基因工(gōng)程（英語：Gene engineering）又(yòu)稱遺傳工(gōng)程（英語：Genetic engineering）[注 1]、基因操作(zuò)、基因修飾、重組核酸技(jì )術，是一種使用(yòng)生物(wù)技(jì )術直接操縱有(yǒu)機體(tǐ)基因組、用(yòng)于改變細胞遺傳物(wù)質(zhì)的工(gōng)程；此工(gōng)程技(jì )術可(kě)以通過使用(yòng)分(fēn)子克隆技(jì )術分(fēn)離和複制需要的遺傳物(wù)質(zhì)以産(chǎn)生核酸序列，也可(kě)以借由生物(wù)工(gōng)程學(xué)方法設計并合成核酸序列，然後以此“外源DNA或RNA”将新(xīn)的遺傳物(wù)質(zhì)插入宿主基因組中(zhōng)，使同一物(wù)種或跨物(wù)種的基因轉移，以産(chǎn)生改良的或新(xīn)的生物(wù)體(tǐ)。

基因工(gōng)程步驟中(zhōng)，可(kě)另外使用(yòng)核酸酶除去或“敲除”基因；也可(kě)進行擴增而制備大量純化的DNA或RNA片段；更可(kě)将靶核酸分(fēn)子或重組核酸分(fēn)子插入基因工(gōng)程載體(tǐ)，接着再導入宿主甚或插入宿主核酸中(zhōng)。基因靶向則是使用(yòng)同源重組來改變内源基因的不同技(jì )術，并且可(kě)以用(yòng)于缺失基因，去除外顯子，添加基因或引入點突變。

通過基因工(gōng)程産(chǎn)生的生物(wù)體(tǐ)被認為(wèi)是“遺傳修飾生物(wù)體(tǐ)”（GMO）又(yòu)稱“轉基因生物(wù)”。第一種遺傳修飾生物(wù)是1973年産(chǎn)生的細菌和1974年的遺傳修飾小(xiǎo)鼠。利用(yòng)細菌産(chǎn)生胰島素在1982年商(shāng)業化，遺傳修飾食品自1994年以來一直銷售。作(zuò)為(wèi)寵物(wù)設計的第一種遺傳修飾生物(wù)GloFish于2003年12月首先在美國(guó)銷售。

基因工(gōng)程技(jì )術建立在分(fēn)子生物(wù)學(xué)、分(fēn)子遺傳學(xué)、基因分(fēn)子生化學(xué)的知識進展上，其已應用(yòng)于許多(duō)領域，包括研究、農業、工(gōng)業生物(wù)技(jì )術和醫(yī)學(xué)。用(yòng)于洗衣洗滌劑和藥物(wù)如胰島素和人生長(cháng)激素的酶現在在遺傳修飾（GM）細胞中(zhōng)制造，實驗性遺傳修飾細胞系和遺傳修飾動物(wù)例如小(xiǎo)鼠或斑馬魚正用(yòng)于研究目的，并且遺傳修飾作(zuò)物(wù)已經商(shāng)業化。

定義

基因工(gōng)程是改變生物(wù)的遺傳組成使用(yòng)的技(jì )術，包括了删除可(kě)遺傳材料，和将生物(wù)體(tǐ)外直接制備的DNA導入宿主或細胞，然後與宿主融合或雜交。 這涉及使用(yòng)重組核酸（DNA或RNA）技(jì )術來形成可(kě)遺傳材料的新(xīn)組合，然後通過載體(tǐ)系統（基因工(gōng)程載體(tǐ)）間接地或通過顯微注射、大量注射和微囊化技(jì )術直接地摻入該材料。

“基因工(gōng)程”并不包括傳統的動物(wù)和植物(wù)育種、體(tǐ)外受精(jīng)、多(duō)倍體(tǐ)育種、人工(gōng)誘變和細胞融合技(jì )術，因為(wèi)在該過程中(zhōng)不使用(yòng)經過重組核酸或遺傳修飾的生物(wù)體(tǐ)。歐盟則将“遺傳工(gōng)程”廣泛定義為(wèi)包括選擇育種和其他(tā)人工(gōng)選擇手段；嚴格說來，遺傳工(gōng)程（genetic engineering）的範圍較基因工(gōng)程（gene engineering）廣泛。克隆和幹細胞技(jì )術，雖然不被認為(wèi)是基因工(gōng)程，但也是與基因工(gōng)程密切相關的，可(kě)以在其中(zhōng)使用(yòng)基因工(gōng)程。 合成生物(wù)學(xué)是一個新(xīn)興的學(xué)科(kē)，它使基因工(gōng)程進一步将人工(gōng)合成的材料從原材料引入生物(wù)體(tǐ)。

