dna重组技术的核心 代快手评论点赞网站

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1月25日，世界级生物学术刊物《细胞》（Cell）杂志以封面文章的形式发表世界第一个体细胞克隆猴诞生的成果。中科院神经科学研究所团队突破了体细胞克隆猴的世界难题。

1月22日,克隆猴“中中”和“华华”在中科院神经科学研究所非人灵长类平台育婴室的恒温箱里向外张望。（图片来源：新华社）

世界著名科普作家悉达多·穆克吉就曾在全新力作《基因传》中呈现基因克隆的发展历程，从微生物克隆时期，到DNA克隆，再到动物克隆，通过揭秘几百年来人类探究基因的曲折，展现基因对人类产生的密切影响。然而，基因技术的发展始终面临伦理的困境，上世纪70年代阿西洛马会议中所涉及的基因克隆的伦理与道德问题，置于今天仍有现实意义。

试管中的混合与配对

与生殖无关的基因重组

1968 年冬季，保罗·伯格（Paul Berg）结束了在加州拉霍亚的索尔克生物研究所为期11 个月的学术假期后回到了斯坦福大学。他之前的学术生涯主要集中在蛋白质合成领域，但是在拉霍亚的学术休假给了他思考全新研究方向的机会。在病毒学家雷纳托·杜尔贝科的协助下，伯格将研究重点调整为动物病毒方向。

保罗·伯格（英语：Paul Berg，1926年6月30日－），美国生物化学家。1980年，因为有关核酸的研究贡献，他与沃特·吉尔伯特以及弗雷德里克·桑格共同获得诺贝尔化学奖。

对于纷繁复杂的病毒家族来说，猿猴空泡病毒40（简称SV40）是其中极简的代表。它的基因组相当于一个DNA 碎片，该DNA 仅携带了7 个基因，长度还不及人类基因组的六十万分之一。伯格了解到，SV40的与众不同之处在于，它非常善于和某些特殊类型的被感染细胞和平共处。通常情况下，病毒在感染细胞后会生成无数病毒粒子，并且将最终导致宿主细胞死亡。而SV40 却能够将其DNA 插入宿主细胞的染色体中，然后细胞将进入复制间歇期，直到被特定的信号激活。

由于SV40 基因组结构十分紧凑，同时它导入细胞的效率也非常可观，因此SV40 成为携带基因进入人类细胞的理想载体。伯格灵机一动：如果能够把外源基因作为诱饵装配给SV40 病毒，那么病毒基因组就可以将该外源基因偷偷转运到人类细胞中，并且最终改变细胞的遗传信息，而该创举将开辟遗传学发展的新篇章。

伯格深知这项新兴技术蕴含的能量。基因之间可以通过相互结合创造出全新组合，甚至还可以在新组合的基础上继续拓展；它们可以发生改变、产生突变并且穿梭于生物体之间。例如，在将青蛙基因引入人类细胞之前，首先要把它们插入病毒基因组中。而人类基因也能转移到细菌细胞里。如果能将这项技术运用到极致的话，那么基因将会具有无限的可塑性：你可以创造出新型突变或者清除它们，你甚至可以憧憬实现遗传信息修饰，并且随心所欲地洗刷、清理或者改变遗传标记。

1970 年冬季，伯格与戴维·杰克逊开始了他们首次剪切与拼接两段DNA 的尝试。尽管面临着各种难以想象的技术障碍，但他们还是成功地将外源基因片段连接到完整的SV40 基因组上，其中就包括一段来自细菌病毒（λ噬菌体）的DNA 和三个来自大肠杆菌的基因。

这项研究成果具有举足轻重的意义。虽然λ噬菌体和SV40 都属于“病毒”，但是它们彼此的差异堪比马与海马之间的区别。众所周知，大肠杆菌是一种源自肠道的细菌，其结构与上述两种生物体完全不同。因此就产生了一种奇怪的嵌合体，这些基因在进化树上的亲缘关系相距甚远，可是它们在经过粘贴后却能成为一条连续的DNA。

伯格将这种杂合体称为“重组DNA”。他在选择这个词组的时候应该煞费了一番苦心，而这令人想起了有性生殖过程中产生杂合基因的“重组”现象。在自然界中，由于遗传信息频繁在染色体间发生混合与配对，因此产生了纷繁复杂的生物多样性：源于父本染色体的DNA 与源于母本染色体的DNA 互换位置会产生“父本∶母本”基因杂合体，这也就是摩尔根所说的“互换”现象。伯格在制备基因杂合体时使用了某些特殊工具，它们可以在生物体自然状态下对基因进行剪切、粘贴和修复，其结果就是将交叉互换原理延伸到生殖概念以外。伯格的研究实际上也是在合成基因杂合体，只不过他是将不同生物的遗传物质在试管中进行混合与配对。现在这种与生殖无关的基因重组指引他跨入了崭新的生物学世界。

