基因工程在医学中的应用
1972年，博耶（H.Boyer）从大肠杆菌中分离得到了一种限制性内切酶，根据命名原则称其为EcoRⅠ，该内切酶可在特定位置将DNA切开，并形成黏性末端。1974年，美国斯坦福大学教授科恩（S.Coben）成功“裁剪”出一段非洲爪蟾的DNA与大肠杆菌的质粒进行“拼接”，使大肠杆菌产生非洲爪蟾的核糖体核糖核酸，并申报了世界上第一个基因工程的技术专利。两栖动物的基因能在细菌里发挥作用，也能在细菌里不断复制的事实说明，基因工程完全可以不受生物种类的限制，而按照人类的意愿去拼接基因，创造新的生命类型。自博耶和科恩使外源基因在原核细胞中成功表达开始，基因工程正式问世。基因工程打破了不同物种在亿万年中形成的天然屏障，预示着任何不同种类生物的基因都能通过基因工程技术重组到一起，创造新的生命类型。基因的神秘面纱在被逐步揭开。
1980年，科学家培育出世界第一个转基因动物——转基因小鼠。1983年，科学家培育出世界第一个转基因作物——转基因烟草。目前，基因工程不仅可以应用于农业育种、食品工业、药品制造等领域，还可以运用于医学临床研究和诊断。1990年10月，“人类基因组计划”正式启动，其被誉为生命科学的“登月计划”。2000年4月底，中国科学家按照国际人类基因组计划的部署，完成了人类基因组1%的工作框架图，这不仅使中国走进了生物产业的国际先进行列，也使中国可以理所当然地分享人类基因组计划的全部成果、资源与技术，21世纪的中国生物产业也因此一片光明。
自21世纪以来，人类对于生命科学的研究已经进入分子领域，以基因工程为代表的研究项目成为现代生命科学体系的重要组成部分，推动着现代医学的发展。经过几十年的发展，人类在基因工程研究领域已经进入新的历史时期，并将基因技术广泛应用于现代医疗卫生领域，取得了良好的效果，具体体现在基因工程药物、基因诊断和基因治疗等几个方面。
（一）基因工程药物
基因工程制药是基因工程应用最热门的领域，也是发展最出色的领域。自从1982年美国上市世界上第一个基因工程药物——重组人胰岛素以来，基因工程药物成为世界各国政府和企业投资开发的热点，近20年发展尤为迅速。目前基因工程药物的年销售额已超过千亿美元，并且随着生物技术的快速发展，基因工程药物将拥有越来越广阔的发展前景。我国于1989年研制出第一个拥有自主知识产权的基因工程药物——重组干扰素α-1b，至今已有20多个品种获准上市，其质量与进口同类品种相当，而价格却仅为进口药的三分之一左右。随着我国生物技术的迅速发展，国产基因工程药物价格不断降低，必将进一步促进基因工程药物的临床应用。
基因工程药物主要包括细胞因子、疫苗、激素、抗体和寡核苷酸药物等，它们在糖尿病、心血管疾病、病毒感染性疾病、类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis，RA）、创面修复和抗肿瘤等方面具有广泛的应用前景。下面介绍几类基因工程药物。
（1）细胞因子类药物
细胞因子是由细胞分泌的能调节生物有机体生理功能，参与细胞增殖、分化和凋亡的小分子多肽类物质。自1957年第一种细胞因子——干扰素（interferon，IFN）被发现以来，已有数百种细胞因子被发现，其中有数十种通过基因工程技术获得表达并用于医学临床试验，目前被批准上市的细胞因子产品已有十多种。根据细胞因子的功能可将其分为干扰素、集落刺激因子（colony stimulating factor，CSF）、白细胞介素（interleukin，IL）、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）、趋化因子（chemokine）和生长因子等。细胞因子通过与靶细胞表面的特异性受体结合而发挥作用，具有广泛的生物学活性，其作用特点表现为多相性、网络性和高效性。下面介绍几种基因工程细胞因子的临床应用。
①干扰素（interferon，IFN）是一类多功能细胞因子，根据结构和来源可将其分为IFNα、IFNβ和IFNγ三种。美国FDA于1986年批准基因工程IFNα2a和IFNα2b上市，基因工程IFNγ和IFNβ也分别于1990年和1993年上市。干扰病毒繁殖、抑制肿瘤细胞生长和免疫调节是干扰素的主要作用。目前，在临床上干扰素已用于治疗白血病、乙型肝炎、丙型肝炎、多发性硬化症和类风湿关节炎等多种疾病。最新研究发现，干扰素的激活途径和系统性红斑狼疮（systemic lupus erythematosus，SLE）相关，抑制IFNα的活性是SLE的治疗靶点。IFNα抗原疫苗的临床前实验表明，其对SLE有较好的疗效。目前利用干扰素治疗SLE的研究已经进入临床观察阶段。
