第十七-1章 亂點鴛鴦譜 (基因工程原理)
「上帝說:果子都包著核。」 聖經/創世記一11
一.前言
分子疾病﹝Molecular disease﹞如地中海貧血症。
遺傳與基因息息相關。
二.核酸(RNA)、去氧核酸﹝DNA﹞與基因的功能
核酸的基本單位與結構：
1.根基(bases)包括有嘌呤(Purines)與嘧啶(Pyrimidines)
其中嘌呤有腺嘌呤(Adenine)、鳥糞嘌呤(Guanine)。嘧啶有胞嘧啶
(Cytosine)、胸腺嘧啶(Thymine)與尿嘧啶(Uracil)。尿嘧啶只在RNA
中、胸腺嘧啶在DNA中存在。
2.核醣(RNA中)或去氧核醣(DNA中)
3.磷酸
三者結合成去氧核甘酸，最後聯結成去氧核酸(DNA)；或成為核甘酸，最
後成為核酸(RNA)。
DNA成為雙螺旋狀構造。DNA是遺傳物質。能使細菌變質(Transform)。能
準確的自我複製或遺傳至下一代。
RNA核酸有核醣體核酸(Ribosomal RNA)、轉送體核酸(Transfer
RNA)及訊
息核酸(Messenger RNA)。
三.Gare中心定律(Central
dogma)
DNA作模板自我複製、DNA轉錄RNA、RNA轉譯蛋白質。
（DNA
--> RNA ---> Proteins
四.基因密碼
三個根基決定一個氨基酸。
在去氧核酸(DNA)上的訊息稱做核密碼(Codes)。在核酸(RNA)上的訊息稱作
密碼 (Codons)。在轉送核酸上為反密碼(Anticodons)。
五.生命在於基因的運作
遺傳物質為染色體染色體由基因組成。
人類細胞內的染色體有23對(46條)。
精、卵原細胞經有性分裂(Meiosis)成精卵子，精、卵子僅具有一半(23條)
染色體，精、卵再結合成受精卵(具23對，46條)染色體。受精卵經有絲分
裂(Mitosis)與分化作用成為個體。
基因的調控系統(operon)：
調控系統上的基因有調控基因(Regulatory gene)。啟動基因(Promoter)。
結構基因(Structural gene)等。
基因的轉移與重組(Gene tranfer and
recombination)：
在細胞分裂時經常會有染色體的轉移與重組。細胞特性因而會受到改變。
基因也可以受到剪下(Cut)，複寫(Copy)，和貼上(Past)的處理而成為另一
特性之基因。
有些酵素專門切基因，如限制脢(Restriction
enzymes)。
也有些基因可以移位，如移位基因(Transposon)。
基因也可以切下，再貼在質體基因(Plasmids)上。
基因可以由一個細菌內抽出，切下，貼在質體上，再轉移到另一個細菌
上，使接受質體的細菌變質(Transformed)。
基因庫(Gene library)與基因圖譜(Gene maps)：
基因由限制脢切割成片段後，再經電泳分離成片段的圖譜，稱基因圖譜。
所有的基因片段組成基因庫。每一個人或家族的切割點不一樣，可以得到
不同之片段長短，它的基因圖稱作限制段落長度多態(Restriction
fragment length polymorphism)。可做遺傳鑑定之用。
六.基因工程
基因轉殖,製造重組去氧核酸(Recombinant DAN)的方法：
1.用限制脢將基因切成段落。
2.將切斷的基因加以組合。
3.將此重組之基因用質體(Plasmid)來攜帶。
4.利用細菌大量製造重組基因。
聚合脢連鎖反應(Polymerase chain
reaction)可以將基因大量複製)。
基因轉移至細胞內之方法：
(1)DNA主導變質作用(DNA
mediated transformation)
DNA藉受體之細胞膜特性改變而進入細胞體內。
(2)顯微注射(Microinjection)
在顯微鏡下將DNA注入細胞核內。
(3)原生質融合(Protoplast fusion)
使兩細胞膜接觸融成一個細胞。
(4)藉濾過性病毒進入細胞中
七.生物技術：遺傳工程的應用
1.醫學上的應用：
(1)診斷(Diagnosis)
(2)治療(Gene
therapy)
(3)製造疫苗，醫療食品與藥物，蛋白質，細胞組織或器官等
(4)鑑定基因密碼排列
(5)其它
2.非醫學上之應用：
(1)轉殖植物、農作物(Transgenic
plants)
(2)轉殖動物、畜類(Transgenic
animals)
(3)食品工業(Food
technology)
(4)環境保護(Environmental
conservation)
(5)其它
八.討論
1.基因工程的基本原理為何?
