转基因在生物延长寿命中的应用探讨

2017-05-20许杰

中国科技纵横 2017年8期

许杰

摘要：生物体都是由细胞构成的，生物体的寿命是由生物体的细胞分裂总代数和每一代的细胞寿命决定的，生物体的分裂总代数是细胞染色体的端粒长度决定的，由于DNA复制存在5′末端复制缺陷问题，导致细胞的染色体末端的端粒DNA会伴随着染色体的复制与细胞分裂出现渐进性的丢失，所以，在每一代细胞分裂过程中，子代细胞的染色体都比父代染色体端粒短，如果细胞没有办法填补这些空隙，染色体DNA将随着每一次的细胞分裂而不断缩短，直至这种缺隙侵蚀到染色体的结构基因而使细胞消亡，最终导致生物的寿命终结。端粒是由端粒酶补齐的，在有端粒酶活性的细胞中，如生殖细胞睾丸、卵巢、精子、卵子、受精卵中，端粒酶会按照自身RNA序列为模版进行复制，补齐染色体的端粒，这样生命就会一代一代的延续。人类的细胞总分裂代数是60代左右，每一代的细胞寿命是2.5年上下，所以，人类的理论寿命是150年左右。转基因可以让生物寿命延长，将端粒的总长度利用转基因的方法成倍的复制延长，m倍，然后用转基因的方法再转到端粒位置，这样生物的寿命就会成倍的增加，或者将端粒酶的RNA序列成倍的增加，m倍，然后再利用转基因的方法转到端粒酶中，再将端粒酶注入到本就应该有活性的生殖细胞睾丸、卵巢、精子、卵子、受精卵中，这样也可以达到增加生物总体寿命的目的，并且这二种方法增加的生物寿命都是可以遗传的。

关键词：转基因；延长；寿命；端粒；端粒酶

中图分类号：Q95-331 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）08-0199-03

生物都是由细胞构成的，细胞主要由细胞核与细胞质构成，表面有细胞膜。细胞核通常位于细胞的中央，细胞核中有一种物质，易被洋红、苏木精、甲基绿、龙胆紫溶液等碱性染料染成深色，叫做染色质（Chromatin）。生物体用于传种接代的物质即遗传物质，就在染色质上。当细胞进行有丝分裂时，染色质在分裂间期螺旋缠绕成染色体。染色质主要由蛋白质和DNA组成。DNA是一种有机物大分子，又叫脱氧核糖核酸，是生物的遗传物质。在有丝分裂时，染色体复制，DNA也随之复制为两份，平均分配到两个子细胞中，使得后代细胞染色体数目恒定，从而保证了后代遗传特性的稳定。还有RNA，RNA是DNA在复制时形成的单链，它传递信息，控制合成蛋白质，其中有转移核糖核酸（tRNA）、信使核糖核酸（mRNA）和核糖体核糖核酸（rRNA）。细胞核的机能是保存遗传物质，控制生化合成和细胞代谢，决定细胞或机体的性状表现，把遗传物质从细胞（或个体）一代一代传下去。但细胞核不是孤立的起作用，而是和细胞质相互作用、相互依存而表现出细胞统一的生命过程。细胞核控制细胞质；细胞质对细胞的分化、发育和遗传也有重要的作用。

1 端粒和端粒酶决定生物体的寿命

1.1 染色体脱氧核糖核酸的末端复制问题

在细胞分裂中染色体DNA不能“自始至终”完整地复制整个线性染色体，而是每次都在其5′末端留下一个空缺未能填补（即RNA引物降解），如果细胞没有办法填补这些空隙，染色体DNA将随着每一次的细胞分裂而不断缩短，直至这种缺隙侵蚀到染色体的结构基因而使细胞消亡，最终导致生物的寿命终结。[1]

1.2 端粒

端粒（英文名：Telomere）是存在于真核细胞线状染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体，它与端粒结合蛋白一起构成了特殊的“帽子”结构，作用是保持染色体的完整性和控制细胞分裂周期。端粒、着丝粒和复制原点是染色体保持完整和稳定的三大要素。端粒DNA是由简单的DNA高度重复序列组成，生物端粒基因是由n倍重复碱基序列组成的，如四膜虫的端粒基因序列是由n倍的CCCCAA、TTGGGG重复碱基序列构成的，人类的端粒基因序列是由n倍的CCCTAA、TTAGGG重复碱基序列构成的。[2]端粒酶可用于给端粒DNA加尾，DNA分子每次分裂复制，端粒就缩短一点（如冈崎片段），一旦端粒消耗殆尽，细胞将会立即激活凋亡机制，即细胞走向凋亡。所以端粒其长度反映细胞复制史及复制潜能，被称作细胞寿命的“有丝分裂钟”。[2]

