轉(zhuǎn)基因在生物延長壽命中的應用探討

1、轉(zhuǎn)基因在生物延長壽命中的應用探討棗莊市農(nóng)業(yè)科學研究院 許 杰摘要 生物體都是由細胞構(gòu)成的，生物體的壽命是由生物體的細胞分裂總代數(shù)和每一代的細胞壽命決定的，生物體的分裂總代數(shù)是細胞染色體的端粒長度決定的，由于DNA復制存在5末端復制缺陷問題，導致細胞的染色體末端的端粒DNA會伴隨著染色體的復制與細胞分裂出現(xiàn)漸進性的丟失，所以，在每一代細胞分裂過程中，子代細胞的染色體都比父代染色體端粒短，如果細胞沒有辦法填補這些空隙，染色體DNA將隨著每一次的細胞分裂而不斷縮短，直至這種缺隙侵蝕到染色體的結(jié)構(gòu)基因而使細胞消亡，最終導致生物的壽命終結(jié)。端粒是由端粒酶補齊的，在有端粒酶活性的細胞中，如生殖細胞睪丸、卵

2、巢、精子、卵子、受精卵中，端粒酶會按照自身RNA序列為模版進行復制，補齊染色體的端粒，這樣生命就會一代一代的延續(xù)。人類的細胞總分裂代數(shù)是60代左右，每一代的細胞壽命是2.5年，所以，人類的理論壽命是150年。轉(zhuǎn)基因可以讓生物壽命延長，將端粒的總長度利用轉(zhuǎn)基因的方法成倍的復制延長，m倍，然后用轉(zhuǎn)基因的方法再轉(zhuǎn)到端粒位置，這樣生物的壽命就會成倍的增加，或者將端粒酶的RNA序列成倍的增加，m倍，然后再利用轉(zhuǎn)基因的方法轉(zhuǎn)到端粒酶中，再將端粒酶注入到本就應該有活性的生殖細胞睪丸、卵巢、精子、卵子、受精卵中，這樣也可以達到增加生物總體壽命的目的，并且這二種方法增加的生物壽命都是可以遺傳的。關(guān)鍵詞 轉(zhuǎn)基因

3、延長 壽命 端粒 端粒酶生物都是由細胞構(gòu)成的，細菌等絕大部分微生物以及原生動物由一個細胞組成，即單細胞生物，高等植物與高等動物則是多細胞生物。細胞體形極微，在顯微鏡下始能窺見，形狀多種多樣。主要由細胞核與細胞質(zhì)構(gòu)成，表面有細胞膜。高等植物細胞膜外有細胞壁，細胞質(zhì)中常有質(zhì)體，體內(nèi)有葉綠體和液泡，還有線粒體。動物細胞無細胞壁，細胞質(zhì)中常有中心體，而高等植物細胞中則無。細胞有運動、營養(yǎng)和繁殖等機能。細胞質(zhì)里含有一個近似球形的細胞核（Nucleus），是由更加黏稠的物質(zhì)構(gòu)成的。細胞核通常位于細胞的中央，成熟的植物細胞的細胞核，往往被中央液泡推擠到細胞的邊緣。細胞核中有一種物質(zhì)，易被洋紅、蘇木精、甲基綠

4、、龍膽紫溶液等堿性染料染成深色，叫做染色質(zhì)（Chromatin）。生物體用于傳種接代的物質(zhì)即遺傳物質(zhì)，就在染色質(zhì)上。當細胞進行有絲分裂時，染色質(zhì)在分裂間期螺旋纏繞成染色體。多數(shù)細胞只有一個細胞核，有些細胞含有兩個或多個細胞核，如肌細胞、肝細胞等。細胞核可分為核膜、染色質(zhì)、核液和核仁四部分。核膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相通連，染色質(zhì)位于核膜與核仁之間。染色質(zhì)主要由蛋白質(zhì)和DNA組成。DNA是一種有機物大分子，又叫脫氧核糖核酸，是生物的遺傳物質(zhì)。在有絲分裂時，染色體復制，DNA也隨之復制為兩份，平均分配到兩個子細胞中，使得后代細胞染色體數(shù)目恒定，從而保證了后代遺傳特性的穩(wěn)定。還有RNA，RNA是DNA在復制時形成

