方舟子的Blog

　　（摘自方舟子《寻找生命的逻辑──生物学观念的发展》第二编第三章第二节，上海交
通大学出版社2005年版）

   
远在遗传学诞生之前，人们已经通过杂交等手段改变生物体的遗传构成，但是这种改变是相当笼统和盲目的。从遗传学诞生日起，人们就梦想着有一天能够直接而精
确地改变生物体的基因，或者说，对生物体实施“遗传工程”。1927年，缪勒发现用X射线辐射果蝇，可以诱发突变，人类首次拥有了可以直接改变生物体的遗
传物质的方法，但是诱发突变虽然提高了突变率，它和自发突变一样都是随机的，并不能得到特定的结果。真正的遗传工程始于人们能够切割和拼接特定的DNA片
段，而这一切，要归功于限制性酶的发现。
   
限制性酶的发现来自于对一种似乎没有多大价值的生物现象的研究，整个发现过程持续了近20年。在20世纪50年代初，人们注意到噬菌体在不同的菌株中的生
长情况不同，在某个菌株中生长得很好的噬菌体，在新菌株中则生长得很差，或者说受到了“限制”。但是，有的噬菌体总是能够逃脱“限制”，在新菌株中同样可
以长得很好，似乎它们获得了特定的“修饰”，使它们不受宿主的“限制”。在60年代初期，瑞士生物学家阿伯（Werner Arber,
1929-）用实验证明，“限制性”是由于噬菌体DNA被降解导致的，而“修饰”也发生于噬菌体DNA上。1965年，阿伯推测说，在细菌中存在一种限制
性酶，能切割特定序列的DNA，使得噬菌体DNA因此降解；同时，在细菌中还有一种修饰酶，对相同序列的细菌DNA做甲基化修饰，保护细菌自身的DNA不
被限制性酶所降解。这样，在宿主DNA受到保护的同时，没有经过恰当修饰的外源DNA在进入细菌中后就会被切割、降解掉。在阿伯做出这个推测三年后，他和
同事在大肠杆菌的抽提液中发现了限制性酶的活性，同一年，麦赛尔逊和袁（Robert
Yuan）从另一种大肠杆菌菌株中纯化出了第一种限制性酶。现在我们知道，这两种限制性酶都属于一型限制性酶，它们虽然识别特定的DNA序列，但是对
DNA进行随机的切割，因此对遗传工程来说并不是很有用。遗传工程需要的是既能识别特定的DNA序列，又只切割该特定序列的所谓二型限制性酶，这种酶是美
国生物学家史密斯（Hamilton O. Smith,
1929-）于1970年从流感嗜血杆菌中首次发现的。这种限制性酶能将外源DNA降解成片段，但是并不攻击流感嗜血杆菌自身的DNA。而且，史密斯发
现，所有的降解片段的两端都有相同的三个碱基，表明这种酶识别一个特定的6个碱基对序列，该序列是对称的，并被酶从正中间切割开来。另一位美国生物学家纳
善斯（Daniel Nathans,
1928-）很快利用了限制性酶这个工具来做研究。1971年，他用史密斯发现的限制性酶把一种猿猴病毒SV40的基因组切割成了11个特定的片段。三年
后，纳善斯又用两外两种新发现的限制性酶切割SV40基因组，然后对用三种限制性酶切割而成的DNA片段进行排列组合，组成了SV40基因组的图谱，这是
人类首次用化学方法获得的基因组图谱。1978年，SV40基因组序列被全部测定，就在这一年，阿伯、史密斯和纳善斯做为遗传工程的先驱者，被授予诺贝尔
生理学奖。
    但是第一次遗传工程是在美国斯坦福大学的生物学家伯格（Paul Berg,
1926-）实验室完成的，并在1972年发表于《美国科学院院刊》。他们用一种限制性酶分别切割环状SV40基因组DNA，和一段含有噬菌体λDNA和
三个与半乳糖利用有关的大肠杆菌基因的DNA（λdvgal），再用两种酶——外切酶和末端转移酶——改变这两种DNA片段的末端，分别重复加上A和T序
列，这样这些互补的重复序列就会配对，使来自SV40和噬菌体λ的DNA片段能够连接起来。最后，他们加入DNA聚合酶和连接酶，让环状DNA分子闭合，
形成了一个由SV40和噬菌体λDNA杂交而成的环状DNA分子，其大小大约是环状SV40基因组的三倍。这个实验的每一个步骤都不是伯格实验室的首创。
末端转移酶、DNA聚合酶和连接酶的作用早就被发现，而在一年前，纳善斯已用限制性酶切割SV40基因组。同一年，在斯坦福大学另一个实验室做博士论文的
研究生洛班（Peter
Lobban）也用末端转移酶加重复序列A和T的办法，把来自噬菌体P22的两段DNA连接了起来。伯格实验的独创之处在于它是首次综合了这些步骤，并且
首次在体外将来自不同物种的DNA重组起来。这个重组DNA分子由于含有哺乳动物病毒序列，有可能被结合进哺乳动物细胞的染色体中；又由于含有噬菌体λ序
列，有可能在细菌中扩增。虽然，由于许多人担心扩增含有病毒序列的大肠杆菌的危险性使得伯格中断了进一步的实验，但是伯格实验已为未来的遗传工程绘制了蓝
图：用细菌扩增重组DNA，并把重组DNA引入生物体中。
   
