基因工程与医药创新

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自上世纪40-50年代间相继发现青霉素等系列抗生素，甾体激素和维生素等生物合成药物已形成了生物医药新领域。由于它们卓越的疗效和巨大的经济效益，兴起了现代新生物技术的大发展，特别是70年代基因的发现，重组DNA的获得成功，震动了医学、农业、畜牧业等整个生命学科，开创了人为的控制生命和育种新领域――基因工程，在生命学科总领域中成为最活跃，进展最快的学科。到80年代，已有以基因工程合成首个人体活性蛋白的多肽重组胰岛素，并很快地投向市场应用。自1993年以来至今仅十年内，仅以美国、日本和中国三个国家为例，已研制成功约300多项新的基因工程药物，有的已投向市场，有的已被批准分别进入Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期临床试验；发展之神速不仅为医药开发空前未有，在整个科学发展史上来说也是罕见的。揭开生命的奥秘，掌握了基因重组的秘密。人类基因组蕴藏有人类生、老、病、死的遗传密码；破译这些信息将为诊断各种疾病，研制新药和新的有效疗法带来一场大革命，破译人类遗传密码和掌握基因重组不亚于人类登上月球的“阿波罗计划”。　

　　1990年成立国际“人类基因组计划”，由美国、英国、日本、法国、德国和中国等六国家所计划组成历时15年，投资30亿美元，规定人类基因组成果为全人类共同享有。在各国科学家努力已于2001年6月26日已宣布绘制出人类基因组框架图；人类基因组共有32亿个碱基对，包含有大约3―4万个蛋白编码基因；替医药创新带来了无限广阔天地。不少科学家认为：如果20世纪是机械和物理大发展的世纪，那么21世纪无疑将是生命学科大显身手的时代。

　　人类基因组框架图获得后，预计，到2003年能完成人类基因卡；2007年人类可能用基因疗法治愈进行性肌萎缩和高血压等疾病，并可找到治疗艾滋病的方法；到2010年预防乙型肝炎，疟疾和早老年痴呆症，也将成为可能，至2019年通过基因治疗4000种遗传疾病中1000种有希望治愈；同时，基因工程还能在心脏中培养新的血管来阻塞肿瘤血管的生长，利用干细胞创新的器官，甚至可能调整细胞老化的原始基因密码，从而延缓人的衰老，延长人的自然寿命。

　　我国对人类基因组计划起步较早，在863计划中中华民族基因组内若干基因结构的研究，对我国重要的疾病如高血压、糖尿病、肿瘤（肝癌、血管癌、鼻咽癌和白血病等）相关基因的研究取得了重要的进展。1999年9月自我国参加国际合作研究计划，负责测定人类基因全部序列的1%，也就是3号染色体上的3000万个碱基对，仅用了半年时间我国就出色地完成了所承担的任务。2002年4月14-17日又在我国上海召开2002年全人类基因组大会，这是对我国从事生命科学家努力的肯定；全会召开说明一个关键转折即基因组研究已从大规模的测序转向诊断和治疗息息相关的功能研究。我国是全世界最古老国家之一，具有五千多年文明史，人口占全世界五分之一，又是多民族国家，从中获得人类遗传信息必然为人类健康作出重大贡献。

　　一、基因与遗传和疾病

　　从世界最低等生物病毒到单细胞细菌，到多细胞各类动植物，直到高等动植物和我们人类都有一个相同规律是繁殖下一代；把一切生命行为和特征传给下一代，这种生物界的规律叫“遗传”，反映了亲子间关系即所谓“种瓜得瓜，种豆得豆”，“孵鸡蛋得小鸡，孵鸭蛋得小鸭”这种“遗传”特征即生命信息，它的物质结构单元就是“基因”。世界上一切生物除病毒外所有动、植物最基本的生命单位都是细胞；无论它们是低级的单细胞或是高等的多细胞动植物一切细胞都含有整个生物的全部信息，并且它们的体细胞和性细胞也都含有全部同样的遗传信息，后来体细胞和性细胞只是按生命生长过程中的历史规律和需要，有规律地演变（即分化）成不同的组织和各种器官。根据这基本原理目前科学家们已能把牛或羊身体上任何部分的体细胞取其细胞核，放到去除核细胞的卵中，然后移到母牛或母羊的子宫中进行怀孕，可以生出一只牛或一只羊即克隆牛或克隆羊。科学家现在又能把一个未分化的细胞（即干细胞）在人为控制培养下能演变成为人体中某种组织或某器官来治伤残病人。这种方法的基本原理就是所谓“细胞全能性”。

