基因

基因

基因(遺傳因子)是具有遺傳效應的DNA片段。基因支持著生命的基本構造和性能。儲存著生命的種族、血型、孕育、生長、凋亡過程的全部信息。環境和遺傳的互相依賴,演繹著生命的繁衍、細胞分裂和蛋白質合成等重要生理過程。生物體的生、長、衰、病、老、死等一切生命現象都與基因有關。它也是決定生命健康的內在因素。因此,基因具有雙重屬性:物質性(存在方式)和信息性(根本屬性)。

帶有遺傳訊息的DNA片段稱為基因,其他的DNA序列,有些直接以自身構造發揮作用,有些則參與調控遺傳訊息的表現。組成簡單生命最少要265到350個基因。(這涉及到了基因工作組的力量,人類的基因工作組與果蠅的基本相似)

  • 中文名
    基因
  • 外文名
    Gene
  • 作用
    記錄和傳遞遺傳信息
  • 學科
    細胞生物學、遺傳學、水產學等
  • 特徵
    穩定性、決定性狀發育、可變性
  • 提出
    1909年丹麥學者W.L.約翰森

基本簡介

人體基因組圖譜好比是一張能說明構成每個人體細胞脫氧核糖核酸(DNA)的30億個鹼基對精確排列的“地圖”。科學家們認為,通過對每一個基因的測定,人們將能夠找到新的方法來治療和預防許多疾病,如癌症和心髒病等。該圖非常形象地把基因家族的基因片段描繪出來。

基因

主要特征

基因--遺傳效應的DNA片段,是控製生物性狀的基本遺傳單位。

基因

人們對基因的認識是不斷發展的。19世紀60年代,遺傳學孟德爾就提出了生物的性狀是由遺傳因子控製的觀點,但這僅僅是一種邏輯推理的產物。20世紀初期,遺傳學家摩爾根通過果蠅的遺傳實驗,認識到基因存在于染色體上,並且在染色體上是呈線性排列,從而得出了染色體是基因載體的結論。

20世紀50年代以後,隨著分子遺傳學的發展,尤其是沃森和克裏克提出雙螺旋結構以後,人們才真正認識了基因的本質,即基因是具有遺傳效應的DNA片斷。研究結果還表明,每條染色體隻含有1~2個DNA分子,每個DNA分子上有多個基因,每個基因含有成百上千個脫氧核苷酸。由于不同基因的脫氧核苷酸的排列順序(鹼基序列)不同,因此,不同的基因就含有不同的遺傳信息。1994年中科院曾邦哲提出系統遺傳學概念與原理,探討貓之為貓、虎之為虎的基因邏輯與語言,提出基因之間相互關系與基因組邏輯結構及其程式化表達的發生研究。

基因特點

基因有兩個特點,一是能忠實地復製自己,以保持生物的基本特征;二是基因能夠“突變”,突變絕大多數會導致疾病,另外的一小部分是非致病突變。非致病突變給自然選擇帶來了原始材料,使生物可以在自然選擇中被選擇出最適合自然的個體。

基因

含特定遺傳信息的核苷酸序列,是遺傳物質的最小功能單位。除某些病毒的基因由核糖核酸(RNA)構成以外,多數生物的基因由脫氧核糖核酸(DNA)構成,並在染色體上作線狀排列。基因一詞通常指染色體基因。在真核生物中,由于染色體都在細胞核內,所以又稱為核基因。位于線粒體和葉綠體等細胞器中的基因則稱為染色體外基因、核外基因或細胞質基因,也可以分別稱為線粒體基因、質粒和葉綠體基因。

在通常的二倍體的細胞或個體中,能維持配子或配子體正常功能的最低數目的一套染色體稱為染色體組或基因組,一個基因組中包含一整套基因。相應的全部細胞質基因構成一個細胞質基因組,其中包括線粒體基因組和葉綠體基因組等。原核生物的基因組是一個單純的DNA或RNA分子,因此又稱為基因帶,通常也稱為它的染色體。

基因在染色體上的位置稱為座位,每個基因都有自己特定的座位。在同源染色體上佔據相同座位不同形態的基因都稱為等位基因。在自然群體中往往有一種佔多數的(因此常被視為正常的)等位基因,稱為野生型基因;同一座位上的其他等位基因一般都直接或間接地由野生型基因通過突變產生,相對于野生型基因,稱它們為突變型基因。在二倍體的細胞或個體內有兩個同源染色體,所以每一個座位上有兩個等位基因。如果這兩個等位基因是相同的,那麽就這個基因座位來講,這種細胞或個體稱為純合體;如果這兩個等位基因是不同的,就稱為雜合體。在雜合體中,兩個不同的等位基因往往隻表現一個基因的性狀,這個基因稱為顯性基因,另一個基因則稱為隱性基因。在二倍體的生物群體中等位基因往往不止兩個,兩個以上的等位基因稱為復等位基因。不過有一部分早期認為是屬于復等位基因的基因,實際上並不是真正的等位,而是在功能上密切相關、在位置上又鄰接的幾個基因,所以把它們另稱為擬等位基因。某些表型效應差異極少的復等位基因的存在很容易被忽視,通過特殊的遺傳學分析可以分辨出存在于野生群體中的幾個等位基因。這種從性狀上難以區分的復等位基因稱為同等位基因。許多編碼同工酶的基因也是同等位基因。