如果将來自另一物(wù)種的遺傳物(wù)質(zhì)添加到某生物(wù)體(tǐ)中(zhōng)，則所得生物(wù)稱為(wèi)遺傳修飾生物(wù)。如果使用(yòng)來自相同物(wù)種的遺傳物(wù)質(zhì)或可(kě)以與宿主自然繁殖的物(wù)種，則稱為(wèi)同源基因改造遺傳工(gōng)程也可(kě)以用(yòng)于從目标生物(wù)體(tǐ)去除遺傳物(wù)質(zhì)，創建一個基因敲除生物(wù)體(tǐ)在歐洲，遺傳修飾是遺傳工(gōng)程的同義詞，而在美國(guó)，“基因修飾”一詞也可(kě)以指常規的育種方法。加拿(ná)大的監管制度是基于産(chǎn)品是否具(jù)有(yǒu)新(xīn)穎的特征，而不管來源的方法。換句話說，如果産(chǎn)品攜帶一些先前在物(wù)種中(zhōng)未發現的性狀，則其被調節為(wèi)遺傳修飾，無論其是使用(yòng)傳統育種方法（例如選擇育種，細胞融合，突變育種）還是遺傳工(gōng)程産(chǎn)生的。在科(kē)學(xué)界，“基因工(gōng)程”這個術語并不常用(yòng)。取而代之的是更為(wèi)具(jù)體(tǐ)的術語，例如“遺傳修飾”或“轉基因”。

曆史

數千年來，人類通過選擇性育種或人工(gōng)選擇。:1近年來，逐漸通過誘變改變了物(wù)種的基因組。而遺傳工(gōng)程作(zuò)為(wèi)直接操縱DNA、由人外部育種和突變是自20世紀70年代産(chǎn)生的。

“遺傳工(gōng)程”這個術語最早由傑克·威廉姆森在1951年——也就是DNA在在遺傳中(zhōng)的作(zuò)用(yòng)得到了阿弗雷德(dé)·赫希和瑪莎·蔡斯的證實的前一年——出版的科(kē)幻小(xiǎo)說“龍之島中(zhōng)創作(zuò)。1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克裏克發現DNA分(fēn)子具(jù)有(yǒu)雙螺旋結構。斯丹利·溫鮑姆的1936年的科(kē)幻故事普羅透斯島（Proteus Island）中(zhōng)探索了直接遺傳操作(zuò)的一般概念。

1972年，保羅·伯格通過将來自猴病毒SV40的DNA與λ病毒的DNA結合而産(chǎn)生了第一個重組DNA分(fēn)子。在1973年，赫伯特·博耶和斯坦利·科(kē)恩通過将抗生素抗性基因插入到大腸杆菌細菌的質(zhì)粒中(zhōng)而産(chǎn)生了第一個遺傳修飾生物(wù)。一年後，魯道夫·耶尼施通過将外來DNA引入其胚胎中(zhōng)創建了一種遺傳修飾小(xiǎo)鼠，使其成為(wèi)世界上第一個遺傳修飾動物(wù)這些成就導緻了科(kē)學(xué)界對基因工(gōng)程的潛在風險的關注，這些問題首先在1975年的阿西洛馬會議上進行了深入讨論。這次會議的主要建議之一是，在技(jì )術的安(ān)全性得到确認之前政府應加強對重組DNA研究的監督。 1976年，赫伯特·博耶和羅伯特·史旺森創立了遺傳工(gōng)程公(gōng)司基因泰克（Genentech），該公(gōng)司在大腸杆菌中(zhōng)生産(chǎn)了人類蛋白生長(cháng)抑素。 基因泰克在1978年宣布生産(chǎn)遺傳修飾生産(chǎn)的人胰島素。1980年，美國(guó)最高法院在Diamond訴Chakrabarty案中(zhōng)裁定，遺傳改變的生命可(kě)以獲得專利。此種借由細菌生産(chǎn)的胰島素以“優泌林”作(zuò)為(wèi)品牌名(míng)稱，在1982年經美國(guó)食品藥物(wù)監督管理(lǐ)局批準銷售。

