普通遗传学-第3章

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1。4　　遗传学的重要性
遗传学不仅只是一门研究基因、探索生命奥秘的基础理论科学，它还与动物和植物育种、与医学等应用科学有着密切联系，对社会和法律也有重要影响。
1。4。1　　遗传学与动植物育种
在农业方面，虽然人类社会栽培植物和驯养动物具有悠久历史，但直到孟德尔规律被发现以后，科学家才将遗传学的基本原理用于动、植物育种领域。在这一方面，采用系统选择和杂交育种技术培育的动、植物新品种为人类的食品生产和社会稳定做出了巨大贡献。
遗传学的基本原理在植物育种方面主要用于改进光合效率，提高农作物产量，增强植物抗病虫害的能力，培育综合性状优良的杂交种，改进农作物的品质。这些育种目标在水稻、小麦、玉米、大麦及棉花等作物中都不同程度地获得了实现，使产量和品质得到大幅度提高。例如在墨西哥，由波罗格（N。Borlaug）率领的研究小组收集了世界不同地区的小麦品种，并将其优良基因综合到一个小麦品种中，培育出了高产、优质、适应性强的超级墨西哥小麦品种。这种小麦品种不仅适合在墨西哥种植，也适于在其他许多国家栽培。这一成果导致了20世纪70年代世界上一场所谓的“绿色革命”，波罗格本人也因此获得了1970年的诺贝尔和平奖。
同样，遗传学应用研究在动物育种方面也产生了巨大的效应。动物育种学家通过对动物的遗传改良，也培育出了大量优良动物品种，使世界人均肉类供应量大幅提高。例如，通过系统选育培育出的速生鸡在肉的质量和年产蛋量方面都得到显著提高。在大牲畜如猪、牛等动物方面，采用人工授精的方法，可以将一头具有优良遗传性状的雄性动物的精液提供给数千头母畜并使之受孕，产生性状优良的超级子代群体。现在培育的优良奶牛品种每头年均产奶量都在5000kg以上。
1。4。2　　遗传学与医疗保健
遗传学研究的进展也同样给医学带来巨大进步。现在知道，人类大量疾病都有某些遗传基础，基中有许多都是由于单个碱基的突变或某种特殊的染色体畸变所造成的。如镰状细胞贪血症、胎儿成红细胞瘤、囊性纤维化、血友病、肌肉萎缩症、泰一萨二氏病及唐氏综合征（唐氏先天愚症）等都是一些遗传疾病。
了解这些疾病的遗传学基础就可为诊断和治疗提供理论依据。例如，唐氏综合征已被确定是人的第21号染色体多了一条所造成的，35岁以上年龄的妇女随年龄增加，所孕胎儿患这种疾病的概率也明显增加。有这方面家族病史的孕妇和大龄孕妇可到医院作产前检查，如果胎儿染色体有上述特征，就可预期未来新生儿将是先天愚型患者。因此孕妇可以通过遗传学咨询（genetic　counseling）了解到胎儿患遗传疾病的情况，然后再作出合理决定，如实行堕胎等。据估计，每一对生育孩子的夫妇都要冒3％的危险性生下一个有先天遗传障碍的婴儿。现在已知的遗传疾病有近千种。
癌症是威胁生命的一种严重疾病，彻底治疗癌症在很大程度上依赖于应用遗传学的研究进展。已知在动物中，某些病毒如反转录病毒（retrovirus）能够传播某些癌症，所有反转录病毒都有一组控制宿主细胞分裂的癌基因（oncogene）。虽然目前尚未发现反转录病毒与传播人体癌症有关，但已知人体的正常细胞都含有原癌基因（proto…oncogene），其结构与反转录病毒癌基因的结构非常相似。有证据表明，病毒的癌基因可能起源于正常细胞的原癌基因。特别重要的是，现在已经知道了正常细胞的原癌基因可以突变成细胞癌基因（cellular　oncogene），当原癌基因发生突变以后，含有细胞癌基因的细胞便失去控制，进行无控制的细胞分裂，从而导致癌症。现在许多科学家正在对原癌基因及由其衍生的细胞癌基因进行广泛研究，相信在不久的将来，癌症是完全可以征服的。