屬于同一染色體的基因構成一個連鎖群(見連鎖和交換)。基因在染色體上的位置一般並不反映它們在生理功能上的性質和關系,但它們的位置和排列也不完全是隨機的。在細菌中編碼同一生物合成途徑中有關酶的一系列基因常排列在一起,構成一個操縱子(見基因調控);在人、果蠅和小鼠等不同的生物中,也常發現在作用上有關的幾個基因排列在一起,構成一個基因復合體或基因簇或者稱為一個擬等位基因系列或復合基因。

相互作用

生物的一切表型都是蛋白質活性的表現。換句話說,生物的各種性狀幾乎都是基因相互作用的結果。所謂相互作用,一般都是代謝產物的相互作用,隻有少數情況涉及基因直接產物,即蛋白質之間的相互作用。

主要類別

60年代初F.雅各布和J.莫諾發現了調節基因。把基因區分為結構基因和調節基因是著眼于這些基因所編碼的蛋白質的作用:凡是編碼酶蛋白、血紅蛋白、膠原蛋白或晶體蛋白等蛋白質的基因都稱為結構基因;凡是編碼阻遏或激活結構基因轉錄的蛋白質的基因都稱為調節基因。但是從基因的原初功能這一角度來看,它們都是編碼蛋白質。根據原初功能(即基因的產物)基因可分為:①編碼蛋白質的基因。包括編碼酶和結構蛋白的結構基因以及編碼作用于結構基因的阻遏蛋白或激活蛋白的調節基因;②沒有翻譯產物的基因。轉錄成為RNA以後不再翻譯成為蛋白質的轉移核糖核酸(tRNA)基因和核糖體核酸(rRNA)基因;

基因

③不轉錄的DNA區段。如啓動區、操縱基因等等。前者是轉錄時RNA多聚酶開始和DNA結合的部位;後者是阻遏蛋白或激活蛋白和DNA結合的部位。已經發現在果蠅中有影響發育過程的各種時空關系的突變型,控製時空關系的基因有時序基因、格局基因、選擇基因等(見發生遺傳學)。

一個生物體內的各個基因的作用時間常不相同,有一部分基因在復製前轉錄,稱為早期基因;有一部分基因在復製後轉錄,稱為晚期基因。一個基因發生突變而使幾種看來沒有關系的性狀同時改變,這個基因就稱為多效基因。

數目 不同生物的基因數目有很大差異,已經確知RNA噬菌體MS2隻有3個基因,而哺乳動物的每一細胞中至少有100萬個基因。但其中極大部分為重復序列,而非重復的序列中,編碼肽鏈的基因估計不超過10萬個。除了單純的重復基因外,還有一些結構和功能都相似的為數眾多的基因,它們往往緊密連鎖,構成所謂基因復合體或叫做基因家族。

等位基因:

位于一對同源染色體的相同位置上控製某一性狀的不同形態的基因。不同的等位基因產生例如發色或血型等遺傳特征的變化。等位基因控製相對性狀的顯隱性關系及遺傳效應,可將等位基因區分為不同的類別。在個體中,等位基因的某個形式(顯性的)可以比其他形式(隱性的)表達得多。等位基因(gene)是同一基因的另外“版本”。例如,控製卷舌運動的基因不止一個“版本”,這就解釋了為什麽一些人能夠卷舌,而一些人卻不能。有缺陷的基因版本與某些疾病有關,如囊性纖維化。值得註意的是,每個染色體(chromosome)都有一對“復製本”,一個來自父親,一個來自母親。這樣,我們的大約3萬個基因中的每一個都有兩個“復製本”。這兩個復製本可能相同(相同等位基因allele),也可能不同。下圖顯示的是一對染色體,上面的基因用不同顏色表示。在細胞分裂過程中,染色體的面板就是如此。如果比較兩個染色體(男性與女性)上的相同部位的基因帶,你會看到一些基因帶是相同的,說明這兩個等位基因是相同的;但有些基因帶卻不同,說明這兩個“版本”(即等位基因)不同。