伯格在1971年6月冷泉港会议上首次报告其实验结果时，就引起了分子生物学家们的担忧：伯格采用的病毒SV40是一种致癌病毒，这种研究有可能培育出携
带致癌基因的重组大肠杆菌，由于人体肠道内就生长着大肠杆菌，一旦重组大肠杆菌从实验室中逃逸，就有可能在人群中传播它们所携带的致癌基因。1973年1
月22－24日在加州阿斯洛马（Asilomar）举行会议讨论重组DNA技术的危险性问题。这一年的3月份，波义耳（Herbert
Boyer）、科恩（Stanley
Cohen）实验室成功地进行了“分子克隆”，与伯格实验不同的是，他们不是采用噬菌体λDNA而是采用细菌的质粒做为重组DNA的载体。质粒是一种环形
的DNA分子，携带着能抵抗抗生素的基因，一旦进入细菌细胞中，就能自动大量地复制，并表达被重组进去的基因。这个实验大大改进了重组DNA技术，进一步
引起了分子生物学家们的担忧。美国科学院建立了一个专门的委员会，由伯格任主席，在1974年同时给《美国科学院院刊》和《科学》写了一封信，建议分子生
物学家自愿地暂停重组DNA实验，召开一次讨论会讨论重组DNA技术潜在的危险性。会议于1975年2月24－27日在阿斯洛马举行，会后由伯格、巴尔的
摩、布莱纳等人撰写了会议报告，在6月份由《科学》发表。报告衡量了重组DNA技术的潜在危险，建议继续从事这方面的研究，同时应采取物理和生物两方面的
措施降低实验的危险性。物理措施包括在实验时穿戴实验服和手套、使用通风橱、遵循微生物学研究的消毒规范等等，以避免潜在的病原体与实验者接触或逃逸进环
境中。由于分子生物学家大多不熟悉传统的微生物学研究规范，更有必要加强这方面的训练。生物措施包括对那些进行重组DNA实验的有机体做适当的改变，使它
们无法在实验室之外生存。1976年6月23日，美国国家卫生院在阿斯洛马会议所提出的建议的基础上，公布了重组DNA研究规则。与此同时，欧洲国家也制
定了类似的规则。
   
阿斯洛马会议之后，科学界有关重组DNA技术的争议告一段落，但是在媒体的煽动下，在公众中却出现了恐慌。人们担心重组DNA实验会创造出新的病原体，引
发致命流行病，会创造出难以控制的怪物，会被用于改变人类基因组，导致“优生学”运动，等等。其中最主要的，是担心会从重组DNA实验室逃逸出新的病原
体。这种恐慌在1976－1977年间达到了顶峰。就在美国国家卫生院公布重组DNA研究规则的同一天，麻省剑桥市长针对哈佛大学拟建一个用于重组DNA
技术研究的新实验室，举行了一次听证会，然后禁止哈佛大学建造实验室。在经过了几个月的争论之后，市政委员会听从专家的意见，推翻了市长的决定，同意建造
该实验室。与此同时，参议员爱德华·肯尼迪（Edward
Kennedy）抨击科学家们想要自我管理重组DNA研究，举行国会听证会打算通过立法限制重组DNA研究。1977年，美国科学院举行大会时，示威者举
着反科学牌子冲进会议室，抢夺话筒。国会又多次举行听证会，并提出多项法案严厉限制重组DNA研究。美国科学界在美国科学院的领导下奋起抗争，没有一项这
样的法案获得通过，而到了1978年底，这场媒体和立法恐慌就基本平息了。
   