2.基因工程在醫學上有何應用?
3.基因工程在非醫學上有何應用?
4.你認為用基因工程來改變人性(如果可行的話)有何問題?
你願意接受如此改變嗎?
5.何謂「基因主義」?
它會帶來什麼問題?
九.結論
十.參考資料
1.一般生物學/生物化學教科書 (略)
2.「遺傳工程與人的未來」(1995)潘柏滔著,
3.「複製之謎」(1997)李.希爾佛著,李千毅,莊安棋譯,
4.「基因複製」(1998)吉娜.科拉塔著,洪蘭譯,
5.「DNA的語言」,波拉克著,楊玉齡譯,天下文化
6.「基因聖戰」,畢修普,瓦德霍茲著,楊玉齡譯,天下文化
7.「自私的基因」,道金斯著,趙淑妙譯,天下文化
8.「繽紛的生命」,威爾斯森著,金恆鑣譯,天下文化
十一.參考影片(清大視聽中心)
1.
「遺傳基因」Discovery Channel Video,
No. 44, 協和國際多媒體公司
十二.附錄
1. GMO
|
遺傳新世代，GMO引爆物種革命 |
|
|
Page 1 of 9 |
|
|
|
|
|
陳俐齡 |
|
|
|
|
|
|
不論我們喝的豆漿，或是吃的稻米、蔬菜，或多或少都已經是基因轉殖作物。 |
美麗的獨角獸、可愛的飛天鼠、神奇的七色花，過去童話故事裡，人類運用特有的幻想力，創造出各種特別的動植物；時至今天，透過基因工程，科學家們努力在實驗室裡讓想像力成真……
另外，出現在科幻電影裡，帶有3％取自老鷹、豹基因的「非純人類」，以及《變蠅人》、《蜘蛛人》，和電影《千鈞一髮》（The
Gattaca）中，充滿基因歧視的社會，未來可不可能出現？
當複製羊出現的那一刻，很多人早已預料到，複製人只是遲早的事情而已（據新聞報導指出，已有一位美國頂尖胚胎學專家，將帶著六對夫婦，前往一發展中國家，打算突破英國及歐盟禁令，生下全球首批複製人。）
宗教、道德、法令，已抵擋不住人類的好奇心；就像一場歷經百年的尋寶接力，廿一世紀的科學家，終於歷經千辛萬苦來到藏寶密室，解開密鎖，打開大門，這時，豈有掉頭走人之理。
遺傳新時代，物種大躍進，世紀交替，GMO已全面來臨？！你準備好了嗎？！
談到生物科技，一般人總以為跟自己的生活很遙遠，或是只有電影裡面才會出現複製人、器官再生。
然而，現實生活中，不論是花店裡的紫色玫瑰，或是早餐店喝的豆漿，以及餐桌上的米飯蔬菜，其實早已因為生物科技的演進，而帶來全面性的改變，尤其近年來深被全球各地科學家、環保團體、消費者熱切關注的GMO話題，更是一個直接影響每個人日常生活飲食的生命科學技術。
GMO（Genetically Modified Organisms），中文譯為「基因工程改良生物」，也就是基因改造生物，利用現代基因工程，將甲生物的某個基因轉殖到乙生物後，乙生物便獲得甲生物該基因的遺傳特性，成為基因改造生物。
雖然目前大部分提到的GMO，皆指基因轉殖植物或基因轉殖作物（GM
Crops）、基因轉殖食品（GMF，genetically modified food）為主，然而，事實上，GMO所包含的不只是植物，還包括動物、微生物及病毒。
DNA配對 科學家挑戰造物者
十九世紀後半期，遺傳學之父孟德爾（Mendel）在不同品種的小豌豆間進行無數次的雜交，而發現了遺傳特徵和遺傳規律的存在，揭開傳統遺傳學的歷史序幕。人們開始認識什麼是染色體，探索人體哪些特徵遺傳自父親，哪些特徵遺傳自母親，並且進一步研究疾病與遺傳的關係。