艾滋病即获得性免疫缺损综合征（acquired　immunodeficiency　syndrome；AIDS）是另一种致命性疾病。同癌症不同的是，它是由一组称为人体免疫缺损病毒（human　immunodeficiencyvirus，HIV）的反转录病毒引起的。艾滋病毒只侵染人体的两种白细胞。一种是称为TH细胞的淋巴细胞（lymphocyte）；病毒侵入TH淋巴细胞并将其杀死，从而使患者部分丧失免疫功能。另一种受侵染的细胞是巨噬细胞（macrophage），艾滋病毒只在其内繁殖，但不破坏这种宿主细胞。艾滋病难以治疗的一个主要原因是艾滋病毒将其遗传信息插入到宿主细胞的染色体上，形成原病毒（provirus）；作为宿主细胞染色体的一部分随细胞染色体进行复制和被传递到子细胞之中。原病毒还有一个重要特征是在受感染细胞内合成病毒基因产物和产生子代病毒粒子。随着对艾滋病毒的侵染和致病机制的遗传学基础研究的深入发展，我们相信，在艾滋病的预防和治疗方面不久将会有重大突破。
遗传学在医学上应用的另一个重要方面是免疫遗传学（immunogenetics）。在由病原微生物引起的疾病的防治、输血以及器官移植中都要应用这方面的知识。在这方面应用最成功的例子之一是通过接种牛痘病毒疫苗，预防人体天花病毒的传播，现在人类已经根绝了天花病的发生。在器官移植方面，通过使用免疫抑制药物，移植包括心脏、肝、肾和肺等器官成功的实例越来越多。
1。4。3　　遗传工程
今天，科学家可以从任何生物中分离到感兴趣的基因，能够将分离到的基因插入到一种小的、能够自动复制的染色体外遗传结构如细菌质粒（plasmid）或病毒DNA上并将这种人工重组的DNA导入宿主细胞如细菌、酵母等细胞内，也能够对这类含有重组DNA的生物进行大容量培养，最后分离和纯化所需要的基因。科学家还能够将基因连接到某种特殊调节信号上，使基因在细菌、植物或动物中正确表达。在某些情况下，还可将基因限制在高等植物和动物的某些特殊组织或细胞中表达。简言之，科学家可以按照自己的意愿将基因切割下来和将其同任何来源的DNA分子连接在一起，最后再将其导入细胞中，并使之按照要求进行表达。像这样一种基因操作程序就是遗传工程（genetic　engineering）。
遗传工程自20世纪80年代以来得到了迅速发展，特别是在高等植物和动物方面以及商业和
医疗方面，应用研究非常活跃。
在植物方面，自20世纪70年代初发现一种称为农杆菌（Agrobacterium　tume　faciens）的土壤细菌能够将其质粒（Ti质粒）上的DNA插入到植物染色体上，使植物产生根冠瘤（crown　gall）以后，科学家将Ti质粒加以改造，以其作为基因载体（vector），现在可以将任何有用的基因导入植物基因组中，培育出转基因植物（transgenic　plant）。例如，利用源于Ti质粒的载体将细菌的一种抗除草剂草甘膦（glyphosate）的基因转入植物基因组中，使转基因植物对草甘膦产生抗性而不被杀死。
目前，植物基因工程的一个重要目标是培育出既能抗生物逆境（抗虫、抗病）又能抗非生物逆境（抗旱、抗盐碱、抗寒等）的综合抗性强的转基因植物。在抗虫性转基因植物培育方面的成就比较突出。利用苏云金杆菌（Bacillus　thuringiensis，BT）的内毒素基因转化植物，现已培育出一些对某些害虫有抗性的杀虫转基因植株。由于自然BT…内毒素种类不是很多（50多种），且一种毒素只能杀死某些害虫，而害虫的种类又很多，因此需人工构建一种具有广谱性杀虫效应的基因，然后再以此转化各种植物。关于抗非生物逆境的遗传工程也是方兴未艾，现已初显成效。但由于抗性机制复杂，且涉及的基因数目很多，距离生产应用还有一定距离。