端粒結构很好地解决了染色体脱氧核糖核酸的末端复制问题，保护了染色体信息复制的完整性，使染色体遗传信息完整地传递给后代。但是，这也不能使得生物寿命会很长，由于DNA复制存在5′末端复制缺陷问题，导致细胞的染色体末端的端粒DNA会伴随着染色体的复制与细胞分裂出现渐进性的丢失，所以，在每一代细胞分裂过程中，子代细胞的染色体都比父代染色体端粒短，如果细胞没有办法填补这些空隙，染色体DNA将随着每一次的细胞分裂而不断缩短，直至这种缺隙侵蚀到染色体的结构基因而使细胞消亡，最终导致生物的寿命终结。[3]

1.3 人类细胞复制代数及理论寿命

人体是由细胞组成的，人有衰老，细胞是否也有衰老呢？这就像一座大厦，它的寿命很大程度上与组成它的砖块有关。细胞是有寿命的，这是细胞学家海弗列克（Hayflick）在四十年前发现的，他一代又一代地培养人体的成纤维细胞。但是在营养充分供给的情况下，细胞分裂到60代左右就停止活动了，真正地进入衰老期，这一发现似乎告诉人们在细胞内有一口衰老钟，限定了细胞分裂的次数，也就限定了生物的寿命。因为高寿生物是由一个受精卵细胞分裂而形成的，它一分为二、二分为四、以此类推的增殖，组成胎儿，再分裂而成青年。如果细胞不能再分裂了，那么个体就出现衰老现象。

人类细胞个体寿命在2.5年上下，能分裂的代数是60次左右，人类的理论寿命是150岁左右。[4]

1.4 端粒酶

美国的三名科学家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，他们发现了端粒和端粒酶是怎样保护染色体的，他们共同解决了生物学的一个重大问题，即“在细胞分裂时染色体如何完整地自我复制及染色体如何受到保护以免于退化”。“这三位科学家向我们展示，解决办法存在于染色体末端——端粒，以及形成端粒的酶——端粒酶。”

端粒酶将自身RNA模板合成的DNA重复序列加在后随链亲链的3端，然后再以延长了的亲链为模板，由DNA聚合酶合成子链，但是由于复制机制的不完整性。端粒还是以一定的速度丢失。四膜虫的端粒酶RNA模式板长160～200个核苷酸，编码1.5拷贝的端粒重复序列。其43～51位序列为CAACCCCAA刚好编码一个GGGGTT。鼠同人的端粒酶RNA基因有65%的相同，模板为 8-9个核苷酸序列，人的端粒酶RNA（hTR）由450个核苷酸组。模板区为5- CUAACCCUAAC -3。研究还认为，端粒酶RNA中的模板每次与1.5（TTTTGGGG）重复序列互补，然后通过模板的滑动，再进行下一次合成。[5]

2 转基因增加生物寿命

2.1 端粒长度决定细胞寿命

美国德克萨斯大学西南医学中心细胞生物学及神经系统科学教授杰里.谢伊和伍德林.赖特做了一项试验：在采集的包皮细胞中导入某种基因，该基因可以使细胞产生一种酶----端粒酶（telomerase）。一般来说，包皮细胞在变老之前可分裂60次左右。但在上述试验中，细胞已分裂300多次却毫无终止的征兆，也没有显示任何异常的迹象，在端粒酶的作用下，细胞不会死亡，永远没完没了地分裂繁殖。[7]

上面试验表明，细胞内端粒酶保持活性，能不断的修复端粒的长度，那么细胞就可永生，生物也可以达到延长寿命的目的，但是，单细胞或者某个部位细胞永生不会起到延长生物寿命的目的，而是会产生癌症，只能让生物死亡更快。

2.2 转基因使得生物寿命延长

2.2.1 增加端粒基因长度的方法延长生物的寿命

利用转基因的方法，将生物染色体端粒复制m倍，然后利用转基因的方法将m倍的端粒转到生物的生殖细胞中，如精子、卵子、受精卵等，这样子代就不是单细胞或者某个部位细胞延长寿命，而是整个子代全身细胞都达到寿命延长，延长寿命的理论值为m倍，四膜虫端粒基因：m*n（CCCCAA）……（TTGGGG）n*m、m*n（GGGGTT）……（AACCCC）n*m，人类端粒基因：m*n（CCCTAA）……（TTAGGG）n*m、m*n（GGGATT）……（AATCCC）n*m，如四膜虫可存活4个月，如果端粒延长100倍，则四膜虫的理论寿命可以达到400个月；人类端粒被延长100倍，细胞分裂次数为60*100，即6000次，那么人类的理论寿命可以达到6000*2.5，即15000岁。