擬等位基因(pseudoalleles):表型效應相似,功能密切相關,在染色體上的位置又緊密連鎖的基因。它們象是等位基因,而實際不是等位基因。

傳統的基因概念由于擬等位基因現象的發現而更趨復雜。摩根學派在其早期的發現中特別使他們感到奇怪的是相鄰的基因一般似乎在功能上彼此無關,各行其是。影響眼睛顏色、翅脈形成、剛毛形成、體免等等的基因都可能彼此相鄰而處。具有非常相似效應的“基因”一般都僅僅不過是單個基因的等位基因。如果基因是交換單位,那就絕不會發生等位基因之間的重組現象。事實上摩根的學生在早期(1913;1916)嘗試在白眼基因座位發現等位基因的交換之所以都告失敗,後來才知道主要是由于試驗樣品少。然而自從斯特體範特(1925)提出棒眼基因重復的不均等交換學說以及布裏奇斯(1936)根據唾液腺染色體所提供的證據支持這學說之尼,嘗試再一次在仿佛是等位基因之間進行重組的時機已經成熟。Oliver(1940)首先取得成功,在普通果蠅的菱形基因座位上發現了等位基因不均等交換的證據。兩個不同等位基因(Izg/Izp)被標志基因拚合在一起的雜合子以0.2%左右的頻率回復到野生型。標志基因的重組證明發生了“等位基因”之間的交換。

非常靠近的基因之間的交換隻能在極其大量的試驗樣品中才能觀察到,由于它們的正常行為好像是等位基因,因此稱為擬等位基因(Lewis,967)。它們不僅在功能上和真正的等位基因很相似,而且在轉位(transposition)後能產生突變體表現型。它們不僅存在于果蠅中,而且在玉米中也已發現,特別在某些微生物中發現的頻率相當高。分子遺傳學對這個問題曾有很多解釋,然而由于目前對真核生物的基因調節還知之不多,所以還無法充分了解。

位置效應的發現產生了深刻影響。杜布贊斯基在一篇評論性文章中曾對此作出下面的結論;“一個染色體不單是基因的機械性聚合體,而且是更高結構層次的單位……染色體的性質由作為其結構單位的基因的性質來決定;然而染色體是一個合諧的系統,它不僅反映了生物的歷史,它本身也是這歷史的一個決定因素”(Dobzhaansky,1936:382)。

有些人並不滿足于這種對基因的“串珠概念”的溫和修正。自從孟德爾主義興起之初就有一些生物學家(例如Riddle和Chiid)援引了看來是足夠份量的證據反對基因的顆粒學說。位置效應正好對他們有利。Goldschmidt(1938;1955)這時變成了他們的最雄辯的代言人。他提出一個“現代的基因學說”(1955:186)來代替(基因的)顆粒學說。按照他的這一新學說並沒有定位的基因而隻有“在染色體的一定片段上的一定分子模式,這模式的任何變化(最廣義的位置效應)就改變了染色體組成部分的作用從而表現為突變體。”染色體作為一個整體是一個分子“場”,習慣上所謂的基因是這個場的分立的或甚至是重疊的區域;突變是染色體場的重新組合。這種場論和遺傳學的大量事實相矛盾因而未被承認,但是像Goldschmidt這樣一位經驗豐富的知名遺傳學家竟然如此嚴肅地提出這個理論這件事實就表明基因學說還是多麽不鞏固。從1930年代到1950年代所發表的許多理論性文章也反映了這一點(Demerec,1938,1955;Muller,1945;Stadler,1954)。

復等位基因:基因如果存在多種等位基因的形式,這種現象就稱為復等位基因(multiple allelism)。任何一個二倍體個體隻存在復等位基中的二個不同的等位基因。

在完全顯性中,顯性基因中純合子和雜合子的表型相同。在不完顯性中雜合子的表型是顯性和隱性兩種純合子的中間狀態。這是由于雜合子中的一個基因無功能,而另一個基因存在劑量效應所致。完全顯性中雜合體的表型是兼有顯隱兩種純合子的表型。此是由于雜合子中一對等位基因都得到表達所致。

比如決定人類ABO血型系統四種血型的基因IA、IB、i,每個人隻能有這三個等位基因中的任意兩個。

發展歷程

從孟德爾定律的發現到現在,一百多年來人們對基因的認識在不斷地深化。

1866年,奧地利學者G.J.孟德爾在他的豌豆雜交實驗論文中,用大寫字母A、B等代表顯性性狀如圓粒、子葉黃色等,用小寫字母a、b等代表隱性性狀如皺粒、子葉綠色等。他並沒有嚴格地區分所觀察到的性狀和控製這些性狀的遺傳因子。但是從他用這些符號所表示的雜交結果來看,這些符號正是在形式上代表著基因,而且至今在遺傳學的分析中為了方便起見仍沿用它們來代表基因。

基因

20世紀初孟德爾的工作被重新發現以後,他的定律又在許多動植物中得到驗證。1909年丹麥學者W.L.約翰森提出了基因這一名詞,用它來指任何一種生物中控製任何性狀而其遺傳規律又符合于孟德爾定律的遺傳因子,並且提出基因型和表現型這樣兩個術語,前者是一個生物的基因成分,後者是這些基因所表現的性狀。