經過近百年的研究，生物學家確信生物體內的主要遺傳物質為DNA，到了一九五三年，英國籍科學家華生（James Watson）與克里克（Francis Crick）解開了DNA雙股螺旋結構之謎，為廿世紀的生物學開啟分子生物世界的新頁。
「科學家取代上帝的手」，在實驗室中大玩DNA的配對組合。七○年，科學家以人工方式成功合成第一個基因；七二年，世界上第一批重組DNA分子誕生；隔年，幾種不同來源的DNA分子裝入載體後，被植入大腸菌中，基因工程正式誕生。
但是GMO真正登上歷史舞台，是從一九七三年開始，美國科學家赫伯特．博耶（Herbert
W.Boyer）和斯坦利．科恩（Stanley N.Cohen）使用了新發現的叠（限制叠，可切核酸的酵素），可精準地在已知位置上把DNA切割成便於操作的片斷，並使用分子黏合劑（即所謂連接叠的細菌叠），無論片斷從哪裡來，連接叠都可以把他們重新組合起來。
博耶和科恩首先將一種猴子的致癌病毒（SV40）植入大腸桿菌中，成功地誕生「rDNA」（recombinant
DNA），也就是重組DNA技術。
計畫終止 生態平衡遭挑戰
rDNA技術的出現，宣告基因改造生物──GMO的全面來臨。
神奇的「剪刀、黏貼」技術，讓科學家們成了萬能造物者，所有物種不再「謹遵」遺傳定律，不論是植物、動物、微生物的DNA，皆可相互轉殖DNA到對方體內，例如，把蠍子的基因放入番茄當中，將狗的基因植入貓中，創造出全新生物物種，在天馬行空的想像力下，充滿無限可能！
不過，就在驚喜的同時，也伴隨著巨大的恐懼。
「一九七四年七月廿六日，一個令人驚愕的消息傳遍了全世界，包括11位美國生物學家、遺傳分子專家，號召全世界的同行停止所謂的『遺傳操縱』實驗，停下所有的工作，讓研究成果延期發表，這是科學史上前所未有的事！」馬賽爾．勃朗（M.Blanc）在他的《遺傳學時代》中描述，當時科學家們十分擔心，利用這種重組DNA的技術，會創造另一種原本不存在於自然界中的生物，而有害於生態平衡。
此外，當時由博耶和科恩所創造出，帶有SV40病毒基因的大腸桿菌，也一度引發其他科學家質疑，「一旦讓這種含有致癌病毒片斷基因，寄存在人類及動物腸道內的大腸桿菌擴散出去，會不會導致無法估計的危險？」
彷彿電影《危機總動員》的情節，一隻帶有病毒的實驗室猴子，意外侵入美國維吉尼亞州，在當地散播這種人畜共通的傳染病毒，結果造成數百名居民傷亡……當時有很多科學家擔心，深怕類似的情節會在真實世界上演，同時有更多人擔心「生化戰爭」的恐怖到來，因此，在多方反對壓力下，終於導致基因重組技術被迫終止實驗。
嚴格控管 促進人類福利
然而，就在一年後，一場在美國舊金山舉行的世界級科學討論會中達成決議，讓研究人員重操實驗，但採取了更嚴格的安全和檢查措施；一九七六年NIH（美國國家衛生研究院）公布研究法規，希望在不威脅全人類生存與生態平衡下，使得基因重組實驗能順利推展。
於是，各種各樣的GMO，開始在世界各地的實驗室中，逐一形成、誕生，包括在單細胞生物（包含細菌、培養的動植物細胞酵母）上進行移植、刪除或改造基因，提供作為人類基因可對應的蛋白質性質與作用的特徵，例如進行麵包酵母基因與人體基因的研究，希望藉由從酵母中找到藥物，而進一步找到可供人類使用的藥物。
