基因工程技术
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2023年3月18日发(作者：华阴市城关中学)基因工程技术的现状和前景发
展
基因工程技术的现状和前景发展
摘要
从20世纪70年代初发展起来的基因工程技术，经过30多年来的进步与发展，
已成为生物技术的核心内容。许多科学家预言，生物学将成为21世纪最重要的
学科，基因工程及相关领域的产业将成为21世纪的主导产业之一。基因工程研
究和应用范围涉及农业、工业、医药、能源、环保等许多领域。
基因工程应用于植物方面
农业领域是目前转基因技术应用最为广泛的领域之一。农作物生物技术的目的
是提高作物产量，改善品质，增强作物抗逆性、抗病虫害的能力。基因工程在
这些领域已取得了令人瞩目的成就。由于植物病毒分子生物学的发展，植物抗
病基因工程也也已全面展开。自从发现烟草花叶病毒(TMV)的外壳蛋白基因导入
烟草中，在转基因植株上明显延迟发病时间或减轻病害的症状，通过导入植物
病毒外壳蛋白来提高植物抗病毒的能力，已用多种植物病毒进行了试验。在
利用基因工程手段增强植物对细菌和真菌病的抗性方面，也已取得很大进展。
植物对逆境的抗性一直是植物生物学家关心的问题。由于植物生理学家、遗传
学家和分子生物学家协同作战，耐涝、耐盐碱、耐旱和耐冷的转基因作物新品
种(系)也已获得成功。植物的抗寒性对其生长发育尤为重要。科学家发现极地
的鱼体内有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增长，从而免受低温的冻害并正常地
生活在寒冷的极地中。将这种抗冻蛋白基因从鱼基因组中分离出来，导入植物
体可获得转基因植物，目前这种基因已被转入番茄和黄瓜中。随着生活水平
的提高，人们越来越关注口味、口感、营养成分、欣赏价值等品质性状。实践
证明，利用基因工程可以有效地改善植物的品质，而且越来越多的基因工程植
物进入了商品化生产领域，近几年利用基因工程改良作物品质也取得了不少进
展，如美国国际植物研究所的科学家们从大豆中获取蛋白质合成基因，成功地
导入到马铃薯中，培育出高蛋白马铃薯品种，其蛋白质含量接近大豆，**提高
了营养价值，得到了农场主及消费者的普遍欢迎。在花色、花香、花姿等性状
的改良上也作了大量的研究。
基因工程应用于医药方面
目前，以基因工程药物为主导的基因工程应用产业已成为全球发展最快的产业
之一，发展前景非常广阔。基因工程药物主要包括细胞因子、抗体、疫苗、激
素和寡核甘酸药物等。它们对预防人类的肿瘤、心血管疾病、遗传病、糖尿病、
包括艾滋病在内的各种传染病、类风湿疾病等有重要作用。在很多领域特别是
疑难病症上，基因工程工程药物起到了传统化学药物难以达到的作用。我们最
为熟悉的干扰素(IFN)就是一类利用基因工程技术研制成的多功能细胞因子，在
临床上已用于治疗白血病、乙肝、丙肝、多发性硬化症和类风湿关节炎等多种
疾病。目前，应用基因工程研制的艾滋病疫苗已完成中试，并进入临床验证
阶段；专门用于治疗肿瘤的“肿瘤基因导弹”也将在不久完成研制，它可有目
的地寻找并杀死肿瘤，将使癌症的治愈成为可能。由中国、美国、德国三国科
学家及中外六家研究机构参与研制的专门用于治疗乙肝、慢迁肝、慢活肝、丙
肝、肝硬化的体细胞基因生物注射剂，最终解决了从剪切、分离到吞食肝细胞
内肝炎病毒，修复、促进肝细胞再生的全过程。经4年临床试验已在全国面向
肝炎患者。此项基因学研究成果在国际治肝领域中，是继干扰素等药物之后的
一项具有革命性转变的重大医学成果。
基因工程应用于环保方面
工业发展以及其它人为因素造成的环境污染已远远超出了自然界微生物的净化
能力，已成为人们十分关注的问题。基因工程技术可提高微生物净化环境的能
力。美国利用DNA重组技术把降解芳烃、萜烃、多环芳烃、脂肪烃的4种菌体
基因链接，转移到某一菌体中构建出可同时降解4种有机物的“超级细菌”，
用之清除石油污染，在数小时内可将水上浮油中的2/3烃类降解完，而天然菌
株需1年之久。也有人把Bt蛋白基因、球形芽孢杆菌、且表达成功。它能钉死
蚊虫与害虫，而对人畜无害，不污染环境。现已开发出的基因工程菌有净化农
药的DDT的细菌、降解水中的染料、环境中有机氯苯类和氯酚类、多氯联苯的
工程菌、降解土壤中的TNT炸药的工程菌及用于吸附无机有毒化合物(铅、汞、
镉等)的基因工程菌及植物等。90年代后期问世的DNA改组技术可以创新基因，
并赋予表达产物以新的功能，创造出全新的微生物，如可将降解某一污染物的
不同细菌的基因通过PCR技术全部克隆出来，再利用基因重组技术在体外加工