插图源自保罗·伯格关于“重组”DNA 的论文。科学家们不仅可以将任意生物体的基因进行组合，而且还能自由地改造基因dna重组技术的核心，而这也为人类基因治疗与人类基因组工程埋下了伏笔。

逻辑上的颠倒

把细菌当作新型基因杂合体的“工厂”

同年冬季，一位名叫珍妮特·默茨的研究生决定加入伯格的团队。她被杰克逊的实验吸引，对制备不同生物体的基因嵌合体的想法十分着迷。但是如果她将杰克逊的实验目标颠倒过来又会怎样呢？此前，杰克逊已经成功将细菌遗传物质插入SV40 的基因组。如果她把SV40 基因插入大肠杆菌的基因组，那么这种基因杂合体又会表现出什么特点呢？如果默茨培养出携带病毒基因的细菌，而不是携带细菌基因的病毒，那么又将出现何种结果呢？

猿猴空泡病毒40（SV40）

这种逻辑上的颠倒（更确切地说是生物体的逆转）实现了技术上的重大飞跃。大肠杆菌与许多细菌具有相同之处，它们都携带有体型小巧的额外染色体，而这类染色体被称为迷你染色体或者质粒。质粒的结构与SV40 基因组十分相似，其DNA 看起来就像个环形的项链，并且可以在细菌内部生存与复制。随着细菌细胞分裂与生长，质粒也会同步进行复制。默茨意识到，如果她能将SV40 基因插入大肠杆菌的质粒中，那么就可以把细菌当作生产新型基因杂合体的“工厂”。当细菌生长与分裂时，质粒以及质粒上的外源基因也会同时进行倍增。经过修饰后的染色体将在原有基础上重复复制，这样细菌就可以将染色体上装载的外源基因制造出来。而这种数以百万计的DNA 片段精准复制品就是“克隆”。

1971 年6 月，默茨从斯坦福大学启程来到位于纽约的冷泉港，她要在这里参加一个有关动物细胞与病毒的课程。作为课程的一个环节，同学们被要求描述一下自己将来希望从事的研究项目。默茨在展示环节时谈到，她打算制备SV40 病毒与大肠杆菌基因的嵌合体，并指出这种杂合体具有在细菌细胞内增殖的潜力。

默茨的演讲结束后现场先是陷入了一片沉寂，然后同学与指导老师的质疑如潮水一般涌来：她是否研究过制造这种杂合体的风险？如果伯格与默茨放任这些基因杂合体的应用，那么它们会对人类产生什么后果？他们是否考虑过构建新型遗传物质所产生的伦理问题？

这些顾虑也引起了伯格的重视。他给几位肿瘤生物学家与微生物学家写信，向他们征求对此类研究风险的独立意见。最后，伯格断定该实验的生物危害不足为患，然而这并不意味着完全没有危害。在做出风险预估与防范计划之前，伯格主动暂停了该项实验。

单基因嵌合体

联结两个完全不同生物体的遗传物质

1972 年11 月，就在伯格反复权衡病毒—细菌DNA 杂合体风险的时候，来自旧金山的科学家赫伯特·博耶飞到夏威夷参加一个微生物学会议。这场会议关乎细菌遗传学的未来，其中大部分令人兴奋的消息都与新发现的大肠杆菌质粒有关。

当天晚些时候，博耶偶然遇到了斯坦福大学的斯坦利·科恩教授。他们与同是微生物学家的斯坦·弗科沃一起到酒店外散步，并找了一个露天的位置坐下，一边吃着熏牛肉三明治，一边讨论着质粒、基因嵌合体与细菌遗传学。

博耶与科恩都知道伯格与默茨成功地在实验室里制备出基因杂合体，因此他们讨论的内容也在不经意间转到了科恩的研究领域。科恩已经从大肠杆菌中分离出几种质粒，其中一种质粒的纯化过程非常可靠，它能够轻易地在大肠杆菌菌株之间进行转移。据说其中某些质粒携带有抗生素（例如四环素或青霉素）抗性基因。但是假如科恩从某个质粒上切下抗生素抗性基因，然后把它导入另外一个质粒中会发生什么呢？某个原本会被抗生素杀死的细菌是否得以存活，并且在抗生素抗性基因的保护下选择性地茁壮成长，而那些不含有杂交质粒的细菌会死去呢？