另外，從蒼蠅身上的改造基因進行觀察，以協助人類研究胚胎，而有些基因改造小鼠，則成為研究人類疾病的模型；也有一些GMO產物則是變成有藥用價值的材料，或用來治療疾病，挽救人類生命，例如利用基因轉殖技術，大量生產一種能夠製造含有人類胰腺細胞相同的胰島素大腸桿菌，用來治療糖尿病者，而不會引起免疫反應。
著名的例子就是科學家Boyer在一九七二年成立的Genetech生物技術公司，該公司應用GMO技術將人類胰島素基因轉殖進入大腸桿菌中，進而大量生產胰島素，為糖尿病患者帶來重生的希望。
此外，透過GMO技術生產各種蛋白質疫苗、從各種奶類中獲得蛋白質藥物、或利用食用植物製成口服疫苗等，都是已發生，或即將發生的事。
轉殖動物 技術突飛猛進
基因改造更不只在植物進行，世界各地的科學家們，也大量投入了動物基因改造工程，如先前美國、加拿大生技公司已共同研發出基因轉殖鮭魚等。
而包括魚類、家禽類等人類食用的肉類來源，科學家也希望透過基因轉殖技術，以邁向「更好」的境界，例如提高家禽類、畜牧類動物的繁殖力、抗病能力，改善肉、奶和毛的質量，或是改善牛奶、羊奶結構，讓這些奶類跟人奶更為接近，更易被人體吸收。
而各種基因轉殖鼠、基因轉殖豬、基因轉殖牛等，更是邁向以基因轉殖家畜量產人類醫藥用蛋白質，以及未來人類各種器官移植的重要來源等醫療技術層面，持續研究發展。
GMO的神奇力量，雖然一方面令人無限驚喜，但另一方面也帶來等量的質疑，隨著技術不斷地成熟、翻新，伴隨引發各界贊成與反對的對抗，更掀起擁抱與拒絕的激辯！
樂觀者認為，GMO可以解決人類的糧食危機、提供營養、治療疾病，帶來美麗新世界；而悲觀者認為，GMO就像洪水猛獸，創造不知名的「怪物」，威脅整個地球的生物，破壞整個生態的平衡。
究竟GMO是利大於害，還是害大於利，現今要評斷這項新興科技仍言之過早，但面對GMO時代的全面來臨，深入瞭解、謹慎以待，絕對是人類必要的態度！
「突變」蒼蠅
後來到了廿世紀初期，遺傳學家H.J.馬勒將X光照射在蒼蠅身上，造成基因「突變」，產生胸部無毛、扭曲翅膀、白色或鮮紅眼睛的下一代後，至此，雜交與突變技術，成為科學家在研究遺傳基因變化上，最重要的技術課題。
何謂基因重組？
細胞融合或雜交的技術，基本上不屬於重組基因的技術，例如將血緣接近或相同的生物細胞融合，讓它再分裂，因而把兩個細胞的特性融合在一起，桃莉羊或一般的複製技術，都僅是融合不同的細胞，而激起分裂而已。不過，在融合前如果細胞經過基因改造，則屬於遺傳工程（重組基因的技術）。
基因轉殖工程演進史
1973 美國科學家Herbert W.Boyer和Stanley
N.Cohen把一種猴子的致癌病毒（SV40）植入大腸桿菌中，成功地誕生「rDNA」（recombinant DNA）、重組DNA技術，視為基因轉殖工程的開始。
1978 美國遺傳工程公司Genetech已對細菌以基因轉殖成功，製出人類胰島素。
1980 Martin Cline等人，創造出第一隻基因轉殖鼠。
1988 英國愛丁堡大學成功育出全球第一隻能分泌人類胰蛋白叠及血液凝固因子的轉基因羊。
1988 美國生技公司孟山都（Mosanto）成功重組大豆基因。
1989 首度以基因轉殖技術將重組DNA藥劑用以治療疾病。