重组，最后导入合适的载体，就有可能产生一种或几种具有非凡降解能力的超
级菌株，从而**地提高降解效率。四、前景展望由于基因工程运用DNA分子
重组技术，能够按照人们预先的设计创造出许多新的遗传结合体，具有新奇遗
传性状的新型产物，增强了人们改造动植物的主观能动性、预见性。而且在人
类疾病的诊断、治疗等方面具有革命性的推动作用，对人口素质、环境保护等
作出具大贡献。所以，各国政府及一些大公司都十分重视基因工程技术的研究
与开发应用，抢夺这一高科技制高点。其应用前景十分广阔。我国基因工程技
术尚落后于发达国家，更应当加速发展，切不可坐失良机。
但是，任何科学技术都是一把“双刃剑”，在给人类带来利益的同时，也会给
人类带来一定的灾难。比如基因药物，它不仅能根治遗传性疾病、恶性肿瘤、
心脑血管疾病等，甚至人的智力、体魄、性格、外表等亦可随意加以改造；还
有，克隆技术如果不加限制，任其自由发展，最终有可能导致人类的毁灭。还
有，尽管目前的转基因动植物还未发现对人类有什么危害，但不等于说转基因
动植物就是十分安全的，毕竟这些东西还是新生事物，需要实践慢慢地检验。
转基因生物和常规繁殖生长的品种一样，是在原有品种的基础上对其部分性状
进行修饰或增加新性状，或消除原来的不利性状，但常规育种是通过自然选择，
而且是近缘杂交，适者生存下来，不适者被淘汰掉。而转基因生物远远超出了
近缘的范围，人们对可能出现的新组合、新性状会不会影响人类健康和环境，
还缺乏知识和经验，按目前的科学水平还不能完全精确地预测。所以，我们要
在抓住机遇，大力发展基因工程技术的同时，需要严格管理，充分重视转基因
生物的安全性。
近两年来我国化学生物学领域的突出进展
时间：2015-04-17来源：学术堂所属分类：应用化学论文
1.3重要靶标、抑制剂和标记物的发现
陈国强等在前期发现从腺花香茶菜中提取的腺花素(Adenanthin)能够
诱导白血病细胞分化的基础上，成功地捕获了它在细胞内的靶蛋白———过氧
化还原酶(peroxiredoxin)I/II，并依此阐释了白血病细胞分化的新机理［7］。
通过对腺花素进行分子改造，并在明确其活性基团后，合成生物素标记的腺花
素分子，他们借助蛋白质组学和生物信息学技术平台的支持，以生物素标记的
腺花素为“诱饵”，利用蛋白质组学和生物信息学技术，在白血病细胞中“垂
钓”腺花素可能结合的蛋白质，结果发现，腺花素能够与过氧化还原酶PrxI
和PrxII共价结合，该工作对白血病的病理研究及治疗都将起到极大的推动
作用。吴乔、林天伟、黄培强等发现了名为TMPA的化合物，能够通过与吴乔
等前期发现的与糖代谢调控密切相关的新靶点—Nur77的基因转录调控因子的
结合，使原先结合Nur77的LKB1得到分子释放。后者能够从细胞核转运到胞
浆，并激活直接参与糖代谢调控的重要蛋白激酶AMPK，达到降低血糖目的。
此外，他们还通过晶体结构解析了Nur77-TMPA的复合物晶体，从原子水平
上进一步解释了TMPA结合Nur77的构象和精确位点，为今后设计和研发新型
的糖尿病药物提供了必不可少的结构基础［8］。该工作所发现的化合物TMPA或
可成为一种新型糖尿病治疗药物的“雏形”，为未来新型糖尿病治疗药物的研
发提供一个全新方向和路径。杨财广等［9］进行了基于mＲNA中N6位甲基
化修饰的腺嘌呤(N6-methyladenosine，m6A)去甲基化酶FTO结构开展小分
子调控的研究，首次获得了对核酸去甲基化酶FTO具有酶活和细胞活性的小分
子抑制剂。张翱、镇学初等［10］针对帕金森氏病治疗过程中出现的异动症进
行作用机制研究，阐明了5-羟色胺1A受体和FosB基因与异动症的关系，进
而发现了同时靶向多巴胺D2和5-羟色胺1A受体的新型抗帕金森活性化合
物。
1.4天然产物分子的生物及化学合成
谭仁祥等通过研究发现了螳螂肠道真菌(Daldiniaeschscholzii)产生
的结构全新的Dalesconol类免疫抑制物及其独特的“异构体冗余现
象”。在此基础上，发现Dalesconol类免疫抑制物是由不同的萘酚通过酚氧
游离基耦合产生的，同时发现其“异构体冗余现象”很可能源于真菌漆酶引致
的关键中间体优势构象［11］。该成果不仅为此类免疫抑制物来源问题的解决
奠定了重要基础，而且为酚类合成生物学研究提供了新的思路和概念。萘啶霉
素(NDM)、奎诺卡星(QNC)及Ecteinascidin743(ET-743)均属于四氢异
喹啉生物碱家族化合物，它们都具有显着的抗肿瘤活性，其中ET-743已发展
为第1例海洋天然产物来源的抗肿瘤新药。这3种化合物都具有一个独特的