博耶一时心血来潮，开始讲述DNA 切割酶以及默茨高效改进基因杂合体制备的过程。此时他们之间的思想碰撞迸发出了火花。博耶通过纯化酶使制备基因杂合体的效率得到了大幅提升，而科恩则分离出了可以轻易地在细菌中进行选择与扩增的质粒。

“如果将EcoR1 剪切过的质粒DNA 分子混合在一起并使它们重新连接，就可以得到一定比例的重组质粒分子。然后利用抗生素抗性筛选出获得外源基因的细菌后，就能够从中筛选出杂交DNA。如果让这种含有外源基因的细菌细胞持续繁殖下去，那么就可以将杂交DNA 进行成百万倍地扩增，于是便完成了重组DNA的克隆。”

该实验不仅具有创新性与高效性，同时安全性也得到了保障。与伯格和默茨实验（涉及病毒—细菌杂合体）的不同之处在于，科恩与博耶制备的嵌合体完全由细菌基因构成，而他们认为这样可以大大降低危险性。

到了1973年夏末的时候，博耶与科恩已经成功地制备出基因杂合体，他们将两条来自不同细菌的遗传物质联结起来，然后形成了一个单基因嵌合体。两种生物体的遗传物质经过重组后获得了全新的身份，而人类也因此接近了哲学领域的核心问题。

基因测序与基因克隆

把遗传学从实验的泥沼中拯救出来

当伯格、博耶与科恩正在各自的机构里忙着混合与匹配基因片段时，剑桥大学的研究人员则完成了另一项具有同样意义的重大遗传学突破。从20 世纪60 年代开始，生物化学家弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）就在剑桥大学从事基因测序研究。桑格对于复杂生物分子的化学结构非常痴迷。60 年代中期，桑格将研究重点从蛋白质转移到了核酸，并且开始认真考虑DNA 测序问题。但是曾经在胰岛素研究中崭露头角的方法（切断、溶解、再切断、再溶解）在DNA 测序中却无法施展。蛋白质的化学结构使得氨基酸可以按照顺序被依次切断，然而桑格在DNA 研究中并未发现可供使用的工具。

1971 年，桑格开始利用DNA 聚合酶的复制反应研制基因测序技术。［在哈佛大学，沃尔特·吉尔伯特（Walter Gilbert）和艾伦·马克西姆（Allan Maxam）也在设计DNA 测序系统，虽然采用的试剂不同，但是方法同样有效，不过很快他们就被桑格的方法超越了。］1977 年2 月24 日，桑格的研究成果发表于《自然》杂志，他在文中描述了使用这项技术揭示ΦX174 病毒完整DNA 序列的过程。ΦX174 是一个体积微小的病毒，全长只有5386 个碱基对，其基因组大小甚至无法与某些最小的人类基因相比。但是这篇论文发表后在科学界掀起了变革的浪潮。桑格已经读懂了基因的语言。

作为遗传学领域的新技术，基因测序与基因克隆随即被用于基因与基因组新特征的鉴定。而这些技术应用的首个重大发现与动物基因和动物病毒的独特功能有关。除此之外，基因测序与基因克隆这对双胞胎还把遗传学从实验的泥沼中拯救了出来。与传统学派专注于动物分类以及对生物解剖学与生理学特征进行定性描述不同，“现代”生物学家们开始研究分子与基因在生物体内的作用。

1970 年到1980 年，这些现代学派的分子生物学家摇身一变成为基因操作者与基因解码者。按照伯格、博耶与科恩的想法，最初发明基因操作、克隆与测序技术是为了在细菌、病毒与哺乳动物的细胞之间转移基因，可是后来这些技术在有机生物学领域产生了巨大反响。对于基因克隆与分子克隆本身来说，虽然这些术语原本被用来指代细菌或病毒中产生的相同DNA 拷贝（也就是“无性繁殖”），但是没多久它们就成为整个生物技术领域的象征，正是这些技术使得生物学家们能够从生物体内提取基因，并且在试管中进行基因操纵、构建基因杂合体以及在活体生物中扩增基因（毕竟只能利用这些技术的组合来克隆基因）。伯格说道：“只要掌握了基因操作的实验技术，那么就可以通过这些手段来操纵生物体。通过基因操作与基因测序工具混合搭配，科学家研究的领域将从遗传学扩展至整个生物世界，而这种基于实验科学获得的胆识在过去看来简直是天方夜谭。”

