我是上個世紀80年代末至90年代初在德國學習分子生物學的。
聽課的時候，老師們都會給我們講，20世紀是物理學的時代，由於物理學的發展，極大的改變了我們的生活。由於物理學和工程技術的發展，飛機、火車、輪船這些交通工具的發達，距離不再是問題了。現在我們如果要到世界上任何一個角落去見一個朋友，24小時總能到達你想去的地方。由於電信技術和電腦技術的發展，我們現在足不出戶，就可以和遠在天邊的朋友、親人視頻聊天。那種生離死別的感覺再也不會出現了。科學家們、社會學家們還說，21世紀將是生命科學的時代，以基因工程為代表的生命科學的發展，將會極大地改變我們的生存環境和生活品質，讓我們在更好的環境中健康、長壽、快樂地生活著。哈佛大學退休教授、著名的化學家、社會活動家Westheimer於1992年在 Science撰文說道：“在過去40年中，智力上發生的最偉大的革命就發生在生物學，今天，假如有人說他對分子生物學知之甚少的話，人們就會認為他沒有受過教育。這句話雖然有些偏頗，但說明了生物學，特別是以基因工程為代表的分子生物學的發展已經滲透到了我們的日常生活中了。當今的新聞，生物學的新發現已經佔據了很大的版面。
那麼什麼是基因工程呢？基因工程又稱DNA重組技術，它是在體外將目的基因與載體DNA拼接在一起，然後將重組DNA轉染宿主細胞，以實現目的基因在宿主細胞中的擴增和表達，以達到克隆生物、改造生物和診斷治療疾病的目的。基因工程的誕生實際上是遺傳學、分子生物學、細胞生物學等學科發展到一定階段的成果。它是分子遺傳學的一門工具學科。
基因工程的發展史
自從1910年的諾貝爾生理或醫學獎授予了德國科學家Albrecht Kossel，以表彰他從膿細胞核中分離出腺嘌呤、胸腺嘧啶、胸腺核苷酸等物質以來，生物化學和分子生物學就得到了迅速的發展。1941年，美國科學家Oswald Avery通過肺炎雙球菌轉化實驗，證明了核酸是遺傳物質，讓人們對遺傳物質研究步入了正確的軌道。1953年，James Watson和Francis Crick提出的DNA右手雙螺旋模型，解決了遺傳物質的遺傳方式和機制，從而使分子生物學進入了新的歷史時期。1959年西班牙裔美國科學家Severo Ochoa因其在RNA合成方面的工作與在試管內實現了DNA合成的美國科學家Arthur Kornberg共同分享了1959年的諾貝爾生理或醫學獎。1970年美國科學家Howard Martin Temin和David Baltimore因其分別發現了反轉錄酶而獲得諾貝爾生理或醫學獎。反轉錄酶的發現讓我們認識到，遺傳信息的流向除了可以由DNA轉錄為RNA外，RNA也可以反轉錄為DNA，完善了中心法則；反轉錄酶的發現，使我們可以將正在表達的基因反轉錄為互補DNA(complementary DNA，cDNA)，以研究基因的功能，還可以以cDNA為探針研究基因在基因組中的位置；反轉錄酶的發現開創了反向遺傳學的新時代，使我們在研究基因的功能時，一開始就從基因的結構開始來研究基因的功能。1960年代，美國科學家Daniel Nathans、Hamilton O. Smith和瑞士科學家Werner Arber發現了限制性內切酶，他們因此分享了1978年的諾貝爾生理或醫學獎。限制性內切酶的發現，使我們可以在特定的位置將DNA切割開來，我們就擁有了精確切割DNA的手術刀。同時，很多實驗室也發現了DNA連接酶，這樣，科學家們就可以將不同的DNA連接起來了。至此，科學家們已經掌握了基因重組的各種工具。基因重組的新時代誕生了！
