轉(zhuǎn)基因在生物延長壽命中的應(yīng)用探討

許杰

摘 要：生物體都是由細(xì)胞構(gòu)成的，生物體的壽命是由生物體的細(xì)胞分裂總代數(shù)和每一代的細(xì)胞壽命決定的，生物體的分裂總代數(shù)是細(xì)胞染色體的端粒長度決定的，由于DNA復(fù)制存在5′末端復(fù)制缺陷問題，導(dǎo)致細(xì)胞的染色體末端的端粒DNA會(huì)伴隨著染色體的復(fù)制與細(xì)胞分裂出現(xiàn)漸進(jìn)性的丟失，所以，在每一代細(xì)胞分裂過程中，子代細(xì)胞的染色體都比父代染色體端粒短，如果細(xì)胞沒有辦法填補(bǔ)這些空隙，染色體DNA將隨著每一次的細(xì)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(xì)胞消亡，最終導(dǎo)致生物的壽命終結(jié)。端粒是由端粒酶補(bǔ)齊的，在有端粒酶活性的細(xì)胞中，如生殖細(xì)胞睪丸、卵巢、精子、卵子、受精卵中，端粒酶會(huì)按照自身RNA序列為模版進(jìn)行復(fù)制，補(bǔ)齊染色體的端粒，這樣生命就會(huì)一代一代的延續(xù)。人類的細(xì)胞總分裂代數(shù)是60代左右，每一代的細(xì)胞壽命是2.5年上下，所以，人類的理論壽命是150年左右。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(fù)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(huì)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(yīng)該有活性的生殖細(xì)胞睪丸、卵巢、精子、卵子、受精卵中，這樣也可以達(dá)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；延長；壽命；端粒；端粒酶

中圖分類號(hào)：Q95-331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）08-0199-03

生物都是由細(xì)胞構(gòu)成的，細(xì)胞主要由細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)構(gòu)成，表面有細(xì)胞膜。細(xì)胞核通常位于細(xì)胞的中央，細(xì)胞核中有一種物質(zhì)，易被洋紅、蘇木精、甲基綠、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(dāng)細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂時(shí)，染色質(zhì)在分裂間期螺旋纏繞成染色體。染色質(zhì)主要由蛋白質(zhì)和DNA組成。DNA是一種有機(jī)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(shí)，染色體復(fù)制，DNA也隨之復(fù)制為兩份，平均分配到兩個(gè)子細(xì)胞中，使得后代細(xì)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(fù)制時(shí)形成的單鏈，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(xì)胞核的機(jī)能是保存遺傳物質(zhì)，控制生化合成和細(xì)胞代謝，決定細(xì)胞或機(jī)體的性狀表現(xiàn)，把遺傳物質(zhì)從細(xì)胞（或個(gè)體）一代一代傳下去。但細(xì)胞核不是孤立的起作用，而是和細(xì)胞質(zhì)相互作用、相互依存而表現(xiàn)出細(xì)胞統(tǒng)一的生命過程。細(xì)胞核控制細(xì)胞質(zhì)；細(xì)胞質(zhì)對(duì)細(xì)胞的分化、發(fā)育和遺傳也有重要的作用。

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(fù)制問題

在細(xì)胞分裂中染色體DNA不能“自始至終”完整地復(fù)制整個(gè)線性染色體，而是每次都在其5′末端留下一個(gè)空缺未能填補(bǔ)（即RNA引物降解），如果細(xì)胞沒有辦法填補(bǔ)這些空隙，染色體DNA將隨著每一次的細(xì)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(xì)胞消亡，最終導(dǎo)致生物的壽命終結(jié)。[1]

1.2 端粒

端粒（英文名：Telomere）是存在于真核細(xì)胞線狀染色體末端的一小段DNA-蛋白質(zhì)復(fù)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(xì)胞分裂周期。端粒、著絲粒和復(fù)制原點(diǎn)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(fù)序列組成，生物端?；蚴怯蒼倍重復(fù)堿基序列組成的，如四膜蟲的端?；蛐蛄惺怯蒼倍的CCCCAA、TTGGGG重復(fù)堿基序列構(gòu)成的，人類的端?；蛐蛄惺怯蒼倍的CCCTAA、TTAGGG重復(fù)堿基序列構(gòu)成的。[2]端粒酶可用于給端粒DNA加尾，DNA分子每次分裂復(fù)制，端粒就縮短一點(diǎn)（如岡崎片段），一旦端粒消耗殆盡，細(xì)胞將會(huì)立即激活凋亡機(jī)制，即細(xì)胞走向凋亡。所以端粒其長度反映細(xì)胞復(fù)制史及復(fù)制潛能，被稱作細(xì)胞壽命的“有絲分裂鐘”。[2]