1910年美國遺傳學家兼胚胎學家T.H.摩爾根在果蠅中發現白色復眼 (white eye,W)突變型,首先說明基因可以發生突變,而且由此可以知道野生型基因W+具有使果蠅的復眼發育成為紅色這一生理功能。1911年摩爾根又在果蠅的 X連鎖基因白眼和短翅兩品系的雜交子二代中,發現了白眼、短翅果蠅和正常的紅眼長翅果蠅,首先指出位于同一染色體上的兩個基因可以通過染色體交換而分處在兩個同源染色體上。交換是一個普遍存在的遺傳現象,不過直到40年代中期為止,還從來沒有發現過交換發生在一個基因內部的現象。因此當時認為一個基因是一個功能單位,也是一個突變單位和一個交換單位。

40年代以前,對于基因的化學本質並不了解。直到1944年 O.T.埃弗裏等證實肺炎雙球菌的轉化因子是DNA,才首次用實驗證明了基因是由DNA構成。

1955年S.本澤用大腸桿菌T4噬菌體作材料,研究快速溶菌突變型rⅡ的基因精細結構,發現在一個基因內部的許多位點上可以發生突變,並且可以在這些位點之間發生交換,從而說明一個基因是一個功能單位,但並不是一個突變單位和交換單位,因為一個基因可以包括許多突變單位(突變子)和許多重組單位(重組子)(見互補作用)。

1969年J.夏皮羅等從大腸桿菌中分離到乳糖操縱子,並且使它在離體條件下進行轉錄,證實了一個基因可以離開染色體而獨立地發揮作用,于是顆粒性的遺傳概念更加確立。隨著重組DNA技術和核酸的順序分析技術的發展,對基因的認識又有了新的發展,主要是發現了重疊的基因、斷裂的基因和可以移動位置的基因。

​重疊基因

重疊基因是在1977年發現的。早在1913年A.H.斯特蒂文特已在果蠅中證明了基因在染色體上作線狀排列,50年代對基因精細結構和順反位置效應等研究的結果也說明基因在染色體上是一個接著一個排列而並不重疊。但是1977年F.桑格在測定噬菌體ΦX174的DNA的全部核苷酸序列時,卻意外地發現基因D中包含著基因E。基因E的第一個密碼子(見遺傳密碼)從基因D的中央的一個密碼子TAT的中間開始,因此兩個部分重疊的基因所編碼的兩個蛋白質非但大小不等,而且氨基酸也不相同。在某些真核生物病毒中也發現有重疊基因。

基因

斷裂的基因也是在1977年發現的,它是內部包含一段或幾段最後不出現在成熟的mRNA中的片段的基因。這些不出現在成熟的mRNA中的片段稱為內含子,出現在成熟的mRNA中的片段則稱為外顯子。例如下面這一基因,有三個外顯子和兩個內含子。在幾種哺乳動物的核基因、酵母菌的線粒體基因以及某些感染真核生物的病毒中都發現了斷裂的基因。內含子的功用以及轉錄後的加工機製是真核生物分子遺傳學的一個吸引人的課題。

功能、類別和數目到目前為止在果蠅中已經發現的基因不下于1000個,在大腸桿菌中已經定位的基因大約也有1000個,由基因決定的性狀雖然千差萬別,但是許多基因的原初功能卻基本相同。

1945年G.W.比德爾通過對脈孢菌的研究,提出了一個基因一種酶假設,認為基因的原初功能都是決定蛋白質的一級結構(即編碼組成肽鏈的氨基酸序列)。這一假設在50年代得到充分的驗證。

基本術語

基因變異

基因變異是指基因組DNA分子發生的突然的可遺傳的變異。從分子水準上看,基因變異是指基因在結構上發生鹼基對組成或排列順序的改變。基因雖然十分穩定,能在細胞分裂時精確地復製自己,但這種穩定性是相對的。在一定的條件下基因也可以從原來的存在形式突然改變成另一種新的存在形式,就是在一個位點上,突然出現了一個新基因,代替了原有基因,這個基因叫做變異基因。于是後代的表現中也就突然地出現祖先從未有的新性狀。例如英國女王維多利亞家族在她以前沒有發現過血友病的病人,但是她的一個兒子患了血友病,成了她家族中第一個患血友病的成員。後來,又在她的外孫中出現了幾個血友病病人。很顯然,在她的父親或母親中產生了一個血友病基因的突變。這個突變基因傳給了她,而她是雜合子,所以表現型仍是正常的,但卻通過她傳給了她的兒子。基因變異的後果除如上所述形成致病基因引起遺傳病外,還可造成死胎、自然流產和出生後夭折等,稱為致死性突變;當然也可能對人體並無影響,僅僅造成正常人體間的遺傳學差異;甚至可能給個體的生存帶來一定的好處。

