重組DNA
重組DNA（recombinant DNA，rDNA）或重組DNA分子，是透過基因重組的實驗室方法（如分子克隆）形成的DNA分子，屬一種人工合成的脫氧核糖核酸；利用這些實驗室方法，將來自多個不同來源的遺傳物質片段匯集組合在一起，創造出在基因組中無法找到的一段DNA序列。由於來自所有生物體的DNA分子具有相同的化學結構，僅核苷酸序列不同，使得重組DNA是可行的。
從遺傳工程的觀點來看，重組DNA是把相關的DNA添加到已有生物的基因組中，比如細菌的質體中，其目的是為了改變或者添加特別的特性，比如免疫[1]。重組DNA與遺傳重組不同，它不是重組細胞內或者染色體上已經存在的基因組，而完全是透過外部工程去達到的[1]。而重組蛋白質則是從重組DNA合成出來的蛋白質[2]。
重組DNA技術在1973年由斯坦利·諾曼·科恩和赫伯特·玻意爾設計。他們在1974年發表了設計[3]，在這篇論文中，他們描述了分離和放大基因或者DNA片段，然後精確地把它們插入其它細胞中，由此製造出轉基因細菌。沃納·亞伯、丹尼爾·那森斯和漢彌爾頓·史密斯發明了限制酶才使得重組DNA技術可行，他們因此獲得了1978年諾貝爾醫學獎。
介紹
編輯由於DNA在生物繁殖和特性顯示中的重要性，因此在透過病毒或者非病毒載體改變或者抵消一個由基因或者外部影響導致的對細胞或者生物的不良效應時DNA有非常大的重要性，不論被改變的特性是所希望的還是不希望的[4]。透過使用重組DNA被確認是重要的基因可以被放大，隔離，用到其它物種中去或者可以用來治療遺傳病或者遺傳缺陷，以及為解決複雜的生物學問題提供一個截然不同的解決方式[4]。
使用和方法
編輯複製和與質粒的關係
編輯複製（cloning）的使用與經典生物學中的重組DNA有關。在經典生物學中複製是指一個從一個父母生物上衍生出來的細胞或者生物[1]，在現代生物學中這個詞指的是從一個細胞中衍生出來的完全相同的一群細胞[1]。在經典生物學中重組DNA被用來提供原始細胞。透過細胞分裂寄住生物應該能夠複製從原始細胞帶來的特徵。最早使用重組DNA的是細菌，因此它也是重組DNA的經典例子。在醫學中透過使用病毒載體可以把重組DNA插入到細菌的質粒結構中去[1]。
質粒是大多數細菌如大腸桿菌擁有的染色體外自我複製的環狀DNA。質粒上的基因與分解代謝和新陳代謝有關[1]。它們使得帶有這些基因的細菌能夠在其它細菌存在的情況下或者在其它環境中生存和繁殖。它們往往具有抵抗噬菌體、抗菌素和一些重金屬的特性[1]。透過限制酶它們可以比較容易地被消除或者分立出來[1]。在受到限制酶處理後質粒往往會斷開，這時可以把特意挑選的DNA段添加進去。這些DNA段比如可以生產胰島素、生長激素和催生素之類的肽類激素藥物。在把這些有用的基因加入質粒之後這些細菌被用作病毒載體，它們不斷複製並且把被更改的基因感染到其它細胞中去，增加攜帶重組DNA的細胞數量。
在基因治療中質粒的使用也是一個關鍵因素。在這裏使用的病毒是複製載體。這些病毒透過病毒複製把重組DNA上的基因運輸和傳遞給受感染的生物[1]。一般這樣的質粒含有三個組成部分：一個複製器、一個選擇標記和一個複製位點[1]。複製器標誌着複製的起點。標記則是一個含有抗抗菌素特徵的基因，或者其它有用的基因，比如可以顯示重組DNA被成功插入的熒光基因[1]。複製位點則標誌着限制酶應該劈開的一個或者多個位點[1]。大多數真核生物沒有質粒，酵母是一個例外[5]。此外農桿菌的Ti質粒可用來把陌生的DNA插入多種植物的基因中。其它把重組DNA插入真核生物的方法有同源重組和使用被更改的病毒。
嵌合子質粒
編輯
假如重組DNA被繼續更改或者改變來包含更多的DNA束，其結果出現的分子被稱為「嵌合子」DNA分子。嵌合子質粒實際上是相當常見的。在一個生物體的一生中成千上萬其它細菌細胞和生物體的載體不斷蔓延，因此這些細菌細胞和生物體都含有原始嵌合子DNA的多份拷貝版本[1]。
產生嵌合子質粒的過程不好控制，預計的添加其它外來DNA的結果不一定產生，有時也會導致無法使用的質粒。簡單地說，首先質粒結構被線性，這樣可以把互補的外來DNA貼到單鏈「懸垂」上，或者在DNA分子的「粘性末端」貼上用限制酶產生的S狀的或者條狀的DNA分子[1]。