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(fù)制問題，保護(hù)了染色體信息復(fù)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(huì)很長，由于DNA復(fù)制存在5′末端復(fù)制缺陷問題，導(dǎo)致細(xì)胞的染色體末端的端粒DNA會(huì)伴隨著染色體的復(fù)制與細(xì)胞分裂出現(xiàn)漸進(jìn)性的丟失，所以，在每一代細(xì)胞分裂過程中，子代細(xì)胞的染色體都比父代染色體端粒短，如果細(xì)胞沒有辦法填補(bǔ)這些空隙，染色體DNA將隨著每一次的細(xì)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(xì)胞消亡，最終導(dǎo)致生物的壽命終結(jié)。[3]

1.3 人類細(xì)胞復(fù)制代數(shù)及理論壽命

人體是由細(xì)胞組成的，人有衰老，細(xì)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(xì)胞是有壽命的，這是細(xì)胞學(xué)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(xì)胞。但是在營養(yǎng)充分供給的情況下，細(xì)胞分裂到60代左右就停止活動(dòng)了，真正地進(jìn)入衰老期，這一發(fā)現(xiàn)似乎告訴人們?cè)诩?xì)胞內(nèi)有一口衰老鐘，限定了細(xì)胞分裂的次數(shù)，也就限定了生物的壽命。因?yàn)楦邏凵锸怯梢粋€(gè)受精卵細(xì)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(xì)胞不能再分裂了，那么個(gè)體就出現(xiàn)衰老現(xiàn)象。

人類細(xì)胞個(gè)體壽命在2.5年上下，能分裂的代數(shù)是60次左右，人類的理論壽命是150歲左右。[4]

1.4 端粒酶

美國的三名科學(xué)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(hù)染色體的，他們共同解決了生物學(xué)的一個(gè)重大問題，即“在細(xì)胞分裂時(shí)染色體如何完整地自我復(fù)制及染色體如何受到保護(hù)以免于退化”?！斑@三位科學(xué)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?！?

端粒酶將自身RNA模板合成的DNA重復(fù)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(fù)制機(jī)制的不完整性。端粒還是以一定的速度丟失。四膜蟲的端粒酶RNA模式板長160～200個(gè)核苷酸，編碼1.5拷貝的端粒重復(fù)序列。其43～51位序列為CAACCCCAA剛好編碼一個(gè)GGGGTT。鼠同人的端粒酶RNA基因有65%的相同，模板為 8-9個(gè)核苷酸序列，人的端粒酶RNA（hTR）由450個(gè)核苷酸組。模板區(qū)為5- CUAACCCUAAC -3。研究還認(rèn)為，端粒酶RNA中的模板每次與1.5（TTTTGGGG）重復(fù)序列互補(bǔ)，然后通過模板的滑動(dòng)，再進(jìn)行下一次合成。[5]

2 轉(zhuǎn)基因增加生物壽命

2.1 端粒長度決定細(xì)胞壽命

美國德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心細(xì)胞生物學(xué)及神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)教授杰里.謝伊和伍德林.賴特做了一項(xiàng)試驗(yàn)：在采集的包皮細(xì)胞中導(dǎo)入某種基因，該基因可以使細(xì)胞產(chǎn)生一種酶----端粒酶（telomerase）。一般來說，包皮細(xì)胞在變老之前可分裂60次左右。但在上述試驗(yàn)中，細(xì)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(xì)胞不會(huì)死亡，永遠(yuǎn)沒完沒了地分裂繁殖。[7]

上面試驗(yàn)表明，細(xì)胞內(nèi)端粒酶保持活性，能不斷的修復(fù)端粒的長度，那么細(xì)胞就可永生，生物也可以達(dá)到延長壽命的目的，但是，單細(xì)胞或者某個(gè)部位細(xì)胞永生不會(huì)起到延長生物壽命的目的，而是會(huì)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(fù)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(xì)胞中，如精子、卵子、受精卵等，這樣子代就不是單細(xì)胞或者某個(gè)部位細(xì)胞延長壽命，而是整個(gè)子代全身細(xì)胞都達(dá)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，人類端粒基因：m*n（CCCTAA）……（TTAGGG）n*m、m*n（GGGATT）……（AATCCC）n*m，如四膜蟲可存活4個(gè)月，如果端粒延長100倍，則四膜蟲的理論壽命可以達(dá)到400個(gè)月；人類端粒被延長100倍，細(xì)胞分裂次數(shù)為60*100，即6000次，那么人類的理論壽命可以達(dá)到6000*2.5，即15000歲。

