21世纪生命科学展望文档阅读

内容提要一、生命科学的回顾与展望二、学好生物科学，做一名合格的社会主义建设人才人类基因研究的最新发现人类基因总数在3～3.5万个之间，低于原来估计数目的一半。这说明人类在使用基因上比其它物种更为高效。基因组中存在着基因密度较高的“热点”区域和大片不携带人类基因的“荒漠”区域。大约1/3以上基因组包含重复序列，这些重复序列的作用有待进一步研究。所有人都具有99.99%的相同基因，而且不同人种的人比同一人种的人在基因上更为相似，任何两个不同个体之间大约每1000个核苷酸序列中会有一个不同，这称为单核苷酸多态性(SNP)，每个人都有自己的一套SNP，它对

“个性”起着决定的作用。结

论由于人类生存和经

济发展的需要以及生命

科学本身的发展和贡献，生命科学在21世纪将成

为科学技术的主角。蓬勃发展的生命科学生命科学包括着生物学、农学、医学等三个领域，每个领域又包括若干二级学科。在生命科学中，生物学科的研究是其基础，而以细胞工程、基因工程、酶工程和发酵工程组成的生物技术是现代生物学的领头羊。蓬勃发展的生命科学生物技术（Biotechnology）指运用现代生物学的理论和技术改造细胞的遗传物质，培养出人类需要的生物新品种；从工业规模上利用现有生物体系，制备生物制品；模拟生物体系，以生物化学过程代替化学过程，制备工业产品；在基因水平上对疾病进行治疗。蓬勃发展的生命科学近年来，生命科学的各个领域都有新的进展。下面仅以生物技术在人类健康、农业等领域的应用进展为例，阐述生命科学对

21世纪人类的生存和经济发展的必要性和重要性，以增强大家学习生命科学的信心和决心。Ⅰ.生物技术在人类健康领域的应用1987年诺贝尔生理学及医学奖得主、日本分子生物学家利根川进（SusumuTonegawa）认为，人类所有疾病都与基因受损有关，并第一次提出人体疾病的新概念──“基因病”。基因病可分为三大类：第一类为单基因病；第二类为多基因病，涉及两个以上基因结构或表达调控的改变；第三类为获得性基因病，由病原微生物通过感染将其基因入侵到宿主的基因引起。人体中某种基因发生突变、不能表达和产生正常产物，就会导致一种基因病。基因病的最终解决途径有赖于基因修复（“基因治疗”，gene

therapy）。1990年9月14日，美国国立卫生研究院（National

Institutes

of

Health,

NIH）正式批准安德生（W.F.Anderson）领导的治疗小组为一位因腺苷脱氨酶（ADA）基因缺陷而出现严重综合性免疫免疫缺陷症（SCID）的４岁女孩作基因治疗。安德生采用白细胞培养，以带正常ADA基因的病毒感染白细胞，再将白细胞注入体内。到1991年5月，经7次注射，患儿体内ADA水平达到正常人的25％，免疫功能逐渐恢复，生活质量明显提高，已能滑冰和上舞蹈课，也未见副作用。“基因治疗之父”1991年12月13日，复旦大学遗传学研究所薛京伦等与第二军医大学附属长海医院合作对两名血友病B（又称“凝血因子Ⅸ缺乏症”，一种性连锁隐性遗传性出血性疾病）患者进行了基因治疗。方案采用在皮下植入转移有正常凝血因子Ⅸ的自身皮肤成纤维细胞，使病症得到了缓解。薛京伦（1934－）复旦大学首席教授、博士生导师，现任职于生命科学学院遗传学研究所，主要从事医学遗传学研究工作。上海医学遗传研究所与复旦大学遗传所合作，由曾溢滔、黄淑帧教授主持，于1996年10月在上海奉新动物实验场成功研制出5头能够高效表达人凝血因子Ⅸ的转基因山羊（3公2母），向构建“动物药厂”迈出了极为可喜的一步。乳汁中分泌人凝血因子IX的转基因山羊左:所长曾溢滔教授，中国工程院院士、著名科学家、全国政协委员、全国先进工作者、全国“五一”劳动奖章获得者。右:黄淑帧教授学科带头人，著名医学遗传学家、上海市劳动模范、上海市先进女职工标兵。1999年9月，18岁的美国青年杰西·吉尔辛格（JesseGelsinger）因患在医学上称为鸟氨酸转氨甲酰酶不足症（OTCD）的罕见遗传性疾病，

在美国宾夕法尼亚州大学人类基因治疗中心接受基因治疗，因对作为基因载体的腺病毒敏感不幸死亡，成为被报道的首例死于基因治疗的患者。临床失败案例基因治疗面临的挑战及展望目前全世界已知的遗传病有3000多种，但其中只有3％找到了致病基因，得到治疗的仅几百人。外源基因多途径、多层次的表达调控更是严重的挑战。无论如何，基因治疗的路还是会越走越宽广的。生物制药简单的说，生物制药