基因破譯

目前,由多國科學家參與的“人類基因組計畫”,正力圖在21世紀初繪製出完整的人類染色體排列圖。眾所周知,染色體是DNA的載體,基因是DNA上有遺傳效應的片段,構成DNA的基本單位是四種鹼基。由于每個人擁有30億對鹼基,破譯所有DNA的鹼基排列順序無疑是一項巨型工程。與傳統基因序列測定技術相比,基因晶片破譯人類基因組和檢測基因突變的速度要快數千倍。

基因晶片的檢測速度之所以這麽快,主要是因為基因晶片上有成千上萬個微凝膠,可進行並行檢測;同時,由于微凝膠是三維立體的,它相當于提供了一個三維檢測平台,能固定住蛋白質和DNA並進行分析。

美國正在對基因晶片進行研究,已開發出能快速解讀基因密碼的“基因晶片”,使解讀人類基因的速度比目前高1000倍。

基因診斷

通過使用基因晶片分析人類基因組,可找出致病的遺傳基因。癌症、糖尿病等,都是遺傳基因缺陷引起的疾病。醫學和生物學研究人員將能在數秒鍾內鑒定出最終會導致癌症等的突變基因。借助一小滴測試液,醫生們能預測葯物對病人的功效,可診斷出葯物在治療過程中的不良反應,還能當場鑒別出病人受到了何種細菌、病毒或其他微生物的感染。利用基因晶片分析遺傳基因,將使10年後對糖尿病的確診率達到50%以上。

未來人們在體檢時,由搭載基因晶片的診斷機器人對受檢者取血,轉瞬間體檢結果便可以顯示在電腦螢幕上。利用基因診斷,醫療將從千篇一律的“大眾醫療”的時代,進步到依據個人遺傳基因而異的“定製醫療”的時代。

基因重組

基因重組是由于不同DNA鏈的斷裂和連線而產生DNA片段的交換和重新組合,形成新DNA分子的過程。1974年波蘭斯吉巴爾斯基(Waclaw Szybalski)稱基因重組為合成生物學,1978年他在《基因》期刊中寫道:限製酶將帶領我們進入合成生物學的新時代。

基因

生物膜系統

在上述細胞結構和細胞器中,具有雙層膜有線粒體、葉綠體,具有單層膜的有內質網、高爾基體、溶酶體、液泡。它們都由生物膜構成,這些細胞器膜和細胞膜、核膜等結構,共同構成細胞的生物膜系統。

細胞的生物膜系統在細胞的生命活動中起著極其重要的作用。

首先,細胞膜不僅使細胞具有一個相對穩定的內環境,同時在細胞與環境之間進行物質運輸、能量轉換和信息傳遞的過程中也起著決定性的作用。[4]

第二,細胞的許多重要的化學反應都在生物膜上進行。

細胞內的廣闊的膜面積為酶提供了大量的附著位點,為各種化學反應的順利進行創造了有利條件。

第三,細胞內的生物膜把細胞分隔成一個個小的區室,這樣就使得細胞內能夠同時進行多種化學反應,而不會相互幹擾,保證了細胞的生命活動高效、有序地進行。

基因療法

基因療法是基于對遺傳物質即核酸的套用。廣義而言,人為地有目的地對人體DNA或RNA進行處理。實際套用上,目前主要在于三個方面。一是跟蹤體內細胞,二是治療疾病,三是預防疾病。

基因突變

基因突變(gene mutation)一個基因內部可以遺傳的結構的改變 。又稱為點突變,通常可引起一定的表型變化 。廣義的突變包括染色體畸變。狹義的突變專指點突變。實際上畸變和點突變的界限並不明確,特別是微細的畸變更是如此。野生型基因通過突變成為突變型基因。突變型一詞既指突變基因,也指具有這一突變基因的個體。

基因調控

生物體內控製基因表達的機製。基因表達的主要過程是基因的轉錄和信使核糖核酸(mRNA)的翻譯。基因調控主要發生在3個水準上,即:①DNA水準上的調控、轉錄控製和翻譯控製;②微生物通過基因調控可以改變代謝方式以適應環境的變化,這類基因調控一般是短暫的和可逆的;③多細胞生物的基因調控是細胞分化、形態發生和個體發育的基礎,這類調控一般是長期的,而且往往是不可逆的。基因調控的研究有廣泛的生物學意義,是發生遺傳學和分子遺傳學的重要研究領域。

基因環保

基因晶片在環保方面也大有可為。基因晶片可高效地探測到由微生物或有機物引起的污染,還能幫助研究人員找到並合成具有解毒和消化污染物功能的天然酶基因。這種對環境友好的基因一旦被發現,研究人員將把它們轉入普通的細菌中,然後用這種轉基因細菌清理被污染的河流或土壤。