5、的單鏈，它傳遞信息，控制合成蛋白質(zhì)，其中有轉(zhuǎn)移核糖核酸（tRNA）、信使核糖核酸（mRNA）和核糖體核糖核酸（rRNA）。細胞核的機能是保存遺傳物質(zhì)，控制生化合成和細胞代謝，決定細胞或機體的性狀表現(xiàn)，把遺傳物質(zhì)從細胞（或個體）一代一代傳下去。但細胞核不是孤立的起作用，而是和細胞質(zhì)相互作用、相互依存而表現(xiàn)出細胞統(tǒng)一的生命過程。細胞核控制細胞質(zhì)；細胞質(zhì)對細胞的分化、發(fā)育和遺傳也有重要的作用1。1.端粒和端粒酶決定生物體的壽命1.1染色體脫氧核糖核酸的末端復制問題圖1 染色體脫氧核糖核酸的末端復制問題2在細胞分裂中染色體DNA不能“自始至終”完整地復制整個線性染色體，而是每次都在其5末端留下一個空缺

6、未能填補（即RNA引物降解），如果細胞沒有辦法填補這些空隙，染色體DNA將隨著每一次的細胞分裂而不斷縮短，直至這種缺隙侵蝕到染色體的結(jié)構(gòu)基因而使細胞消亡，最終導致生物的壽命終結(jié)。31.2端粒端粒（英文名：Telomere）是存在于真核細胞線狀染色體末端的一小段DNA-蛋白質(zhì)復合體，它與端粒結(jié)合蛋白一起構(gòu)成了特殊的“帽子”結(jié)構(gòu)，作用是保持染色體的完整性和控制細胞分裂周期。端粒、著絲粒和復制原點是染色體保持完整和穩(wěn)定的三大要素。端粒DNA是由簡單的DNA高度重復序列組成，生物端?；蚴怯蒼倍重復堿基序列組成的，如四膜蟲的端?；蛐蛄惺怯蒼倍的CCCCAA、TTGGGG重復堿基序列構(gòu)成的，人類的端粒

7、基因序列是由n倍的CCCTAA、TTAGGG重復堿基序列構(gòu)成的。端粒酶可用于給端粒DNA加尾，DNA分子每次分裂復制，端粒就縮短一點（如岡崎片段），一旦端粒消耗殆盡，細胞將會立即激活凋亡機制，即細胞走向凋亡。所以端粒其長度反映細胞復制史及復制潛能，被稱作細胞壽命的“ 有絲分裂鐘”。4圖2 端粒堿基序列示意圖5端粒結(jié)構(gòu)很好地解決了染色體脫氧核糖核酸的末端復制問題，保護了染色體信息復制的完整性，使染色體遺傳信息完整地傳遞給后代。但是，這也不能使得生物壽命會很長，由于DNA復制存在5末端復制缺陷問題，導致細胞的染色體末端的端粒DNA會伴隨著染色體的復制與細胞分裂出現(xiàn)漸進性的丟失，所以，在每一代細胞分

8、裂過程中，子代細胞的染色體都比父代染色體端粒短，如果細胞沒有辦法填補這些空隙，染色體DNA將隨著每一次的細胞分裂而不斷縮短，直至這種缺隙侵蝕到染色體的結(jié)構(gòu)基因而使細胞消亡，最終導致生物的壽命終結(jié)。1.3人類細胞復制代數(shù)及理論壽命人體是由細胞組成的，人有衰老，細胞是否也有衰老呢？這就像一座大廈，它的壽命很大程度上與組成它的磚塊有關(guān)。細胞是有壽命的，這是細胞學家海弗列克（Hayflick）在四十年前發(fā)現(xiàn)的，他一代又一代地培養(yǎng)人體的成纖維細胞。但是在營養(yǎng)充分供給的情況下，細胞分裂到60代左右就停止活動了，真正地進入衰老期，這一發(fā)現(xiàn)似乎告訴人們在細胞內(nèi)有一口衰老鐘，限定了細胞分裂的次數(shù)，也就限定了生物

9、的壽命。因為高壽生物是由一個受精卵細胞分裂而形成的，它一分為二、二分為四、以此類推的增殖，組成胎兒，再分裂而成青年。如果細胞不能再分裂了，那么個體就出現(xiàn)衰老現(xiàn)象。6人類細胞個體壽命在2.5年，能分裂的代數(shù)是60次，人類的理論壽命是150歲。1.4端粒酶研究發(fā)現(xiàn)，細胞中存在一種酶，它合成端粒。端粒的復制不能由經(jīng)典的DNA聚合酶催化進行，而是由一種特殊的逆轉(zhuǎn)錄酶端粒酶完成。端粒酶是以RNA 為模板合成DNA 的酶端粒酶是一種核糖核蛋白，由RNA 和蛋白質(zhì)構(gòu)成。其RNA 組分是端粒序列合成的模板。不同生物的端粒酶，其RNA 模板不同，其合成的端粒序列也不同。對端粒酶的RNA 進行誘變； 可在體內(nèi)合成