在20世紀70年代，威斯康辛大學(xué)麥迪遜分(fēn)校的研究生史蒂文(wén)·林多(duō)（Steven Lindow）與D.C.阿爾尼（D.C.Arny）和C.韋瑟（C.Weather）發現了一種細菌，它被認為(wèi)是在冰成核過程中(zhōng)發揮作(zuò)用(yòng)的丁香假單胞菌，并在1977年發現了一種突變的減冰細菌。 林多(duō)博士（現在是加州大學(xué)伯克利分(fēn)校的植物(wù)病理(lǐ)學(xué)家）後來成功創建了一個重組減冰細菌。1983年，一家生物(wù)技(jì )術公(gōng)司先進遺傳科(kē)學(xué)公(gōng)司（Advanced Genetic Sciences，AGS）申請美國(guó)政府授權，使用(yòng)丁香假單胞菌的減冰菌菌株進行田間試驗，以保護作(zuò)物(wù)免受霜凍，但環境組織和抗議者通過法律挑戰推遲了此項田間試驗四年。 1987年，随着加利福尼亞的草(cǎo)莓田和馬鈴薯田的噴霧，丁香假單胞菌的減冰菌菌株成為(wèi)第一個被釋放到環境中(zhōng)的遺傳修飾生物(wù)這兩塊測試田在測試開始前一天晚上都遭到活動家團體(tǐ)攻擊：“世界上第一的試驗田吸引了世界第一的搗蛋鬼”。

1986年在法國(guó)和美國(guó)進行了遺傳修飾植物(wù)的第一次田間試驗，實驗植物(wù)為(wèi)一種抗除草(cǎo)劑的遺傳修飾煙草(cǎo)。中(zhōng)華人民(mín)共和國(guó)是第一個将遺傳修飾植物(wù)商(shāng)業化的國(guó)家，1992年引入了抗病毒的煙草(cǎo)。 在1994年，佳基因公(gōng)司（Calgene）獲批将Flavr Savr番茄（一種具(jù)有(yǒu)較長(cháng)的保質(zhì)期的遺傳修飾番茄）投入市場，同年歐盟批準遺傳修飾抗除草(cǎo)劑溴苯腈煙草(cǎo)，使其成為(wèi)在歐洲商(shāng)業化的第一個遺傳修飾作(zuò)物(wù)。1995年，馬鈴薯作(zuò)物(wù)Bt Potato在經美國(guó)食品藥品監督管理(lǐ)局和美國(guó)環境保護局批準安(ān)全使用(yòng)，成為(wèi)美國(guó)第一個批準的抗蟲遺傳修飾作(zuò)物(wù)。

2009年，11個遺傳修飾作(zuò)物(wù)在25個國(guó)家商(shāng)業化生産(chǎn)，主要為(wèi)美國(guó)、巴西、阿根廷、印度、加拿(ná)大、中(zhōng)國(guó)、巴拉圭和南非。

2010年，克萊格·凡特研究所的科(kē)學(xué)家創建了第一個合成基因組并将其插入空的細菌細胞。得到的細菌，名(míng)為(wèi)“辛西娅”（Synthia），可(kě)以複制和産(chǎn)生蛋白質(zhì)。在2014年，開發了一種細菌，其複制含有(yǒu)獨特堿基對（非腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶、鳥嘌呤）的質(zhì)粒，是首個使用(yòng)擴展遺傳字母表的生物(wù)體(tǐ)。

操作(zuò)與步驟

如果将一種生物(wù)的DNA中(zhōng)的某個遺傳密碼片段連接到另外一種生物(wù)的DNA鏈上去，将DNA重新(xīn)組織一下，就可(kě)以按照人類的願望，設計出新(xīn)的遺傳物(wù)質(zhì)并創造出新(xīn)的生物(wù)類型，這基因工(gōng)程一般包括以下四個步驟：

取得符合要求的DNA片段；

構建基因的表達載體(tǐ)；

将目的基因導入受體(tǐ)細胞；

目的基因的檢測與鑒定。

取得符合要求的DNA片段

第一步是選擇并分(fēn)離将被插入到遺傳修飾的生物(wù)體(tǐ)中(zhōng)的基因。要把目的基因從供體(tǐ)DNA長(cháng)鏈準确地剪切下來，可(kě)不是一件容易的事。1968年，沃納·阿爾伯、丹尼爾·内森斯和漢彌爾頓·史密斯第一次從大腸杆菌中(zhōng)提取出了限制性核酸内切酶，它能(néng)夠在DNA上尋找特定的“切點”，認準後将DNA分(fēn)子的雙鏈交錯地切斷。人們把這種限制性内切酶稱為(wèi)“分(fēn)子剪刀(dāo)”。這種“分(fēn)子剪刀(dāo)”可(kě)以完整地切下個别基因。自1970年代以來，人們已經分(fēn)離提取了400多(duō)種“分(fēn)子剪刀(dāo)”。有(yǒu)了形形色色的“分(fēn)子剪刀(dāo)”，人們就可(kě)以随心所欲地進行DNA分(fēn)子長(cháng)鏈的切割了。可(kě)以使用(yòng)限制酶分(fēn)離基因以将DNA切割成片段并進行凝膠電(diàn)泳，以根據長(cháng)度将它們分(fēn)離出來。聚合酶鏈反應（PCR）也可(kě)以用(yòng)于擴增基因區(qū)段，然後可(kě)以通過凝膠電(diàn)泳分(fēn)離。 如果所選擇的基因或供體(tǐ)生物(wù)體(tǐ)的基因組已經被充分(fēn)研究，它可(kě)以存在于基因庫中(zhōng)。如果DNA序列已知，但沒有(yǒu)該基因的拷貝可(kě)用(yòng)，則可(kě)以人工(gōng)合成。