基因武器

基因武器(genetic weapon),也稱遺傳工程武器或DNA武器。它運用先進的遺傳工程這一新技術,用類似工程設計的辦法,按人們的需要通過基因重組,在一些致病細菌或病毒中接入能對抗普通疫苗或葯物的基因,或者在一些本來不會致病的微生物體內接入致病基因而製造成生物武器。它能改變非致病微生物的遺傳物質,使其產生具有顯著抗葯性的致病菌,利用人種生化特征上的差異,使這種致病菌隻對特定遺傳特征的人們產生致病作用,從而有選擇地消滅敵方有生力量。

基因計算

DNA分子類似“電腦磁碟”,擁有信息的儲存、復製、改寫等功能。將螺旋狀的DNA的分子拉直,其長度將超過人的身高,但若把它折疊起來,又可以縮小為直徑隻有幾微米的小球。因此,DNA分子被視為超高密度、大容量的分子存儲器。

基因晶片經過改進,利用不同生物狀態表達不同的數位後還可用于製造生物電腦。基于基因晶片和基因演算法,未來的生物信息學領域,將有望出現能與當今的電腦業硬體巨頭――英特爾公司、軟體巨頭――微軟公司相匹敵的生物信息企業。

基因識別

由于人類基因具有唯一性(雙胞胎除外),目前法醫學上用途最廣的方面就是個體識別和親子鑒定。

在法醫學上,STR位點和單核苷酸(SNP)位點檢測分別是第二代、第三代DNA分析技術的核心,是繼RFLPs(限製性片段長度多態性)VNTRs(可變數量串聯重復序列多態性)研究而發展起來的檢測技術。作為最前沿的刑事生物技術,DNA分析為法醫物證檢驗提供了科學、可靠和快捷的手段,使物證鑒定從個體排除過渡到了可以作同一認定的水準,DNA檢驗能直接認定犯罪、為凶殺案、強奸殺人案、碎屍案、強奸致孕案等重大疑難案件的偵破提供準確可靠的依據。隨著DNA技術的發展和套用,DNA標志系統的檢測將成為破案的重要手段和途徑。此方法作為親子鑒定已經是非常成熟的,也是國際上公認的最好的一種方法。

基因檢測

基因檢測是通過血液、其他體液、或細胞對DNA進行檢測的技術。基因檢測可以診斷疾病,也可以用于疾病風險的預測。疾病診斷是用基因檢測技術檢測引起遺傳性疾病的突變基因。目前套用最廣泛的基因檢測是新生兒遺傳性疾病的檢測、遺傳疾病的診斷和某些常見病的輔助診斷。目前有1000多種遺傳性疾病可以通過基因檢測技術做出診斷。

男/女性腫瘤基因檢測,通過腫瘤基因檢測可以預知自身是否是高危人群以及通過良好的預防措施提高自身的健康免疫力。篩查疾病有結腸腺瘤、鼻咽癌、食管癌、白血病、肝癌、胃癌、結腸癌、前列腺癌、膀胱癌、肺癌、乳腺癌、宮頸癌、皮膚炎等等。

腦中基因表達

加州大學洛杉磯分校的大腦圖譜研究人員首次創造出顯示個體基因如何影響他們的大腦結構和智力水準的圖像。這項發現發表于2001年11月5日的《自然神經科學》(Nature Neuroscience)雜志上,為父母如何向後代傳遞個性特征和認知能力以及大腦疾病如何影響整個家族提供了令人興奮的新見解。

研究小組發現大腦前沿部分灰質的數量是由個體父母的遺傳組成決定的,根據智力測驗的分數的衡量,它與個體的認知能力有著極大的關聯。

更為重要的是,這些是第一批揭開正常的遺傳差異是如何影響大腦結構和智力的圖像。

大腦控製語言和閱讀技巧的區域在同卵雙生的雙胞胎中本質上是一樣的,因為他們享有完全一樣的基因,而普通的兄弟姐妹隻顯示60%的正常的大腦差異。

家庭成員大腦中的這種緊密的結構相似性有助于解釋大腦疾病包括精神分裂症和一些類型的痴呆症等為什麽會在家庭中蔓延。

家庭成員的大腦語言區也同樣極其相似。家庭成員最為相似的大腦區域可能特別易受家族遺傳病攻擊,包括各種形式的精神分裂症和痴呆症等在內。

科學家使用核磁共振成像技術來掃描一組20對基因完全相同的同卵雙生的雙胞胎,和20對一半基因相同的異卵雙生的同性雙胞胎。

通過高速的超型電腦,他們創造出用不同色彩做標記的圖像,圖像可以顯示大腦的哪些部位是由我們的遺傳組成決定的,哪些部位更易受環境因素如學習和壓力等的影響。

為繪製出遺傳對大腦影響的圖譜,加州大學洛山磯分校的科學家們與芬蘭國家公共衛生研究院和芬蘭赫爾辛基大學合作,在一項國家計畫中 ,芬蘭研究人員跟蹤了芬蘭從1940到1957年間所有的同性雙胞胎--共9500對,他們中有許多接受了大腦掃描和認知能力測試。

