基因的调控

按照中心法则，有机体的发育也就是DNA分子中所包含的遗传信息，在一定条件下的表达。或者说，有机体的个体发育是按照在DNA分子中以某种方式预先制定的指令（遗传程序）而进行的。这些指令在适当的条件下能促使一个细胞或某些细胞群正好在特定的时间和位置（空间）发生分化。由此看来，DNA所包含的遗传信息是有机体发育的内在根据，而体内的生理状态和各种环境因素则是发育的必要条件。至于在发育过程中，某个细胞究竟表达全部遗传潜力的哪一部分，那就要看哪些基国是开着的，哪些基因是关闭的。大约在50年前，生物学家就意识到在发育过程中，细胞分化时要打开一些基因，关闭另一些基因，才有可能让来自同一个受精卵增殖的细胞，有的发育成肺，有的发育成心脏，有的却发育四肢……很明显，在这里就有基因表达的调控问题。

早在40年代，美国遗传学家麦克林托克在研究玉米籽粒颜色的高频变异时，就已注意到了基因的调控问题，用转座子学说来解释玉米籽粒颜色的遗传不稳定现象，首次提出基因调控模型，初步揭示了有机体如何设计安排基因活动的奥秘。此外，在40年代还有比德尔和塔特姆在1946年提出的一个基因一个酶的理论，阐明基因是通过酶来控制性状发育的，进而把人们的注意力引向基因和酶的关系上来。

1961年，法国生物学家雅各布和莫诺（J·Monod，1910—1976），在研究大肠杆菌半乳糖代谢的调节机制时，提出操纵子学说进一步发展和深化了基因通过酶起作用的机理，从分子水平上创建基因调控模型，为揭示有机体的发育和细胞的分化等开拓了新思路。

按照操纵子学说，基因可分为几种类型，一是结构基因（用at表示），它含有关于蛋白质结构的信息；二是调节基因（用RG表示），它具有调整结构基因活性的作用，能制约一种在正常情况下压制结构基因活性的阻遏物（一种小分子蛋白质）的形成；三是操纵基因（用O表示），它本身不能产生什么物展＞移＞旦跟阻遏物结合，结构基因就不能有转录作用。此外，还有一个启动基因（用P表示），它是接受RNA聚合酶的所在，是RNA聚合酶活动的起点，RNA聚合酶就是从这里开始使结构基因进行转录的。所谓操纵子就是指一系列在作用上密切相关而排列在一起的结构基因和操纵基因的总和。操纵子的开关，是与调节基因和操纵基因的作用分不开的。

举例来说，大肠杆菌能将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖。催化这一生物化学反应的酶有半乳糖昔酸、乳糖透过酶和乙酸化酶。它们受控于相应的三个结构基因（分别用eq。

SGZ、Wb表示）。当培养基里没有诱导物——乳糖存在时，由调节基因所产生的阻遏物便与操纵基因结合，阻止或干扰RNA聚合酶与启动基因的结合，从而使结构基因形成InR－NA的转录过程不能进行，乳糖代谢所必需的三种酶也就不能合成。当培养基里有诱导物乳糖存在时，它便立即与阻遏物结合，使其构型发生改变，失去原有的作用，这时操纵基因便开放，让RNA聚合酶结合到启动基因上，结构基因产生rnRNA的转录过程和三种酶的合成就能正常进行。一旦乳糖用尽，阻遏物又发生作用，重新关闭RNA聚合酶的通道，使结构基因的转录过程停止，酶的合成也随之告终。后图是操纵子开关的示意图。

（A）示诱导酶形成过程。（B）示阻遏酶形成过程。

雅各布和莫诺的操纵子学说，用一套调节控制系统来解释细胞为什么在一定的条件下能按需要启动或关闭某些基因。这对于我们了解基因如何通过酶的作用控制性状的发育，是很有帮助的。但是后来发现操纵子学说对于真核生物并不适用。因此对于真核生物的基因调控还是有待研究的课题。

像细菌等原核生物，它们的结构比较简单，既没有各种细胞器，也没有核膜，它们的遗传物质——DNA或RNA，是完全裸露在细胞质中的，谈不到什么染色的结构。因此，在原核生物那里，遗传信息的转移，从转录到转择是同时进行的，有时甚至复制、转录和转译是三位一体的。此外，它们的基因为数很少，并且功能相关的基因往往是紧密相连的。所以它们的基因调控均可用操纵子学说来说明。