要插入遺傳修飾的生物(wù)體(tǐ)中(zhōng)的基因必須與其它遺傳元件組合以使其正常工(gōng)作(zuò)。還可(kě)以在該階段修飾基因以更好地表達或有(yǒu)效性。除了要插入的基因之外，大多(duō)數構建體(tǐ)含有(yǒu)啓動子和終止子區(qū)以及選擇标記基因。啓動子區(qū)啓動基因的轉錄，并且可(kě)以用(yòng)于控制基因表達的位置和水平，而終止子區(qū)終止轉錄。 在大多(duō)數情況下賦予其在其中(zhōng)表達的生物(wù)體(tǐ)抗生素抗性的選擇性标記，需要确定哪些細胞用(yòng)新(xīn)基因轉化。

構建基因表達載體(tǐ)

DNA的分(fēn)子鏈被切開後，還得縫接起來以完成基因的拼接。1967年，科(kē)學(xué)家們在5個實驗室裏幾乎同時發現并提取出一種酶，這種酶可(kě)以将兩個DNA片段連接起來，修複好DNA鏈的斷裂口。1974年以後科(kē)學(xué)界正式肯定了這一發現，并把這種酶叫作(zuò)DNA連接酶。從此，DNA連接酶就成了名(míng)符其實的“縫合”基因的“分(fēn)子針線(xiàn)”。隻要在用(yòng)同一種“分(fēn)子剪刀(dāo)”剪切的兩種DNA碎片中(zhōng)加上“分(fēn)子針線(xiàn)”，就會把兩種DNA片段重新(xīn)連接起來。

質(zhì)粒載體(tǐ)

DNA的操作(zuò)通常發生在質(zhì)粒内。使用(yòng)重組DNA技(jì )術，例如限制性消化，連接和分(fēn)子克隆制備構建體(tǐ)。 其中(zhōng)一種常見的技(jì )術是将新(xīn)的遺傳物(wù)質(zhì)插入宿主基因組中(zhōng)的特定位置，或在所需的能(néng)夠敲除的基因組位點産(chǎn)生突變内源基因。基因靶向技(jì )術使用(yòng)同源重組來靶向特定内源基因的期望變化。這在植物(wù)和動物(wù)中(zhōng)發生的頻率相對較低，并且通常需要使用(yòng)選擇标記基因。使用(yòng)工(gōng)程化核酸酶如鋅指核酸酶，工(gōng)程改造的歸巢核酸内切酶（或“兆堿基”）或由TAL效應物(wù)産(chǎn)生的核酸酶，可(kě)以大大增強基因靶向的頻率。 除了增強基因靶向，工(gōng)程化核酸酶也可(kě)以用(yòng)于在産(chǎn)生基因敲除的内源基因中(zhōng)引入突變。

病毒載體(tǐ)

病毒載體(tǐ)是一種常用(yòng)的工(gōng)具(jù)，可(kě)将遺傳物(wù)質(zhì)帶入細胞。可(kě)發生于完整活體(tǐ)或是細胞培養中(zhōng)。原理(lǐ)是利用(yòng)病毒具(jù)有(yǒu)傳送其基因組進入其他(tā)細胞，進行感染的分(fēn)子機制。

慢病毒載體(tǐ)是病毒載體(tǐ)中(zhōng)的一種在慢病毒基礎上發展起來的基因工(gōng)程載體(tǐ)。慢病毒基因組不需要靶細胞分(fēn)裂即可(kě)整合到細胞核中(zhōng)。來源于慢病毒的載體(tǐ)也體(tǐ)現了能(néng)夠穩定地轉導分(fēn)裂和非分(fēn)裂細胞（包括幹細胞）這一優勢。慢病毒載體(tǐ)目前已發展成為(wèi)一個強大的基因轉移工(gōng)具(jù)，廣泛應用(yòng)于生物(wù)學(xué)研究和基因治療。慢病毒載體(tǐ)構建時，病毒的順式作(zuò)用(yòng)元件（非編碼所需的轉錄、反轉錄和包裝(zhuāng)元素）必須與反式作(zuò)用(yòng)元件（酶、結構和輔助蛋白編碼）序列分(fēn)離，以防止形成具(jù)有(yǒu)複制能(néng)力的慢病毒顆粒（RCL）。

