基因的历史
附:
21世纪，高科技发展的热点之一是现代生物技术中的基因工程。基因工程有狭义和广义之分:狭义的基因工程就是基因工程；广义的基因工程是指一切能够改变生物遗传性状的技术。基因工程始于20世纪70年代。首先，分子生物学家研究并掌握了遗传物质脱氧核糖核酸(DNA)的分割和拼接技术，然后它被应用到各个方面。通过这项技术，细菌可以产生胰岛素和人体生长激素，提高奶牛的产奶量，还可以将抗病虫害的特殊基因注入到土豆、玉米、棉花等作物中。近年来，医学界治愈了几种可能致人死亡的酶缺乏症(几种遗传病)，几乎每周都能找到导致某些疾病的基因...生物技术正以令人眩晕的速度和令人难以置信的方式改变着世界。以1996获得诺贝尔奖的莱斯大学化学家罗伯特·柯尔说:“这个世纪是物理和化学的世纪，但下一个世纪显然将是生物学的世纪。”
认知基因
将外源遗传物质人工转移给受体生物，以获得新的遗传特性，称为基因工程。基因工程是分子水平上的基因工程，是指将来自不同生物的基因(称为目的基因)与具有自主复制能力的载体DNA在体外人工连接，构建新的重组DNA，然后送到受体生物体内进行繁殖和表达，从而实现遗传物质和性状的转移和重组。为了区别于一般的基因工程，现在普遍使用基因工程这个术语，也叫基因操作、基因克隆与增殖、重组DNA技术。基因工程的主要程序包括目的基因的获得、载体的选择、限制性内切酶和其他酶系统的选择、体外重组体的构建和转化以及目的基因在受体细胞中的增殖和表达。
到底什么是“基因”？
现在我们常见的“基因”这个词就是从“基因”音译过来的。基因最初被称为遗传因子，这个概念由来已久。比如斯潘塞的“生理单位”，达尔文的“微芽”，魏斯曼的“定子”，都是早期遗传因素的假说，试图解释世代间性状的遗传机制。
1865年，原奥地利天主教神父、遗传学家约翰·格雷戈尔·孟德尔(1822-1884)总结了生殖细胞成熟过程中遗传因子的概念和两个遗传规律，即孟德尔因子和孟德尔定律。他发现了遗传基因的原理，总结了分离和自由组合的规律，为遗传学提供了数学基础，创立了孟德尔学派，从而成为“遗传学之父”。
“基因”最早是由丹麦植物学家、遗传学家魏·约翰逊1909提出来表达孟德尔的“遗传因子”概念的。从1910到20世纪30年代，美国人托马斯·亨特·摩尔根(1866-1945)等人不仅证明了孟德尔定律的正确性，发现了基因连锁交换表现形式及其染色体机制，还证实了一个由来已久的猜想，即借助于显微镜，他阐述了基因变异和遗传的染色体机制，并将其概括为基因学说。
然而，在那个时候，人们还没有弄清楚什么是基因。自20世纪40年代以来，遗传学的研究逐渐上升到分子水平。20世纪40-60年代，经过许多科学家的实验研究，确认了基因的化学组成主要是DNA，明确了DNA的双螺旋结构和DNA双链之间碱基互补配对的原理。只是在后来的研究中，人们才越来越清楚地了解“基因”及其在遗传中的作用。
基因是具有遗传效应的DNA分子片段，存在于染色体上，在染色体上呈线性排列。基因不仅可以通过复制将遗传信息传递给下一代，还可以将遗传信息表达出来，即遗传信息以一定的方式反映在蛋白质的分子结构中，使后代表现出与父母相似的性状。
根据遗传学研究，一般认为一条染色体只含有一条DNA双螺旋；如果染色体分裂成两个染色单体，那么每个染色单体包含一个DNA双螺旋。但是染色体的宽度比DNA双链的宽度大得多，染色体的长度比DNA双链的长度短得多。据统计，人类染色体的总长度不到半毫米，而DNA分子的总长度可达数米，所以染色体中的双链DNA总是扭曲变形，呈高度弯曲状态。