真核生物就不一样了，它们不仅有各种细胞器，而且有核膜把DNA包围起来并形成结构复杂的染色体（由DNA。蛋白质和少量的gyA组成）。因此，真核生物在实现遗传信息的传递和表达等方面要比原核生物复杂和完善很多。比如说，真核生物的转录和转译，是分别发生在细胞核和细胞质中，这两个过程在时间上和空间上都是分开的，并且它们的转录和转译均有专用的“机床”，其产品亦需进行各种加工和修饰后，才能输送到细胞质中去。此外，真核生物的基因为数众多，从受精卵到完整的有机体，要经过复杂的分化发育过程，除了那些为了维持细胞的基本生命活动所必需的基因之外，其他不同组织的细胞中的基因总是在不同的时空序列中被活化或受阻遏。因此，真核生物的基因调控有染色体DNA水平上的基因调控、转录水平上的基因调控和转译调控等，是相当复杂的。目前生物学家正在深入地研究真核生物基因调控的奥秘。

此外，由基因调控模型使人们想到，有机体的发育和细胞分化的过程也是受基因调控的。现代生物学已阐明，多细胞有机体在胚胎发育时，生殖细胞中的全部基因都被复制并传递给各个子细胞，但大部基因没有得到表达。哪些基因得到表达决定于这个细胞在身体内的位置、所处的发育阶段以及当时的外在环境。最近几年的研究表明，每个细胞内的活性基因（开着的基因）与非活性基因（关闭着的基因）都有其特定的图式，并且这种图式会随着发育过程的进行经历顺序的变化。据英国剑桥分子生物学实验室的研究，一种透明的线虫在其胚胎发育过程中，有一组基因在控制细胞分化的时间顺序上起着关键的作用。他们把这组基因叫做时序基因。时序基因中的某些突变，可以改变细胞谱系的发育过程，使它们比正常个体提早或推迟进行。此外，1983年巴塞尔大学生物学中心的研究者，对果蝇的胚胎发育进行研究，发现果蝇中许多控制空间结构的基因都具有一段共同的DNA（含有一个独特的碱基顺序），他们称此为同源框。当含有同源框的基因转译成蛋白质时，同源框就会发生一段氨基酸链并连结到DNA双螺旋上去。当这个蛋白质与特定基因的DNA结合上之后，它就能使这些基因打开或关闭。如果这组基因遭到突变，成虫体节长出的结构便会出现差错，本该是长触角的位置却长出足来。后来，有人在蛙、鸡、鼠等其他生物体内，也发现了类似同源框的序列。这样，同源框的发现就为研究基因如何调控有机体的发育提供了一个重要的立足点。

由此看来，要想深入了解基因调控的机制，一个很重要或很关键的课题就是要搞清楚包含在DNA分子中的密码原本或测定其全校着酸排列的顺序。从60年代起就有不少科学家从事这方面的工作。如菲耳斯从1965年开始研究噬菌体M＆RNA的结构，终于在1975年搞清了M＆的全核青酸序列。继他之后又有不少的科学家测出了噬菌体十X174DNA的全核音酸序列，以及病毒SV40和噬菌体fd的全核音酸序列。

80年代又兴起了对人类基因组的全核音酸序列的分析。这是一项国际性的大科学计划。现在普遍的看法是人的基因组估计拥有大约见万个基因，含30亿个核音酸对。要测定如此庞大的全核音酸序列显然并非易事。美国准备用15年的时间，花30亿美元将其完成。一旦把人类基因组的核着酸序列搞清楚了，人们就可以绘制出一幅清晰的人类基因组图谱，并按图索鹦，从简单的DNA来预测人的性状，分析哪些基因发生了突变，基因结构发生了什么样的改变，突变基因在哪条染色体上和处于什么位置，等等。这样，不仅对人的遗传本性和发育程序一目了然，而且还可以研究正常的基因是怎样工作的，不正常的基因又是怎样引起疾病的，等等。难怪有人把人类基因组分析比喻为彻底了解人体自身奥秘的“阿波罗”计划。

但是，也不应该忽视人类基因组分析所提供的只是一份遗传蓝图，性状发育的可能性，它并不可能完全可靠地预测所有性状的前景，因为许多性状（特别是与行为和认识有关的性状）是由遗传和环境相互作用所决定的，环境的变化可以导致遗传相似的个体沿着迥然不同的道路发育。因此，解释遗传信息的表达，如果不充分考虑这一点也是不全面的。（钟安环）