将目的基因導入受體(tǐ)細胞

隻有(yǒu)約1％的細菌天然能(néng)夠攝取外源DNA。然而，這種能(néng)力可(kě)以通過外部刺激（例如熱或電(diàn)擊）誘導其他(tā)細菌産(chǎn)生，增加其細胞膜對DNA的通透性；已吸收的DNA可(kě)以與基因組整合或作(zuò)為(wèi)染色體(tǐ)外DNA（如質(zhì)粒）存在。 DNA通常使用(yòng)顯微注射插入動物(wù)細胞，其中(zhōng)它可(kě)以通過細胞的核膜直接注射到細胞核中(zhōng)或通過使用(yòng)病毒載體(tǐ)。在植物(wù)中(zhōng)，通常使用(yòng)農杆菌介導的重組或基因槍技(jì )術（biolistics）插入DNA。

在農杆菌介導的重組中(zhōng)，質(zhì)粒構建體(tǐ)含有(yǒu)T-DNA，其負責将DNA插入宿主植物(wù)基因組中(zhōng)。在感染植物(wù)細胞之前，将該質(zhì)粒轉化到不含質(zhì)粒的農杆菌中(zhōng)。然後農杆菌将天然地将遺傳物(wù)質(zhì)插入植物(wù)細胞中(zhōng)。在生物(wù)動力學(xué)中(zhōng)，金或鎢的顆粒用(yòng)DNA包被，然後注射到愈傷組織細胞或植物(wù)胚胎中(zhōng)。一些遺傳物(wù)質(zhì)将進入細胞并轉化它們。該方法可(kě)以用(yòng)于不易受農杆菌感染的植物(wù)上，并且還允許植物(wù)質(zhì)體(tǐ)的轉化。用(yòng)于植物(wù)和動物(wù)細胞的另一種轉化方法是電(diàn)穿孔。電(diàn)穿孔包括使植物(wù)或動物(wù)細胞遭受電(diàn)擊，其可(kě)使細胞膜對質(zhì)粒DNA可(kě)透過，在一些情況下，電(diàn)穿孔細胞可(kě)将DNA摻入其基因組中(zhōng)。由于其對細胞和DNA的損害，基因槍和電(diàn)穿孔的轉化效率低于農杆菌介導的轉化和顯微注射。

由于用(yòng)于轉化的細胞通常隻有(yǒu)一個，因此必須将該單個細胞培育成生物(wù)體(tǐ)。細菌由單個細胞組成并且不需要克隆再生。在植物(wù)中(zhōng)，這通過使用(yòng)組織培養來實現。每種植物(wù)對通過組織培養成功再生具(jù)有(yǒu)不同的要求。如果成功，則産(chǎn)生在每個細胞中(zhōng)含有(yǒu)遺傳修飾的成年植物(wù)。在動物(wù)中(zhōng)，有(yǒu)必要确保插入的DNA存在于胚胎幹細胞中(zhōng)。

目的基因的檢測與鑒定

排序基因的專用(yòng)電(diàn)腦

選擇标記用(yòng)于區(qū)分(fēn)轉化的和未轉化的細胞。這些标記通常存在于遺傳修飾生物(wù)體(tǐ)中(zhōng)，盡管已經開發了可(kě)以從成熟遺傳修飾植物(wù)中(zhōng)除去選擇性标記的多(duō)種策略。 當産(chǎn)生後代時，可(kě)以篩選基因的存在。來自第一代的所有(yǒu)後代對于插入的基因将是雜合的，并且必須交配在一起以産(chǎn)生純合動物(wù)。

進一步的測試使用(yòng)PCR，南方墨點法（Southern印迹），并且進行DNA測序以确認生物(wù)體(tǐ)含有(yǒu)新(xīn)基因。即将遺傳修飾生物(wù)的基因組DNA提取出來，在含有(yǒu)目的基因的DNA片段上用(yòng)放射性同位素等做标記，以此作(zuò)為(wèi)探針，使探針與基因組DNA雜交，如果顯示出雜交帶，就表明目的基因已插入染色體(tǐ)DNA中(zhōng)。該方法因發現者而命名(míng)為(wèi)南方墨點法。這些測試還可(kě)以确認插入基因的染色體(tǐ)位置和拷貝數。基因的存在并不保證其在靶組織中(zhōng)以适當的水平表達，因此也使用(yòng)尋找和測量基因産(chǎn)物(wù)（RNA和蛋白質(zhì)）的方法。這些包括北方墨點法（Northern印迹），定量即時聚合酶鏈鎖反應（RT-PCR），西方墨點法，免疫熒光，酵素免疫分(fēn)析法（ELISA）和表型分(fēn)析。為(wèi)了穩定轉化，該基因應以孟德(dé)爾遺傳模式傳遞給後代，因此也應研究該生物(wù)的子代。