最早提出重組DNA (Recombinant DNA)技術的是美國斯坦福大學醫學院生物化學系Dale Kaiser教授的研究生Peter Lobban。Lobban將重組的過程分為7個步驟：(1) 選擇宿主細胞和載體病毒；(2)製備載體DNA；(3) 目的基因的製備；(4)重組DNA； (5)將重組DNA導入宿主細胞中；(6)挑選含重組DNA的細胞；(7) 篩選目的基因。1972年，美國斯坦福大學的Paul Berg在體外將猿猴病毒SV40的DNA和λ噬菌體的DNA分別進行了限制性內切酶的酶切消化，然後再用T4 DNA連接酶將兩種消化片段連接起來，結果獲得了包括SV40和λDNA 的重組的雜交DNA分子。這個重組體的意義在於他將具有真核基因組特徵的病毒SV40與具有原核特徵的大腸桿菌的病毒λDNA重組到了一起。這就預示著任何來源的DNA都可以相互重組。由於Berg的開拓性的工作，他獲得了1980年諾貝爾化學獎中的一半，另外一半則由發明DNA測序技術的 Walter Gilbert和Frederick Sanger分享。1973年，Berg在斯坦福大學的另一個同事Stanley N. Cohen等人將編碼有卡那黴素抗性基因的質粒與編碼有四環素抗性基因的另一種大腸桿菌質粒重組後，得到了即抗卡那黴素又抗四環素的重組體。
這之後，重組DNA技術風起雲湧。很快，重組DNA技術或基因工程技術迅速在遺傳學研究、基因功能的研究、藥用蛋白的開發、疾病的基因診斷和基因治療等方面得到了迅猛發展。
基因工程藥物
1981年，我在內分泌科參加臨床實習的時候，醫生們面對糖尿病患者的時候，醫生們一般都建議患者控制飲食、使用一些提高胰島素敏感性的藥物，很少建議病人使用胰島素。在那個時候，胰島素是一個非常稀缺的藥物，臨床醫生不敢、也不願意過早地給病人使用胰島素。除了經濟的原因之外，更主要的是因為豬源或牛源胰島素作為異源蛋白，具有較強的免疫原性，一旦在人體中產生抗體，將沒有更好的治療糖尿病的替代辦法。隨著基因工程技術的發展，人們可以通過設計和修飾基因，將編碼人胰島素的DNA序列插入到含有細菌調控元件的病毒中，再轉化大腸桿菌，讓大腸桿菌中表達人工重組的人胰島素。這樣的胰島素經過純化和恢復活性以後，就可以用於治療糖尿病人了。1982年，人工重組人胰島素(hrInsulin)成為美國食品藥品管理局批准的第一個藥用的基因工程產品。現在醫生們普遍認為，不僅僅是 I型糖尿病患者需要補充外源性胰島素，II型糖尿病患者體內同樣缺乏胰島素。II型糖尿病的病理基礎是胰島素抵抗和分泌缺陷。只有早期使用胰島素治療才能使II型糖尿病患者分泌胰島素的細胞得到休息，使其更好地恢復和維持胰島素分泌功能。這種變化，不僅打消了醫生們害怕使用胰島素產生抗體的疑慮，而且通過早期使用胰島素，也減少了糖尿病患者罹患併發症的風險。這種觀念的轉變，正是得益于基因工程技術的開展和普及。
在重組的人生長因數使用之前，醫生們從死屍的腦垂體中提取生長因數，用於治療侏儒症。這樣做的結果增加了瘋牛病的傳播機會，而重組的人生長因數排除了這些問題。血友病的治療也曾面臨著類似的風險。血友病是因為凝血因數 VIII或者IX缺乏而導致的凝血功能障礙，因編碼在凝血因數的基因存在於X染色體上，其發生突變以後不能產生有功能的凝血因數，所以患者多為男性。一般的治療方法是給患者輸新鮮血液或者從血液中純化的凝血因數，但是對於血友病患者來說則面臨著血液傳播性疾病，諸如愛滋病、乙型肝炎等的危險。而重組的凝血因數則使病人避免了這樣的風險。