染色体中高度卷曲的DNA分子是非常长的双链，最短的DNA分子也含有大约4000个核苷酸对，最长的含有大约40亿个。一个DNA分子可以看作是许多片段的集合，这些片段一般互不重叠，每个片段大约有500-6000个核苷酸对。这样的片段就是基因。
那么，一个基因的内部结构是怎样的，科学家又是如何确定的呢？
事实上，在遗传学发展的早期，“基因”只是一个逻辑推理的概念，而不是一个被证明的物质和结构。20世纪30年代，证明了基因在染色体上呈直线排列，于是人们认为基因是染色体上的遗传单位。随着分子遗传学的发展，Watson和Crick在1953提出DNA的双螺旋结构后，普遍认为基因是DNA的片段，基因的化学性质被确定。大多数生物的基因是由DNA组成的，DNA是染色体的主要化学成分。大多数真核细胞中的DNA由双链多核苷酸和单链组成。每条DNA链由许多单核苷酸通过磷酸二酯键相互连接而成；但这两条链是根据基于其碱基成分的互补规则分别配对结合的，即腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶(T)由两个氢键连接，鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)由三个氢键连接，形成双螺旋梯形结构，故称为DNA双螺旋。20世纪60年代，本茨提出基因具有一定的内部结构，可以分为三个不同的单位:突变体、转座子和顺反式。DNA分子上的一个碱基变化就能引起基因突变，所以可以视为突变体；两个碱基之间可以发生互换，可视为一个互换体；顺反子是具有特定功能的核苷酸序列，作为功能单位的基因应该是顺反子。所以，从分子层面来说，基因是DNA分子的一个片段，通过转录和翻译可以合成一条完整的多肽链。但通过最近的研究，科学家认为这个结论并不全面，因为有些基因在RNA转录后并不翻译成蛋白质。此外，还有一类基因，如操纵基因，既没有转录产物，也没有翻译产物，只是控制和操纵基因活动。尤其是近年来，科学家发现DNA分子上有相当多的片段，只是某些碱基的简单重复。这种没有遗传信息的碱基片段在真核生物中可以很大，甚至达到50%以上。目前，这些重复碱基片段在DNA分子中的功能还不完全清楚。有人推测它可能具有调节某些基因活动和稳定染色体结构的功能，其真实功能还有待研究。因此，目前一些遗传学家认为，基因应被视为对DNA分子具有特定功能(或一定遗传效应)的核苷酸序列。
基因的结构有以下特点:
1)基因是结构单位，不能通过交换分离。交换只能发生在基因之间，不能发生在基因之间。2)基因是一个突变单位。一个基因可以从一种等位基因形式变成另一种，但是在基因内部没有更小的单位可以改变。3)基因是一个作用单位，可以产生特定的表型效应，基因的部分，如果有的话，是不能起作用的。4)染色体是基因的载体。染色体的存在使得等位基因可以有规律地分离，非等位基因可以相互重组。
基因的功能
基因具有控制遗传性状和调节活性的功能。基因通过复制将遗传信息传递给下一代，通过控制酶的合成来控制代谢过程，从而控制生物个体性状的表现。基因也可以通过控制结构蛋白的组成来直接控制生物性状。
生物体细胞的DNA分子中有许多基因，但并非每个基因的所有特征都显示出来。甚至同一人体不同组织的细胞，如肌肉细胞、肝细胞、骨细胞、神经细胞、红细胞、胃粘膜细胞等，都是从同一个受精卵发育分化而来的。它们的细胞形状都不一样。为什么会这样？事实证明，细胞核中的基因在细胞的生命中并不总是活跃的。它们中的一些处于转录状态，即活性状态。这个时候基因是开启的，有的处于非转录状态，也就是基因是关闭的。在生物的不同发育阶段，基因活动是不同的，基因活动有严格的程序。基因活动的严格程序是生命周期稳定性的基础。不同生物因其细胞内基因独特的活性调控而表现出不同的形态特征。