應用(yòng)及成果

基因工(gōng)程在醫(yī)學(xué)、研究、工(gōng)業和農業中(zhōng)的都有(yǒu)所應用(yòng)，并且可(kě)以廣泛應用(yòng)于植物(wù)、動物(wù)和微生物(wù)。

醫(yī)學(xué)

在醫(yī)學(xué)中(zhōng)，基因工(gōng)程已經用(yòng)于制造藥物(wù)，創建模型動物(wù)，進行實驗室研究和基因治療。

生産(chǎn)

遺傳工(gōng)程用(yòng)于大規模生産(chǎn)胰島素、生長(cháng)激素、follistim（用(yòng)于治療不育）、人白蛋白、單克隆抗體(tǐ)、凝血因子、疫苗和許多(duō)其他(tā)藥物(wù)。小(xiǎo)鼠雜交瘤，融合在一起以産(chǎn)生單克隆抗體(tǐ)的細胞已經通過基因工(gōng)程人源化以産(chǎn)生人單克隆抗體(tǐ)。正在開發遺傳工(gōng)程改造的病毒，其仍然可(kě)以賦予免疫性，但缺乏感染序列。

研究

基因工(gōng)程用(yòng)于創建人類疾病的動物(wù)模型。遺傳修飾小(xiǎo)鼠是最常見的基因工(gōng)程動物(wù)模型。它們已用(yòng)于癌症、肥胖、心髒病、糖尿病、關節炎、藥物(wù)成瘾、焦慮、衰老、帕金森病的研究和模拟。可(kě)以針對這些小(xiǎo)鼠模型測試潛在的療法。在增加器官移植成功率方面，培育了遺傳修飾豬。

基因治療

基因治療是人類的遺傳工(gōng)程，通常通過用(yòng)有(yǒu)效基因替代有(yǒu)缺陷的基因。這可(kě)以發生在體(tǐ)細胞組織或種系組織中(zhōng)。

體(tǐ)細胞基因治療

體(tǐ)細胞基因治療已針對多(duō)種疾病進行了臨床研究，包括X連鎖嚴重複合型免疫缺乏症，慢性淋巴細胞性白血病（CLL），和帕金森病  2012年，Glybera成為(wèi)第一個得到歐洲或美國(guó)批準，可(kě)在歐洲委員會批準後獲準用(yòng)于臨床使用(yòng)的基因治療藥物(wù)。

種系基因治療

關于種系基因治療，科(kē)學(xué)界一直反對使用(yòng)生物(wù)技(jì )術以可(kě)遺傳的方式改變人類基因的嘗試，因為(wèi)該技(jì )術才剛剛起步。随着技(jì )術的發展、CRISPR等新(xīn)技(jì )術的出現，2015年3月，科(kē)學(xué)家們敦促世界範圍内禁止臨床使用(yòng)基因編輯技(jì )術以可(kě)遺傳的方式編輯人類基因組。2015年4月，中(zhōng)國(guó)研究人員報告了基礎研究實驗的結果引發了争議，在這些實驗中(zhōng)，他(tā)們使用(yòng)CRISPR編輯了不可(kě)發育的人類胚胎的DNA  2015年12月，世界主要科(kē)學(xué)院的科(kē)學(xué)家們呼籲暫停進行可(kě)遺傳的人類基因組編輯，包括與CRISPR-Cas9技(jì )術相關的那些。

如果技(jì )術不僅用(yòng)于治療，而且用(yòng)于增強、修改或改變人的外表、适應性、智力、性格或行為(wèi)，也存在倫理(lǐ)問題。固化和強化之間的區(qū)别也很(hěn)難界定。 超人主義者認為(wèi)人類的增強是可(kě)取的。

科(kē)研

基因缺失小(xiǎo)鼠

與綠色熒光蛋白融合的人類細胞

遺傳工(gōng)程是科(kē)學(xué)家的重要工(gōng)具(jù)。來自各種生物(wù)的基因和其他(tā)遺傳信息轉化為(wèi)細菌，以供儲存和修飾，遺傳修飾的細菌在該過程中(zhōng)産(chǎn)生。使用(yòng)細菌的原因是其廉價易得，生長(cháng)、克隆繁殖迅速，相對容易轉化，而且可(kě)以長(cháng)期保存，在-80℃幾乎可(kě)以無限期儲存。分(fēn)離後的基因可(kě)以儲存在細菌中(zhōng)，可(kě)無限增殖供給研究。

可(kě)以将生物(wù)體(tǐ)遺傳工(gōng)程化以發現某些基因的功能(néng)。這可(kě)能(néng)是對生物(wù)表型的影響，其中(zhōng)表達基因或與其相互作(zuò)用(yòng)的其它基因。這些實驗通常涉及功能(néng)喪失，功能(néng)獲得，跟蹤和表達。