二碳单元结构，其生物合成来源问题一直没有得到解决。唐功利等［12］在克
隆了NDM和QNC生物合成基因簇的基础上，通过前体喂养标记、体内相关基因
敲除-回补以及体外酶催化反应等多种实验手段相结合的方式，阐明了二碳单元
的独特生源合成机制:NapB/D及QncN/L在催化功能上均属于丙酮酸脱氢酶及
转酮醇酶的复合体，它们负责催化二碳单元由酮糖转移至酰基承载蛋白(ACP)
上，而后经过非核糖体蛋白合成(NＲPS)途经进入到最终的化合物中。这种将
基础代谢中的酮糖直接转化为次级代谢所需要的二碳单元在非核糖体肽合成途
径中是首次报道。该研究结果也有助于揭示海洋药物ET-743独特的二碳单元
生物合成来源，为非核糖体聚肽类天然产物的组合生物合成带来新的前体单元。
此外，他们还利用全基因组扫描技术定位了抗生素谷田霉素生物合成的基因簇，
通过基因敲除结合生物信息学分析确定了基因簇边界。谷田霉素可以抑制致病
真菌，且对肿瘤细胞表现出极强的毒性(比抗肿瘤药物丝裂霉素的活性高约
1000倍);该家族化合物属于DNA烷基化试剂，典型的结构特征是吡咯吲哚
环上的环丙烷结构。在对突变株的发酵检测中成功分离、鉴定了中间体YTM-T
的结构，并结合体外生化实验揭示了一类同源于粪卟啉原III-氧化酶
(CoproporphyrinogenIIIoxidase)的甲基化酶以自由基机理催化YTM-T发
生C-甲基化［13］，这是此类蛋白催化自由基甲基化反应的首例报道，为下一
步阐明YTM结构中最重要的环丙烷部分生物合成途径奠定了基础。
Pyrroindomycins(PTＲ)是能够有效对抗各类耐药病原体的一种天然产物，它
含有1个环己烯环螺连接的tetramate这一独特的结构。刘文等［14］通过对
PYＲ生物合成的研究揭示了2个新的蛋白质，均能够单独在体外通过迪克曼
环化反应将N-乙酰乙酰基的-l-丙氨酰硫酯转化成tetramate。这一工作揭示
了一种通过酶的方式首先生成C—X(X＝O或N)键，然后再生成C—C键来
构建5元杂环的生物合成途径。
1.5金属催化剂在活细胞及信号转导中的应用
利用化学小分子在活体环境下实现生物大分子的高度特异调控是化学生物
学领域的前沿热点问题之一。作为生物体内含量最多的一类生物大分子，蛋白
质几乎参与了所有的生命活动，因此“在体”研究与调控其活性及生物功能意
义重大。
与发展较为成熟的蛋白质活性抑制剂及相应的“功能缺失性”研究相比，
小分子激活剂对于研究蛋白质的结构与功能更为有效。这主要是因为后者可以
在活细胞及活体动物、组织内实现“功能获得性”研究，从而为目标蛋白质在
天然环境下的功能及其在生命活动中扮演的角色提供更准确和细致的信息。然
而，通过小分子实现蛋白质的原位激活是一项极具挑战性的任务，目前大多数
成功的例子都来源于大规模小分子库筛选而获得的针对某一特殊蛋白质靶标的
“别构剂”，而没有一种广泛适用于不同类型蛋白质的普适性小分子激活策略。
陈鹏课题组通过将基于钯催化剂的“脱保护反应”与非天然氨基酸定点插入技
术相结合，首次利用小分子钯催化剂激活了活细胞内的特定蛋白质［15］。该
方法通过将一种带有化学保护基团的赖氨酸(炔丙基碳酸酯-赖氨酸，Proc-赖
氨酸)以非天然氨基酸的形式定点取代目标蛋白质上关键活性位点的天然赖氨
酸，使蛋白质的活性处于“关闭“状态。利用能够高效催化“脱保护反应”的
钯化合物，他们在活细胞内实现了蛋白质侧链的原位脱保护反应(Proc-赖氨酸
向天然赖氨酸的转化)，使该蛋白质重新回到“开启”状态，实现“原位”激
活。这一策略的优势在于将非天然氨基酸直接插入了目标蛋白质酶的催化活性
位点，使其处于完全“关闭”的状态;而在激活过程中只要产生少量的处于
“开启”状态的蛋白质就足以对其功能及相关生物学功能进行研究。利用这一
技术，他们深入研究了一种细菌三型分泌系统的毒素效应蛋白OspF(磷酸丝氨
酸裂解酶)对宿主细胞内的胞外信号调节激酶(Erk)参与的信号转导通路的影
响，并证明了该方法可作为普适性平台，为活细胞及活体内的生物大分子激活
提供了新的策略和工具。
2基于蛋白质和多肽的研究
李艳梅课题组长期致力于化学合成糖肽疫苗和免疫学研究，取得了一系列
成果。现阶段化学合成疫苗的研究主要存在两大问题:一是需要寻找有效的特
异性抗原，以区分正常组织和病变组织，二是需要寻找疫苗体系以打破免疫耐
受，促进机体免疫反应。针对第1个问题，他们以MUC1糖肽为骨架，合成了
具有不同糖基化修饰的肿瘤相关糖肽抗原。以牛血清白蛋白为载体，筛选表位，
并研究构效关系，发现T9位苏氨酸的糖基化修饰对糖肽的免疫原性具有至关