就是把生物工程技术运用到药物制造领域，它以微生物、寄生虫、动物霉素、生物组织为起始材料，采

用生物学工艺及分离纯化技术制造出新的生物药品。生物制药产业现状及展望自20世纪90年代以来，全球生物药品销售额以年均30％以上的速度增长。截至2002年，运用生物制药技术已创造了35种重要的治疗药物，年贸易额高达140亿美元。中国生物制药产业起步于80年代初期，1989年中国批准了第一个在中国生产的基因工程药物，经过十多年的发展，中国已经已有超过500家生物医药相关企业，中国生物医药产业的销售额占整个医药产业比率已经达到6％左右。有关专家预测，到2005年我国生物制药市场销售额将达到150亿元。2000年时这个数字是75亿元，5年时间实现翻一番，生物制药业的市场前景由此可见一斑。胰岛素（insulin）降低血糖含量，为糖尿病常用药。过去——从动物胰

脏中提取，成本高、产量低；现在——利用

DNA重组技术进行生产，成本低、产量高。例如，英国一研究中心在

1000L发酵罐中生产了200g胰岛素，相当于1600吨胰腺的提取量。根据2004年3月美国波士顿的投资研讨会上SG

CowenSecurities

Corporation分析家所作的报告，2003年胰岛素的总销售额为47亿美元。干扰素（interferon,

IFN）一族广谱抗病毒、抗肿瘤及调节机体免疫功能的蛋白质。过去——干扰素只能从血液中提取，

45000L血液中只能提到0.4mg，价格昂贵。现在——从人的淋巴细胞中提取信使

RNA（mRNA），再用逆转录酶将它制成互补DNA（complementaryDNA,cDNA），即干扰素基因，然后利用载体将它转入大肠杆菌中，每升培养液可生产1mg以上干扰素。·

目前，已有约60个国家批准干扰素上市，用于治疗约

30多种疾病，世界性的销售额在20亿美元左右。我国已有20多家公司从事基因工程干扰素的生产和销售，已有4种基因工程干扰素批准生产上市，包括重组人α-1b、α-2a、α-2b干扰素以及γ干扰素，基因工程β-干扰素和ω干扰素也已经完成研究。应用生物技术生产蛋白质类药物已不少，如白细胞介质、人生长激素、疫苗、单克隆抗体、人红细胞生成素等等。异种器官移植·

传统器官移植面临的问题人体供体器官的供不应求一直制约着器官移植的发展。此外，还存在着治疗费用高的问题。异种器官移植人们把目光放在了异种器官移植上。由于猪易

于繁殖，而且其器官在大小、功能上与人体器官较为接近，因此被视为替代器官的理想来源。面临的问题——猪体内能生成一种能引起人体免疫系统产生排斥反应的特殊糖，防止排斥反应的关键是排除一种把这种特殊糖置于猪细胞表面的基因。异种器官移植2002年，总部设在苏格兰首府爱丁堡附近的PPL公司宣布，他们首次培育出了五头完全排除该“有害基因”的猪，从而大大增加了人体移植猪器官的可行性。把这种猪的器官移植到人体上不会产生排斥反应。据称这种猪的器官移植人体不会产生排斥反应异种器官移植仍然面临的问题

猪体内还有人类和一些灵长目动物身上所没有的一对特殊基因，名为GGTA1，由它们协助产生一种依附于

猪细胞表面的奇怪的酶，当猪器官移植到人体后，这种酶可以使猪器官在数小时内死亡。此外，还存在病毒感染的可能性。前景展望——该技术应用前景非常广阔，比如也可用来治疗糖尿病、帕金森症及老年痴呆症等。总

结仅从以上3个方面，就可看到现代生物学理论和技术在医学上的重要性，也反映出生物学是医学的基础。美国和欧洲一些国家，要求生物系毕业后，才能上医学院。目前，我国的一些重要医学院校已要求学生入学后，先在有关大学生物系学习2－3年生命科学基础课，然后回本校学专业课，也反映出生物学与医学的密切关系。Ⅱ.生物技术在农业领域的应用·近年来，现代生物学已在农作物品种改良、生物农药、植物快速繁殖、细胞株系育种以及家畜品种改良等方面取得成效。•

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•1•2•2•年9999900份36789020047945人的粮食）将难以满足人口增长的需要，必须依靠现代生物学的知识和技术，建立现代生物技术农业。·

地球口上（的单耕•地有2

限•，仅3

依•靠传4

统•农业5

的•生产6

方•法，6

今•后8位：亿

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5•世界人口统计表（来源：互联网资料）一、农作物品种改良·

