转基因之基因的剪刀——限制性内切酶

易科学 2021-04-06 15:16:38


转基因话题一直被讨论的很广泛,这是好事也是坏事;好事我们都能理解因为这促进了大众对科学的兴趣和理解。那为什么说是坏事呢?因为话题在进行深度解读时会被扭曲,如果被广泛传播后更是扭曲的失去了原始面貌。上一篇《大众误解的转基因》里我们探讨了转基因的一些基本问题;现在我们来详细了解一下转基因。


目前大众的关注点在于转基因的安全性,害怕转基因后原生物会变成新物种引起生物入侵导致生态危机或者产生有害物质导致大量生物死亡或变异。想要解答这个问题我们需要先了解一下关于转基因的具体细节。当我们真正了解了整个转基因的过程后才能正确的理解转基因,这篇文章主要集中在讲解转基因技术中最关键技术之一的限制性内切酶,它被称为“基因剪刀”。


什么是限制性内切酶?限制性内切酶怎么发现的?有什么作用?对人体有害吗?


什么是限制性内切酶?


转基因技术属于现代分子生物学的一项比较成熟的技术,其中基因敲入(就像是在一段绳子中加入一段新绳子)跟基因敲出(类似把一根绳子中的一段摘出来并把绳子再重新接上)一起称为基因编辑。现在大热的CRISPR/Cas9就是一种基因敲出敲入的技术工具。基因的直径大约是2nm(是头发丝的1/40000),这么小的尺度下怎么进行基因编辑呢?这就需要有一个超小型的“剪刀”和“粘接工具”能准确知道那一段是要处理的。听起来是不是就很难啦?其实不然,因为在生物体内无时无刻不在发生着这样的过程,特别是在细菌里。因为细菌的繁殖速度非常快,在繁殖过程中会出现基因的交换;同时它们也容易收到细菌病毒的侵袭,比如噬菌体病毒。


噬菌体扫描电镜及结构图


在细菌的复制繁殖过程中,基因重组而重组。基因重组就是一种自然界中随机发生的基因转移过程。虽然当时已经知道有基因重组,但该过程的具体过程当时还不清楚,而且人类在繁殖过程中也会有基因重组发生;所以当时很多科学家把视线集中到结构相对简单的细菌,作为研究基因重组的工具(科学研究就是以简单为基础进行不断深入的探索研究)。


限制性内切酶怎么发现的?


在 1968 年,约翰斯 · 霍普金斯大学里有一名初出茅庐的讲师。他对基因重组很感兴趣——基因重组中细胞能将 DNA 切割成片段,然后再将这些片段重新组合成新的 DNA 序列的过程,而且不会发生错误。因此,他选择了一种名为流感嗜血杆菌(Haemophilus influenza)的细菌,研究它如何进行基因重组。流感嗜血杆菌和其他细菌一样,可以直接摄取来自外界或者供体微生物的游离 DNA 片段,并以某种方式把这些 DNA 片段整合到自己的基因组中。


流感嗜血杆菌荧光照片


细菌通过这种转化方式获得呈现新遗传性状的基因,这赋予了细菌新的特性,比如对抗生素的耐药性。但是,流感嗜血杆菌的基因重组是一把“双刃剑”。入侵的病毒(比如噬菌体)能够“劫持”细菌内部的基因重组“装置”,把自己的 DNA 注入宿主内部,利用宿主的蛋白质编译系统来构建自己所需的蛋白质外壳,从而能够进行不断的自我复制。


1978年诺贝尔生理学或医学奖获得者史密斯


这位科学家就是1978年与丹尼尔 · 纳思斯共同获得诺贝尔医学奖的史密斯。


为了弄清楚基因重组的过程,史密斯用放射性同位素标记法标记病毒——首先用磷的放射性同位素标记细菌的 DNA(因为DNA合成需要磷元素,这些磷都是从环境中摄取,只要把环境中的磷换成具有放射性的磷DNA在合成后新合成的DNA就具有了放射性,这样就把DNA标记上了),然后再用病毒侵蚀细菌。这些病毒在细菌内部增殖,于是它们的基因也同样标记有放射性同位素。然后史密斯和他的同事用这些标记有放射性同位素的病毒感染另一批细菌。在感染时,由于病毒会将自己的遗传物质插入细菌的 DNA,所以他们预计这一批细菌的 DNA 同样会携带放射性同位素。


噬菌体正在感染细菌


至少,这是他们预期会观察到的现象。然而,史密斯带领的研究生肯特 · 威尔科特斯(Kent Wilcox) 用放射性同位素标记的病毒感染细菌后,却没有在细菌的 DNA 中检测到放射性。


病毒的DNA去哪了


在威尔科特斯做实验的几年前,日内瓦大学的微生物学家沃纳 · 阿尔伯(Werner Arber)曾提出过一种假设:有一种酶可以通过切断病毒的 DNA,限制病毒增殖,并将这种酶命名为“限制性内切酶”。也正是基于阿尔伯的假设,威尔科特斯想出了一个合理的理由来解释实验为何失败,并告诉了史密斯——流感嗜血杆菌能摧毁病毒的DNA。