重要的影响。针对第2个问题，他们对疫苗进行了结构优化，通过T细胞表位、
免疫刺激剂和自组装片段等策略提高免疫反应效果，设计合成了两组分疫苗、
三组分疫苗以及自组装疫苗等一系列高效的疫苗，能够产生高强度的IgG抗
体，同时可以通过疫苗分子调节体液免疫和细胞免疫。这些疫苗产生的抗体能
够结合并通过补体依赖细胞毒性作用杀死瘤细胞。该研究为进一步的疫苗研究
打下了坚实的基础［16，17］。目前，治疗癌症的主要方法仍然是化疗法。
利用能够特异性靶向癌细胞的药物可以减少药物的负效应，提高癌症患者
的治愈率。不同类型的纳米载体，如脂质体类、多聚纳米颗粒、嵌段共聚物胶
团和树枝状高分子，常用于抗癌药物的靶向性释放。为了更大地提高抗癌药物
的特异性释放效率，多种方法被相继开发，例如，将叶酸配体引入纳米载体引
导药物靶向癌细胞的特定部位，将对生理特性的环境敏感分子(酸度敏感分子、
温控分子以及特定酶响应分子)引入纳米载体用于体内特定环境的释放。刘克
良等［18］制备了外围为疏水性含有叶酸修饰的聚乙二醇(PEG)而核心为超顺
磁性Fe3O4的纳米药物载体，并展示了该组装体细胞内酸性环境定点释放AD
Ｒ药物的功能。非共价作用力是维持蛋白三维结构的重要因素，小型多肽因结
构小和非共价相互作用位点少而难以形成稳定的三维空间结构。他们［19～21］
利用多肽间相互作用催化分子间硫酯的胺解，制备了新型的共价偶联的6HB多
肽分子，并在多种条件下展示均具有高的热稳定性。该策略为稳定多肽的三维
结构提供了新的思路。
化学方法能够实现原子水平精确控制蛋白质的序列和结构，是获取特定修
饰的生物体系难以表达的蛋白质的一种重要手段。当前使用最为广泛的技术是
以硫酯为合成子的自然化学连接反应。然而，多肽硫酯因其高度的热不稳定性
和反应活性而不容易采用目前最为广泛使用的Fmoc固相合成技术合成。刘磊等
［22］利用烯胺的水解反应，基于所提出的溶液中分子内从N到S不可逆酰
基迁移制备硫酯的策略，以多肽酰胺为底物，实现了Fmoc固相合成硫酯。基
于酰肼能够在弱酸性条件下被亚硝酸转化为酰基叠氮的特征，刘磊等发展了以
多肽酰肼为结构单元的合成蛋白质的多肽酰肼连接技术［23］，结合保护基
Tbeoc实现了全收敛酰肼连接制备蛋白质［24］，并结合非天然氨基酸嵌入
技术发展出蛋白质半合成的新策略［25］。
抑制病变蛋白Aβ聚集及解聚已成为治疗阿尔茨海默症(AD)的重要手
段，受到人们的广泛关注。大多数报道的Aβ抑制剂是有机小分子或肽。然而，
这些抑制剂或不能穿透血脑屏障(BBB)，或缺乏与Aβ的识别能力，应用受
到限制。能够靶向结合Aβ，进而抑制Aβ聚集的药物成为本领域目前研究的
重点。利用自主设计细胞荧光筛选体系，结合化学、分子生物学、生物化学、
生物物理和现代波谱学等手段，曲晓刚等发现一些特殊结构类型聚金属氧酸盐
能够调控AD病变蛋白Aβ的聚集，抑制效果与聚金属氧酸盐的结构、所带电
荷数及体积密切相关。研究成果作为封面文章发表在德国
《Angew．Chem．Int．Ed．》［24］并被《C＆ENNews》作为亮点给予报道。
此外，他们最新研究发现，具有锌指结构的2个三螺旋金属超分子化合物
能够有效地抑制Aβ聚集，并已获得专利授权。进一步研究表明，这2个金
属超分子化合物能够特定地结合在α/β-不一致伸缩区域，抑制Aβ的细胞
毒性。体内研究表明，这些化合物可改善转基因小鼠模型的空间记忆障碍，并
降低脑内不溶性Aβ的水平。同时，该化合物还能解聚已经形成的Aβ聚集
体。这表明金属超分子化合物不仅可以预防早期AD的发生，还具有缓解AD的
作用，并已获专利授权。这将为设计和筛选金属超分子化合物作为Aβ抑制剂
提供新的途径。工作作为封面文章发表在《Chem．Sci．》［27］，并被英
国皇家化学会《ChemistryWorld》以“新超分子阿尔茨海默症药物(New
supramolecularAlzheimer'sdrugs)”［26］为题给予亮点报道。
刘扬中等［29］开展了金属配合物抑制结核菌内的蛋白剪接功能的研究，
发现结核菌内一些酶通过Intein的蛋白剪接被活化，抑制蛋白剪接将抑制结
核菌的生长。高等生物不具有Intein，因而Intein是抗结核菌药物的理想靶
点。通过体外蛋白剪接实验和细胞实验证实，顺铂在结核菌的作用靶点是
Intein蛋白。
王江云课题组［30］通过扩展基因密码子，实现了具有光点击活性的非天
然氨基酸环丙烯赖氨酸在哺乳动物中的基因编码。光照条件下，特异位点整合
了环丙烯赖氨酸的蛋白质与小分子四唑化合物发生环加成反应，生成荧光活性
基团，从而实现了时空可控的对哺乳动物细胞内蛋白特异位点的标记。此外，