历史的指纹——基因故事

地球生物的过去，是生命有机体几亿年进化的历程。在所有这些生命有机体的细胞内，长期潜伏着DNA分子的浓密螺旋要素，透过它，我们能够听到历史的回声。下面的几则小故事就是例子。

一寻找人类的祖先在基督教和神话传说中，亚当和夏娃是人类的始祖。那么，在现实生活中，人类究竟有没有共同的母亲？要回答这个问题，基因和基因组研究也许能够提供令人信服的根据。

早在1987年，英国权威的《自然》杂志发表了美国加州大学伯克利分校研究人员的一篇论文，该论文的结论之一是：人类共同的母亲是存在的，这就是“夏娃”。根据科学家的调查和推算，人类共同的母亲夏娃很可能生活在20万年前的非洲。研究人员的依据就是基因。人体细胞的细胞质中存在着线粒体，其中也包含DNA，即线粒体DNA，这是一种特殊的基因。这种基因只能从母亲遗传给女儿。根据这一特点，研究人员研究了许多种族的妇女，包括非洲人、亚洲人、高加索人、澳大利亚人、北美土着人和新几内亚人，结果发现，所有女人的线粒体DNA基因图谱在某一段或一些位点上都很相似或者完全一样。这证明她们都有亲缘关系，很可能她们的染色体（即DNA）出自同一女人，而这个女人就是《圣经》中的夏娃。

还有的研究人员根据古尸骨骼和DNA测试认为，人类的共同母亲生活在100万年前的非洲。当然，进一步的人类基因和基因组研究将会深入地令人信服地阐明人类的共同祖先是谁。

二揭示国家或民族的起源是谁最先成为澳大利亚的殖民者并建立和发展了这个国家，目前比较一致认可的事实是：1788年英国的菲利普船长率领1044名军人和囚犯在澳洲东海岸悉尼港登陆并建立殖民地。然而，最近基因研究的结果揭示，在1788年前的几十年间，西方殖民者早已定居在澳大利亚了。

澳大利亚的西澳洲首府拍斯的查尔斯一加德纳医院的生物化学专家对一种遗传病的基因追踪证明，最早定居在澳洲的西方殖民者是荷兰人，时间是在1712年（并非如史书所载的是英国人，时间在1788年）。研究人员发现了一种罕见的皮肤病，追溯到一对荷兰夫妇身上，他们患病的年代是1688年，当时这对荷兰人居住在南非。由于该病具有遗传性，合理的解释是只有在南非的荷兰人的后代才有可能罹患此病。但奇怪的是，研究人员却在澳洲西部的土着人中发现了这种疾病。研究该病的生物化学家里克·罗西比较了患该病的南非荷兰人和澳洲土着人的遗传基因，从而证实了他们的疾病来源于同一祖先：在他们的患病基因图谱上，有缺陷的基因处于同一位置。

那么如何解释这两种远隔千山万水的种族会具有同一疾病的致病基因呢？有一个史实可以说明问题。据史书记载，1712年，荷兰东印度公司的“旗舰”号轮船在澳洲西海岸卡尔马里地区以北的鲨鱼湾触礁沉没，当时船上有70多人侥幸脱险登上了澳洲大陆。

他们当中有一些人是来自南非的荷兰人，并有人患有上述罕见的皮肤病。他们与当地的土着人结合并度过了余生，自然将这种病遗传给了当地的土着人。

另一种说法是，当时南非是荷属殖民地，荷兰船上有许多南非荷兰人船员，其中有人患有这种罕见的皮肤病。在18世纪初叶至中叶，许多荷兰船只在澳洲西海岸失事，一部分侥幸登上澳洲大陆的人与当地土着人通婚井生存了下来，其中携带上述有缺陷基因的人，把这种罕见的皮肤病遗传给了他们的后代。因此，澳大利亚科学家从事的基因研究的初步结论证明，澳大利亚的殖民历史应当向前推至1712年。

三走出人种理论的误区在人类的相互歧视、残杀甚至种族清洗中，往往伴随着荒谬的人种理论蛊惑人心、欺世惑众，作为这种残暴兽行的依据。例如希特勒的雅利安人种优越论，就曾为纳粹屠杀犹太人的残暴罪行制造舆论。直到今天，许多国家的白种人中仍流行着白种人优越于有色人种的论调。