②红细胞生成素（erythropoietin，EPO）是一种集落刺激因子，由肾脏和肝脏产生。重组人红细胞生成素是应用基因重组技术，使人的EPO基因在中国仓鼠卵巢细胞（CHO）中表达，并通过细胞培养、蛋白质纯化等方法制备的生物工程产品。其主要功能是刺激造血干细胞分化为红细胞，维持外周血中红细胞的正常水平。目前，EPO在临床上主要用于治疗肾功能衰竭导致的贫血性疾病，也可用于非肾性原因导致的贫血，如慢性感染、炎症、肿瘤和放化疗等导致的贫血。
③白细胞介素（IL）简称白介素，是由多种免疫细胞产生的在白细胞或免疫细胞间相互作用的淋巴因子，它在传递信息、激活与调节免疫细胞、介导T细胞与B细胞活化、增殖与分化及炎症反应中起重要作用。迄今为止，研究者已发现了20多种白介素，多种基因工程白介素产品已上市或进入临床试验。基因工程IL-2于1992年由美国Chiron公司生产并上市，主要用于肾癌、黑色素瘤和非霍奇金淋巴瘤的临床治疗，可明显提高患者的细胞免疫功能，改善其生活质量和预后。
（2）激素
激素是一类由生物体内分泌腺或特异性细胞产生的微量有机化合物，通过体液或细胞外液运送到特定的作用部位，能引起特殊的生理效应。根据激素的化学性质可将其分为多肽蛋白类激素、类固醇类激素、胺类激素和脂肪酸类激素。基因工程类激素主要指通过基因工程方法合成的蛋白质多肽类激素。目前被批准上市的激素类药物有胰岛素（insulin）、人生长激素（human growth hormone）、卵泡刺激素（follicle-stimulating hormone，FSH）等。
（3）基因工程疫苗(https://www.daowen.com)
基因工程疫苗是使用DNA重组生物技术，把天然或人工合成的遗传物质定向插入细菌、酵母菌或哺乳动物细胞中，使之充分表达，最后将产物纯化而制得的疫苗。应用基因工程技术能制出不含感染性物质的亚单位疫苗、稳定的减毒疫苗及预防多种疾病的多价疫苗。基因工程疫苗主要分为如下几类：基因工程亚单位疫苗、基因工程活载体疫苗、核酸疫苗、基因缺失活疫苗及蛋白工程疫苗。
（二）基因诊断和基因治疗
基因工程技术除了可用于生产预防疾病的疫苗和治疗疾病的药品之外，在疾病的基因诊断和基因治疗方面也发挥着日益重要的作用。基因诊断是指利用重组DNA技术，直接从DNA水平定位病变基因，因而它比传统的诊断方式更加可靠。目前，多种致病基因的诊断和定位方法已被建立。例如，基因探针法、PCR扩增靶序列法、单链构象多态性分析法（SSCP）、多重PCR法、DNA芯片杂交病变图谱法以及高通量测序技术等，都可通过检测患者的DNA或RNA的序列正常与否，从而对人体健康状况和疾病做出诊断。基因诊断的临床意义在于对疾病做出早期确切的诊断，确定患者对疾病的易感性，以及疾病的分期分型、疗效监测和预后判断等，基因诊断是发展精准医疗必不可少的前提。
目前基因诊断主要着眼于遗传性疾病、感染性疾病和肿瘤的基因诊断。遗传性疾病是由于患者体内某种基因完全缺失、部分缺失或存在点突变，使其体内相应的蛋白质的数量和质量与正常人不同，不能执行正常的功能而表现的疾病。基因诊断对明确遗传性疾病的基因定位、基因缺陷的类别和程度以及对遗传相关疾病或有遗传倾向的疾病进行相关基因的连锁分析起辅助诊断的作用。例如，用α-珠蛋白基因探针检测地中海贫血症和用苯丙氨酸转移酶基因探针检测苯丙酮酸症等。下一代测序技术可直接对单基因遗传病的致病基因进行快速测序检测。感染性疾病是指由病毒、细菌或寄生虫等病原体的感染而引起的疾病。由于这些病原体都具有自身特异的基因组，采用核酸分子杂交技术针对病原体特异的核酸序列设计探针进行杂交或采用PCR技术对病原体基因的保守序列进行扩增，能够对大多数感染性疾病做出明确的病原体诊断、分类和分型鉴定。肿瘤的发生发展是多因素、多基因、多阶段相互协同作用的癌变过程，其关键是人类细胞基因组本身出现了异常。检测这些基因序列或表达情况的改变，将有利于肿瘤的早期发现和早期治疗，从而提高肿瘤患者的生存率和治愈率。
