轉基因之基因的剪刀——限制性內切酶

轉基因話題一直被討論的很廣泛，這是好事也是壞事；好事我們都能理解因為這促進了大眾對科學的興趣和理解。那為什麼說是壞事呢？因為話題在進行深度解讀時會被扭曲，如果被廣泛傳播後更是扭曲的失去了原始面貌。上一篇《大眾誤解的轉基因》里我們探討了轉基因的一些基本問題；現在我們來詳細了解一下轉基因。

目前大眾的關注點在於轉基因的安全性，害怕轉基因後原生物會變成新物種引起生物入侵導致生態危機或者產生有害物質導致大量生物死亡或變異。想要解答這個問題我們需要先了解一下關於轉基因的具體細節。當我們真正了解了整個轉基因的過程後才能正確的理解轉基因，這篇文章主要集中在講解轉基因技術中最關鍵技術之一的限制性內切酶，它被稱為「基因剪刀」。

什麼是限制性內切酶？限制性內切酶怎麼發現的？有什麼作用？對人體有害嗎？

什麼是限制性內切酶？

轉基因技術屬於現代分子生物學的一項比較成熟的技術，其中基因敲入（就像是在一段繩子中加入一段新繩子）跟基因敲出（類似把一根繩子中的一段摘出來並把繩子再重新接上）一起稱為基因編輯。現在大熱的CRISPR/Cas9就是一種基因敲出敲入的技術工具。基因的直徑大約是2nm（是頭髮絲的1/40000），這麼小的尺度下怎麼進行基因編輯呢？這就需要有一個超小型的「剪刀」和「粘接工具」能準確知道那一段是要處理的。聽起來是不是就很難啦？其實不然，因為在生物體內無時無刻不在發生著這樣的過程，特別是在細菌里。因為細菌的繁殖速度非常快，在繁殖過程中會出現基因的交換；同時它們也容易收到細菌病毒的侵襲，比如噬菌體病毒。

噬菌體掃描電鏡及結構圖

在細菌的複製繁殖過程中，基因重組而重組。基因重組就是一種自然界中隨機發生的基因轉移過程。雖然當時已經知道有基因重組，但該過程的具體過程當時還不清楚，而且人類在繁殖過程中也會有基因重組發生；所以當時很多科學家把視線集中到結構相對簡單的細菌，作為研究基因重組的工具（科學研究就是以簡單為基礎進行不斷深入的探索研究）。

限制性內切酶怎麼發現的？

在 1968 年，約翰斯 · 霍普金斯大學裡有一名初出茅廬的講師。他對基因重組很感興趣——基因重組中細胞能將 DNA 切割成片段，然後再將這些片段重新組合成新的 DNA 序列的過程，而且不會發生錯誤。因此，他選擇了一種名為流感嗜血桿菌（Haemophilus influenza）的細菌，研究它如何進行基因重組。流感嗜血桿菌和其他細菌一樣，可以直接攝取來自外界或者供體微生物的遊離 DNA 片段，並以某種方式把這些 DNA 片段整合到自己的基因組中。

流感嗜血桿菌熒光照片

細菌通過這種轉化方式獲得呈現新遺傳性狀的基因，這賦予了細菌新的特性，比如對抗生素的耐藥性。但是，流感嗜血桿菌的基因重組是一把「雙刃劍」。入侵的病毒（比如噬菌體）能夠「劫持」細菌內部的基因重組「裝置」，把自己的 DNA 注入宿主內部，利用宿主的蛋白質編譯系統來構建自己所需的蛋白質外殼，從而能夠進行不斷的自我複製。

1978年諾貝爾生理學或醫學獎獲得者史密斯

這位科學家就是1978年與丹尼爾 · 納思斯共同獲得諾貝爾醫學獎的史密斯。

為了弄清楚基因重組的過程，史密斯用放射性同位素標記法標記病毒——首先用磷的放射性同位素標記細菌的 DNA（因為DNA合成需要磷元素，這些磷都是從環境中攝取，只要把環境中的磷換成具有放射性的磷DNA在合成後新合成的DNA就具有了放射性，這樣就把DNA標記上了），然後再用病毒侵蝕細菌。這些病毒在細菌內部增殖，於是它們的基因也同樣標記有放射性同位素。然後史密斯和他的同事用這些標記有放射性同位素的病毒感染另一批細菌。在感染時，由於病毒會將自己的遺傳物質插入細菌的 DNA，所以他們預計這一批細菌的 DNA 同樣會攜帶放射性同位素。

噬菌體正在感染細菌

至少，這是他們預期會觀察到的現象。然而，史密斯帶領的研究生肯特 · 威爾科特斯（Kent Wilcox） 用放射性同位素標記的病毒感染細菌後，卻沒有在細菌的 DNA 中檢測到放射性。

病毒的DNA去哪了

在威爾科特斯做實驗的幾年前，日內瓦大學的微生物學家沃納 · 阿爾伯（Werner Arber）曾提出過一種假設：有一種酶可以通過切斷病毒的 DNA，限制病毒增殖，並將這種酶命名為「限制性內切酶」。也正是基於阿爾伯的假設，威爾科特斯想出了一個合理的理由來解釋實驗為何失敗，並告訴了史密斯——流感嗜血桿菌能摧毀病毒的DNA。