10、出與突變RNA 序列相對應的新端粒序列，證明了RNA 的模板功能。端粒酶合成端粒的DNA片段TTAGGG，其基因定位于人類染色體的3q .26.3上.正常人體細胞中檢測不到端粒酶。一些良性病變細胞，體外培養(yǎng)的成纖維細胞中也測不到端粒酶活性。但在生殖細胞、睪丸、卵巢、胎盤及胎兒細胞中此酶為陽性，研究表明這也是科學家由此又開始研究精子和癌細胞內(nèi)的染色體端粒是如何長時間不被縮短的原因。7美國的三名科學家Elizabeth H.Blackburn 、Carol W.Greider和Jack W.Szostak在端粒和端粒酶的研究上作了重要的工作，他們發(fā)現(xiàn)了端粒和端粒酶是怎樣保護染色體的，他們共同解決了

11、生物學的一個重大問題，即“在細胞分裂時染色體如何完整地自我復制及染色體如何受到保護以免于退化”?！斑@三位科學家向我們展示，解決辦法存在于染色體末端端粒，以及形成端粒的酶端粒酶?！倍肆Ｃ笇⒆陨鞷NA模板合成的DNA重復序列加在后隨鏈親鏈的3端，然后再以延長了的親鏈為模板，由DNA聚合酶合成子鏈，但是由于復制機制的不完整性。端粒還是以一定的速度丟失.端粒酶是一種核蛋白（RNP）主要由RNA和蛋白質(zhì)組成。端粒酶是端粒復制所必須的一種特殊的DNA聚合酶.目前不少生物的端粒酶RNA已被克隆，但不同種屬之間的核苷酸序列差別很大。四膜蟲的端粒酶RNA模式板長160200個核苷酸，編碼1.5拷貝的端粒重復序列

12、。其4351位序列為CAACCCCAA剛好編碼一個GGGGTT。鼠同人的端粒酶RNA基因有65%的相同，模板為 8-9個核苷酸序列，人的端粒酶RNA（hTR）由450個核苷酸組。模板區(qū)為5- CUAACCCUAAC -3。研究還認為，端粒酶RNA中的模板每次與1.5（TTTTGGGG）重復序列互補，然后通過模板的滑動，再進行下一次合成。圖3 四膜蟲端粒酶合成端粒DNA片段圖4 人類端粒酶合成端粒DNA片段92.轉(zhuǎn)基因增加生物壽命2.1端粒長度決定細胞壽命美國德克薩斯大學西南醫(yī)學中心細胞生物學及神經(jīng)系統(tǒng)科學教授杰里.謝伊和伍德林.賴特做了一項試驗：在采集的包皮細胞中導入某種基因，該基因可以使細胞

13、產(chǎn)生一種酶-端粒酶（telomerase）。一般來說，包皮細胞在變老之前可分裂60次左右。但在上述試驗中，細胞已分裂300多次卻毫無終止的征兆，也沒有顯示任何異常的跡象，在端粒酶的作用下，細胞不會死亡，永遠沒完沒了地分裂繁殖。8上面試驗表明，細胞內(nèi)端粒酶保持活性，能不斷的修復端粒的長度，那么細胞就可永生，生物也可以達到延長壽命的目的，但是，單細胞或者某個部位細胞永生不會起到延長生物壽命的目的，而是會產(chǎn)生癌癥，只能讓生物死亡更快。2.2轉(zhuǎn)基因使得生物壽命延長2.2.1增加端?；蜷L度的方法延長生物的壽命利用轉(zhuǎn)基因的方法，將生物染色體端粒復制m倍，然后利用轉(zhuǎn)基因的方法將m倍的端粒轉(zhuǎn)到生物的生殖細胞

14、中，如精子、卵子、受精卵等，這樣子代就不是單細胞或者某個部位細胞延長壽命，而是整個子代全身細胞都達到壽命延長，延長壽命的理論值為m倍，四膜蟲端?；颍簃*n（CCCCAA）(TTGGGG)n*m、m*n（GGGGTT）(AACCCC)n*m，人類端?；颍簃*n（CCCTAA）(TTAGGG)n*m、m*n（GGGATT）(AATCCC)n*m，如四膜蟲的正常壽命是2個月，如果端粒延長100倍，則四膜蟲的理論壽命可以達到200個月；人類端粒被延長100倍，細胞分裂次數(shù)為60*100，即6000次，那么人類的理論壽命可以達到6000*2.5，即15000歲。2.2.2增加端粒酶RNA基因長度的方