该课题组和陆艺课题组利用非天然氨基酸的定点插入，首次实现了用18kD的
肌红蛋白模拟呼吸链中重要膜蛋白复合物细胞色素c氧化酶。该工作首次提供
了细胞色素c氧化酶中保守翻译后修饰Tyr-His功能的直接证据，是蛋白质
设计领域的重要进展，并有望在生物能学中获得重要应用［31］。电子传递(ET)
涉及生物体内许多重要的生化过程，王江云课题组及龚为民课题组通过基因密
码子扩展，实现在活细胞中编码螯合金属的非天然氨基酸3-吡唑基酪氨酸，为
研究生物大分子中的光致电子转移现象以及利用生物元件实现高效可控的光致
电荷分离提供了有力的工具。这为蛋白动态构象变化研究提供了新的研究手段，
为利用合成生物学手段生产可再生能源提供了新的研究思路，为金属蛋白设计
提供了新的工具。该项研究成果以内封面文章的形式发表于德国
《Angew．Chem．Int．Ed．》［32］。
作为哺乳动物体内酸性最强的器官，胃所含的强酸性胃液(pH为1～3)
是人和动物抵御绝大多数微生物病菌的一道天然屏障。然而，肠道病原菌能够
在强酸性的胃液下存活，并进而造成肠道感染。陈鹏等［33］通过在蛋白中定
点嵌入含有光交联基团的非天然氨基酸系统地捕获了一种酸性分子伴侣蛋白在
酸胁迫下的“客户蛋白”，并依此阐释了大肠杆菌抵御胃酸的机理，理解大肠
杆菌的抗酸性机理将极大地加深我们对这类病原菌的认识，为今后发展新型抗
生素奠定基础。结果发表后《C＆ENNews》作了专题报道。其后，他们进一步
运用非天然氨基酸编码技术成功地在肠致病性大肠杆菌、志贺氏菌及沙门氏菌
中实现了光交联及叠氮非天然氨基酸的定点嵌入，为病原菌侵入宿主细胞的机
理研究打下基础［34］。此外，他们结合在蛋白中定点嵌入末端为烯烃的非天
然氨基酸及Thiol-ene反应，实现了药用蛋白质定点的标记及PEG化修饰，
为药用蛋白的化学改性提供了新途径［35］。
3糖化学生物学的进展
寡糖化合物的合成是制约糖科学发展的瓶颈之一。叶新山等利用“糖基供
体预活化”策略，将添加剂控制的立体选择性糖基化方法应用于葡萄糖和半乳
糖硫苷供体的糖基化反应中，实现了路易斯酸控制的高α-立体选择性糖基化
反应［36］;并将该策略成功应用于伤寒Vi抗原寡糖重复片段的合成［37］。
俞飚等对一价金催化的以糖基邻炔基苯甲酸酯为供体的糖基化方法的机理［38］
进行了深入研究，并进一步用于药用分子Digitoxin［39］和皂
苷类化合物［40］的合成;他们还首次实现了结构复杂的含脱氧糖单元的抗生
素LandomycinA的合成［41］。发展糖化学生物学研究的新方法至关重要。
陈兴课题组［42］报道了一种具有细胞靶向性的非天然糖代谢标记新方法。
他们将非天然糖包裹在靶向性脂质体内，并通过受体介导的细胞内吞，将非天
然糖传输到特定的细胞内，进入细胞的非天然糖通过糖代谢途径修饰于细胞表
面聚糖上，最后可通过生物正交反应进行成像和检测。张延等［43］建立了一
种从复杂生物样品中分离富集糖基化蛋白的新方法，开发了一种具有选择性富
集叠氮标记O-糖基化多肽及蛋白的炔基修饰纳米磁珠，通过炔基与叠氮基团之
间的点击反应富集带有叠氮标记的糖蛋白，通过DTT及TCEP等的还原作用将
磁珠结构上的二硫键切断，从而将富集的糖蛋白从磁珠上解离，再通过
SDS-PAGE、LC-MS等技术对这些糖基化蛋白进行鉴定。王鹏课题组与美国西北
大学Mrksich教授合作［44］，发展了一种糖基转移酶快速鉴定的新方法。该
方法结合了高通量基因克隆技术、无细胞蛋白表达技术、自组装单层糖芯片技
术以及在线质谱分析技术，将7种糖基供体与近100种细胞外表达的糖基转
移酶分别放到含有23种不同糖基受体的芯片上进行反应，反应后冲洗糖芯片
并使用全自动的在线质谱检测系统分析结果，超过3万个的反应可在几天内完
成。
糖类化合物在药学上的用途一直吸引着研究者的兴趣。叶新山等［45］对
肿瘤相关天然糖抗原STn进行结构修饰，发现某些经适当修饰后的抗原具有更
高的免疫原性，所产生的抗体能识别天然抗原，并且与表达STn抗原的肿瘤细
胞相作用，从而为抗肿瘤糖疫苗的研究提供了新的路径。他们［46］还设计合
成了几种N-烷基二脱氧氮杂糖化合物，这些氮杂糖化合物能够抑制ConA诱
导的小鼠脾T淋巴细胞的增殖;进一步研究表明，这种抑制效应源于它们对细
胞因子IFN-γ和IL-4分泌的抑制;然后进行了动物水平的皮肤移植实验，结
果显示这些氮杂糖类化合物能够延长小鼠皮肤移植后皮片的存活时间。这些结
果为新型免疫抑制剂的研制提供了希望。
4核酸化学生物学的进展
随着化学、生物学和医学研究的发展和融合，现在发现大量重大疾病，如