最初大腸桿菌最常被用來作為貢獻質粒的載體，後來EcoRI衍生物很常用，後者尤其是它的多樣性非常有用。透過氯黴素和壯觀黴素可以阻止其複製來添加新的DNA。後來這些抗菌素被pBR322質粒取代。透過粘性末端或者透過平整末端外來DNA可以被粘到質粒上。比如透過T4連接酶可以在平整末端的3-碳氫氧基和5-碳PO4基之間產生共價鍵。根據用來劈開的限制酶總是可以在外來DNA和原質粒的劈開點之間沾合[4]。
人工胰島素的生產
編輯1921年，胰島素正式發現。此後，生產問題很快就被解決了。因為牛、豬甚至一些種類的魚的胰臟生產的胰島素也可給人使用。此後的數十年裏，這個方法是1型糖尿病的主要治療方法。動物胰臟生產的胰島素純度不斷提高，生產方法也不斷精細化。但是基因工程技術的支持者依然不斷地強調，這個胰島素的傳統生產方式有一個隱藏的問題：在不久的將來會供給不足。不過也有人認為，這個供給不足問題實際上不存在，因為它是在使用一個錯誤的前提的情況下獲得的結果[6]。
科學家和企業家都希望他們能夠發明另一種合成這個激素的方法，其原因是因為他們互相之間的競爭以及新方法能夠帶來的榮譽和財富。胰島素是一種比較簡單的激素，因此它的生產方法應該比較簡單。研究人工合成胰島素的主要目的不在於治療糖尿病，而在於證明其使用的技術的可行性。假如科學家能夠證明人工合成的胰島素可以安全地和效益高地被生產，那麼這個技術本身就會受到接受，並為其他產品的生產以及它們能夠帶來的財富打開門戶。
重組DNA技術最大的突破正在於生物合成人胰島素。1978年，由莉迪亞維拉-科馬羅夫和她的團隊率先實現這個突破。
在技術上，含有人胰島素基因的寡核苷酸被注入大腸桿菌內。每106個細菌中僅有一個細菌接受了此基因。但由於大腸桿菌每30分鐘分裂一次，因此在24小時內就會有上億萬生產胰島素的細菌[7]。
腳註
編輯- ^ 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 1.12 1.13 引用錯誤：沒有為名為
isbn0-7167-8724-5的參考文獻提供內容 - ^ 合成蛋白质手册 (PDF). [2009-02-14]. （原始內容存檔 (PDF)於2011-07-22）.
- ^ 斯坦利·諾曼·科恩、Chang AC、赫伯特·玻意爾和Helling RB. Construction of biologically functional bacterial plasmids in vitro. PNAS. 1973年, 70 (11): 3240–3244. PMID 4594039.
- ^ 4.0 4.1 4.2 Nathan P. Kaplan、Nathan P. Colowick和Ray Wu. Recombinant DNA, Volume 68: Volume 68: Recombinant Dna Part F (Methods in Enzymology). Academic Press. 1980年. ISBN 0-1218-1968-X.
- ^ Plasmids in eukaryotic microbes: an example（有质粒的真核微生物）. [2007年6月5日]. （原始內容存檔於2018年10月8日）.
- ^ Invisible Frontiers: The Race to Synthesize a Human Gene（1987年）
- ^ Human insulin from recombinant DNA technology - Johnson 219 (4585): 632 - Science. [2009-02-14]. （原始內容存檔於2009-02-12）.
參考文獻
編輯- Garret, R. H.; Grisham, C. M., Biochemistry, Saunders College Publishers, 2000, ISBN 0030758173.
- Colowick, S. P.; Kapian, O. N., Methods in Enzymology - Volume 68; Recombinant DNA, Academic Press, 1980, ISBN 012181968X.