然而，美国斯坦福大学的人类基因研究者卢卡·卡瓦利·斯福尔扎教授，通过近50年的基因研究证实：“世界本是一个家庭”。人种之间的基因差异极小或者很相似；而每个个人的基因差异要远比不同种族间的人的基因差异大得多。在近50年的时间中，卡瓦利·斯福尔扎和同事搜集了近2000个部族的人种的血样、毛发，从中提取细胞基因作描图分析。

通过对众多种族的基因描图分析和血液中白细胞表面抗原、抗体和其他蛋白质（它们都是个体基因组成的遗传标记）的分析归纳，卡瓦利·斯福尔扎得出了种族之间基因差异很小的结论，甚至揭示了一些人种之间的亲缘关系。例如，澳大利亚土着人和非洲撒哈拉沙漠以南的非洲人在身体形状和肤色等方面很相似，过去人们曾认为，他们有着较亲密的血缘关系，但基因研究表明，他们的血级相距最远。澳大利亚土着人和他们的近邻东南亚人有着更近的血缘关系。欧洲人和非洲人在外表上的区别，只是他们各自在迁移后适应当地气候的结果。

多少年来，欧洲人凭借自己在殖民时代几乎征服了全世界的事实认为，白人比所有的人种都优越。然而，卡瓦利·斯福尔扎的基因研究对这一理论做出了否定。研究证明，欧洲白种人的基因65％来自于亚洲人，35％来自于非洲人，是亚非人种的杂交种族。因此，欧洲白种人就是亚非人。在白种人和亚非人的血管里流淌着相同的血液。

卡瓦利·斯福尔扎的基因研究还证明，非洲是人类的出生地和全球移民的出发点。

导致今天的非洲人和其他人种的差异的原因是久远的年代的不同生活导致了人们基因的变异。这与上述人类的共同母亲源自非洲是殊途同归的结论。

四追溯疾病的起源无论多么凶险难治的疾病，只要找到了病因，就为征服这种疾病奠定了基础。而追溯疾病的根源则是查找病因的有效方法之一。基因研究能够有效地寻找到疾病、特别是遗传疾病的根源。

1495年9月的一天，在法国加莱海峡边的威尔瑞埃夫罗伊镇附近的一个风景秀丽的小村庄里，教堂响起了哀婉凄凉的钟声。村子里的人们聚集到教堂为一对名叫杰夫里和玛丽的老人举行葬礼。然而人们不会想到，斯人去矣，可他们却给后人遗留下一种遗传病的致病基因。

漫长的岁月过去了。1991年5月，法国国立人口统计研究所的研究人员安德列·查文特里应巴黎精神病医院的埃弗里教授之邀，共同研究调查躁狂抑郁型精神病患者的发病情况。两人合作研究后不久发现，DNA某一基因片段不仅涉及精神病，而且与青光眼和糖尿病有关。有精神病的家庭成员中患糖尿病和青光眼的人也比普通人多。在调查中研究人员发现了一大家族遗传系特别引人注目，可以上溯到15世纪，其祖先就是杰夫里和玛丽夫妇。研究人员直到了这个家庭记录在教堂的家庭遗传系，即族谱，又通过基因描图分析，在眼科专家的协作下，证明了杰夫里夫妇患有青光眼，并把青光眼的致病基因遗传了下来。他们的后代在漫长的几个世纪中有100多人患有青光眼，另外有几千人携带有青光眼的致病基因，但未表现出症状。最后，研究人员通过基因分析确定了青光眼在染色体上的位点。这为将来防治青光眼打下了基础。

五了解民族和疾病的差异基因研究如今在揭示民族差异和疾病的异同方面扮演着越来越重要的角色。当人们从历史、居住地、语言等方面难以确定一个民族时，基因研究就成为一个重要的判断依据。

过去人类学家认为，南非的克瓦桑族可能是人类最古老的种族之一，因为在他们的语言中有倒吸气的语音，这使得语言学家认为他们是人类最原始的祖先的直接后裔。但美国斯坦福大学的基因研究表明，克瓦桑族是非常古老的西亚人与非洲人的混血种族，他们的融合地点是埃塞俄比亚和中东、这说明克瓦桑族人并非是人类最古老的种族之一。