恶性肿瘤、遗传疾病等，都与核酸相关。核酸不仅是遗传基因信息的载体，同
时基因信息调控的正确与否与生命体的正常生理功能和健康与疾病有密切的联
系。而且，机体受各因素影响发生基因变异到形态学或生理功能发生病变，是
一个多阶段的改变累积过程。端粒DNA和端粒酶与人的寿命和癌症等疾病密切
相关，已成为癌症治疗的特殊靶标。曲晓刚等［47］发现，碳纳米管可以通过
稳定人端粒i-motif结构来抑制端粒酶的活性，此实验结果第一次证实单壁碳
纳米管(SWNT)干扰端粒功能。这为SWNT的生物医学效应和i-motifDNA的
生物学重要性提供了新的认识。周翔等［48］发现G-四链体能够诱导DNA链
间的交换，这种高度选择性的链交换反应揭示了基因重组和DNA修复的一种全
新机制。谭铮等［49］鉴定得到了一个端粒DNA结合蛋白，该蛋白能够与端粒、
端粒酶相互作用，提高端粒酶延伸端粒DNA的催化活性和进行性。在DNA甲
基化方面，周翔等［50］设计了系列卤代铵盐衍生物，可以高选择性识别DNA链
中的5-甲基胞嘧啶，这种精确的识别还可以区分5-甲基胞嘧啶和5-羟甲基、
5-醛基胞嘧啶，有望融合下一代测序方法为表观遗传学的研究提供了有力的工
具和新的突破。任劲松等［51］首次将适体DNA同时用作介孔硅封盖试剂和癌
细胞靶向试剂，结合化学疗法、光热疗法和成像于一体系，用于癌症诊断和治
疗，该工作作为封面文章发表在《Adv．Mater．》上。他们［52］还通过纳
米金可视化的方法对微量端粒酶活性进行快速检测。这些针对miＲNA、端粒酶、
循环肿瘤细胞的研究对于目前癌症的快速诊断和早期预警提供了技术支撑。
ＲNA干扰近年来一直被认为可用于新一代生物制药技术，各国政府及制药
巨头投入巨大，但小核酸生物制药一直受到核酸稳定性、脱靶效应及给药性差
等因素制约。梁子才、席真等［53］通过深入研究小核酸在人血清中的稳定性，
发现血清中ＲNaseA具有双链ＲNA限制性内切酶性质，是造成小核酸血清
不稳定性的主要因素，并发现对双链siＲNA中热切位点的单碱基修饰可以极
大提高小核酸血清稳定性。他们进一步发现，利用普适性碱基对双链siＲNA进
行单点突变，可以极大提高ＲNA干扰中双链siＲNA的链选择性，降低siＲ
NA的脱靶效应［54］。通过研究siＲNA的体内不对称性选择机制而设计合成
的超高效siＲNA可以达到pmol/L级的ＲNA干扰活性［55］。
5分析方法和手段的进展
徐涛和徐平勇等在超高分辨率成像领域取得重要研究成果。近期发展的超
高分辨率成像技术(F)PALM/STOＲM能够在纳米尺度展示生物分子的精确定
位，是蛋白质研究和荧光成像领域的研究热点和发展趋势。然而，现有的荧光
蛋白限制了当前(F)PALM/STOＲM等超高分辨成像技术的发展和广泛应用。为
了进一步完善和优化现有的超高分辨成像方法，发展具有普适性和颜色多样的
新型光激活荧光蛋白(PAFPs)至关重要。
但是与传统的光不敏感荧光蛋白(比如GFP，ＲFP)领域相比较，可逆光
转化荧光蛋白ＲSFP的发展较为滞后，品种较少。他们通过一种光转化荧光蛋
白mEos2的随机突变，获得了一系列具有光开关功能的绿色荧光蛋白，改善了
现阶段光开关荧光蛋白(ＲSFP)发展滞后、品种单一的问题。
其中的mGeos-M因其具有十分优异的单分子特性，有望成为替代Dronpa
的新一代超高分辨率显微成像分子探针［56］。此外，为了解决膜蛋白的标记
问题，同时发展综合性质更佳的荧光蛋白探针，他们［57］通过晶体结构解析
和定点突变，获得了2个真正单体荧光蛋白:mEos3.1和mEos3.2。进一步
的研究显示，mEos3具有成熟时间短、亮度高的特性。用于单分子定位时具有
很高的标记密度和光子产出，在超高分辨成像中比当前所有PAFPs都表现出色。
杨弋等［58］发明了一种简单实用的光调控基因表达系统，将可以广泛应用于
基础研究领域，并可能用于光动力治疗，这是我国科学家在合成生物学与光遗
传学前沿领域获得重要突破。通过合成生物学的方法，他们成功开发出一种简
单、稳定、容易使用的光调控基因表达系统。该系统称为LightOn系统，由1
个光调控的转录因子和含有目的基因的转录单元构成。在蓝光存在的情况下，
转录因子能够迅速被激活，从而启动目的基因的转录与表达。利用该系统在小
鼠活体内进行实验，他们成功实现了红色荧光蛋白在小鼠肝脏的指定区域的光
控表达。此外，他们课题组［59］还开发了一系列检测NADH的遗传编码荧光
探针。
方晓红、郭雪峰等［60］利用具有G4构象的DNA适配体分子构建了功能
化的单分子器件，实现了对凝血酶的高选择性的可逆检测，最低检测浓度可达2.