自從弗萊明爵士在1928年發現青黴素以來，由微生物產生的抗生素在疾病治療和人類健康等方面發揮著重要作用。但是，隨著抗生素的過度濫用，病原菌的抗藥性不斷增加，具有新結構、新活性的抗生素發現以及大量生產是醫生們面臨的緊迫問題。傳統的生產抗生素的方法是在環境中大量篩選具有高表達抗生素的細菌。但是，從自然界直接篩選新抗生素的難度在增加著。基因編碼酶，酶又催化抗生素小分子的生物合成，因此遺傳信息間接的決定了抗生素的結構和生理活性。抗生素中生物合成基因往往成簇排列，尤其是紅黴素等聚酮類抗生素編碼基因以模組和結構域的形式存在著，形成抗生素裝配的生產線。不同的模組負責不同二碳單位（乙酸，丙酸或丁酸）的摻入，不同的還原結構域的存在與否決定了β-酮基的修飾狀態，而硫酯酶結構域的位置決定了聚酮鏈的長度。微生物學家鄧子新根據抗生素生物合成的這一特性，等通過基因工程等手段，替換、缺失、添加各種結構域編碼基因，定向改變鏈長、基團、立體結構等，而且其他多種聚酮合成後修飾基因的引入，進一步增加了新結構衍生物的多樣性，成為新結構新活性抗生素的重要來源。
流行病學調查顯示，我國的乙型肝炎病毒的攜帶者和乙肝患者約占總人口的10%左右，乙型肝炎及其併發症是嚴重危害我國人民健康的傳染病之一。預防乙型肝炎最有效的方法就是乙肝疫苗的注射。由於乙肝病毒在體外不能複製，所以不能製備傳統意義上的、像脊髓灰質炎疫苗一樣的減毒或滅活疫苗。基因工程為我們提供了生產僅含有乙肝病毒表面抗原或表面抗原亞單位的疫苗。從上個世紀80年代開始，這種人工重組的疫苗在我國大量使用以來，乙肝的發病率以及乙肝病毒的攜帶者均有了明顯的下降。
疾病病因的研究
遺傳性疾病的發生一般都是由基因突變造成的。傳統的遺傳學研究，則是根據患病表型，家系分析來確定這些疾病是否為遺傳性疾病。但是對於致病基因的確立則困難重重。A-1短指（趾）畸形雖然早在1903年就被發現，長期作為典型案例出現在各國遺傳學和生物學教科書中，其患者的中間指（趾）節縮短，甚至與遠端指（趾）節融合，儘管世界各國科學家都在根據自己掌握的病例家系來尋找致病基因，但屢遭失敗，被稱為百年遺傳之謎。2001年，遺傳學家賀林教授領導的團隊，利用基因工程的手段，對3個A-1短指（趾）畸形大家族系進行了分子遺傳學分析，結果發現正是由於患者體內的Indian hedgehog基因突變，導致這一基因功能的喪失，從而引發了指節的缺失，成功揭示了A-1型短指（趾）症致病機理。
基因診斷
在疾病的診斷方面，醫生們應用探針雜交技術、反轉錄聚合酶鏈反應(RT-PCR)、晶片技術等方法，對各種感染性疾病、遺傳病性疾病進行診斷。比如，應用抗重組的HIV蛋白的抗體可以進行ELISA或者Western-blot以檢測血清中是否有愛滋病病毒的存在。用RT-PCR可以檢測到愛滋病的病毒核酸，而這些檢測都是通過對HIV基因組的克隆和序列分析發展而來的。
β地中海貧血是世界範圍內廣為流行的遺傳性血液病，主要分佈在地中海沿岸和東南亞地區，在我國南方，特別是兩廣和雲貴等地區也很常見。該病是由於第11號染色體上的 β珠蛋白基因發生突變所致，使 β珠蛋白肽鏈合成的缺乏或減少攜帶一個突變 β珠蛋白基因的雜合子雖有血液學和血紅蛋白合成異常，但沒有臨床症狀。當兩個 β地中海貧血雜合子婚配時，每次妊娠均有1/4的機會生育出攜帶兩個突變 β珠蛋白基因的 β地中海貧血重型患兒。他們具有嚴重的溶血性貧血的臨床表現，目前沒有有效的治療手段，只能依賴輸血維持生命，但過多的輸血將帶來體內鐵沉積，導致心力衰竭而死亡。廣西的一對醫生夫婦，在忍受了失去一對兒女的悲痛後，迫切盼望能生育一個健康的孩子，于1980年代，在懷孕17周時，來上海請曾溢滔教授為腹中的胎兒進行產前診斷。