美国斯坦福大学的学者对美洲土着人的基因分析还表明，三类土着人有着不同的基因，而且其语言也有区别。在南北美洲占统治地位的印第安人只有O型血（血型可作为基因分类的一种标志）；住在阿拉斯加和美国西南部的土着人（讲Na－den语）大部分是O型血，但也有A型血；阿拉斯加和加拿大的因纽特人，同世界其他地区的人们一样，具有A、B、O、AB这4种血型。这可以说明他们是不同时期到美洲定居的亚洲人。

同样，对于难于辨别起源和种族的人群，例如印度洋。马来半岛和菲律宾的短小黑人，将来也可通过基因分析了解其来源并归入相应的民族。

基因和基因组计划在帮助了解人类疾病的同一性和差异性方面也有重大贡献。上文所述的追溯遗传病的起源可以看作是疾病的同一性，而致病基因的差异则造成了千差万别的疾病和易感染某一疾病的不同人群。例如，蒙古族很少患腥红热；地中海贫血在中国云南的傣族和景颇族中发病率最高，约5．51％；中国人鼻咽癌发病率较高；欧美人多患囊性纤维变性。除了发病的客观环境外，上述疾病（包括许多疾病）都可以在不同民族的基因位点上找到差异，即病因，这就为将来的临床诊断和治疗奠定了基础。（张田勤）

克隆——生命的产生有了不同的可能性

“克隆”是从英文“Chlone”音译而来是无性繁殖的意思。在生物学领域有了个不同层次的含义。

1．DNA克隆也叫分子克隆，其含义是将某一特定DNA片段通过重组DNA技术插入到一个载体（如质粒和病毒等）中，然后在宿主细胞中进行自我复制所得到的大量完全相同的该DNA片段的“群体”。

2．细胞克隆是指由一个单一的共同祖先细胞分裂所形成的一个细胞群体。例如，使一个单一细胞在体外的培养液中分裂若干代所形成的一个遗传背景完全相同的细胞集体即为一个细胞克隆。又如，在脊椎动物体内，当有外源物（如细菌或病毒）侵入时，会通过免疫反应产生特异的识别抗体。产生某一特定抗体的所有浆细胞都是由同一个B细胞分裂而来，这样的一个浆细胞群体也是一个细胞克隆。

3．个体克隆是指基因完全相同的两个或更多的个体组成的一个群体。例如，两个同卵双胞胎即为一个克隆！因为他／她们来自同一个受精卵细胞，遗传背景完全一样；通过细胞核移植所得到的一个遗传背景完全相同的动物或植物也是一个克隆，如1998年英国科学家将小鼠卵丘细胞的细胞核移植到去除了细胞核的卵母细胞中后，得到了20多只发育完全的小鼠，这些小鼠群体就是一个克隆，又如从一棵胡萝卜中的两个以上体细胞发育而成的胡萝卜群体也是一个克隆，因为它们的遗传背景完全相同。而为大家所熟悉的、同是英国科学家将关于“克隆”最广为人知的是英国科学家维尔穆特领导的小组，运用克隆技术，于1997年成功地“复制”出的第一只绵羊“多利”。

伊恩·维尔穆特博士是英国爱丁堡罗斯林研究所的胚胎学家。他1945年生于英格兰中部城市沃里克附近的汉普顿·露塞的地方，曾就读于诺丁汉大学，导师是世界着名生殖学专家埃里克·拉明。毕业后他进人了胚胎学领域，一直从事动物的基因技术研究。

1971年，他去剑桥大学达尔文学院深造，二年后获得博士学位，他的博士论文题目是《关于猪精液的冷冻技术》。毕业后，赴苏格兰的爱丁堡市罗斯林动物繁殖研究所。该所是由政府和爱丁堡药物蛋白质有限公司共同资助的独立的动物研究机构，以后该机构逐渐演变为罗斯林研究院。

20多年来维尔穆特博士一直在从事于生殖科学研究。1973年就用冷冻胚胎培育出第一头小牛。一头母牛一生能够产下的小牛一般为5到10头。通过把取自肉质和奶质最好的母牛的胚胎冷冻起来，在解冻以后植入其他母牛的体内，维尔穆特博士使养牛的农民能够大大提高牛的质量。