15、法延長生物的壽命。利用轉(zhuǎn)基因的方法，將生物端粒酶RNA復制m倍，四膜蟲端粒酶基因：3-（CCCCAA）*n）*m -5，人類端粒酶基因：3-（AAUCCC）*n）*m -5，然后利用轉(zhuǎn)基因的方法將m倍的端粒酶RNA轉(zhuǎn)到生物端粒酶中，并將轉(zhuǎn)基因端粒酶注入到生物本來就有活性的生殖細胞中，如精子、卵子、受精卵等，這樣生殖細胞中由于有加長的端粒酶RNA作用，生殖細胞中染色體端粒就會被延長，子代就不是單細胞或者某個部位細胞延長壽命，而是整個子代全身細胞都達到壽命延長，延長理論壽命為m倍，如四膜蟲的端粒酶基因被延長100倍，那么以延長的端粒酶RNA為模版的四膜蟲端粒就相應的延長了100倍，四膜蟲正常壽命是

16、2個月，端粒被延長100倍，四膜蟲的理論壽命可以達到200個月；人類端粒酶RNA被延長100倍，那么以延長的端粒酶RNA為模版的人類端粒就相應的延長了100倍，人類細胞的分裂代數(shù)就是60*100，即6000，人類的理論壽命就是6000*2.5，即可以達到15000歲。最重要的是這種生物壽命的延長是可以遺傳的。結(jié)論：根據(jù)前輩科學家的試驗研究得出結(jié)論，生物的壽命是由細胞的分裂代數(shù)和每一代細胞的壽命決定的；每一代細胞的壽命是由生物物種決定的，不能改變；細胞分裂代數(shù)是由細胞內(nèi)染色體端粒的相對長度決定的，端粒相對較長的，分裂代數(shù)就多，端粒相對較短的，分裂代數(shù)就較少，端粒短到0，就損壞了染色體的遺傳物質(zhì)，

17、細胞復制就不再完整，細胞就死亡，不再復制；根據(jù)美國杰里.謝伊和伍德林.賴特做的試驗，在采集的包皮細胞中導入某種基因，該基因可以使細胞產(chǎn)生一種酶-端粒酶（telomerase）。一般來說，包皮細胞在變老之前可分裂60次左右。但在上述試驗中，細胞已分裂300多次卻毫無終止的征兆，也沒有顯示任何異常的跡象，在端粒酶的作用下，細胞不會死亡，永遠沒完沒了地分裂繁殖，只要染色體有端粒的保護，細胞就會永遠分裂下去，不會死亡；端粒是在有端粒酶活性的細胞中，由端粒酶按照自己為模板復制延長的。利用轉(zhuǎn)基因的方法，通過延長端?；蛘叨肆Ｃ傅拈L度可以增加細胞分裂代數(shù)，增加生物的壽命，延長端?；蛘叨肆Ｃ付嗌俦?，生物的壽命就

18、可以延長多少倍，從而可以實現(xiàn)人為控制生物壽命的目的。3.討論3.1延長壽命后生物的生長期問題，如人類在不延長壽命時，成長期為18-20年，18歲成年，那么當壽命延長到15000歲時，是否成長期會達到1800歲哪？生長這么多年，人類會不會長到100米高哪？3.2可解決物種滅絕問題，物種滅絕問題有一個主要的原因，就是該物種壽命相對較短，在物種存活期間，沒有能夠繁殖足夠多的后代。假如大熊貓能活過20000歲，甚至更久，就會繁殖更多后代，就不會瀕臨滅絕。3.3對人類文明進步的影響，壽命短，人類要學習10-20年，讀碩士、博士，但是，人類只能工作30年，然后退休、衰老、死亡，新的個體仍要重復這個過程，如果壽命延長到15000歲，那么，人類就有更多的時間學習、工作、生活，為整個世界做貢獻的時間就長很多。3.4人口膨脹問題，人類的壽命如果延長很多，就不會很快死亡，在存活期間就生育更多的后代，后代的壽命能遺傳長壽基因，后代也生育更多的后代，那么，人口問題很嚴重。參考資料1. 細胞（生物學中構(gòu)成生物體的基本單位）百度百科王秀萍 2016-09-21引用日期2016-12-72. 端粒與端粒酶 百度文庫 小溢的幸福 2015-07-0