阿爾伯認為如果限制性內切酶失控，這種酶就會不斷切割細菌本身的 DNA，最終殺死細菌。他推測，流感嗜血桿菌可以通過用碳原子和氫原子來修飾 DNA ——這個過程稱為 DNA 甲基化（DNA methylation），從而避免基因慘遭自己內部的限制性內切酶的「毒手」。他提到，限制性內切酶不能切割已經甲基化的 DNA，但它可以襲擊來自病毒的未被甲基化的 DNA。

在威爾科克斯開展這個讓人沮喪的實驗的前一周，史密斯曾向他的實驗室推薦了一篇證明阿爾伯假設成立的論文。論文作者是哈佛大學的學者馬修 · 梅斯森（Matthew Meselson）和羅伯特 · 元（Robert Yuan），他們發現大腸桿菌中有一種能夠切除外源 DNA 的蛋白質，換句話說，這種蛋白質就是限制性內切酶。威爾科特斯記住了這篇文章，他告訴史密斯他們可能是碰巧發現了另一種存在於流感嗜血桿菌中的限制性內切酶。

為了測試了這個想法，史密斯做了個巧妙的實驗。他將病毒的 DNA 和流感嗜血桿菌的 DNA 分別置於兩個試管中，然後往每一個試管里都加入細菌內部的蛋白質混合物。如果細菌確實產生了限制性內切酶，混合物中的酶就會把病毒的 DNA 切成碎片。

測序儀是幾十年前被發明出的一種用來分析 DNA 序列的強大工具，直到今天仍在使用。不過，史密斯採用了一種更為簡便的方法來辨別試管中 DNA 片段的長短：含有長鏈 DNA 的溶液比含有短鏈 DNA 的溶液更粘稠，所以史密斯用粘度計測量了兩個試管中溶液的粘稠程度。結果正如他預料的那樣，含有病毒 DNA 的溶液粘稠度很快就降低了，這就可以推斷出病毒 DNA 被某些物質——很可能是流感嗜血桿菌內部的某些蛋白質——切成了小段。

限制性內切酶切割遺傳物質

「我立刻就知道這一定是限制性內切酶。」史密斯說道， 「那真是個絕妙的時刻——只要五分鐘，你就知道新發現誕生了。」

隨後，史密斯和他的同事不斷地重複著從細菌提取物中分離蛋白質的工作，在經歷了幾個月的枯燥乏味後，喜悅和滿足終於降臨：他們最終找到了限制性內切酶，還發現甲基化酶能夠通過用碳原子和氫原子來保護細菌本身的 DNA，以免被限制性內切酶「大卸八塊」。

現在我們知道了整個發現的過程，隨著研究的不斷深入開始有科學家將這種酶作為研究工，因為它能切割DNA。1972 年，斯坦福大學的生物學家保羅 · 伯格（Paul Berg）利用限制酶切割 SV40 病毒的 DNA，然後用另一種酶將其他病毒的 DNA「粘到」切割後的 DNA 片段末端，創造出了由兩個物種的遺傳物質組成的 DNA 片段。

有什麼作用？

許多科學家發現了這種兩物種遺傳物質組成的DNA的潛力，因為生物之間的DNA編譯系統是近似的。比如說一個蛋白在植物或者動物體內產生的周期很長，那麼可以利用細菌的生長迅速的特點讓細菌來生產這些蛋白。這樣一來，細菌就可以表達屬於其他物種的蛋白質，變成活生生的「生物工廠」。

隨著研究的深入和發展，各種各樣的生物製藥公司不斷湧現，致力於使用限制性內切酶改造 DNA。1976年，基因泰克（Genentech）正式成立，至於將這一技術用於商業——該公司的科學家使用限制性內切酶來構造攜帶人胰島素基因的大腸桿菌菌株。在此之前，糖尿病患者只能購買從牛和豬的胰臟中提取的胰島素——價格昂貴，製作困難。而基因泰克生產的胰島素來自於巨大的金屬發酵罐所培育的細菌，這大大降低了胰島素製作成本。

現在的轉基因生物，比如細菌和植物，已經能夠生產藥物、食品、燃料甚至服裝面料。基因編輯技術已經慢慢滲透到各行業中，併產生了非常巨大的市場價值。僅2012年，美國單單在生物科技領域獲得的財務收入就超過 3240 億美元。

對人體有害嗎？

從整個限制性內切酶的發現過程，很容易看出轉基因只是賦予一個物種原本沒有的一個很小的功能，比如能生產一種蛋白或者幾種蛋白；並沒有從本質上將一個物種改編成另一個物種。現在的轉基因植物基本是增加作物的抗倒伏抗蟲抗旱的能力，這些能力的實現都是一些蛋白再起作用。就像前一篇《大眾誤解的基因》里提到的，這些蛋白和基因在進入人體後都會被消化分解，基本對人體沒有危害。對於蛋白的產物，可能對其他生物有影響但能真正用到生產的轉基因作物都是經過嚴格的設計和篩選的；大部分就是把具有抗旱能力的A作物的抗旱基因轉嫁到沒有抗旱能力的B作物上，這樣B作物就具有了抗旱功能；而且通常A作物本來也是我們日常食物。

轉基因技術技術的本質只是綜合生物能力並不是創造生物，它必然有一個受體和一個或多個供體。

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