　　细胞核内的染色体是遗传因子的载体，以后把遗传因子称为“基因”，并提出了“基因学说”。经深入研究得知染色体含有核酸和活性蛋白，其中核酸才是遗传因子（即是“基因”）。并证实绝大多数生物的基因结构是由四种脱氧核糖苷酸聚合而成的DNA，只有部分病毒的基因结构是由四种核糖核苷酸聚合而成的RNA。后来又经过许多科学家的深入的研究破译了遗传密码的奥秘是由4种核苷酸不同顺序组合而成的三联密码子并发现各种生物都遵循起着这一套共同的密码。遗传密码的发现对基因工程是十分重要。　

　　一个生物含有的基因数目和结构状态反映了它的进化程度，生物进化程度愈高其基因数目愈多，结构也愈复杂，最低等生物病毒仅几个基因。人类有23对46条染色体，大约有10万个基因组，32亿个基因，其中含有约3-4万蛋白编码基因，DNA排列呈平等的两条长链缠绕而成的独特的双螺旋结构。从这方面来说也反映达尔文的进化论。

　　一个生物的基因必需完整无缺；人体某个基因中一个核苷酸缺损或变异就会出现某种先天性残疾和遗传病。所以人类掌握人类基因组框架图就等于掌握整个人类健康开锁钥匙。“基因工程“在医学上就是应用现代生物技术来纠正或导入外源基因素来修补先天性或后天获得性基因缺损。整个人基因组不仅仅包含其整个家族史并且蕴藏着人类进化演变过程；例如毛孩子的返祖现象和受精卵演变发育成胎儿过程中出现过有尾巴等的一系列形态变化。根据上述基因与遗传及疾病三者关系，对我们创制药物与治疗疾病非常重要。根据基因概念，人类疾病可分为三类。第一类为单基因病，已发现约有数千种，其主要病因是某一特定基因的结构发生了改变，如多指症、白发病、早老症等。第二类为多基因病，这类疾病的发生涉及两个以上基因的结构或表达调控的改变，如高血压、冠心病、糖尿病、哮喘、骨质疏松、神经性疾病、原发性癫  、肿瘤等；往往要到一定的年龄和一定条件下才显现出来。第三类为获得性基因病；这类疾病是由外界病毒，细菌等病原微生物通过感染将是基因入侵到宿主，引起宿主基因变异而产生。

　　二、基因工程应用于药物生产和临床治疗上的基本原理

　　基因工程是指在基因水平上的遗传工程；它的基本原理是用人工的方法将需要的某一种供体生物的遗传物质DNA大分子提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后把需要部份（即目的基因）与作为载体的DNA部分合连接起来，也可以用全成方法合成一个某个基因密码DNA与载体连接起来；然后与载体一起导入某一易生长、繁殖的受体细胞或微生物中，以让外源遗传基因在其中“安家落户”进行正常的复制表达，得到新细胞或新的菌种。受体细胞也可以按需要选择合适药物生产的某种动物或植物来生产人体内的激素，抗体以及各类有生理活性多肽蛋白，例如动物中牛、羊的乳房和植物中香蕉、番茄等水果中果实。

　　基因工程技术主要内容或步骤可分为目的基因制备和分离，构建DNA重组体；DNA重组体扩增和表达，重组体筛选和鉴定；外源基因表达，产物分离纯化和鉴定以及将目的基因克隆到表达载体上，导入宿主细胞，使之在新的遗传背景下次进行功能性表达，生产出人类所需要的物质。

    基因治疗是获得人体中正常基因或修饰过基因，应用一般物理方法（例如DNA与磷酸钙共沉淀法和多聚阳离子或脂质体-DNA复合物等）或病毒载体基因法。（一般用逆转病毒载体）及直接注射法等导入体内，通过体内合成缺失，缺陷或不足的基因产物来治疗遗传性或获得及性疾病。

　　三、基因工程的应用与医药创新

　　基因工程的诞生和发展都紧密结合着医药的发展。使人们寻找新药不再局限于自然界的矿物，动植物和实验室中化学合成。在研究应用人体自身内部生理，生化系统和防御系统中所产生的活性蛋白多肽，激素和抗体来治疗；这类自身产生的活性物质作为药物，它的正对性，专一性和疗效都必然绝对优越于来自外界的药物。临床上的诊断和治疗也不再困限于从体外所表达指标（例如量体温和血压等）和各种仪器透视和测示数据来间接分析进行诊断而是直接采用产生病因根本原因的基因突变或缺损情况来进行正确诊断和直接治疗。