功能(néng)缺失實驗

例如在基因敲除實驗中(zhōng)，遺傳修飾生物(wù)會缺少一個或多(duō)個基因的活性。敲除實驗涉及體(tǐ)外構建和操作(zuò)DNA構建體(tǐ)，其在簡單敲除中(zhōng)由所需基因的拷貝組成，或将其改變為(wèi)無功能(néng)的。胚胎幹細胞摻入改變的基因、替換已經存在的功能(néng)性拷貝。将這些幹細胞注射到胚泡中(zhōng)，植入以替代親代遺傳物(wù)質(zhì)。實驗者借此分(fēn)析由該突變引起的缺陷，從而确定特定基因的作(zuò)用(yòng)。這項操作(zuò)在發育生物(wù)學(xué)中(zhōng)使用(yòng)頻繁。在黑腹果蠅等生物(wù)體(tǐ)中(zhōng)另一種可(kě)行的方法是在大群體(tǐ)中(zhōng)誘導突變，然後篩選後代以獲得所需的突變。類似的方法可(kě)以用(yòng)于植物(wù)和原核生物(wù)中(zhōng)。功能(néng)喪失可(kě)說明某種蛋白質(zhì)是否是某項功能(néng)所必需的，而非說明某種蛋白質(zhì)具(jù)有(yǒu)某項功能(néng)。特别是如果功能(néng)需要多(duō)個蛋白質(zhì)，那麽隻要缺少其中(zhōng)一個就會喪失這項功能(néng)。

基因導入實驗

與敲除實驗的思路相對。這些有(yǒu)時與敲除實驗一起進行以更精(jīng)細地了解所需基因的功能(néng)。該過程與敲除工(gōng)程中(zhōng)的操作(zuò)大體(tǐ)相同，除了将構建體(tǐ)設計成可(kě)增加基因的功能(néng)，通常通過提供額外的基因拷貝或更頻繁地誘導蛋白質(zhì)的合成。基因導入用(yòng)于判斷蛋白質(zhì)是否足夠用(yòng)于功能(néng)，但并不總是意味着它是必需的，特别是當處理(lǐ)遺傳或功能(néng)冗餘時。

基因靶向實驗

尋求獲得特定蛋白質(zhì)的位置和相互作(zuò)用(yòng)的信息。一種實現方法是用(yòng)“融合”基因替換野生型基因，該融合基因是野生型基因與标記基因如綠色熒光蛋白（GFP）的并置，這使得産(chǎn)物(wù)的遺傳修飾可(kě)見。雖然這是一個有(yǒu)用(yòng)的技(jì )術，但是其操作(zuò)可(kě)能(néng)破壞基因的功能(néng)，産(chǎn)生二次效應，可(kě)能(néng)會産(chǎn)生可(kě)疑的實驗結果。更複雜的技(jì )術現在正在開發中(zhōng)，用(yòng)以跟蹤蛋白質(zhì)産(chǎn)物(wù)而不減輕其功能(néng)，例如添加将作(zuò)為(wèi)單克隆抗體(tǐ)的結合基序的小(xiǎo)序列。

表達實驗

表達實驗旨在發現特定蛋白質(zhì)在何處和何時産(chǎn)生。在這些實驗中(zhōng)，将編碼蛋白質(zhì)的DNA（稱為(wèi)基因的啓動子）之前的DNA序列重新(xīn)引入生物(wù)體(tǐ)中(zhōng)，其中(zhōng)蛋白質(zhì)編碼區(qū)由報告基因（例如GFP）或催化染料産(chǎn)生的酶所取代。因此，可(kě)以觀察到産(chǎn)生特定蛋白質(zhì)的時間和地點。表達研究可(kě)以進一步通過改變啓動子來發現哪些片段對于基因的正确表達至關重要，且實際上由轉錄因子蛋白結合；這個過程稱為(wèi)啓動子敲擊。

