传学各个分支学科的研究都表明，人类在起源上不仅与类人猿和其他动物有共同的祖先，而且还与地球上其他所有生物包括植物、真菌和细菌都有一定亲缘关系。所有生物都采用相似的机制贮存和表达遗传信息，它们在许多结构特征甚至基因的结构方面都存在一定的同源性。这种生物界各种生物之间都存在亲缘关系的思想把人和其他生物都联系在一起，从根本上影响了人的世界观。它表明人类并不是天地万物的中心，只是各种生命形式中的一种。困此，遗传学迫使我们思考人类如何认识自己的一系列问题。
主要参考文献
1。 宋运淳，余先觉。 普通遗传学。 武昌：武汉大学出版社，1989
2。 Bowler PJ。The Mendelian Revolution：The Emergence of Hereditarian Concepts in Mordem Science and Society。London：Alhione；1989
3。 Gardner E J，Simons M J，Snustad D P。Principle of Genetics。8th ed。New York：John Wiley and Sons；inc；1991
4。 Griffiths A J F，Miller J H，Suzuki D T ；et al。An Introduction to Genetic Analysis。6th ed 。New York：W H Freeman and pany，1996
5。 Klug W S； mings M Rncepts of Genetics。3rd ed。 New York：Macmillan Publishing pany；1991
6。 Weaver R F；Hedrick P W。Genetics。3rd ed。Dubuque：Wm C Brown Publishers；1997
2、遗传的染色体基础
各种生物之所以能够表现出复杂的生命活动，主要是由于生物体内的遗传物质的表达，推动生物体内新陈代谢过程的结果。生命之所以能够在世代间延续，也主要是由于遗传物质能够绵延不断地向后代传递的缘故。遗传物质DNA（或PNA）主要存在于细胞中，遗传物质的贮存、复制、表达、传递和重组等重要功能都是在细胞中实现的，染色体是细胞内遗传物质的主要载体，遗传物质的许多重要功能的实现都是以染色体为基础进行的。
2。1 有 性 生 殖
各种生物在其全部的生命活动中，繁殖后代是一个重要的生物学特征。正因为生物具有了这种能力，才使它得以世代相传，表现了遗传和变异、适应和进化等重要的生命现象。生物繁衍后代的过程称为生殖（reproduction），通过产生两性配子和两性配子的结合而产生后代的生殖方式称为有性生殖（sexual reproduction）（图2…1）。
图2…1 高等生物的有性生殖
有性生殖是高等动物的主要生殖方式，它通过两性配子的形成和两性配子的结合过程，使双亲的遗传信息汇集于子代，同时也实现了双亲遗传物质的重组。在有性生殖的过程中，亲代产生的雌配子和雄配子是一种单细胞结构，它们分别携带了母本和父本的一套染色体，通过受精作用雌雄配子结合为受精卵，即子代的第一个细胞——合子，同时将双亲的染色体传递给了子代。因此，雌雄配子在有性生殖的过程中架起了联系亲代与子代间的桥梁，合子经一系列的细胞分裂过程发育为子代个体，它同时携带了母本和父本的全套染色体。
在微生物中，有的也能通过有性生殖而繁殖并进行遗传物质的重组，例如子囊菌和面包酵母等。但是在一些真菌中，则往往不能进行典型的有性生殖，而是进行准性生殖（parasexual reproduction），例如构巢曲霉等。
2。2 染色体的形态特征和数目
染色体是指在细胞分裂期出现的一种能被碱性染料强烈染色，并具有一定形态、结构特征的
物体。它是细胞间期染色质结构被紧密包装的结果，是细胞分裂过程中遗传物质存在的特定形式。早在1848年，W。Hofmeister在研究紫鸭跖草（Tradescantia virginiana）的花粉母细胞时就已发现染色体并加以描述，40年后（1888）由W。Waldeyer才将它命名为染色体（chromosome）。
2。2。1 染色体的形态特征
每一物种的染色体都具有特定的形态特征。在细胞分裂过程中，染色体的形态和结构会发生一系列规律性变化，其中以有丝分裂中期和早后期染色体形态表现得最为明显和典型。因为在该时期染色体已最大限度地收缩，并且从细胞极面观察，可以看到它们分散排列在赤道板上，因此，一般在此期进行染色体形态的识别和研究。