　　由于基因密码的揭破，基因重组不再要受种族间鸿沟性阻隔，各种重组基因工程菌，转基因动物和植物及基因治疗等相继问世，并如雨后春笋一样蓬勃发展。几百种人活性蛋白多肽药物及细胞因子等基因工程生产的药物络续投入市场，各种基因治疗方法也将  续研究成功进入临床应用。高血压、心脏病、糖尿病和各种癌症及肝炎、艾滋病等人类重大疾病将获得有效治疗或预防；生物合成药物生产场所不再局限于工厂而有部份改为牧场和农场，会带来极大的经济效益和环境改善，应用基因工程在医药创新的前境是春光无限好。

　　Ⅰ、研制重组人活性蛋白多肽及细胞因子药物

　　人活性蛋白多肽和细胞因子是人体内各类激素和防御系统所产生的各种生物活性物质。它们的功能是调控整个人体正常生理、生化、生长发育，各种组织新陈代谢及防止感染疾病；平日含量甚微，因需要身体随时合成增加含量；缺乏时产生各种疾病，例如胰岛素缺乏发生糖尿病；由于这类活性蛋白多肽和细胞因子居有高度生物活性，分子量很大，立体结构异常复杂，体外难以人工合成。所以过去糖尿病患者只能服用从牛、猪体中提取的胰岛素来治疗；但牛、猪胰岛素结构上与人胰岛素有差别，如与猪胰岛素B链第30个基酸残基不同，长期服用会引起肾和眼的疾病，故必需要用基因工程方法获得重组人胰岛素进行治疗。人体内自身各类疾病和免疫性疾病应该都能被这类人重组活性蛋白多肽和细胞因子药物所治愈，因此自重组人胰岛素研制成功以后掀起了人们对应用基因工程研制重组人活性蛋多肽和细胞因子类药物研制的热潮，相隔短短二十年不到研制成功并投产的有40多种，批准进入临床Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ不同期临床试用多到300多种，必然成为新世纪工业生产和临床应用的热点。今举例将几种已被各国批准投产的重组人活性蛋白多肽和细胞因子药物简介如 α

　　Ⅱ、转基因动、植物将成为21世纪重要生物医药生产体系之一

　　通过基因工程一系列生物技术将外源基因导入动植物合适器官，使该器官合成生物药物，其产品价廉，和使用安全方便，并生产环境污染少等优点。

　　1、 应用基因动物生产活性蛋白多肽和细胞因子药物。

　　选择哺乳动物的乳房生产活性蛋白多肽和细胞因子药物是最合适，因为可以将外源基因导入快速分裂的乳腺肌上皮细胞，作为转基因载体的体细胞来进行合成和分泌。目前应用转基同大动物生产活性蛋白多肽药物已有多种；例如抗凝血酶Ⅲ、磷脂蛋白、长效TPA，乳汁蛋白、α-Ⅰ抗胰蛋白酶、血红蛋白、生长激素等。21世纪转基因动物可能成为重要生物医药生产系统之一。

　　2、 应用转基因植物生产活性蛋白多肽和细胞因子类药物

　　随着植物基因表达调控的深入研究，可将外源基因转入植物，诞生了转基因植物。应用转基因植物生产活性蛋白多肽和细胞因子药物比转基因动物生产有许多优点，主要为：（1）培养条件使植物易于成活，有利于遗传；（2）转化植物株系的种子易于贮存，有利于重组蛋白的生产和运输。（3）用动物细胞生产重组蛋白可能传染动物病毒，对人类有潜在危险，而植物病毒不感染人类，比较安全。

　　3、 应用转基因植物生产基因工程疫苗

　　应用转基因植物生产口服疫苗具有许多优点：（1）疫苗抗原基因转入可食用的植物后，可供直接服用或饲喂动物，不需要像传统方法（如发酵法）生产疫苗那样需要许多仪器设备，生产成本显著降低；（2）比传统免疫途径更有效，因为植物细胞中的疫苗抗原通过胃内的酸性环境时可受到细胞壁的保护，直接到达肠内粘膜诱导位，刺激粘膜和全身免疫反应，大大提高有效性；（3）比传统的免疫途径更安全，不需要注射器之类的设备，可以避免因使用了消毒不完善的注射器反而使通过血液传染的疾病如艾滋病和乙肝等流行病获得大而积传布。（4）易储存和分发，不需要冷藏设备。此外转基因植物生产的口服疫苗，不仅提供了疫苗而且提供了营养；特别是香蕉一类水果作转基因口服疫苗大为广大儿童所喜欢。