1990 美國遺傳學家W.French Anderson成功對罹患ADA缺乏症的四歲女孩進行全球首例基因治療（利用改造的細胞進行治療）。
1992 美國加州生技公司Chiron率先推出全球第一支DNA疫苗。
1995 美國Duke大學以基因轉殖的豬心臟移植到狒狒，開啟跨物種移植技術。
2. 基因研究 提升農業經濟價值
何志煌
【2002/10/13
經濟日報】
隨著新興生物技術的應用，農業的應用運作、價值鏈及產業結構已產生了重大的變化，傳統的畜禽養殖、作物種植及水產養殖固然仍有相當的重要性，相關技術也持續進步，但更值得注意的是新興生物技術如基因工程及複製技術等已大幅擴張了農業的應用範疇，而且這些新技術、新應用產生的經濟價值正急劇增大，對於產業有深遠的影響。
基因改造作物（GMO）大概是生物技術在農業應用最令人耳熟能詳的例子，部分原因自然是消費者團體及環保團體對其安全性及潛在影響曾有疑慮，而歐盟及日本等地區與美國對相關議題立場不一，影響擴及貿易、外交層面，也使它在媒體出現的頻率大幅增加，但經過這些年來的折衝及討論驗證，國際間對其管理已漸趨平衡，原本最持保留態度的歐盟也同意目前並無科學證據顯示GMO 有害，將在近期內建立審核 GMO 上市的相關機制。
GMO 的商業化目前以大宗作物如大豆、玉米及棉花等最具經濟意義。據統計，基因改造作物的全球種植面積已達 1 億 2,500 萬英畝，其中大豆、玉米及棉花分別占其總種植面積的 46%，7%及 20%，引入的基因特性以抗殺蟲劑為最大宗，最主要的種植國家依序是美國、阿根廷、加拿大、墨西哥、羅馬尼亞、烏拉圭及南非，其中技術領先的美國在其國內種植的大豆、棉花有近七成是基因改造品系。
中國大陸的動向亦值得注意，它在基因改造作物方面的投資目前僅次於美國，金額超過所有其他開發中國家的總和，並打算在2005 年之前增加四倍，其研發的對象除了棉花、稻米、玉米、小麥等作物外，也包括蕃茄、甘藍、馬鈴薯及哈密瓜等，基因轉殖則以抗蟲、抗病為主要目標；截至 2000 年為止，大陸已有251 個基因改造的品種進入田間試驗。
隨著基因解碼技術的漸趨成熟，基因體研究 (Genomics) 及其應用也愈來愈重要，在植物方面，目前單子葉的稻米及雙子葉的阿拉伯芥草的基因已完成定序，重點開始轉向基因功能及代謝路徑、代謝產物之研究，預期未來將與二次代謝物、健康食品及藥用物質之生產等研究合流。
較諸植物，動物基因體的研究在過去顯得較冷淡，其主要原因在於動物的研究介於植物與人類基因計劃之間，不易凸顯，而且動物飼養及保健產業本身的垂直整合不足，對於新興科技的投資相對較少，這種狀況預期在未來將大幅改善，因為相關技術的發展已漸趨成熟，而且動物基因體的研究與人類醫療研究可以互補，以犬類研究為例，估計其中便有約 200 個基因疾病與人類相關，可見彼此關係之密切。
新技術及新應用帶來了產業結構性的變化，過去兩年一些大公司的農業生技部門獨立而為新的公司，在此同時，基於經營策略的考量，許多農業生技公司則如醫藥生技公司一般，走上併購之路，其中以拜耳 (Bayer) 併購亞文提斯（Aventis CropScience）的 66 億美元全額最大，這也使得跨國的農業生技大廠由七個減少為六個，分別是
Syn-genta，Monsanto， BASF，DowAgro，DuPont 及 Bayer。