2.2.2 增加端粒酶RNA基因长度的方法延长生物的寿命

利用转基因的方法，将生物端粒酶RNA复制m倍，四膜虫端粒酶基因：3-（（CCCCAA）*n）*m -5，人类端粒酶基因：3-（（AAUCCC）*n）*m -5，然后利用转基因的方法将m倍的端粒酶RNA转到生物端粒酶中，并将转基因端粒酶注入到生物本来就有活性的生殖细胞中，如精子、卵子、受精卵等，这样生殖细胞中由于有加长的端粒酶RNA作用，生殖细胞中染色体端粒就会被延长，子代就不是单细胞或者某个部位细胞延长寿命，而是整个子代全身细胞都达到寿命延长，延长理论寿命为m倍，如四膜虫的端粒酶基因被延长100倍，那么以延长的端粒酶RNA为模版的四膜虫端粒就相应的延长了100倍，四膜虫可存活4个月，端粒被延长100倍，四膜虫的理论寿命可以达到400个月；人类端粒酶RNA被延长100倍，那么以延长的端粒酶RNA为模版的人类端粒就相应的延长了100倍，人类细胞的分裂代数就是60*100，即6000，人类的理论寿命就是6000*2.5，即可以达到15000岁。

最重要的是这种生物寿命的延长是可以遗传的。

结论：根据前辈科学家的试验研究得出结论，生物的寿命是由细胞的分裂代数和每一代细胞的寿命决定的；每一代细胞的寿命是由生物物种决定的，不能改变；细胞分裂代数是由细胞内染色体端粒的相对长度决定的，端粒相对较长的，分裂代数就多，端粒相对较短的，分裂代数就较少，端粒短到0，就损坏了染色体的遗传物质，细胞复制就不再完整，细胞就死亡，不再复制；在端粒酶的作用下，细胞不会死亡，永远没完没了地分裂繁殖，只要染色体有端粒的保护，细胞就会永远分裂下去，不会死亡；端粒是在有端粒酶活性的细胞中，由端粒酶按照自己为模板复制延长的。

利用转基因的方法，通过延长生殖细胞如精子、卵子、受精卵等的端粒或者端粒酶的长度可以增加子代全身细胞的分裂代数，从而增加生物的寿命，延长端粒或者端粒酶多少倍，生物的寿命就可以延长多少倍，从而可以实现人为控制生物寿命的目的。

3 讨论

（1）延长寿命后生物的生长期问题，如人类在不延长寿命时，成长期为18-20年，18岁成年，那么当寿命延长到15000岁时，是否成长期会达到1800岁哪？生长这么多年，人类会不会长到100米高哪？宠物熊猫会长的小山一样大吗？

（2）可解决物种灭绝问题，假如大熊猫能活过20000岁，甚至更久，就会繁殖更多后代，就不会濒临灭绝。

（3）对人类文明进步的影响，寿命短，人类要学习10-20年，读硕士、博士，但是，人类只能工作30年，然后退休、衰老、死亡，新的个体仍要重复这个过程，如果寿命延长到15000岁，那么，人类就有更多的时间学习、工作、生活，为整个世界做贡献的时间就长很多。

（4）人口膨胀问题，人类的寿命如果延长很多，就不会很快死亡，在存活期间就生育更多的后代，后代的壽命能遗传长寿基因，后代也生育更多的后代，那么，人口问题很严重。

参考文献

[1]郗鹏.端粒和端粒酶的发现----2009年度诺贝尔生理学或医学奖成果介绍.科技导报，2009年24期.

[2]张婷，王晓民.端粒、端粒酶的发现和意义----2009年诺贝尔生理学或医学奖简介.首都医科大学学报，2009年5期.

[3]孔令平，汪华侨.端粒和端粒酶与衰老、癌症的潜在关系----2009年诺贝尔生理学或医学奖简介.自然杂志，2009年6期.

[4]胡冰霜，杨诺一.端粒、端粒酶研究进展.华人时刊，2013年11期.

[5]付学峰，许昌泰.端粒和端粒酶在抗衰老研究中的现状.武警医学院学报，2011年6期.