那么，基因是如何决定性状的呢？
生物的所有遗传性状都是由基因控制的，但基因不等于性状，从基因型到表现型(性状)需要一系列的发展过程。基因控制生物性状主要有两种方式。一种是通过控制酶的合成来控制生物性状。这是因为基因控制的生物性状必须经过一系列的代谢过程，而代谢过程的每一步都离不开酶的催化，所以基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，从而控制个体性状的表现。另一种方式是基因通过控制结构蛋白的组成直接控制生物体的形状。蛋白质多肽链中的氨基酸序列是由基因控制的。如果控制蛋白质的基因中DNA的碱基发生变化，信使RNA上相应的碱基就会发生变化，从而导致蛋白质的结构变异。
此外，遗传性状的表达不仅受内部基因控制，还受外部花茎条件的制约。因此，不同基因型的个体在不同的环境条件下会产生不同的表型，甚至相同基因型的个体在不同的环境条件下也会产生不同的表型。换句话说，表现型是基因型和环境相互作用的结果。
世界生物技术发展的新动向
基因治疗
随着人类对基因研究的深入，发现很多疾病都是由基因结构和功能的改变引起的。科学家不仅会发现缺陷基因，还会掌握如何诊断、修复、治疗和预防，这是生物技术发展的前沿。这一成果将给人类健康和生活带来不可估量的好处。
所谓基因治疗，是指利用基因工程技术，将正常基因转入疾病患者的细胞内，替换患病基因，从而表达缺失的产物，或者通过关闭或减少异常表达的基因，达到治疗某些遗传性疾病的目的。目前已发现6500多种遗传病，其中约3000种由单基因缺陷引起。因此，遗传病是基因治疗的主要对象。
1990在美国进行了第一次基因治疗。当时，两个4岁和9岁的女孩由于体内缺乏腺苷脱氨酶，患上了严重的联合免疫缺陷。科学家对它们进行了基因治疗，并取得了成功。这项开创性的工作标志着基因治疗从实验研究向临床实验的过渡。1991年，我国首例血友病B基因治疗临床试验也获得成功。
基因治疗的最新进展是基因枪技术即将用于基因治疗。该方法是通过改良的基因枪技术将特定的DNA导入小鼠的肌肉、肝脏、脾脏、肠道和皮肤中，并获得成功表达。这一成功预示着未来人们可能利用基因枪将药物输送到人体特定部位，而不是传统的疫苗接种，利用基因枪技术治疗遗传性疾病。目前，科学家正在研究胎儿基因疗法。如果目前的实验疗效得到进一步证实，就有可能将胎儿基因治疗扩展到其他遗传病，从而阻止遗传病新生儿的出生，从根本上提高后代的健康水平。
基因工程药物研究
基因工程药物是重组DNA的表达产物。从广义上讲，任何在药物生产过程中涉及到基因工程的东西都可以成为基因工程药物。这一领域的研究具有非常诱人的前景。
基因工程药物的研发已经从胰岛素、人生长激素、促红细胞生成素等蛋白质药物的分子蛋白，转向寻找更小分子的蛋白质药物。这是因为蛋白质的分子一般比较大，不容易穿过细胞膜，从而影响其药理作用，而小分子药物在这方面优势明显。另一方面，治疗疾病的思路拓宽了，从单纯的药物治疗，发展到利用基因工程技术或基因本身作为治疗手段。
现在，还有一个问题需要大家注意，就是很多过去被攻克的传染病，因为细菌的耐药性而卷土重来。其中最值得注意的是肺结核。根据世界卫生组织，已经出现了全球性的结核病危机。原本即将被消灭的结核病又死灰复燃，出现了多种耐药结核病。据统计，全球有654.38+0.722亿人感染结核病，每年新增结核病患者900万人，约300万人死于结核病，相当于每654.38+00秒就有一人死于结核病。科学家还指出，未来数百人感染细菌性疾病将无药可治，同时病毒性疾病越来越多，防不胜防。然而与此同时，科学家们也在探索应对的方法。他们在人体、昆虫和植物种子中发现了一些小分子抗菌肽。它们的分子量不到4000，只有30多个氨基酸。它们具有强大的杀灭病原微生物的生命力，能杀灭细菌、病菌、真菌等病原微生物，有可能成为新一代“超级抗生素”。除了用它来开发新的抗生素，这种小分子肽还可以用于农业，培育抗病作物的新品种。