1986年，维尔穆特博士在爱尔兰参加一次会议期间，在酒吧偶然听到人们在谈论某位科学家利用已经发育的胚胎培育出了一头羊，这使他确信有可能克隆大型家畜。

终于，维尔穆特博士率领了由12名科学家组成的小组，完成了一项令世人注目的科研项目。

哺乳类一般都是有性繁殖。哺乳类的卵细胞最先是由卵巢中的卵原细胞发生而来的。

卵原细胞具有双倍的遗传物质，即为二倍体细胞。它经过数次分裂，最终成为单倍体（只含体细胞一半的染色体）的成熟卵细胞。但是，这种卵细胞还不可能发育成为一个新个体的，它必须受精（与含有同样只有单倍染色体的精子结合），重新成为双倍体的受精卵，才能继续发育下去，形成一个新生命。

“克隆绵羊”的培育与克隆其他哺乳动物的培育过程是同样的，首先要取得成熟的卵细胞。当今，科学家们采用了“超数排卵技术”，给成年母羊注射孕马血清促性腺激素及人绒毛膜促性晚激素。这样在它们的卵巢中一次使会有更多的卵成熟与排放。当排卵时，工作人员可通过手术或腹腔镜取出这种成熟的卵细胞备用。

卵细胞由细胞核及细胞质两部分组成。卵细胞很小，一般只在80一100微米之间。

科学工作者在操作时，必须靠一种注射仪的帮助，在放大几十倍的条件下，用特制的极细玻璃管制入卵内，将卵细胞核吸出。该卵便成为一个无核细胞了（卵已无核遗传物质）。然后进行“核移植”，一般用于核移植的细胞核多为胚胎分裂球的细胞核（分裂球的每个细胞核本来就具有分裂和增殖的能力）。但是，用这种细胞（或称胚胎）分离切割所得到的个体并不能称为“克隆个体”。

为什么呢？一是因为“多利”用的不是胚胎细胞的细胞核，它用的是“体细胞（乳腺细胞）的细胞核，进行核移植，而分裂并发育成新的个体。按照发育生物学的观点，成年体细胞是一种“定向”了的，一定程序上分化了的细胞，即这种细胞性质已经定型，是哪种类型的细胞或组织就是哪种类型的细胞或组织，正如乳腺细胞只能发育成乳腺组织一样，不可能“再回头”，重新获得“全能性”。可是“多利”的体细胞即使“方向已明”，在一定条件下，仍然具有“全能性”。

二是由于移入卵内的是体细胞，不仅含有双倍的染色体，而且由此产生的后代细胞的染色体是该体细胞的遗传拷贝，因而由此发育而成的个体的遗传性质与核供体的亲本是一致的。

这里概括地说一下“多利”出世的过程：从产于芬兰的一只6岁的塞特母羊的乳腺中提取一块本身没有繁殖功能的普通细胞组织，在特殊条件下培养6天，使这些细胞的细胞核进入休眠期；通过显微操作的方法将一个未受精的卵子的遗传物质去除；通过细胞融合将乳腺细胞的细胞核导人到去除细胞核的卵子中，形成重组胚；将重组胚移到合适的供体绵羊的输卵管中，经过几天的体内发育，从输卵管中取出发育良好的胚胎，再移植到合适的受体母羊的子宫中，最后由它产下羊羔。

我们从“多利”的产生过程可见它是未经过精子与卵细胞结合的受精过程，属于无性繁殖，因此称之为“克隆绵羊”。“多利”这个美妙的名字是维尔穆特借用了他所喜欢的乡村歌手多利·帕顿的名字。

生活中应用无性繁殖的植物、动物是很多的，比如植物的纤插、嫁接、块茎繁殖长出的后代也都是克隆。

在自然条件下，由于许多植物本身就适宜进行无性繁殖，因此它们很容易克隆。在动物中，这种无性繁殖方式多见于无脊椎动物，比如原生动物的分裂生殖等等。但是，对于高等动物，出于在自然状态下它们一般只能进行有性繁殖，如果要使它们进行无性繁殖，科学工作者必须经过一系列复杂的操作程序。

目前克隆哺乳动物的方法由简单到复杂有以下几种：

（1）胚胎分割。

胚胎分割在很多国家都认为是“克隆”，但这并不是严格意义上的克隆。将未着床的早期胚胎用显微手术的方法一分为二，一分为四或更多次地分割后，分别移植给受体体内让其妊娠产仔。由一枚胚胎可以克隆为两个以上的后代，遗传性能完全一样。目前用胚胎分割法已克隆出小鼠、家兔。山羊、绵羊、猪、牛和马等。