转基因技术在动物方面的应用也日渐广泛。培育转基因动物有几种方法，采用较多的是向受精卵内微量注射某种特殊载体。由于受精卵含有外源DNA，当将其移植到代孕母亲子宫内后，发育成的个体就能表达外源基因。如果外源基因编码的蛋白质具很高的医疗效果，则可将其连接到只在乳房组织中才具活性的某种DNA调节序列之下，让转基因动物产生具有医药价值的乳汁。例如，血纤溶酶原激活物（plasminogen　activator）具有溶解人体血块的作用，科学家将编码血纤溶酶原激活物的基因置于只在乳房组织中行使功能的启动子（promoter）控制之下，然后再将这种人工基因注射到绵羊的受精卵内，由代孕母体产下的转基因母羊就能分泌出血纤溶酶原激活物含量很高的羊奶。最后药物生产厂家就可从这种羊奶中分离和纯化出血纤溶酶原激活物，以用于临床治疗心脑血管血栓等疾病。
随着动物转基因技术的发明，接着就产生了用于治疗各种遗传疾病的基因疗法（gene　therapy）。哺乳动物中第一例基因疗法是用来纠正小鼠的生长激素缺乏症。患有生长激素缺乏症的小鼠在体型上比正常小鼠矮小得多，当将一种人工构建的大鼠生长激素基因通过转基因技术转移到侏儒症小鼠基因组中以后，转基因小鼠在体重上是侏儒症小鼠的2~3倍。
转基因技术和基因疗法在人体上的应用具有更广阔的前景，因为通过引入外源野生型基因、纠正人体有缺陷的功能可以治疗和缓解人体的遗传疾病。虽然不能采用上述小鼠的生殖细胞基因疗法那样来治疗人体的遗传疾病，但可采用体细胞基因疗法（somatic　gene　therapy）治疗某些遗传疾病。1991年，W。P。Andeson等首次采用此法成功治疗了一例严重的综合免疫缺损病。这种疾病是由于一个编码血液中的腺苷脱氨酶的基因发生突变所造成的。在此基因疗法方案中，首先从患者骨髓中取出血液干细胞，然后加入转基因（transgene），最后再将转基因细胞送回到血液系统中去。
将转基因导入人体有缺陷的体细胞中去的载体都是病毒。较老的一类载体是载有转基因的卸甲的反转录病毒。由于反转录病毒的自然侵染循环过程需插入到宿主细胞的染色体上，因此可能会导致插入位点的基因发生突变，这是这类载体存在的主要问题。另一类用于人体基因疗法的载体为腺病毒（adenovirus）。腺病毒通常只侵染呼吸道的上皮细胞，病毒基因组并不插入到宿主染色体上，只是在细胞中以染色体外因子的形式存在，因此就不会出现上述由反转录病毒类载体造成插入突变的不良后果。采用腺病毒载体的基因疗法非常适合治疗囊性纤维化疾病，因为它是一种呼吸道上皮组织疾病，只需向鼻道喷雾，就可向病变部位的细胞引入载有野生型等位基因的病毒。
遗传工程在商业上也具有很重要的应用价值，现在业已取得了不少重大成就。可以预期，在将来必然还会有更多、更令人瞩目的成就问世。现在生产的商业产品主要是一些利用DNA重组技术、通过微生物合成的重要的医药和生化试剂。如人体干扰素（interferon）、人体生长素（growth　hormone）和人体胰岛素（insulin）就是3种较知名的遗传工程产品。最早投放市场销售的是于1982年利用重组细菌生产的人体胰岛素。胰岛素是治疗糖尿病的有效药物，1982年以前用于治疗糖尿病的胰岛素都是从小牛和猪的胰腺中分离和纯化的，而且动物胰岛素的疗效不如人体胰岛素疗效高，某些糖尿病人还会对小牛或猪的胰岛素产生过敏性反应。
1。4。4　　遗传学与社会、法律和世界观