加快培育农作物新品种
科学家在利用基因工程技术改良作物方面取得了巨大进展，一场新的绿色革命即将到来。这场新的绿色革命的一个显著特征是生物技术、农业、食品和医药行业将融合在一起。
上世纪五六十年代，由于杂交品种的普及，化肥使用量的增加，灌溉面积的扩大，农作物产量翻了一番，也就是大家所说的“绿色革命”。然而，一些研究人员认为，这些方法很难进一步大幅提高作物产量。
基因技术的突破使科学家能够以传统育种专家无法想象的方式改良作物。比如基因技术可以让作物自己释放农药，可以在旱地或者盐碱地种植作物，或者生产出更有营养的食物。科学家们仍在开发可以生产疫苗的作物和可以预防疾病的食品。
基因技术也大大缩短了开发新作物品种的时间。用传统的育种方法，培育一个新的植物品种需要七八年的时间。基因工程技术使研究人员能够将任何基因注入植物，培育出一种全新的农作物品种，时间缩短了一半。
虽然第一批基因工程作物品种五年前才进入市场，但今年美国种植的玉米、大豆和棉花中，有一半将使用基因工程培育的种子。预计未来5年，美国转基因农产品和食品的市场规模将从今年的40亿美元扩大到200亿美元，20年后达到750亿美元。一些专家预测，“到下世纪初，很可能美国的每一种食物都会含有一点基因工程。”
尽管很多人，尤其是欧洲国家的消费者对转基因农产品心存疑虑，但专家指出，通过基因工程改良农作物势在必行。这主要是因为全球人口的压力越来越大。专家估计，未来40年，全球人口将比现在增加一半，因此粮食产量需要增加75%。此外，人口老龄化给医疗系统带来越来越大的压力，因此有必要开发能够增强人体健康的食品。
加速培育新的作物品种也是第三世界发展中国家发展生物技术的共同目标。我国农业生物技术的研究和应用已经广泛开展，并取得了显著的效益。
分子进化工程的研究。
分子进化工程是继蛋白质工程之后的第三代基因工程。它通过对试管中以核酸为主的多分子系统施加选择压力，模拟自然界中生物的进化，从而达到创造新基因、新蛋白质的目的。
这需要三个步骤，即扩增、突变和选择。扩增是为了获得提取的遗传信息DNA片段的大量拷贝；突变是在基因层面施加压力，使DNA片段上的碱基发生突变，为选择和进化提供原材料；选择是在表型水平上通过适者生存和淘汰不适合者来固定变异。这三个过程紧密相连，缺一不可。
现在，科学家利用这种方法，在试管中通过定向进化获得了能够抑制凝血酶活性的DNA分子。这种DNA具有抗凝血作用，有可能替代溶解血栓的蛋白质药物治疗心肌梗死、脑血栓等疾病。
中国基因研究的成就
旨在破译人类基因组全部遗传信息的科学研究，是目前国际生物医学界攻克的前沿课题之一。据介绍，这项研究中最受关注的是克隆、分离和鉴定人类疾病相关基因和具有重要生物学功能的基因，从而获得相关疾病基因治疗的可能性和生物制品的生产权。
人类基因组计划是国家“863”高技术计划的重要组成部分。在医学上，人类基因与人类疾病有关。一旦明确了基因与疾病的具体关系，人们就可以针对疾病制造基因药物，这将对人类的健康长寿产生巨大的影响。据介绍，人类基因样本总数约65438+万，已发现并测序的约8000个。