为什么这场恐慌能在如此短的时间内就获得平息？通过举行一系列的评估会议，科学界出示了大量的证据，让公众们相信，只要遵循国家卫生院制定的规则，重组
DNA技术就是安全的。同时，科学界也让公众们明白，以重组DNA技术为代表的遗传工程不仅能够帮助科学家们从事生物医学方面的基础研究，而且有着与公众
切身利益息息相关的应用前景。这些应用前景包括：将人的基因重组进细菌质粒，让细菌大量地生产具有重大医疗价值的生物制剂，例如人胰岛素、生长激素或干扰
素；改良农作物，使它们能抵抗虫害、疾病或具有固氮能力（从而减少施化肥）；检测、治疗人的遗传病。生物学家们很快用实验结果表明他们并不是在开空头支
票。1977年秋天，波义耳实验室用重组细菌合成人生长激素抑制素，证明了用细菌合成人体蛋白质是可能的。波义耳与年轻的风险投资商斯旺森（Robert
Swanson）合作，组建第一家生物高技术公司Genentech公司，与哈佛大学吉尔伯特（Walter Gilbert,
1932-）展开了克隆人胰岛素基因的竞争。1978年，Genentech公司的科学家们领先于吉尔伯特实验室，首先把人胰岛素基因克隆进大肠杆菌，并
成功地让大肠杆菌合成人胰岛素（1982年，重组人胰岛素成为第一种获准上市的重组DNA药物）。1979年和1980年，人生长激素和人干扰素也先后在
重组细菌中合成出来。Genentech公司在1980年10月14日以一股35美元上市，当天收盘时股价已涨到了89美元，创下了记录。
    加州大学旧金山分校简悦威（Yuet-Wai Kan,
1936-）实验室首先应用分子生物学技术检测遗传病。1976年，他们分别从正常人和地中海型贫血症患者的细胞抽取出基因组DNA，然后用编码α球蛋白
基因的DNA与之杂交。地中海型贫血症是由于丧失了α球蛋白基因引起的，因此通过定量地测量DNA杂交的结果，就可以将正常人和地中海型贫血症患者的的
DNA区分开来。1978年，他们开发出了一种影响更大的技术。镰刀形贫血症是由于位于11号染色体上的β球蛋白基因发生了一个点突变引起的，即序列
CCTGAGG变成了CCTGTGG。简悦威实验室发现，有一种限制性酶Mst
II识别CCTNAGG序列（N表示任何碱基），因此它可以识别并切割正常的球蛋白基因，却不能识别镰刀形贫血症患者所携带的该基因。这样，用Mst
II分别切割正常人和镰刀形贫血症患者的基因组DNA，就会出现不同的切割片段，产生了所谓“限制性片段长度多态性”（Restriction
Fragment Length
Polymorphisms，缩写为RFLP），就可以将二者区分开来。在60年代，人们已经能够产前诊断检测某些遗传病，方法是抽取羊水，培养其中的胎
儿细胞，然后检测染色体结构是否发生变化，或看看能否检测到异常蛋白质。但是如果一种遗传病不是由于染色体结构发生变化引起的，或者突变基因不在羊水细胞
中表达，这种产前诊断就无效了。简悦威的方法则不存在这些问题，它直接检测DNA序列发生的变化，从羊水细胞中抽取出DNA就可以做可靠的检测（所有的细
胞都会携带被检测的治病基因，不管是否在该细胞中表达）。
   
1980年，分子生物学家首次把外源DNA结合进了植物细胞中。由于从一个植物细胞就可以克隆出一株植物，因此这个结果意味着人们很快就可以培育出转基因
植物。3年后，第一种转基因植物（一种携带了抵抗抗生素基因的烟草）诞生了。1985年，能抗虫害、病害的转基因作物开始了田间试验。但是直到1994
年，市场上才首次出现了转基因食品，一种软化缓慢的西红柿。目前，转基因作物已得到广泛的推广、栽培和使用。在美国市场上，大约60－70％的食品含有转
基因成分。1980年，耶鲁大学鲁德（Frank
Ruddle）及其同事在体外将一段人病毒基因注射到小鼠胚胎细胞中，这些胚胎细胞经过几次分裂后，被植入小鼠子宫。20天后，产下了78只小鼠，其中2
只的基因组带有外源DNA。这些转基因小鼠能够把这些外源DNA一直遗传下去。转基因动物诞生了。尽管到现在，有经济价值的转基因动物还处于实验阶段，未
进入市场，但是转基因动物，特别是转基因小鼠，已成为研究动物基因表达的重要工具。
   