阿尔伯认为如果限制性内切酶失控,这种酶就会不断切割细菌本身的 DNA,最终杀死细菌。他推测,流感嗜血杆菌可以通过用碳原子和氢原子来修饰 DNA ——这个过程称为 DNA 甲基化(DNA methylation),从而避免基因惨遭自己内部的限制性内切酶的“毒手”。他提到,限制性内切酶不能切割已经甲基化的 DNA,但它可以袭击来自病毒的未被甲基化的 DNA。


在威尔科克斯开展这个让人沮丧的实验的前一周,史密斯曾向他的实验室推荐了一篇证明阿尔伯假设成立的论文。论文作者是哈佛大学的学者马修 · 梅斯森(Matthew Meselson)和罗伯特 · 元(Robert Yuan),他们发现大肠杆菌中有一种能够切除外源 DNA 的蛋白质,换句话说,这种蛋白质就是限制性内切酶。威尔科特斯记住了这篇文章,他告诉史密斯他们可能是碰巧发现了另一种存在于流感嗜血杆菌中的限制性内切酶。


为了测试了这个想法,史密斯做了个巧妙的实验。他将病毒的 DNA 和流感嗜血杆菌的 DNA 分别置于两个试管中,然后往每一个试管里都加入细菌内部的蛋白质混合物。如果细菌确实产生了限制性内切酶,混合物中的酶就会把病毒的 DNA 切成碎片。


测序仪是几十年前被发明出的一种用来分析 DNA 序列的强大工具,直到今天仍在使用。不过,史密斯采用了一种更为简便的方法来辨别试管中 DNA 片段的长短:含有长链 DNA 的溶液比含有短链 DNA 的溶液更粘稠,所以史密斯用粘度计测量了两个试管中溶液的粘稠程度。结果正如他预料的那样,含有病毒 DNA 的溶液粘稠度很快就降低了,这就可以推断出病毒 DNA 被某些物质——很可能是流感嗜血杆菌内部的某些蛋白质——切成了小段。

限制性内切酶切割遗传物质


“我立刻就知道这一定是限制性内切酶。”史密斯说道, “那真是个绝妙的时刻——只要五分钟,你就知道新发现诞生了。”


随后,史密斯和他的同事不断地重复着从细菌提取物中分离蛋白质的工作,在经历了几个月的枯燥乏味后,喜悦和满足终于降临:他们最终找到了限制性内切酶,还发现甲基化酶能够通过用碳原子和氢原子来保护细菌本身的 DNA,以免被限制性内切酶“大卸八块”。


现在我们知道了整个发现的过程,随着研究的不断深入开始有科学家将这种酶作为研究工,因为它能切割DNA。1972 年,斯坦福大学的生物学家保罗 · 伯格(Paul Berg)利用限制酶切割 SV40 病毒的 DNA,然后用另一种酶将其他病毒的 DNA“粘到”切割后的 DNA 片段末端,创造出了由两个物种的遗传物质组成的 DNA 片段。


有什么作用?


许多科学家发现了这种两物种遗传物质组成的DNA的潜力,因为生物之间的DNA编译系统是近似的。比如说一个蛋白在植物或者动物体内产生的周期很长,那么可以利用细菌的生长迅速的特点让细菌来生产这些蛋白。这样一来,细菌就可以表达属于其他物种的蛋白质,变成活生生的“生物工厂”。

随着研究的深入和发展,各种各样的生物制药公司不断涌现,致力于使用限制性内切酶改造 DNA。1976年,基因泰克(Genentech)正式成立,至于将这一技术用于商业——该公司的科学家使用限制性内切酶来构造携带人胰岛素基因的大肠杆菌菌株。在此之前,糖尿病患者只能购买从牛和猪的胰脏中提取的胰岛素——价格昂贵,制作困难。而基因泰克生产的胰岛素来自于巨大的金属发酵罐所培育的细菌,这大大降低了胰岛素制作成本。

现在的转基因生物,比如细菌和植物,已经能够生产药物、食品、燃料甚至服装面料。基因编辑技术已经慢慢渗透到各行业中,并产生了非常巨大的市场价值。仅2012年,美国单单在生物科技领域获得的财务收入就超过 3240 亿美元。

 

对人体有害吗?


从整个限制性内切酶的发现过程,很容易看出转基因只是赋予一个物种原本没有的一个很小的功能,比如能生产一种蛋白或者几种蛋白;并没有从本质上将一个物种改编成另一个物种。现在的转基因植物基本是增加作物的抗倒伏抗虫抗旱的能力,这些能力的实现都是一些蛋白再起作用。就像前一篇《大众误解的基因》里提到的,这些蛋白和基因在进入人体后都会被消化分解,基本对人体没有危害。对于蛋白的产物,可能对其他生物有影响但能真正用到生产的转基因作物都是经过严格的设计和筛选的;大部分就是把具有抗旱能力的A作物的抗旱基因转嫁到没有抗旱能力的B作物上,这样B作物就具有了抗旱功能;而且通常A作物本来也是我们日常食物。


转基因技术技术的本质只是综合生物能力并不是创造生物,它必然有一个受体和一个或多个供体。

 

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