通過分析78個不同的遺傳標記,他們的遺傳相似性被進一步證實。這些個體的DNA在同卵雙生的雙胞胎中完全吻合,異卵雙生的雙胞胎中一半吻合。

最近的研究令人驚訝地顯示許多認知技能是可遺傳的,遺傳對口頭表達能力和空間感、反應時期、甚至一些個性特質如對壓力的情緒反應等都有極大的影響。甚至在根據共同家庭環境對統計資料進行修正之後——通常這種共同環境趨向于使同一家庭成員更為相似——遺傳關聯依然存在。在這項研究以前,人們對個體基因型對個體大腦間廣泛變異以及個體的認知能力有多大影響知之甚少。

基因工程

生產領域

人們可以利用基因技術,生產轉基因食品.例如,科學家可以把某種肉豬體內控製肉的生長的基因植入雞體內,從而讓雞也獲得快速增肥的能力。但是,轉基因因為有高科技含量, 怕吃了轉基因食品中的外源基因後會改變人的遺傳性狀,比如吃了轉基因豬肉會變得好動,喝了轉基因牛奶後易患戀乳症等等。華中農業大學的張啓發院士認為:“轉基因技術為作物改良提供了新手段,同時也帶來了潛在的風險。基因技術本身能夠進行精確的分析和評估,從而有效地規避風險。對轉基因技術的風險評估應以傳統技術為參照。科學規範的管理可為轉基因技術的利用提供安全保障。生命科學基礎知識的科普和公眾教育十分重要。”

軍事領域

生物武器已經使用了很長的時間.細菌,毒氣都令人為之色變。但是,現在傳說中的基因武器卻更加令人膽寒。

環境保護

我們可以針對一些破壞生態平衡的動植物,研製出專門的基因葯物,既能高效的殺死它們,又不會對其他生物造成影響,還能節省成本。例如一直危害我國淡水區域的水葫蘆,如果有一種基因產品能夠高效殺滅的話,那每年就可以節省幾十億了。

科學是一把雙刃劍,基因工程也不例外。我們要發揮基因工程中能造福人類的部分,抑止它的害處。

醫療方面

隨著人類對基因研究的不斷深入,發現許多疾病是由于基因結構與功能發生改變所引起的。科學家將不僅能發現有缺陷的基因,而且還能掌握如何進行對基因診斷、修復、治療和預防,這是生物技術發展的前沿。這項成果將給人類的健康和生活帶來不可估量的利益。所謂基因治療是指用基因工程的技術方法,將正常的基因轉如病患者的細胞中,以取代病變基因,從而表達所缺乏的產物,或者通過關閉或降低異常表達的基因等途徑,達到治療某些遺傳病的目的。目前,已發現的遺傳病有6500多種,其中由單基因缺陷引起的就有約3000多種。因此,遺傳病是基因治療的主要對象。 第一例基因治療是美國在1990年進行的。當時,兩個4歲和9歲的小女孩由于體內腺苷脫氨酶缺乏而患了嚴重的聯合免疫缺陷症。科學家對她們進行了基因治療並取得了成功。這一開創性的工作標志著基因治療已經從實驗研究過渡到臨床實驗。1991年,我國首例B型血友病的基因治療臨床實驗也獲得了成功。

基因治療的最新進展是即將用基因槍技術于基因治療。其方法是將特定的DNA用改進的基因槍技術導入小鼠的肌肉、肝髒、脾、腸道和皮膚獲得成功的表達。這一成功預示著人們未來可能利用基因槍傳送葯物到人體內的特定部位,以取代傳統的接種疫苗,並用基因槍技術來治療遺傳病。

目前,科學家們正在研究的是胎兒基因療法。如果現在的實驗療效得到進一步確證的話,就有可能將胎兒基因療法擴大到其它遺傳病,以防止出生患遺傳病症的新生兒,從而從根本上提高後代的健康水準。

基因工程葯物

基因工程葯物,是重組DNA的表達產物。廣義的說,凡是在葯物生產過程中涉及用基因工程的,都可以成為基因工程葯物。在這方面的研究具有十分誘人的前景。

基因工程葯物研究的開發重點是從蛋白質類葯物,如胰島素、人生長激素、促紅細胞生成素等的分子蛋白質,轉移到尋找較小分子蛋白質葯物。這是因為蛋白質的分子一般都比較大,不容易穿過細胞膜,因而影響其葯理作用的發揮,而小分子葯物在這方面就具有明顯的優越性。另一方面對疾病的治療思路也開闊了,從單純的用葯發展到用基因工程技術或基因本身作為治療手段。