6amol/L(～88ag/mL)。与微流控技术相结合，进一步实现了对单个生物结合
过程的在线检测，从而发展了一种高特异性、高灵敏度的在线生物检测的可行
性技术。该方法也提供了单个蛋白质分子检测的新思路。颜晓梅等［61］通过
对噬菌体进行基因改造，构建了双砷染料-四半胱氨酸重组噬菌体体系，成功地
应用于细菌的灵敏、特异检测。由于噬菌体只能在活菌中繁殖，而且重组四半
胱氨酸标签中的半胱氨酸必须处于还原态才能与双砷染料牢固结合，因此可以
利用细菌胞浆的还原环境，通过对重组噬菌体四半胱氨酸的检测实现死菌和活
菌的区分。噬菌体入侵活的宿主菌并在其体内快速繁殖，噬菌体衣壳蛋白所表
达的四半胱氨酸片段与后续加入的跨膜双砷染料结合，发出强烈的荧光，单个
活细菌的信号可用流式细胞仪或荧光显微镜灵敏检测。陈鹏课题组发展了一种
强酸性环境下的活细胞pH荧光探针［62］。由于传统的基于荧光蛋白或荧光
小分子的pH探针在酸性条件下不够稳定或细胞内定位困难，无法适用于对强
酸性环境下的活细胞进行探测。他们通过将酸性分子伴侣蛋白质和荧光小分子
相结合，成功用于检测活体内强酸性环境的pH荧光探针，并分别在革兰氏阴性
细菌及哺乳细胞表面做了展示。杨朝勇等［63］发展了一种基于l-DNA分子信
标(l-MB)的安全、稳定、准确的细胞内的纳米温度计。根据该探针所设计的
温度敏感的发夹结构和荧光共振能量转移的原理，它能够用于对活细胞内的温
度进行测量，将成为一个无创、准确地获取细胞内的温度的有力工具。
6化学生物学领域的部分国际研究热点和前沿以及我国科学家的贡献
6.1以细胞信号转导为主线的化学生物学研究蓬勃发展
在G蛋白偶联受体、TGF-β受体、Wnt、NFκB等信号转导途径的分子机
理及其与细胞增殖、分化、凋亡及迁移等生命活动的关系的化学生物学研究方
面都取得了突破性的进展，涌现了若干高水平的研究成果。我国科学家也在急
性髓系白血病(AML)细胞凋亡的机制和治疗手段、抑制TGFβ受体活性的小分
子及机理研究、酸敏感离子通道的动力学行为和通道门控功能、干细胞多能性
的维持机制及相应的诱导因子的发现等方面取得突破。
6.2生物活性分子的合成方法取得进展
在直接利用天然小分子探针的同时，科学家们还发展了高效的天然产物组
合库合成方法，复杂天然糖缀合物及寡糖的化学合成方法，环肽及带有不同修
饰基团的多肽的合成方法，利用合成生物学合成活性分子等。在合成生物活性
小分子或生物大分子方面所取得的这些成果极大地推动了我国化学生物学的发
展。
6.3现代分析技术和方法在化学生物学研究中的重要性日益彰显
各种原位、实时、高灵敏、高选择、高通量的新方法和新技术在国际上不
断涌现，我国科学家对此也做出了巨大贡献。例如，在生物分子检测探针和生
物传感器方面，发展了多种适合于实时检测活细胞中金属离子、自由基、活性
氧等重要生物活性分子的光学探针，发展了细胞表面糖基和聚糖等的原位检测
传感器。开发了基于化学抗体-核酸适配体的蛋白质、核酸检测新方法，药物小
分子或小分子配体与蛋白质复合物结构和分子识别的质谱分析和光学检测等新
方法。在单分子水平的分析检测方面，发展了能在活细胞状态监测蛋白质亚基
组成和信号转导过程中蛋白质动态行为的单分子荧光成像法、分析蛋白质聚集
状态的单分子荧光光谱法，以及能在细胞上实时检测配体-受体的作用力和复合
物稳定性的单分子力谱法。
6.4在时间与空间上对细胞内的分子过程与新陈代谢进行成像与控制的技
术
这些技术可为复杂生物学问题的解析提供重要的工具，是国际上的研究前
沿与热点。我国科学家针对细胞代谢研究的技术瓶颈问题，发明了系列特异性
检测核心代谢物NADH的基因编码荧光探针，实现了活细胞各亚细胞结构中对
细胞代谢的动态检测与成像，不仅可为细胞、发育等基础研究提供创新方法，
也为癌症和代谢类疾病的机制研究与创新药物发现提供了有力工具。在此基础
上，利用合成生物学与化学生物学方法，开发出由光调控的转录因子和含有目
的基因的转录单元构成的基因表达系统，为发育、神经生物学的复杂生物学问
题解析提供有力研究工具。
6.5计算化学和计算生物学取得明显进展
计算化学与计算生物学在生命科学和药学研究中的应用在国际上受到了极
大的关注。我国科学家较快地将计算化学和计算生物学应用于化学生物学研究，
开展了不少开创性的研究和有特色的工作，取得了一些具有重要创新性的成果。
其中，在以小分子为探针进行药物靶标预测和生物分子功能研究、生物分子模
拟应用、生物网络和化学小分子对于生物系统的作用以及蛋白质设计等方面都
取得了一些创新性成果。
7化学生物学的发展趋势
化学生物学经过十多年的发展正在成为一门具有自身特点和内涵的学科，
将成为研究生命科学问题的重要手段及创新药物研究的重要工具。
以下就未来化学生物学发展的趋势加以展望。
7.1化学生物学的方法与技术
7.1.1探针分子的发现分子探针是一类能与其他分子或者细胞结构相结
合，帮助获得重要生物大分子在细胞中的定位、定量信息或进行功能研究的分
子工具。
7.1.2生物正交化学发展能够在活细胞环境下进行但不干扰细胞内在生
化过程的化学分子工具及其化学反应。
7.1.3生物标记与成像通过具有高靶标亲和力或者生物正交化学反应能
力的分子探针标记特定物质，对生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研
究。
7.1.4生物分子的光调控通过远程光源诱发生物分子上所连光活性基团
的反应，从而对生物分子实现具有时空分辨率的结构及功能调控，并发现动态
生命体系中新的分子机制。
7.2生物大分子的化学生物学
7.2.1核酸化学生物学在分子水平上研究核酸的结构、功能及作用机理，
运用核酸探针研究和调控细胞生命活动，并在研究过程中强调化学方法与化学
手段的运用与创新。
