轉基因在生物延長壽命中的應用探討

許杰

摘 要：生物體都是由細胞構成的，生物體的壽命是由生物體的細胞分裂總代數和每一代的細胞壽命決定的，生物體的分裂總代數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構基因而使細胞消亡，最終導致生物的壽命終結。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。人類的細胞總分裂代數是60代左右，每一代的細胞壽命是2.5年上下，所以，人類的理論壽命是150年左右。轉基因可以讓生物壽命延長，將端粒的總長度利用轉基因的方法成倍的復制延長，m倍，然后用轉基因的方法再轉到端粒位置，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，然后再利用轉基因的方法轉到端粒酶中，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。

關鍵詞：轉基因；延長；壽命；端粒；端粒酶

中圖分類號：Q95-331 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）08-0199-03

生物都是由細胞構成的，細胞主要由細胞核與細胞質構成，表面有細胞膜。細胞核通常位于細胞的中央，細胞核中有一種物質，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（Chromatin）。生物體用于傳種接代的物質即遺傳物質，就在染色質上。當細胞進行有絲分裂時，染色質在分裂間期螺旋纏繞成染色體。染色質主要由蛋白質和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。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目恒定，從而保證了后代遺傳特性的穩定。還有RNA，RNA是DNA在復制時形成的單鏈，它傳遞信息，控制合成蛋白質，其中有轉移核糖核酸（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，控制生化合成和細胞代謝，決定細胞或機體的性狀表現，把遺傳物質從細胞（或個體）一代一代傳下去。但細胞核不是孤立的起作用，而是和細胞質相互作用、相互依存而表現出細胞統一的生命過程。細胞核控制細胞質；細胞質對細胞的分化、發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制問題

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構基因而使細胞消亡，最終導致生物的壽命終結。[1]

1.2 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-蛋白質復合體，它與端粒結合蛋白一起構成了特殊的“帽子”結構，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，生物端粒基因是由n倍重復堿基序列組成的，如四膜蟲的端粒基因序列是由n倍的CCCCAA、TTGGGG重復堿基序列構成的，人類的端粒基因序列是由n倍的CCCTAA、TTAGGG重復堿基序列構成的。[2]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”。[2]

端粒結構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構基因而使細胞消亡，最終導致生物的壽命終結。[3]

1.3 人類細胞復制代數及理論壽命

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。細胞是有壽命的，這是細胞學家海弗列克（Hayflick）在四十年前發現的，他一代又一代地培養人體的成纖維細胞。但是在營養充分供給的情況下，細胞分裂到60代左右就停止活動了，真正地進入衰老期，這一發現似乎告訴人們在細胞內有一口衰老鐘，限定了細胞分裂的次數，也就限定了生物的壽命。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，那么個體就出現衰老現象。

人類細胞個體壽命在2.5年上下，能分裂的代數是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，他們發現了端粒和端粒酶是怎樣保護染色體的，他們共同解決了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”。“這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。”

端粒酶將自身RNA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。四膜蟲的端粒酶RNA模式板長160～200個核苷酸，編碼1.5拷貝的端粒重復序列。其43～51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。[5]

2 轉基因增加生物壽命

2.1 端粒長度決定細胞壽命

美國德克薩斯大學西南醫學中心細胞生物學及神經系統科學教授杰里.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，該基因可以使細胞產生一種酶----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。[7]

上面試驗表明，細胞內端粒酶保持活性，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，而是會產生癌癥，只能讓生物死亡更快。

2.2 轉基因使得生物壽命延長

2.2.1 增加端粒基因長度的方法延長生物的壽命

利用轉基因的方法，將生物染色體端粒復制m倍，然后利用轉基因的方法將m倍的端粒轉到生物的生殖細胞中，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，四膜蟲端粒基因：m*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個月，如果端粒延長100倍，則四膜蟲的理論壽命可以達到400個月；人類端粒被延長100倍，細胞分裂次數為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基因長度的方法延長生物的壽命

利用轉基因的方法，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，然后利用轉基因的方法將m倍的端粒酶RNA轉到生物端粒酶中，并將轉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，四膜蟲可存活4個月，端粒被延長100倍，四膜蟲的理論壽命可以達到400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。

結論：根據前輩科學家的試驗研究得出結論，生物的壽命是由細胞的分裂代數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；細胞分裂代數是由細胞內染色體端粒的相對長度決定的，端粒相對較長的，分裂代數就多，端粒相對較短的，分裂代數就較少，端粒短到0，就損壞了染色體的遺傳物質，細胞復制就不再完整，細胞就死亡，不再復制；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。

利用轉基因的方法，通過延長生殖細胞如精子、卵子、受精卵等的端粒或者端粒酶的長度可以增加子代全身細胞的分裂代數，從而增加生物的壽命，延長端粒或者端粒酶多少倍，生物的壽命就可以延長多少倍，從而可以實現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，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？寵物熊貓會長的小山一樣大嗎？

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

（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。

（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。

參考文獻

[1]郗鵬.端粒和端粒酶的發現----2009年度諾貝爾生理學或醫學獎成果介紹.科技導報，2009年24期.

[2]張婷，王曉民.端粒、端粒酶的發現和意義----2009年諾貝爾生理學或醫學獎簡介.首都醫科大學學報，2009年5期.

[3]孔令平，汪華僑.端粒和端粒酶與衰老、癌癥的潛在關系----2009年諾貝爾生理學或醫學獎簡介.自然雜志，2009年6期.

[4]胡冰霜，楊諾一.端粒、端粒酶研究進展.華人時刊，2013年11期.

[5]付學峰，許昌泰.端粒和端粒酶在抗衰老研究中的現狀.武警醫學院學報，2011年6期.

[6]樣品紅，王志陶.端粒和端粒酶的發現及應用.生物技術通報，2010年8期.

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