現在,還有一個需要引起大家註意的問題,就是許多過去被征服的傳染病,由于細菌產生了耐葯性,又卷土重來。其中最值得引起註意的是結核病。據世界衛生組織報道,現已出現全球肺結核病危機。本來即將被消滅的結核病又死灰復燃,而且出現了多種耐葯結核病。據統計,全世界現有17.22億人感染了結核病菌,每年有900萬新結核病人,約300萬人死于結核病,相當于每10秒鍾就有一人死于結核病。科學家還指出,在今後的一段時間裏,會有數以百計的感染細菌性疾病的人將無葯可治,同時病毒性疾病日益曾多,防不勝防。不過與此同時,科學家們也探索了對付的辦法,他們在人體、昆蟲和植物種子中找到一些小分子的抗微生物多肽,它們的分子量小于4000,僅有30多個氨基酸,具有強烈的廣普殺傷病原微生物的活力,對細菌、病菌、真菌等病原微生物能產生較強的殺傷作用,有可能成為新一代的“超級抗生素”。除了用它來開發新的抗生素外,這類小分子多肽還可以在農業上用于培育抗病作物的新品種。

快速增殖

科學家們在利用基因工程技術改良農作物方面已取得重大進展,一場新的綠色革命近在眼前。這場新的綠色革命的一個顯著特點就是生物技術、農業、食品和醫葯行業將融合到一起。

本世紀五、六十年代,由于雜交品種推廣、化肥使用量增加以及灌溉面積的擴大,農作物產量成倍提高,這就是大家所說的“綠色革命”。但一些研究人員認為,這些方法目前已很難再使農作物產量有進一步的大幅度提高。

基因技術的突破使科學家們得以用傳統育種專家難以想象的方式改良農作物。例如,基因技術可以使農作物自己釋放出殺蟲劑,可以使農作物種植在旱地或鹽鹼地上,或者生產出營養更豐富的食品。科學家們還在開發可以生產出能夠防病的疫苗和食品的農作物。 基因技術也使開發農作物新品種的時間大為縮短。利用傳統的育種方法,需要七、八年時間才能培育出一個新的植物品種,基因工程技術使研究人員可以將任何一種基因註入到一種植物中,從而培育出一種全新的農作物品種,時間則縮短一半。

雖然第一批基因工程農作物品種5年前才開始上市,但今年美國種植的玉米、大豆和棉花中的一半將使用利用基因工程培育的種子。據估計,今後5年內,美國基因工程農產品和食品的市場規模將從今年的40億美元擴大到200億美元,20年後達到750億美元。有的專家預計,“到下世紀初,很可能美國的每一種食品中都含有一點基因工程的成分。”

盡管還有不少人、特別是歐洲國家消費者對轉基因農產品心存疑慮,但是專家們指出,利用基因工程改良農作物已勢在必行。這首先是由于全球人口的壓力不斷增加。專家們估計,今後40年內,全球的人口將比目前增加一半,為此,糧食產量需增加75%。另外,人口的老齡化對醫療系統的壓力不斷增加,開發可以增強人體健康的食品十分必要。

加快農作物新品種的培育也是第三世界開發中國家發展生物技術的一個共同目標,我國的農業生物技術的研究與套用已經廣泛開展,並已取得顯著效益。

分子進化工程

分子進化工程是繼蛋白質工程之後的第三代基因工程。它通過在試管裏對以核酸為主的多分子體系施以選擇的壓力,模擬自然中生物進化歷程,以達到創造新基因、新蛋白質的目的。

這需要三個步驟,即擴增、突變、和選擇。擴增是使所提取的遺傳信息DNA片段分子獲得大量的拷貝;突變是在基因水準上施加壓力,使DNA片段上的鹼基發生變異,這種變異為選擇和進化提供原料;選擇是在表型水準上通過適者生存,不適者淘汰的方式固定變異。這三個過程緊密相連缺一不可。

現在,科學家已套用此方法,通過試管裏的定向進化,獲得了能抑製凝血酶活性的DNA分子,這類DNA具有抗凝血作用,它有可能代替溶解血栓的蛋白質葯物,來治療心肌梗塞、腦血栓等疾病。

細胞

在上述細胞結構和細胞器中,具有雙層膜有線粒體、葉綠體,具有單層膜的有內質網、高爾基體、溶酶體、液泡。它們都由生物膜構成,這些細胞器膜和細胞膜、核膜等結構,共同構成細胞的生物膜系統。

細胞的生物膜系統在細胞的生命活動中起著極其重要的作用。

首先,細胞膜不僅使細胞具有一個相對穩定的內環境,同時在細胞與環境之間進行物質運輸、能量轉換和信息傳遞的過程中也起著決定性的作用。

第二,細胞的許多重要的化學反應都在生物膜上進行。

細胞內的廣闊的膜面積為酶提供了大量的附著位點,為各種化學反應的順利進行創造了有利條件。

第三,細胞內的生物膜把細胞分隔成一個個小的區室,這樣就使得細胞內能夠同時進行多種化學反應,而不會相互幹擾,保證了細胞的生命活動高效、有序地進行。

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