2.2.2 增加端粒酶RNA基因長度的方法延長生物的壽命

利用轉(zhuǎn)基因的方法，將生物端粒酶RNA復(fù)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(xì)胞中，如精子、卵子、受精卵等，這樣生殖細(xì)胞中由于有加長的端粒酶RNA作用，生殖細(xì)胞中染色體端粒就會(huì)被延長，子代就不是單細(xì)胞或者某個(gè)部位細(xì)胞延長壽命，而是整個(gè)子代全身細(xì)胞都達(dá)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(yīng)的延長了100倍，四膜蟲可存活4個(gè)月，端粒被延長100倍，四膜蟲的理論壽命可以達(dá)到400個(gè)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(yīng)的延長了100倍，人類細(xì)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(dá)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(xué)家的試驗(yàn)研究得出結(jié)論，生物的壽命是由細(xì)胞的分裂代數(shù)和每一代細(xì)胞的壽命決定的；每一代細(xì)胞的壽命是由生物物種決定的，不能改變；細(xì)胞分裂代數(shù)是由細(xì)胞內(nèi)染色體端粒的相對(duì)長度決定的，端粒相對(duì)較長的，分裂代數(shù)就多，端粒相對(duì)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)，細(xì)胞復(fù)制就不再完整，細(xì)胞就死亡，不再復(fù)制；在端粒酶的作用下，細(xì)胞不會(huì)死亡，永遠(yuǎn)沒完沒了地分裂繁殖，只要染色體有端粒的保護(hù)，細(xì)胞就會(huì)永遠(yuǎn)分裂下去，不會(huì)死亡；端粒是在有端粒酶活性的細(xì)胞中，由端粒酶按照自己為模板復(fù)制延長的。

利用轉(zhuǎn)基因的方法，通過延長生殖細(xì)胞如精子、卵子、受精卵等的端?；蛘叨肆Ｃ傅拈L度可以增加子代全身細(xì)胞的分裂代數(shù)，從而增加生物的壽命，延長端?；蛘叨肆Ｃ付嗌俦?，生物的壽命就可以延長多少倍，從而可以實(shí)現(xiàn)人為控制生物壽命的目的。

3 討論

（1）延長壽命后生物的生長期問題，如人類在不延長壽命時(shí)，成長期為18-20年，18歲成年，那么當(dāng)壽命延長到15000歲時(shí)，是否成長期會(huì)達(dá)到1800歲哪？生長這么多年，人類會(huì)不會(huì)長到100米高哪？寵物熊貓會(huì)長的小山一樣大嗎？

（2）可解決物種滅絕問題，假如大熊貓能活過20000歲，甚至更久，就會(huì)繁殖更多后代，就不會(huì)瀕臨滅絕。

（3）對(duì)人類文明進(jìn)步的影響，壽命短，人類要學(xué)習(xí)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(gè)體仍要重復(fù)這個(gè)過程，如果壽命延長到15000歲，那么，人類就有更多的時(shí)間學(xué)習(xí)、工作、生活，為整個(gè)世界做貢獻(xiàn)的時(shí)間就長很多。

（4）人口膨脹問題，人類的壽命如果延長很多，就不會(huì)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(yán)重。

參考文獻(xiàn)

[1]郗鵬.端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)----2009年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)成果介紹.科技導(dǎo)報(bào)，2009年24期.

[2]張婷，王曉民.端粒、端粒酶的發(fā)現(xiàn)和意義----2009年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)簡介.首都醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2009年5期.

[3]孔令平，汪華僑.端粒和端粒酶與衰老、癌癥的潛在關(guān)系----2009年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)簡介.自然雜志，2009年6期.

[4]胡冰霜，楊諾一.端粒、端粒酶研究進(jìn)展.華人時(shí)刊，2013年11期.

[5]付學(xué)峰，許昌泰.端粒和端粒酶在抗衰老研究中的現(xiàn)狀.武警醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011年6期.

[6]樣品紅，王志陶.端粒和端粒酶的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用.生物技術(shù)通報(bào)，2010年8期.

[7]端粒酶.百度百科 talmuder，2016-08-1[引用日期，2016-12-11].