近年来，中国非常重视人类基因组研究。在国家自然科学基金、“863计划”和地方政府的支持下，在北京和上海建立了科研条件先进的国家基因研究中心。同时，科技人员紧跟世界新技术发展，在基因工程研究关键技术和成果产业化方面取得突破性进展。中国的人类基因组研究已经走在世界前列，一些基因工程药物已经开始进入应用阶段。
目前，我国在蛋白质基因突变研究、血液病基因治疗、食管癌研究、分子进化理论、白血病相关基因的结构研究等基础研究方面，部分成果达到国际领先水平，部分形成了自己的技术体系。乙肝疫苗、重组干扰素α、重组人促红细胞生成素、转基因动物药物生产商等十几个基因工程药物都已进入产业化阶段。
基因技术:困境与双重特征
转基因作物引起舆论争议并不奇怪。然而，在属于发达世界的大西洋两岸，转基因技术的待遇却大相径庭，这是一个耐人寻味的现象。当美国40%的农田种植转基因作物，大部分消费者泰然自若地购买转基因食品时，为什么这样的食品在欧洲会遭遇一波又一波的喊叫声？
从直接的社会背景来看，目前欧洲“转基因恐惧症”的流行是可以理解的。从1986英国发现疯牛病，到今年比利时发现污染鸡致癌二恶英，法国发现可口可乐致儿童溶血，欧洲人对食品安全相当紧张，转基因食品可能危害人体健康的假设像条件反射一样令人望而生畏。
同时，在环境和生态保护问题上，欧洲一直采取比美国更敏感甚至激进的态度，这也是转基因食品在欧美处境不同的另一个原因。一方面，欧洲国家的媒体环保意识越来越强，经常对可能危及环境和生态的问题穷追不舍甚至夸大其词，这在很大程度上影响了公众对转基因等问题的态度。另一方面，作为代表的“绿党”近年来在欧洲政坛崛起，在政府和议会中的权力不断扩大，对决策过程的影响力越来越大。
然而，欧洲人对转基因技术采取如此排斥的态度，似乎有一个隐藏但重要的深层次原因。其实欧美在转基因问题上是有价值观差异的，也是经济利益之争。与一般商品不同，转基因技术具有独特的垄断性。在技术上，美国“生命科学”公司一般通过生物工程使其产品具有自我保护功能。最突出的是“终结者基因”，它能让种子自毁，不能像传统农作物种子那样重新播种。另一种技术是，种子必须经过某种只有种子公司掌握的“化学催化”，才能发育成长。法律上，转基因作物种子一般通过专门的租赁制度提供，消费者不得自行保管和补种。美国是耗资巨大的基因工程研究的最大投资者，从事转基因技术开发的美国公司熟悉利用知识产权和专利保护法寻求巨额回报。目前，美国被认为已经控制了相当大的转基因产品市场份额，进而可以操纵市场价格。所以抵制转基因技术，其实就是抵制美国在这个领域的垄断。
生物技术在许多领域发挥着越来越重要的作用:转基因产品在农业领域无处不在，转基因作物开始在美国农业中占据重要地位；生物技术在医学领域取得了显著的进步。一些基因工程药物已经取代了常规药物，医学界在几个方面受益于基因研究。克隆技术的进步为拯救濒危物种和探索许多人类疾病的治疗方法提供了前所未有的机会。目前，研究人员正准备将生物技术推向更具挑战性的领域。但最近，越来越多的人开始关注警惕遗传学家行为的声音。
今天，人们可以在所谓的DNA切片的帮助下同时研究数百种基因矩阵。基因的研究已经达到了如此高的发展水平。几年后，随着人类遗传物质分析的结束，人们开始集中一切手段系统地研究人类遗传物质其他部分的优缺点。然而，生物学的发展也有其消极的一面:它很容易为种族主义提供新的遗传基础。
对新遗传学持批评态度的人总是喜欢描绘一幅可怕的画面:没完没了的测试、操纵和克隆，没有感情的士兵，基因完美的工厂工人...遗传密码使基因研究人员能够深入人们的内心，并为他们提供操纵生活的工具。但是，他们能否让遗传学向好的方向发展，完全无法预料。