（2）胚胎细胞核移植。

胚胎细胞核移植技术要比胚胎分割技术进了一步。它是用显微手术的方法分离来着床的早期胚胎细胞，将其单个细胞导入去除染色体的未受精的成熟的卵母细胞，经过电融合，让该卵母细胞质和导人的胚胎细胞核融合、分裂、发育为胚胎。把该胚胎移植给受体，让其妊娠产仔。目前知道的胚胎细胞核移植克隆的动物有小鼠、兔、山羊、绵羊、猪。牛和猴子等。

（3）胚胎干细胞核移植。

将胚胎或胎儿原始生殖细胞经过抑制分化培养，让其细胞数成倍增多，但细胞不分化，每个细胞仍具有发育成一个体的能力。把该单个细胞利用以上核移植技术，将其导入除去染色体的成熟的卵母细胞内克隆胚胎，经移植至受体，妊娠、产仔、产生克隆动物。

（4）胚胎嵌合。

把两枚胚胎细胞（同种或异种动物胚胎）嵌合，共同发育成为一个胚胎，称为嵌合胚胎。再将该胚胎移植给受体，妊娠产仔。如该仔畜具有以上两种动物胚胎的细胞则称之为嵌合体动物。如同类黑鼠和白鼠胚胎细胞嵌合，生下黑白相间的花小鼠。不同种的绵羊和山羊胚胎细胞嵌合，可生下绵山羊，既有绵羊的特征，又有山羊的特征。目前嵌合体动物有小鼠、大鼠、绵羊、山羊、猪和牛等；种间嵌合体动物有大鼠一小鼠嵌合体，绵羊一山羊嵌合体、马一斑马嵌合体，牛一水牛嵌合体。

（5）体细胞核移植。

把动物体细胞经过抑制培养，使细胞处于休眠状态。采用以上核移植的方法，将其导人去除染色体的成熟的卵母细胞克隆胚胎，经移植受体，妊娠产仔，克隆出动物。比如克隆绵羊“多利”。它是从一只成年母绵羊的乳腺中取出一个本身并没有繁殖功能的普通细胞，将这个细胞的基因分离出来备用；然后，再取出另一只母绵羊的未受精的卵细胞，将这个卵细胞的基因取出，换上第一只母绵羊乳腺细胞的基因，再将这个基因已被“调包”的卵细胞放电激活，使其开始像正常的受精卵那样进行细胞分裂；当细胞分裂进行一定连阶段、胚胎已经形成后，再将这个胚胎植到第三只母绵羊，经过正常的妊娠后产下“多利”。这项技术目前仅此一家获得成功。

克隆绵羊的诞生是生物工程技术发展史上的一个里程碑。它标志着生物学世纪提前到来。克隆绵羊“多利”的问世突破了利用胚胎细胞进行细胞核移植的传统方式，可以使科学家们拥有一项新的非常有效的技术，来深入研究一系列重要的生物学问题，在理论上和应用上都具有重大意义。（赵学漱）

基因工程——改造生命的创举

基因工程是人工进行基因切割、重组、转移和表达的技术，是在分子水平上对生物遗传作人为干预。

1973年，美国斯坦福大学教授科恩从大肠杆菌里取出两种不同的质料。它们各自具有一个抗菌素药基因，“裁剪”下来，再把两个基因“裁剪”下来，再把这两个基因“拼接”在同一个质粒中。新的质粒叫“杂合质粒”。当这种杂合质粒进入大肠杆菌体内后，这些大肠杆菌就能抵抗两种药物，而且这种大肠杆菌的后代都具有双重抗药性。

这表示“杂合质料”在大肠杆菌的细胞分裂时也能自我复制。它标志着基因工程的首次胜利。1974年，科恩又把金黄色葡萄球菌的质球（上面具有抗青霉素的基因）和大肠杆菌的质粒“组装”成杂合质粒，送入大肠杆菌体内，使这种大肠杆菌获得了对青霉素的抗药性。这说明，金黄色葡萄球菌质粒上的抗青霉素基因，由杂合质粒带到大杆菌体内，更重要的是表明外来基因在大肠杆菌体内同样也发生作用（专业上称为表达）。

科思又将非洲爪赠的DNA与大肠杆菌的质粒“拼接”，获得成功，拼接后的杂合质粒进入大肠杆菌，产生了非洲爪赠的核糖体核糖核酸（币W人。两栖动物的基因能在细菌里发挥作用，也能在细菌里不断复制的事实说明，基因工程完全可以不受生物种类的限制，而按照人类的意愿去拼接基因，创造新的生物。