一般地，在光学显微镜下可以观察到，有丝分裂中期的染色体是由两条相同的染色单体（chromatid）构成的，它们彼此以着丝粒相连，互称为姐妹染色单体（sister chromatid）。姐妹染色单体是在细胞分裂间期经过复制形成的，它们携带相同的遗传信息。在形态上染色体一般由以下几部分组成（图2…2）：
图2…2 中期染色体形态的示意图
1。 长臂 2。 主缢痕 3。 着丝点 4。 短臂 5。 次缢痕 6。 随体
（1）着丝粒（centromere）和染色体臂（chromosome arm）着丝粒是染色体的最显著特征。
当经过碱性染色处理后，在光学显微镜下着丝粒所在区域着色浅，并表现缢缩，因此，又称为主缢痕（primary constriction）。在细胞分裂过程中，纺锤丝就附着在着丝粒区，它对于染色体向细胞两极的运动具有重要作用。没有着丝粒的染色体或染色体片段在细胞分裂中是不能运动的，常被丢失。
着丝粒在不同染色体上的位置是相对稳定的，一般地它将染色体分为两条臂。根据着丝粒在染色体上的位置和两条染色体臂的长度，可将染色体划分为4种类型：①中间着丝粒染色体（metacentric chromosome），两臂近于等长，在细胞分裂后期移动时呈V型；②近中着丝粒染色体（sbumetacentric chromosome），两臂不等长，细胞分裂后期移动时呈L形；③近端着丝粒染色体（acrocentric chromosome），一条臂很长，另一条臂很短，细胞分裂后期移动时呈棒形；④顶端着丝粒染色体（telocentric chromosome），着丝粒位于一端，是由着丝粒处断裂形成的，在细胞分裂后期移动时也呈棒形。另外，有的染色体很粗短，称为粒状染色体。各类染色体的特点见表2…1和图2…3。
图2…3 后期染色体的形态
1。 V形染色体 2。 L形染色体 3。 棒状染色体 4。 粒状染色体
表2…1 染色体的形态类型
染色体类型 符号 臂比① 着丝粒指数② 细胞分裂
后期形态
中间着丝粒染色体 M 1。00~1。67 0。500~0。375 V
近中着丝粒染色体 SM 1。68~3。00 0。374~0。250 L
近端着丝粒染色体 ST 3。01~7。00 0。249~0。125 I
顶端着丝粒染色体 T 7。01~∞ 0。124~0。000 I
注：①臂比：长臂长度/短臂长度；
②短臂长度/染色体总长度。
在某些情况下，着丝粒在染色体上没有固定的位置。其中一种类型是在每条染色体上分布着多个着丝粒，例如某些蛔虫和线虫的染色体；另一种类型是扩散型着丝粒，在染色体的每一位点都表现着丝粒活性，这种现象曾在半翅目、同翅目昆虫以及高等植物的地杨梅属（Luzula）中观察到。
此外，染色体上着丝粒所在区域有时又被称为着丝点（kinetochore），研究表明着丝粒和着丝点是在空间位置上相关，而在结构上不同的两种结构。
（2）次缢痕（secondary constriction）和随体（satellite）除主缢痕以外，在某些染色体臂上还有另外一个着色较浅的缢缩部位，称为次缢痕。某些染色体的次缢痕末端具有圆形或略呈长形的染色体节段，称为随体。次缢痕在染色体上的位置是相对稳定的，随体的有无和大小等也是某些染色体所特有的形态特征，因此这些形态特征可作为识别某些染色体的重要标记。
染色体的次缢痕与核仁的形成有关，因而称为核仁组织区（nucleolar organizing region）。在细胞分裂时可以看到，具有核仁组织区的染色体常与核仁联系在一起。例如，玉米第6对染色体的次缢痕就明显地联系着一个核仁，人的第13、14、15、21和22对染色体也都具有组织核仁的功能。
（3）端粒（telomere）端粒是染色体臂末端的特化部分，它是一条完整染色体所不能缺少的，当缺失端粒时染色体就不能正常发挥作用。端粒能把染色体末端封闭起来，使得染色体之间不能彼此相连接。在染色体中端粒没有明显的外部形态特征，但往往表现对碱性染料着色较深。
随着对端粒研究的不断深入，不仅对端粒的分子结构特点有了更深入的了解，而且对其功能也有了新的认识。发现它除了保持染色体的稳定和线性DNA能顺利复制以外，它还与染色体的行为、细胞的寿命、遗传信息的复制和表达以及核骨架的组成等有一定关系。
2。2。2 染色体的数目
各种生物细胞内的染色体数目都是相对稳定的，这是一个重要的生物学特征。染色体数目和结构的改变，将会导致生物性状的变异。
在不同物种之间，染色体数目往往差别很大，少的只有一对染色体，多的可达数百对。例如，动物中一种马蛔虫（Ascaris sp。）的变种只有一对染色体，而一种蝶类（Lysandra nivescens）则有190对染色体，在一种瓶尔小草属（Ophioglossum）植物的某些物种细胞内染色