通過血液學、血紅蛋白和珠蛋白基因分析，確認夫婦倆均是 β地中海貧血雜合子，經過遺傳諮詢後，夫婦雙方都同意通過羊水細胞的DNA分析對胎兒作產前基因診斷。非常幸運的是，羊水細胞DNA分析結果顯示胎兒沒有遺傳到父母的突變基因，也就是說沒有罹患 β地中海貧血，胎兒繼續妊娠直到分娩出健康的胎兒。孩子的父母喜悅萬分，即將新生兒取名為“上海”，以示對上海以及曾溢滔教授和他的同事們的感激之情。這一例產前基因診斷的成功，也揭開了我國將基因工程技術應用於臨床實踐新的一頁。
轉基因動物和基因治療
轉基因動物是指將特定的外源基因導入動物受精卵或胚胎，使之穩定整合於動物的染色體基因組並能遺傳給後代的一類動物。導入的外源基因可以是完整的、有功能的，也可以是突變的、沒有功能的。假如導入的基因是有功能的完整基因，則可以糾正已有的基因缺陷，或者在動物體內大量生產這種蛋白。通過這種方法，人們試圖利用動物的乳腺作為生物反應器，生產藥用蛋白。在上海交通大學醫學遺傳研究所在曾溢滔院士的領導下，先後獲得了乳汁中表達人凝血因數IX蛋白的轉基因山羊和整合了人血清白蛋白基因的轉基因牛，為建立“動物藥廠”邁出了重要的一步。假如導入的基因是突變的，則可通過定點打靶技術將原有的正常基因遮罩掉，用以觀察在該基因缺失的情況下會出現哪些異常的表型。這種方法有稱之為基因敲除。醫學院長江學者王鑄鋼教授通過對PML基因敲除小鼠和PML/RARa轉基因鼠的表型分析，闡明了PML和PML/RARa融合蛋白在APL發病機制中的作用，並在整體動物水準證明此融合蛋白對PML蛋白功能的顯性負效應作用；發現PML具有細胞生長抑制和腫瘤抑制活性，PML可以抑制細胞週期調節蛋白的表達而使細胞週期延長。
基因工程技術在疾病的基因治療中也展現了巨大的作用。基因治療是針對有缺陷基因進行的一種治本的治療方式。其具體方法是利用基因工程的手段，在體外將可以編碼正常的、有功能的蛋白的基因克隆出來，再通過打靶載體，替換掉有突變的基因，從而糾正因基因突變所導致的遺傳學疾病、腫瘤等對身體造成的傷害。
基因治療概念的提出是在1972年，但是真正在人身上開始基因治療則是在近20年後的1990年。第一個接受基因治療的是一個4歲的、罹患腺苷脫氨酶缺陷症、名叫Ashanti DeSilva美國小女孩。腺苷脫氨酶缺陷症是一種X-染色體連鎖的遺傳性免疫缺陷症。由於患者胸腺發育不良，而導致缺乏有功能的T淋巴細胞，從而不能對抗原進行呈遞。因此，這樣患者只能生活在過濾過的空氣中，假如外出的時候，需要將自己裝在一個大氣球中。任何輕微的感染都會因為患者的免疫缺陷而導致嚴重的後果。美國國立衛生研究院的科學家們用反轉錄病毒載體將腺苷脫氨酶的基因在體外直接導入了患者的T淋巴細胞，然後再將這些T淋巴細胞回輸給患者，這樣就恢復了患者的免疫功能。目前，已經有超過1700例患者接受了這樣的治療。
我國是第2個進行基因治療的國家。1991年，復旦大學遺傳學研究所與第二軍醫大學附屬長海醫院血液科合作，對乙型血友病患者劉氏兩兄弟在經過6 年治療後，未發現與基因治療相關的副作用或併發症。這是迄今為止世界上唯一進行基因治療的血友病病例。過去，乙型血友病只能通過頻繁輸血或血製品補充血液中的凝血成分，但療效短，費用高，且面臨輸血引起肝炎等病毒感染的威脅。科學家和血液病專家首先對取自患者皮膚的成纖維細胞進行體外培養，同時把能夠產生凝血因數的正常基因裝入載體，再將載體轉入培養的細胞，使之大量繁殖。最後，用膠原包埋這些細胞在人體內，使之不斷產生凝血因數，形成正常的凝血功能。迄今為止，先後有4 位4~15歲男孩在長海醫院接受此項治療，病情得到了很大的改善。