工(gōng)業

使用(yòng)基因工(gōng)程技(jì )術，可(kě)以用(yòng)編碼有(yǒu)用(yòng)蛋白質(zhì)例如酶的基因轉化制造微生物(wù)（例如細菌或酵母），或轉化來自多(duō)細胞生物(wù)體(tǐ)（例如昆蟲或哺乳動物(wù)的細胞），經過轉化的生物(wù)體(tǐ)将過表達所需的蛋白。通過使用(yòng)發酵工(gōng)程技(jì )術在生物(wù)反應器設備中(zhōng)生長(cháng)轉化的生物(wù)體(tǐ)，然後純化蛋白質(zhì)，可(kě)以制備大量的蛋白質(zhì)。 一些基因在細菌中(zhōng)不能(néng)良好地作(zuò)用(yòng)，因此也可(kě)以使用(yòng)酵母菌、昆蟲或哺乳動物(wù)等真核生物(wù)細胞。這些技(jì )術用(yòng)于生産(chǎn)藥物(wù)、補充劑（如色氨酸），幫助生産(chǎn)食物(wù)（乳酪制造中(zhōng)的凝乳酶）和燃料。其它與研究中(zhōng)之遺傳修飾細菌有(yǒu)所相關的應用(yòng)，包括使細菌在其自然循環外進行任務(wù)，例如制造生物(wù)燃料，清理(lǐ)溢油，碳和其他(tā)有(yǒu)毒廢物(wù)，以及檢測飲用(yòng)水中(zhōng)的砷。某些遺傳修飾的微生物(wù)也可(kě)以用(yòng)于生物(wù)礦化和生物(wù)修複，因為(wèi)它們能(néng)夠從其環境中(zhōng)提取重金屬并将其摻入更易于回收的化合物(wù)中(zhōng)。

實驗室中(zhōng)的應用(yòng)

在材料科(kē)學(xué)中(zhōng)，基因修飾的病毒已經在學(xué)術實驗室中(zhōng)用(yòng)作(zuò)組裝(zhuāng)更環保的锂離子電(diàn)池的支架。

通過在某些環境條件下表達熒光蛋白，細菌已被設計為(wèi)傳感器之用(yòng)。

農業

基因工(gōng)程最有(yǒu)名(míng)和有(yǒu)争議的應用(yòng)之一是創造和使用(yòng)遺傳修飾作(zuò)物(wù)或遺傳修飾生物(wù)，如螢光魚，用(yòng)于生産(chǎn)遺傳修飾食品和具(jù)有(yǒu)多(duō)種用(yòng)途的材料。

遺傳修飾食品作(zuò)物(wù)的生産(chǎn)有(yǒu)四個主要目标，即：耐病蟲害、提高作(zuò)物(wù)價值、制造副産(chǎn)品和加快生長(cháng)強化植株。

環境保護

遺傳工(gōng)程在保護和自然區(qū)域管理(lǐ)中(zhōng)具(jù)有(yǒu)潛在的應用(yòng)。例如，已經提出通過病毒載體(tǐ)的基因轉移作(zuò)為(wèi)控制入侵物(wù)種以及接種來自疾病的受威脅動物(wù)群的手段。還提出了遺傳修飾樹作(zuò)為(wèi)賦予野生種群群體(tǐ)免疫的方法。随着氣候變化和其他(tā)擾動導緻生物(wù)體(tǐ)适應不良的風險增加，通過基因調整促進适應可(kě)能(néng)是減少滅絕風險的一個解決方案。遺傳工(gōng)程在保護中(zhōng)的應用(yòng)迄今為(wèi)止大部分(fēn)是理(lǐ)論上的，還沒有(yǒu)付諸實踐。将需要進一步的實驗來衡量這種做法的好處和成本。

技(jì )術限制

遺傳工(gōng)程的管理(lǐ)調控涉及政府為(wèi)評估和管理(lǐ)與遺傳修飾作(zuò)物(wù)的開發和銷售相關的風險而采取的措施。不同國(guó)家和地區(qū)針對遺傳修飾作(zuò)物(wù)的管理(lǐ)存在差異，其中(zhōng)美國(guó)和歐洲之間的差異最明顯。根據基因工(gōng)程産(chǎn)品的預期用(yòng)途，在各國(guó)家的法規有(yǒu)所不同。例如，非食品用(yòng)途的作(zuò)物(wù)通常不由負責食品安(ān)全的機構審查。從20世紀80年代後期開始，評估包括糧農組織和世衛組織在内的組織在遺傳修飾植物(wù)和食品安(ān)全方面的指導。

争議

批評者反對使用(yòng)基因工(gōng)程本身有(yǒu)幾個理(lǐ)由，包括倫理(lǐ)問題，生态問題，與傳統及有(yǒu)機農業的商(shāng)業利益沖突，以及由于遺傳修飾技(jì )術和遺傳修飾生物(wù)體(tǐ)受知識産(chǎn)權法律的限制所引起的經濟關注。遺傳修飾生物(wù)也參與關于遺傳修飾食品的争議，涉及遺傳修飾作(zuò)物(wù)生産(chǎn)的食品是否安(ān)全 ，是否應該貼标簽，以及是否需要遺傳修飾作(zuò)物(wù)來滿足世界糧食需求。:12 這些争議導緻訴訟，國(guó)際貿易争端和抗議，以及在一些國(guó)家限制商(shāng)業産(chǎn)品的監管。