例一：转基因烟草烟草花叶病毒（Tobacco

mosaic

virus,TMV）和黄瓜花叶病毒（Cucumber

mosaic

virus,CMV）是对烟草危害最严重的两种病毒，过去一直找不到有效的防治办法。在国内，中国科学院微生物所率先将这两种病毒的外壳蛋白质

基因通过载体转移并整合到烟草基因组中，使这种转基因烟草具备双重的防身武器，从而抵御两种病毒的侵害，在我国已推广30万亩。·

例二：抗棉铃虫棉花棉铃虫是棉花的主要虫害，难以防治。近年发现苏云金芽孢杆菌（Bt）产生的伴孢晶体蛋白可杀死鳞翅目昆虫的幼虫，现已将伴孢晶体蛋白的编码基因从杆菌中提出，导入棉花细胞内使其表达，获得了抗棉铃虫棉花，在我国已推广3万亩以上。·

例三：转基因耐旱植物美国遗传学家把某一作物的耐旱基因移植于细菌细胞内进行繁殖，然后再将此基因转移到植物细胞内，可促进植物体内脯氨酸的产生和积累。脯氨酸能抑制植物细胞向外渗透水分，植物经过这样的遗传操作之后也就增强了自身的耐旱能力。·

例四：抗盐百脉根有人将从抗旱耐盐的黑麦中分离出的抗盐基因转移到豆科牧草百脉根的基因组中使后者获得了抗盐性，能在含盐量为0.5％的土壤中正常生长，甚至在含盐量达1％的上壤中也能生长；而一般百脉根植物完全没有这种抗盐能力。·

例五：抗寒番茄基因工程学家们将海洋鱼类的抗冻蛋白（AFP）基因整合到番茄中，培养出抗寒番茄。此后又培育出了抗寒烟草、抗寒玉米等。二、基因工程新农药1991年，澳大利亚推出新农药“NOGALL”，它是一种人工构建的生物体-K1026菌株。“NOGALL”是一种很有效的抗冠瘿病药物，且对环境没有任何的毒性。该农药已在美国申请注册，并在包括中国在内的许多国家里进行试验。冠瘿病症状新农药“NOGALL”三、植物快速繁殖·指将植物的分生组织、芽等用组培技术，培

养成植株。此法可在短时间内获得大量幼苗，可除病毒，可使难繁殖的植物繁殖。国内外目前已经有近千种植物用此种方法进行商品化生产，并已形成了一种新型的绿色产业。四、细胞株系育种在植物组织和细胞培养研究中，进行定向的筛选，可选出特殊的细胞株系，作进一步的选育，得到具特殊性状的品种。·日本科学家大野等将水稻的愈伤组织在含有NaCl的培养基上进行培养。在连续三次继代培养中，淘汰不抗盐的细胞，最后获得三块耐盐的愈伤组织并由此得到了70多个再生植株。其中有20株产生的种子可以在含有1％NaCl的土壤中生长和结实。已证明在其第三代仍保持抗盐性，这样就育出了可以在含盐量达1％的土壤·

中生长的水稻。·

Green等在不抗小斑病的玉米品种的细胞培养中加入0.5～1％体积的小斑病浓缩菌液，经过三次继代培养，逐步将浓缩菌液的浓度(体积)提高到4～5％，并继代培养一年时间，即得到稳定的抗病细胞团，由此分化的植株也具有抗病性。五、原生质体培养和细胞融合·植物细胞由于有细胞壁的存在，阻碍了细胞间原生质的直接交换或对其进行遗传物质的操作。·

如果事先将其细胞壁去掉，可得到

“裸露的”原生质体，然后进行原生质体的培养，并利用一些化学物质（如聚乙二醇）或物理因素（如电场）等，诱导不同种类的原生质体发生融合，将不同类型细胞的遗传物质组合到一个原生质体中，并使之再生出细胞壁，变成所谓的“杂种”细胞，并由此“杂种”细胞再生出“杂种”植株来。应用实例有人将亲缘关系很远的番茄和土豆的原生质体在一

起培养并诱导其原生质体进

行融合，随即产生了一个具

有蕃茄与土豆双重特性的新

的植物种类。该作物在土壤

下结土豆，在地表上则结番

茄，称为土豆番茄（Potato＋Tomato＝Pomato）。六、在畜牧业中的应用·

例一：胚胎移植（embryo

transfer,

ET）胚胎移植是将优良品种的母畜怀孕后发育早期的幼胚从子宫中取出转移到另外一个母畜的子宫中，即所谓“借腹生子”。2003年12月，广东湛江南翔胚胎生产工程技术研究所与中国农业科学院、湛江市湖光奶业有限公司合作，通过胚胎移植技术繁育出三头优良奶牛小牛犊。·

例二：胚胎分割（embryo

splitting）胚胎分割是应用显微外科方法将发育早期的胚