　　目前已有许多种口服疫苗在转基因植物中表达成功并且在动物和人试验中获得了满意的结果，例如乙肝病毒疫苗，霍乱弧菌疫苗，肺结核疫苗，产肠毒素大肠杆菌疫苗，Norwalk、病毒疫苗，狂太病毒疫苗，诞腺病毒疫苗、轮状病毒疫苗、麻疹病毒疫苗、呼吸道合胞病毒疫苗和龋牙疫苗等。

　　1990年9月举行的世界儿童问题首脑会议上儿童疫苗计划小组表示要生产一种口服全价新生儿疫苗的目标，把香蕉作为首选的转基因植物，并且植物学家已经筹划了可用于全球免疫接种的足量香蕉，大家都为21世纪控制和消灭传染病的前景乐观。

　　Ⅲ、应用基因工程菌改进目前生物医药的生产工艺带来重大经济效益。

　　应用基因工程菌改进发酵工艺是多方面的，其中效益最大的是应用基因克隆技术把前后二步发酵菌中的有关基因克隆到一个发酵菌中能使几步生产工艺缩短为一步，节省大量原材料、人力、设备，缩短了生产周期使生产得益成倍增长。例如头孢菌素类抗生素中最重要中间7ACA，最近国外报导采用基因工程技术将编码α酶（酰基转移酶）的基因直接转入头孢菌素C的产生菌株中，使其发酵时直接一步产生7ACA。又如维生素C生物合成中的重要中间体2-酮-L-古洛糖酸的一步转化法，最近美国基因工程公司采用重组DNA技术构建新的代谢工程菌，是将分离得到的2.5-酮-L-古洛糖酸还原基因克隆和表达载体转移到草生欧文氏杆菌中去，从而实现了从D-葡萄糖堇经一步发转就转化成2-酮-L-古洛糖酸。

　　Ⅳ、基因工程在医学临床上的创新

　　基因工程在医学临床上应用诞生基因诊断和基因治疗。它们替人类能及时，有效治疗恶性肿瘤和心血管等重大疾病和防治肝炎，艾滋病大规模流行带来希望。

　　1、基因诊断

　　基因诊断是上世纪70年代末迅速发展一项诊断技术，不仅及时推广应用于临床，并且也很快的被公安部门采用来侦破刑事案件。基因诊断是利用DNA分子杂交和PCR等分子学技术直接探查人体基因组DNA存在的缺损或基因表达产物的异常以及患病毒、细菌、寄生虫，真菌等感梁性疾病时病原体的基因组织或其基因的表达产物作出迅速正确诊断；并取量相微。病毒，细菌等原体得入人体内后需要潜伏一定时间才能出现显示症状，因此采用通常形态学，生化学或血清方法诊断很难及时诊断出来，往往延迟了有效的治疗时间；只有基因诊断技术才能做到病原体尚没有出现症状前就能作出准确的诊断。应用分子杂交和PCR等基因测定技术检查输血用的血源及各种生物细胞制剂时可以灵敏地检出1100000―11000000携带病毒的细胞，这是对药检部向检查输血用的血源及临床用的生物制品的可靠保障；这对当前防止艾滋病和肝炎等重大传染病的流行非常重要。

　　2、基因治疗

　　人类疾病可分为自身遗传性疾病和获得性疾病；自身遗传性疾病可分为单基因遗传性疾病，（例如糖尿病）和读多基因遗传性疾病，（例如恶性肿瘤，心血管系统疾病和免疫性疾病等）。单基因疾病是某个基因的突变或缺损。多基因遗传性疾病往往是积累性，多因素、多步骤DNA的损失或突变产生的，例如恶性肿瘤。

　　基因治疗是基因转移的基础，将外源基因导人体内达到治疗目的的一种治疗方法。

　　目前基因治疗的方式可分为下列几种：

　　（1）基因补偿（gene addition）：基因补偿是把有正常功能的基因转入靶细胞，以补偿由于相应内源基因的缺失或突变失活所引起的某一活性蛋白缺失。

　　（2）基因纠正（gene correction）或基因置换：基因纠正是切除原异常基因，以外源正常基因固取而代之。

　　（3）代偿性基因置换：代偿性基因置换是通过外源的基因固导入，使正常基因表达水平超过原有异常基因表达水平，起到补偿作用。

　　（4）基因修饰：基因修饰指特异地修饰变异基因序列而不附加住外源基因。

　　（5）反义策略：反义策略是通过反义技术阻断变异基因为表达。

　　基因治疗目前在临床实践中虽尚面临许多困难，但是在当前分子生物学，分子的表达医学领域迅速发展下自上世纪90年代起单以美国就已有上百例的基因治疗临床实验，并已有一定成功病例，可以预计在本新世纪不久将给人类代来福音。


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