这一切，都让公众相信，遗传工程具有重大的医疗价值和经济价值，也很少有人会再对科学家们在实验室从事遗传工程的研究感到恐慌。但是在遗传工程走出实验
室、开始应用之后，仍然会引起争议甚至恐慌，例如转基因作物、基因疗法所引发的一系列社会风波，更多的是属于社会、政治和经济问题，而不是科学问题了。当
公众切身地感受到遗传工程的好处或对其可能的害处感到忧虑时，很少有人认识到，遗传工程不仅仅是一项正在改变着人类社会的应用技术，而且已成了从事分子生
物学研究一个不可或缺的工具，彻底地改变了生物学研究的策略。有了遗传工程，生物学成了一门分子水平的实验科学。
   
有机体中的蛋白质（或其他生物分子。由于蛋白质是最重要的生物分子，以下仅以之为例）大多很稀少，难以大量地纯化，因此要直接用生物化学方法抽取、纯化后
对它们进行分析是相当困难或不可能的。另一种方法是分离出编码感兴趣的蛋白质的基因。但是有机体的基因组非常巨大而复杂，而某个基因通常只在一个细胞基因
组中出现一、两次，用常规的生物化学方法也无法将之分离出来进行分析。重组DNA技术解决了这个困难。它把可能含有感兴趣的基因序列的DNA片段从基因组
分离下来后，插入能够自我复制的DNA载体（例如细菌质粒）中，形成重组DNA，将之转入细菌，之后，让细菌繁殖，就会“克隆”出大量的细菌。一方面，可
以把重组蛋白质从这些细菌中提取出来，将之纯化，就有了足够量的蛋白质可用以做生物化学分析、结构分析（将蛋白质结晶后用X射线衍射法测定其空间结构）和
功能研究。另一方面，将这些细菌中的质粒提取出来，就可得到足够量的重组DNA，对之进行种种分析，包括测定其序列，这样，就得到了该基因的序列。从基因
序列可以推导出它所编码的蛋白质的氨基酸序列，进而推测蛋白质的空间结构。用类似的方法也可以分离和分析控制基因表达的启动子和其他控制序列。
   
我们不仅可以根据蛋白质的序列和结构推测其功能，而且可以用遗传工程的方法改变其序列和结构，以验证这种推测是否正确。一种常用的方法是用定向突变技术，
把蛋白质序列中的某个氨基酸置换成其他氨基酸，然后看看蛋白质的结构和功能是否发生了变化。例如，如果该蛋白质是一种酶，可以用这个办法研究其催化机制，
知道哪些氨基酸参与结合底物，哪些氨基酸执行催化功能，其相对重要性如何，等等。我们也可以检验突变发生于体内时的后果。如果把突变后的基因引入卵子或细
胞中，就能创造出转基因生物，从而可以研究某个蛋白质或某段DNA片段在体内的功能。用类似的方法，也可以研究将某个基因删除、用同源基因取代或改变基因
的表达水平后，有机体所发生的变化。有了遗传工程，研究某个基因在生物发育过程中的作用，在分子水平上研究生物发育，才成为可能。
   
在生物学历史上，一直存在着还原主义与反还原主义之争。还原主义的基本信念是，生命现象完全是物理、化学作用的结果，因此把生物体还原到分子层次后，用物
理、化学作用足以解释一切生命功能。历史上曾经有过活力主义与还原主义对抗，认为生命物质与非生命物质有着本质的差异，生物体内还存在着无法用物理、化学
作用来解释的神秘的活力。进入20世纪后，活力主义很快没有了市场，由整体主义取而代之与还原主义相抗衡。整体主义在承认生命物质与非生命物质没有不同，
生命现象完全是物理、化学作用的结果的同时，否认用还原分析的方法足以解释生命现象。对还原主义一个常见的批评是，要研究组成有机体的分子，就要杀死有机
体和细胞，在体外加以研究。再精致的体外研究都是在破坏了整体结构的状态下进行的，都无法完全重复和反映活有机体的状况。因此想从分子水平上充分理解生命
现象是不可能的。但是遗传工程的出现消除了这个障碍。借助于遗传工程，我们已完全可以不先杀死有机体就在分子水平上研究有机体。现在已很少有人还会怀疑，
要透彻地了解某个生命功能，必须在分子层次上进行，而通过分子分析也足以阐明生命的功能。这是还原主义的胜利。