科恩随后以DNAlifl技术发明人的身份向美国专利局申报了世界上第一个基因工程的技术专利。科恩的实验首次打破了不同物种在亿万年中形成的天然屏障，他的成功标志着任何不同种类生物学基因都能通过基因工程技术重组到一起，人类可以根据自己的意愿定向地改造生物的遗传特性，甚至创造新的生命类型。科恩获得专利技术的消息引起了全球轰动，在短短几年中，世界上许多国家的上百个实验室开展了基因工程的研究。

随着科思及其同事利用重组DNA技术从哺乳动物基因组中切割了一个基因，植入大肠杆菌获得成功后。投资家鲍勃·斯旺森说服博耶成立遗传技术公司——世界上第一家利用重组DNA技术制造蛋白质用于治疗人体疾病的公司，它于20世纪70年代在美国诞生，生物工程从此步入产业化。

基因工程一般包括四个方面的基本内容：一是取得符合人们的要求的DNA片段，这种DNA片段被为“目的基因”；二是将目的基因与质粒或病毒DNA连接成重组DNA（质粒和病毒DNA称作载体）；三是把重组DNA引入某种细胞（称为受体细胞）；四是把目的基因能表达的受体细胞挑选出来。DNA分子很小，其直径只有20埃，约相当于五百万分之一厘米，在它们身上进行“手术”是非常困难的，因此基因工程实际上是一种“超级显微工程”，对——的切割、缝合与转运，必须有特殊的工具。首先，要把所需基因——目的基因从供体DNA长链中准确地剪切下来。1968年，沃纳·阿尔伯博士、丹尼尔·内森斯博士和汉密尔·史密斯博士第一次从大肠杆菌中提取出了限制性内切酶能够在DNA上寻找特定的“切点”，认准后将DNA分子的双链交错地切断。人们把这种限制性内切酶称为“分子剪刀”。这种“分子剪刀”可以完整地切下个别基因。自70年代以来，人们已经分离提取了400多种“分子剪刀”，其中许多“分子剪刀”的特定识别切点已被弄清。有了形形色色的“分子剪刀”，人们就可以随心所欲地进行DNA分子长链的切割了。由于限制性内切酶的发现，阿尔伯、史密斯和内森斯共享1978年诺贝尔生理和医学奖。

DNA的分子链切开后，还得缝接起来以完成基因的拼接。1976年，科学家们在5个实验室里几乎同时发现并提取出一种酶，这种酶可以将两个DNA片段连接起来，修复好DNA铁的断裂口。1974年以后，科学界正式肯定了这一发现，并把这种酶叫做DNA连接酶。

从此，DNA连接酶就成了名副其实的“缝合”基因的“分子针线”。只要在用同一种“分子剪刀”剪切的两种DNA碎片中加上“分子针线”，就会把两种DNA片段重新连接起来。

把“拼接”好的DNA分子运送到受体细胞中去，必须寻找一种分子小、能自由进出细胞，而且在装载了外来的的管DNA片段后仍能照样复制的运载体。

基因的理想运载工具是病毒和噬菌体，病毒不仅在同种生物之间，甚至可以在人和兔培养细菌细胞转移。还有一种理想的载体是质粒。质粒能自由进出细菌细胞，当用“分子剪刀”把它切开，再给它安装上一段外来的DNA片段后，它依然如故地能自我复制。因此，它是一种理想的运载体。有了限制性内切酶、连接酶及运载体，进行基因工程就可以如愿以偿了。

把目的基因装在运载体上，运载体将目的基因运到受体细胞是基因工程的最后一步。

一般情况下，转化成功率为百万分之一。为此，遗传工程师们创造了低温条件下用氯化钙处理受体细胞和增加重组DNA浓度的办法来提高转化率。采用氯化钙处理后，能增大体细胞的细胞壁透性，从而使杂种DNA分子更容易进入。目的基因的导人过程是肉眼看不到的。因此，要知道导人是否成功，事先应找到特定的标志。例如我们用一种经过改造的抗四环素质粒PSC100作载体，将一种基因移入自身无抗性的大肠杆菌时，如果基因移入后大肠杆菌不能被四环素杀死，就说明转入获得成功了。