7.2.2蛋白质与多肽化学生物学在分子水平上研究蛋白质与多肽分子的
结构、功能及生物学、医学应用，并在研究过程中强调化学方法与化学手段的
运用与创新。
7.2.3糖、脂化学生物学运用化学方法与技术，在分子水平上研究糖和
脂这两类生物分子的结构与功能，探索糖、脂在生命过程中的基本规律，促进
糖、糖缀合物和脂的生物医学应用。
7.2.4生物大分子的修饰与功能运用化学生物学方法与技术研究生物大
分子的化学修饰、机理、调控基因表达等生物功能。
7.3计算化学生物学活性分子设计理论及应用;生物分子功能的理论预测;
生物网络计算与模拟;生物体系分子动态学以及生命体系的人工设计与模拟
等。
7.4细胞化学生物学
7.4.1探针分子与生物大分子的相互作用发展特异识别生物大分子的化
学探针，并利用该特异性结合调控生物大分子生理功能的探索是化学生物学研
究的一项重要内容。
7.4.2信号转导过程的分子识别利用化学生物学方法和技术，研究重要
信号转导通路以及这些过程中的重要生物大分子在细胞生理和病理条件下的作
用机制。
7.4.3细胞重编程过程的小分子调控将小分子化合物用于干细胞的自我
更新、定向分化及体细胞重编程等方面的研究是国际上干细胞研究领域的热点
问题，也是采用化学生物学策略进行干细胞研究的优势所在。
7.4.4非编码ＲNA体系的小分子调控非编码ＲNA体系的小分子调控
是通过设计、合成、筛选等手段，开发出能够特异性地识别、结合非编码ＲNA并
调控非编码ＲNA生理功能的活性小分子，以期实现小分子在非编码ＲNA相
关生物学、医学问题中的研究与应用。
7.5药物发现的化学生物学基础
癌症、心血管疾病、神经退行性疾病、代谢性疾病、免疫疾病、病毒和病
菌感染等重大疾病的药物靶标和先导化合物的开发。
7.6化学生物学的应用
7.6.1生物标志物与疾病诊断的化学生物学研究可以标记系统、器官、
组织、细胞及亚细胞结构，以及与疾病发生、发展密切相关的各种细胞学、生
物学、生物化学或分子指标。
7.6.2功能性分子的生物合成生物合成是生物体内进行的同化反应的总
称，为许多常规化学方法不能或不易合成的化合物提供新合成途径。
7.6.3生命复杂体系的组装与模拟在超分子水平上研究生物活性分子间
相互作用的本质和协同规律，在此基础上实现对组装过程的调控，创造具有特
定功能的自组装体系。
7.6.4纳米技术的化学生物学发展生命调控的纳米材料，提供生命研究
的功能化纳米分子工具，研究解决与重大疾病的诊断和治疗相关的问题。
8人才培养与平台建设
我国基本上与国际同步开展化学生物学方法发展和应用研究，具备良好的
发展基础。通过过去十多年的努力，我国已经培养、造就了一支较强的化学生
物学研究队伍，拥有一批具有较高水平的学术带头人，发展和储备了一系列化
学生物学新方法和新技术。许多高等院校开始培养化学生物学硕士、博士研究
生，部分高校已经开始招收化学生物学本科生。近期，国务院学位办公室和教
育部等部门先后将化学生物学设立为二级学科。这也进一步说明，化学生物学
作为一门新兴的学科已日趋成熟和完善。
8.1人才培养
根据国际化学生物学研究的发展状况，我国相继成立了开展化学生物学研
究的机构。北京大学、清华大学、南开大学、复旦大学、南京大学、厦门大学、
武汉大学、湖南大学、四川大学、中山大学、华东理工大学等十多所高校相继
成立了化学生物学教育部重点实验室、化学生物学系或研究生专业;中科院上
海生命科学研究院和中科院上海有机化学研究所(生命有机化学国家重点实验
室)成立了化学生物学联合研究中心;中科院化学所、大连化物所、福建物质
结构研究所、兰州化物所、武汉物理数学研究所等也成立了化学生物学研究中
心或研究室。2011年“药物化学生物学”国家重点实验室经批准在南开大学建
立，这标志着化学生物学学科有了自己的第一个国家重点实验室。与此同时，
因创新药物研究的需要，我国培养了一批化学生物学研究所必须的组合化学、
高通量筛选和活性化合物设计研究队伍;因基因组和功能基因组研究的需要，
我国也培养了一批生物信息学和基因组研究人才队伍。此外，我国在生物医学
领域的人才培养也有了长足的进步，为化学家与生物学家在相互感兴趣的交叉
领域展开充分的合作奠定了基础。
8.2研究平台建设
8.2.1项目资助近年来，国家自然科学基金委员会、科技部、教育部等
部门对化学生物学的资助力度逐年加大。这里重点介绍国家自然科学基金委员
会的“基于化学小分子探针的信号转导过程研究”重大研究计划项目。该重大
研究计划于2007年1月正式发布指南，接受申请。申请项目涉及国家自然科
学基金委员会数理、化学、生命、工材、信息和医学6个学部。第一批资助的
43项培育项目已于2010年底顺利结题。在2011年国家自然科学基金委员会
组织的重大研究计划中期评估中，该重大研究计划被评为优秀，并在所有参评
重大研究计划当中排名第一。
最近两年，该重大研究计划以小分子探针为主要工具，充分发挥化学和生
命科学等多学科交叉合作的优势，对细胞信号转导中的重要分子事件和机理进
行了深入的研究，在一些前沿研究方向上取得了突出的成绩，相关研究结果发
表在《Cell》、《Proc．Natl．Acad．Sci．USA》《NatureChemicalBiology》、
《NatureChemistry》、《NatureMethods》、《NatureProtocol》、《Science
Signaling》、《ChemBioChem》、《J．Am．Chem．Soc．》、
《Angew．Chem．Int．Ed．》等重要的期刊上。这一重大研究计划使得我
国的化学生物学研究队伍的规模有了更为快速的增长。它的顺利实施使得一批
化学和生命科学的研究人员开展了实质性的合作，为我国培养了大批化学生物
学的专门人才，并在全国范围内形成了从事化学生物学的稳定科研队伍。