就像某位遗传学家后来回忆的那样，生物学“被克隆技术解放了……此后生物学领域开始爆发出各种令人惊喜的消息”。

人类成功克隆的第一只哺乳动物——绵羊多利（Dolly，1996年7月5日－2003年2月14日）。

阿西洛马会议

基因克隆一直面临伦理与道德的拷问

1973 年1 月，伯格决定在加利福尼亚组织一次小型会议来解决人们对基因操作技术与日俱增的担忧。本次会议在阿西洛马（Asilomar）的帕西菲克格罗夫会议中心举行。参加本次会议的人员包括病毒学家、遗传学家、生物化学家以及微生物学家等来自多个领域的学者。伯格后来将其称为“第一次阿西洛马会议”dna重组技术的核心，虽然本次会议让与会者兴致盎然，但是却没有任何实质性的建议。

伯格与同事们认为，随着相关研究的暂停，科学家们可以有更多时间来思考自身科研工作的意义。他们提议在1975 年召开第二次会议，并且让更多的科学家参与到讨论中来。1975 年2 月，第二次阿西洛马会议由伯格、巴尔的摩以及其他三位科学家组织召开，而这也是科学史上最与众不同的会议之一。遗传学家再次齐聚到那个清风拂面的加州海滩，他们继续在这里讨论基因、重组以及未来的框架。

所有参会人员于2 月24 日到达，但是他们并非都是来自生物学领域的专家。伯格与巴尔的摩还特意邀请了律师、记者与作家共同参会。如果要讨论基因操作技术的未来，那么他们不仅需要尊重科学家的意见，还要倾听社会上广大民众的呼声。

伯格在会议上首先发言。他归纳总结了各项研究数据并概括了目前存在的主要问题。在研究通过化学手段改造DNA 的过程中，生物化学家在最近几年发现了一种相对便捷的技术，而它可以将不同生物体的遗传信息进行混合与匹配。伯格指出该技术“极其简单”，即便是业余生物学家也能用它在实验室里构建出嵌合基因。这些杂交DNA 分子（重组DNA）可以在细菌中进行传代与扩增（也就是克隆），并且产生数以百万计的相同拷贝。部分上述分子能够被导入哺乳动物细胞内。专项小组认识到此类颇具潜力的技术还存在巨大风险，此前预备会议已提议暂时停止开展此类实验。而召开第二次阿西洛马会议是为了仔细研讨下一步的发展问题。

会议迅速弥漫出火药味，主要问题仍然是围绕自愿暂停：科学家开展重组DNA 实验是否应该受到严格限制？当会议进行到最后一天的傍晚时，参会人员依然未能达成任何共识。伯格意识到，会议不应该，也不能够在缺乏共识的情形下结束。当晚，组织委员会的几位成员最终为基因技术发展的未来起草了一份方案。该文件从一开始就明确，克隆技术让科学家在无意中发现了与传统生物学平行的另类时空。“这项新技术可以让不同生物体的遗传信息结合在一起，并且让我们置身于充满未知的生物学竞技场……由于我们被迫在知识匮乏的时候做出决定，因此以谨慎的态度来开展此类研究是明智之举。”

1975 年，保罗·伯格、玛克辛·辛格与诺顿·津德在阿西洛马会议期间进行交流，与此同时悉尼·布伦纳在后面做记录。伯格等学者发现某类技术可以让杂交DNA 分子（重组DNA）在细菌中大量扩增（基因克隆），于是他们建议在这种技术的风险得到充分评估前“暂停”某些重组DNA 工作。

为了降低可能存在的研究风险，该文件提出了针对转基因生物潜在生物危害的分级方案（四级），同时为不同级别的实验室提供了指导意见（例如致癌基因插入人类病毒应该属于最高级别限制，而将青蛙基因转移至细菌细胞符合最低级别限制）。文件在结尾处要求对基因重组与限制措施开展动态调控，也许这些限制措施在不久以后具有放宽或者收紧的可能。

当闭幕会议于最后一天早晨8点半开始时，委员会专家非常担心该提案将遭到否决。然而令人惊讶的是，几乎所有与会者都表态支持这项决定。伯格说：“阿西洛马会议所取得的重要成果之一就是证明科学家具有自治能力。”当科学界处于进行重大抉择的时刻，科学家应该如何面对重组DNA 的风险与不确定性？当然还是通过他们最熟悉的研究方法：其中就包括数据收集、证据筛选、风险评估、谨慎决策与集思广益。

除此之外，阿西洛马会议促成了科学与公众交流的机制，尝试在主流媒体上公开有关基因克隆的担忧。正如伯格所描述的那样：“ 由于超过10% 的与会者来自新闻媒体，因此公众的信任感无可置疑地得到了提升。”阿西洛马会议的最后一个亮点其实更值得商榷。虽然人们在会议中广泛讨论了基因克隆的生物学风险，但是实际上并未涉及该问题的伦理与道德层面。那么操纵人类细胞中的基因会产生何种后果呢？如果将新的信息“写入”人类基因（尤其是基因组）会产生何种结果呢？

《基因传》