遗传学应用的两个例子

遗传学在医疗中的运用探究

第一组

生物技术的应用范围十分广泛，主要包括医药卫生、食品轻工、农牧渔业、能源工业、化学工业、冶金工业、环境保护等几个方面。其中医药卫生领域是现代生物技术最先登上的舞台，也是目前应用最广泛、成效最显著、发展最迅速、潜力也最大的一个领域。生物技术在医疗方面的发展解决了过去用常规方法不能生产或者生产成本特别昂贵的药品的生产技术问题，开发出了一大批新的特效药物，如胰岛素、干扰素（IFN）、白细胞介素-2（IL-2）等等，这些药品可以分别用以防治诸如肿瘤、心脑肺血管、遗传性、免疫性、内分泌等严重威胁人类健康的疑难病症，而且在避免毒副作用方面明显优于传统药品。下面选择人胰岛素和乙肝疫苗的生产做简要介绍：

一、人胰岛素的生产

胰岛素(Insulin)是糖尿病， 尤其是I型糖尿病的特效药物，可以促进血液中葡萄糖的利用而降低血糖，并调节糖、脂肪及蛋白质代谢。WHO 相关资料表明：糖尿病已成为继心血管疾病、肿瘤之后的第 3 位主要疾病，严重威胁全人类健康，全球共有糖尿病患者 1.75 亿人，中国糖尿病患者 9200 万人，已超越印度成为亚洲第一大国。2002 年到2012 年的十年间，全球胰岛素的销售额年复合增长率达14.5%；2010年全球胰岛素药物的销售额超过145亿美元，因此胰岛素药物的开发和生产具有重大的社会效益和经济效益。胰岛素由A、B两个肽链组成。人胰岛素(Insulin Human)A链有11种21个氨基酸，B链有15种30个氨基酸，共26种51个氨基酸组成。

目前用于治疗的人胰岛素通常是利用基因重组技术生产出来的。其具体制备方法有三种：

1) 用基因工程大肠杆菌(E.coli)分别发酵生产人胰岛素(human insulin，hI)的A、B链，然后经化学再氧化法，使两条链在一定条件下重新形成二硫键，得到hI。这一方法缺点较多，目前已较少使用；

2) 用基因工程E.coli发酵生产人胰岛素原(human pminsulin，hPI)，后经加工形成hI。E.coli系统表达量高，但缺点是不利于表达hI这样的小蛋白，产物易降解，

彭瑶 汤媛麟 郭天天 李雅琦 田静

故常采用融和蛋白形式将hPI连接在一个较大的蛋白质后，表达产物需经过一系列复杂的后加工才能形成有活性的hI；

3) 通过基因工程酵母菌发酵生产hPI，经后加工形成hI。酵母系统下游后加工院细菌表达系统简单，但缺点是生产慢，生产周期长，且重组蛋白分泌量少(1～50 mg/L)，产量低。因此，虽然rhI投放市场已久，但人们一直在努力寻求和探索更加有效的表达系统和高效的表达策略，尤其是对E.coli表达系统的研究更是越来越深入，用E.coli系统表达hPI的策略也越来越多。另一方面，在胰岛素的基因工程生产中，下游处理非常复杂，复杂的下游处理极大地降低了胰岛素的最终收率。本研究围绕着提高重组目的蛋白表达量，筒化下游处理过程等方面进行探索，建立了一套经过优化的高效完整的基因工程E.coli发酵表达(His)6-Arg-Arg-人胰岛素原

[(His)6-Arg-Arg-human proinsulin，RRh-PI] ，后加工成hl的制备工艺。

二、基因工程法制备乙肝疫苗

目前用于防疫医疗的乙肝疫苗主要有三种血源性乙肝疫苗、基因工程疫苗、含前S蛋白的乙肝疫苗。其中应用最广泛的当属基因工程疫苗，它通过基因重组技术获得，并通过引入大肠杆菌、酵母菌等经济微生物来进行生产，相对而言生产更为便利，并且成本更低。其生产的具体操作过程如下：

第一步是分离目的基因，获得目的DNA片段的方法主要有两种，一是直接从细胞基因组中分离，

第二步是将DNA片段和载体在体外连接重组，成为重组DNA分子，多采用连接酶的方法连接。

第三步是基因克隆，即将重组体DNA分子，引进合适的宿主细胞(大肠杆菌、酵母)中增殖。根据所用载体的不同，可选用转化(以质粒作载体时，重组体DNA分子以此种方式进入感受态的宿主细胞，以获得转化子菌落)、转染(λ噬菌体作载体时，构成的重组体DNA分子，以此种方式进入宿主细胞，可转染得到噬菌斑)、转导(λ噬菌体DNA与外源DNA组成的重组体DNA分子，与噬菌体蛋白组装成具有感染力的噬菌体颗粒，即人工包装的噬菌体颗粒，引入宿主细胞)的方法，往宿主细胞引入重组体DNA分子。

第四步是目的基因克隆的筛选与鉴定，即从大量携带重组体DNA分子的细胞中

分离出带目的基因的细胞。因为不是所有的细胞都能获得重组体DNA分子，为了获得摄取了重组体DNA分子细胞，需经筛选，才能将其与未摄取重组体DNA分子的细胞区别开来，并作进一步鉴定。筛选含有重组体DNA分子细胞的方法，一般都是以载体DNA及目的基因的遗传标记及分子特征为依据，并结合受体细胞的基因表型而建立起来的。由于许多质粒都具有抗生素等药物的抗性标记，因此，在含有一定浓度抗生素的选择培养基上，可以很容易地把摄取了重组体DNA分子，因同时也获得了抗生素抗性的细胞辨认出来。但药物筛选只是一个方面，依据它只能判断质粒载体是否进入了受体细胞，还不能确定受体细胞是否摄取了含有目的基因的重组体DNA分子。

对于重组体DNA分子的鉴别，通常是在抽提出重组质粒DNA后，用凝胶电泳法或电镜观察其分子大小，用限制酶酶解，观察其酶切图谱进行。还可采用菌落原位杂交法来进行鉴定，即将菌落从最初生长的平板上转移到硝酸纤维素滤膜上，用碱裂解滤膜上的菌落，使DNA分子游离，变性，并固定在滤膜上，随即用同位素标记的与目的基因互补的DNA或RNA探针杂交，最后通过滤膜的放射自显影鉴定菌落，并从最初生长的平皿上挑选出放射自显影呈阳性的菌落。

第五步是基因表达，这是指宿主细胞在大量繁殖过程中外源DNA在宿主细胞中的转录和翻译，表达生成的产物(蛋白质)，最好在细胞内不被分解，而分泌到细胞外面。表达产物若为较小的多肽，或是对细菌蛋白酶极为敏感的蛋白质，形成后，通常即被迅速降解。为了保证外源基因表达产物能分泌到细胞外而不被降解，通常可以把外源基因插入在载体的某些结构基因中间，在这种情况下，表达产物是融合蛋白质，融合蛋白质可以抵抗内源蛋白酶的降解，又可以在细胞信号肽的引导下分泌到细胞外。

最后，利用发酵工程培养重组与乙肝疫苗的工程菌

生物技术的发展让医疗发生了一次质的飞跃，也为我们人类的健康做出了不可忽视的贡献。