現在，轉基因動物的研究和基因治療已經獲得了巨大的突破，2012年6月27日美國科學家宣佈：歷經3年的研究，他們利用基因修改技術，成功培育出了30個嬰兒。其中兩個嬰兒含有來自三位不同成人的基因。轉基因人的出生，雖然面臨極大的倫理學障礙，但是，他可以從根本上讓有基因缺陷的人生育出正常的後代。我們有理由相信，隨著科學技術的進步，在不遠的將來，我們會看到很多經過基因設計和基因修改出生的嬰兒，這些孩子可能體格健壯、面容姣好、智力超群。
轉基因植物
轉基因植物(transgenic plant)也可以稱為遺傳修飾過的植物(Genetically modifiedplants )，是通過基因工程，將這種植物原本不存在的基因導入，以產生新的性狀，改善其營養價值、直接對天敵昆蟲具有毒性、提高其對疾病的抵抗力，從而提高農作物的產量，或者新的花卉品種。
第一個轉基因植物是1986年在法國和美國大面積種植的轉基因煙草，轉入的基因是抗除草劑基因。第一個成立轉基因公司的是比利時人孟山都等人，他們致力於推廣抗蟲基因蘇雲金桿菌毒蛋白(bt)的轉基因，用以防制作物害蟲對農作物的侵害，以及減少殺蟲劑的使用。1992年，我國成為了第一個允許抗病毒煙草商業化種植的國家。第一個上市的農作物是轉基因番茄，它可以長久的保存。1994年，歐盟批准了抗除草劑轉基因煙草在市場流通。1995年，美國環境保護協會證明轉基因bt的土豆是安全的，從而成為第一種被出售的農作物。到2011年，包括中國、美國等在內的29個國家的3億9千多萬公頃的土地上種植了超過11種不同的轉基因植物。
人們將 β胡蘿蔔素的生物合成體系導入到水稻的基因組中，生產出了金黃的黃金水稻，提高了水稻的營養價值。德克薩斯大學休士頓醫學分校的生物化學家們通過調整擬南芥內的丙二烯氧化物和過氧化氫酶的比值，成功決定了植物果實的口味。通過對它的有效控制，我們將可以改變蔬菜和水果的味道。將來有一天，我們可能會吃到檸檬味或香蕉味的西瓜或番茄。農業與生物學院院長唐克軒教授，用基因工程的手段，將乙肝疫苗導入番茄中，番茄就會高效表達乙肝疫苗。假如可以讓這些疫苗在消化道中不被消化的話，我們將可以通過吃番茄來免疫，而不需要再忍受注射疫苗的痛苦了。
RNA干擾是一種新發現的基因調控機制。在體內一些雙鏈RNA（dsRNA）分子經加工形成小分子干擾RNA（siRNA），它可以在轉錄或轉錄後水準上高效、特異地抑制體內特定基因的表達。棉酚對昆蟲是有毒的，但是在棉鈴蟲體內強大的解毒能力卻可以將棉酚降解，從而成為棉花種植的最大危害。根據這一特性，植物學家陳曉亞和他的同事們，將包含正向和反向的解毒酶P450基因序列導入到棉花內，在棉花中表達形成了dsRNA，當昆蟲在取食了轉基因植物後，體內的靶基因通過RNA干擾途徑被抑制，從而使棉鈴蟲的生長發育受到抑制。這一技術為開發更有效更安全的轉基因抗蟲植物開闢了新方向。
雖然，有很多人在問，轉基因植物是否對人體有害？是否可以影響生殖健康？是否可以將被轉的基因傳人到雜草中？雖然也曾有一些研究表明轉基因食品對周圍環境和動物生理造成了傷害，但是，很快這些結論就被推翻了。
誠然，由於轉基因技術的不成熟和倫理學的限制，基因工程的成果現在還面臨著一些瓶頸。但是，我們有理由相信，隨著時間的推移、隨著科學的進步，轉基因農作物的安全問題一定會得到解決。總有一天，轉基因食品會不可抗拒地走到我們的餐桌上，更加繽紛的花卉會裝點我們的城市。基因診斷和基因治療也將更加普遍，人類的健康也將會得到更大的改善。我們期待著，基因工程更加豐碩的成果！