遗传学影响我们生活的各个方面。世界上某些重大的、有社会影响的问题也都间接与遗传学有关。例如，社会上的某些偏见、伤害和不公正现象大多与性别、种族之间的行为差别有关。遗传学提供了一条分析、研究这些复杂的、尚未解决的社会问题的途径。
另一个带有全球性的、受到社会广泛关注的问题是人类正在快速地破坏自己生存的自然生态环境，各种动物和植物的种类和数目都在急剧减少。生态环境的保护也是遗传学研究的一个重要问题，因为它是保护遗传多样性和遗传资源的重要问题之一。
带有全球性影响的第三个遗传学问题与人类遗传健康有关。人体基因组正在受到日益恶化的环境因素的侵害，特别是一些放射性物质和有毒化学物质能够诱发基因随机突变，而其中绝大多数突变又都是有害的。从短期来看，这些突变可能不会明显增加遗传疾病发生的频率，但如果长期累积有害突变，最终势必引发遗传灾难。现在各国政府都相继制定了相应的限制使用有害物质，特别是一些突变剂和放射性物质的法律、法规。因此有关政府部门和法律制定部门了解了这种危害性，就可以采取有效措施保护人类和其他各种生物生存的环境。
在罪证的确定方面也需要应用遗传学知识和遗传学技术。人体的指纹特征是受遗传控制的，采用人体指纹鉴定对确定犯罪嫌疑人具有很高的可靠性。若采用人体的DNA指纹分析（DNA　fingerprint），其可靠性程度又比常规指纹鉴定高出许多倍。DNA指纹是指由一组DNA序列特异性的内切核酸酶切割所产生的一组特殊的DNA片段。由于人体基因组大约含有3×109个核苷酸对，因此除了由同一受精卵裂形成的双胞胎以外，世界上几乎不存在任何在DNA指纹上完全相同的个体。
因此，DNA指纹分析对鉴定亲子关系、强奸、凶杀以及其他犯罪方面就是一种特别有效的手段。随着DNA离体扩增PCR技术即聚合酶链反应（polymerase　chain　reaction，PCR）的发明，现在只要获取极微量的组织样品如血液、精液甚于一根头发泡细胞，就可以进行DNA指纹分析，甚至植物DNA指纹分析也可用于刑事案件的侦破。
遗传学对人的科学世界观形成也具有重要影响。一个人自有意识开始就逐步形成了对宇宙和对自己在宇宙中所取位置的不同世界观。这种世界观就体现了一个人的个性，它支配着人的行为、态度和生活准则，决定人的本质甚至人类社会的性质。任何新学问都必须适应这种世界观，或者说一个人的世界必须与事物发展的客观规律相适应。对新学问无知或拒绝接受必然会导致偏执偏见。遗传学已经为我们提供了不少有影响的新概念，基本上改变了人类本身对人的属性的认识以及人与宇宙中其他事物的关系的认识。
遗传学影响世界观转变的最好例子是生命的起源与进化。遗传学各个分支学科的研究都表明，人类在起源上不仅与类人猿和其他动物有共同的祖先，而且还与地球上其他所有生物包括植物、真菌和细菌都有一定亲缘关系。所有生物都采用相似的机制贮存和表达遗传信息，它们在许多结构特征甚至基因的结构方面都存在一定的同源性。这种生物界各种生物之间都存在亲缘关系的思想把人和其他生物都联系在一起，从根本上影响了人的世界观。它表明人类并不是天地万物的中心，只是各种生命形式中的一种。困此，遗传学迫使我们思考人类如何认识自己的一系列问题。

主要参考文献
1。　宋运淳，余先觉。　普通遗传学。　武昌：武汉大学出版社，1989
2。　Bowler　PJ。The　Mendelian　Revolution：The　Emergence　of　Hereditarian　Concepts　in　Mordem　Science　and　Society。London：Alhione；1989
3。　Gardner　E　J，Simons　M　J，Snustad　D　P。Principle　of　Genetics。8th　ed。New　York：John