随着分子生物技术的进步，基因治疗逐渐在临床被开展运用。基因治疗是指将外源基因导入目标细胞，以纠正或补偿基因缺陷或异常，达到从根本上治疗疾病的目的。基因治疗作为一种全新的疾病治疗手段，在一定程度上改变了人类疾病治疗的历史进程，使某些难治性疾病的治愈率和治疗效果显著提高。1990年，被称为“基因治疗之父”的William French Anderson医生领衔进行了一项长期临床试验，治疗患有腺苷脱氨酶（ADA）缺乏性重度联合免疫缺陷症（ADA-SCID）的儿童，他使用逆转录病毒将ADA基因转移到分离的T细胞中，然后将这些基因修饰的T细胞回输至患者体内。令人高兴的是，临床试验观察到患者的健康状况得到了显著改善。这是基因治疗技术获得的首次胜利。1991年，中国复旦大学的研究人员进行了“成纤维残暴基因治疗血友病B”项目，患者经过治疗后体内凝血因子Ⅸ浓度上升，出血症状减轻，取得了安全有效的治疗效果。此外，我国科学家还开展了针对肿瘤和血液病的基因治疗。
用于基因治疗的基因有三大类：第一类是正常基因，它是从健康人体内分离得到的，可通过同源重组的方式置换病变基因或依靠其表达产物弥补病变基因的生理功能，正常基因常用于治疗各种基因缺陷型遗传疾病，如血友病、地中海贫血等。第二类是反义基因，它主要用于治疗获得性分子疾病，反义基因的体内表达产物（RNA）或与病毒激活因子编码基因互补，或与肿瘤基因mRNA互补，从而阻断病毒或肿瘤基因的表达。第三类是自杀基因，这是一类编码能杀伤癌变细胞的酶蛋白基因，它们存在于病毒、细菌和真菌中，能将无毒的细胞代谢产物转变为有毒的化学物。基因治疗的策略主要有六种：基因修复、基因代替、基因开放、基因抑制、基因封闭和免疫基因。目前主要开展的基因治疗是基因替代，即将有功能的正常基因转移到疾病细胞或者个体基因组的某个部位，以替代缺陷基因发挥功能；基因修复是最理想的选择，但目前无法实现；基因开放是指开放机体类似功能的基因，以超过或者替代异常基因表达；基因抑制是指导入外源基因以抑制原有的基因，从而阻断有害基因表达；基因封闭是封闭mRNA，旨在抑制基因表达；免疫基因是指将免疫因子基因导入肿瘤浸润的淋巴细胞，以加强细胞的免疫力。基因治疗被认为是有希望征服肿瘤、心血管疾病、糖尿病、病毒性肝炎和艾滋病（acquired immune deficiency syndrome，AIDS）等疾病的治疗手段。
总之，基因工程技术是人类控制、改造微观世界的有力手段，其在医学上的应用有着巨大的价值和广阔的发展前景，但同时也要注意，生命科学技术是把双刃剑，有利必有弊。因此，面对基因工程发展过程中暴露的问题，要严肃对待，提出切实的针对措施；对应用于临床的基因工程技术要严格遵守适应证，同时还应加强医学伦理教育。
科学小故事
“照亮细胞”的绿色荧光蛋白
有些生物具有发光的能力，其中以萤火虫最为有名，中国古代就有“捕萤夜读”的佳话。在海洋里，有些水母、珊瑚和深海鱼也可以发光，它们大多数依靠体内特定的荧光素酶催化底物荧光素产生荧光，这是其他生物难以做到的。
20世纪60年代，日本科学家下村脩（Qsamu Shimomura）潜心研究会发出绿色荧光的维多利亚多管发光水母（Aequorea victoria），想要找到它们的荧光素酶。经过艰苦的努力，下村脩发现维多利亚多管发光，水母具有独特的荧光素/荧光素酶发光系统，并且含有一种能自身发光的绿色荧光蛋白（GFP），这对理解发光原理具有重要意义。
GFP荧光的产生不需要任何外源底物，而且荧光极其稳定。在激发光照射下，GFP的抗光漂白能力非常强。此外，生物材料制备中的固定、脱水剂戊二酸和甲醛等对GFP荧光的影响也很小。利用这些性质，生物学家们可以用GFP来标记几乎任何透明的生物分子和细胞，然后在蓝光照射下进行观察，原来透明的结构或物质会立刻变得清晰可见。因此，GFP作为一种活体生物示踪分子明显优于任何其他酶类报告蛋白。
下村脩的同事普瑞舍（Douglas Prasher）首先获得了GFP的基因。接着，美国哥伦比亚大学的学者开始尝试将GFP表达到线虫和大肠埃希菌中。随后，GFP相继在病毒、酵母、小鼠、植物和人类细胞等多种生物体内成功表达。
在对野生型GFP进行系统研究和化学改造的过程中，华裔美国科学家钱永健大大增强了GFP的发光效率，还发展出了红色、蓝色、黄色等不同的变种，使得GFP家族成为琳琅满目的蛋白质标签工具箱。