基因疗法对许多人来说也许比较陌生，但却是那些身患绝症的患者的求生希望。它不仅给一些幸运的绝症患者带来了福音，甚至使他们的生活发生了全新的变化。
生物学家曾经对患有自身免疫系统疾病的大约20名男孩采用基因治疗，目前这些患者中的大部分人已经过上正常人的生活。而患有同样疾病的另外20名男孩，则不得不继续他们的悲惨生活——由于自身免疫系统不能抵御疾病的侵扰，必须生活在与世隔绝的无菌环境中。
基因疗法：几乎人人都“懂”
那么，什么是基因疗法？
其实，写过作文的人都曾使用过“基因疗法”。当你在修改自己的作品时，必须校正文中的所有基本错误：或者修改某个词语，或者增添一个表达准确的全新句子。
虽然生物学家采用的基因疗法的工作机理非常复杂，但却与你曾经使用过的文字修改方法基本相同。只不过，真正的基因疗法不是在细胞内的DNA链条上增加单个基因，而是必须增加一个全新的DNA片段，这对技术精度的要求也远远高于普通的文字修改工作。
基因工程所需要的是能够改变细胞内DNA的方法，这种方法类似于能够改正错误拼写方式的“单词校正器”。如果不小心将英文单词“标准”拼写为“nomral”，这种校正器就可以将其校正成正确的拼法——“normal”。使用特殊的方法，基因工程就能够修补变异基因却不触及基因组的其他部分，并在准确的位置用正常基因置换变异基因，或者植入新的DNA序列。
一个错误的句子可以造成整篇文章的混乱。同样地，如果一段错误的DNA片段在细胞染色体组中出现在不该出现的地方，也能够给人体带来巨大灾难，有些情况下甚至可能引发
癌症。1999年法国巴黎Necker医院的儿童中心曾经选择11名男孩进行基因疗法试验，其中有3名儿童不幸患上癌症。科学家分析，可能就是上述原因产生了这种后果。
实用的基因疗法：科学家30年的孜孜追求
计算机问世以来，人们修改文章比前辈轻松多了。对许多人来说，使用粘贴、复制手段已经习以为常。同样地，“基因片段的切割和粘贴”技术也是基因工程的关键手段。
“基因片段的切割和粘贴”技术，就是从一个基因链中“切割”一个基因片段“粘贴”到另一个基因链上。30年前科学家首次在实验室中掌握了这种技术。从那时起，这种技术突飞猛进。2002年，美国生物学家利用基因工程“无中生有”地组合出由7500个碱基对组成的急性骨髓灰质炎病毒染色体组。他们还计划利用同样的方法组合出由数以万计个碱基对组成的细菌染色体组。
研究人员对于更加具有实用性的基因工程技术已孜孜追求了整整30年。现在，这项技术开始渐渐“浮出水面”。
正如英国基尔大学的保罗·艾格莱斯通所指出的：“目前我们正在接近一个新纪元——逐步进入第二代基因移植技术时代。”
这种技术将给人类社会带来深刻的变化：在动植物新品种培育领域，可以更容易地培育出更便宜的转基因农作物和动物；在医药领域，新的、更有效的基因疗法以及
艾滋病等疾病的新疗法也有望问世。更有挑战性和有争议性的则是，它将开启另一扇激动人心的大门——人类基因工程。
实用性基因疗法：准确性为主要挑战
对于生物学家来说，改变细胞内的DNA是一件非常困难的工作。实验室合成的用于黏合DNA的各种酶都太大，不能进入细胞内。为此，他们不断探索各种方法。目前对于细菌（例如E.coli），生物学家已经能够根据需要改变其DNA，但更为复杂的其他各种动、植物细胞情况就不一样。
例如人类46个染色体中每一个染色体上都包含有60亿个碱基对，这意味着，实现精确地改变DNA是一个巨大的挑战。
目前大多数基因工程的手段依然基于上世纪70年代的发现：将DNA的一个片段移植到动物或者植物细胞内，它将随机地融合到动、植物的染色体组内。此后，科学家已经找到了很多种方法将DNA片段输送到细胞内。无论采取何种方法，最后的关键一步——将DNA片段整合到细胞染色体组内的成功与否都取决于运气，没有任何办法能够控制新的DNA片段融合在细胞内染色体组的具体位置。
随之而来，就产生了许多问题。随机性整合是一个小概率事件，在一个细胞内发生的几率仅是几千分之一。整合本身就带来各种各样的困难。有时额外的DNA会在另外一个染色体组整合出错误结果，而这种结果在最坏的情况下可能导致癌症。
即使DNA片段正好整合于正确的位置，这也并不能保证它能够以人们期望的方式工作。因为染色体组包含无数个“开关”，或者叫调控因子。这些开关分别控制着其周围基因的活动情况，在特定的时间或仅在特定的组织中能够起到“启动”和“关闭”的作用。因此，同一个DNA片段在10个不同的位置可以发挥10种相互不同的功能，这是由它附近的调控因子所控制的。
艾格莱斯通说：“同一个基因可以产生不同的活动方式”。研究人员认为，在法国接受基因疗法试验的3个男孩之所以患上癌症，并不是因为被植入的新基因放置在错误的位置，而是因为它们太活跃了。
基于上述原因，对于基因工程技术来说未来依然有很长的艰辛路程要走，才能够精确地将DNA片段整合到有机体的染色体组内。
第二代基因移植技术为上述问题的解决带来了新的希望。因为，不断完善的“基因靶标”技术将能够使基因疗法更加安全，同时使基因工程对人类社会产生更多的积极作用。
上世纪80年代，分子生物学家发现了同源重组技术，这项技术曾一度被认为能够解决上述问题。所谓同源重组，是利用老鼠胚胎干细胞，在老鼠DNA链条的侧翼植入一个新的DNA序列，活跃的修复酶有时能够从老鼠的基因组中将相匹配的基因序列切除，将新的DNA序列接合上。迄今为止，科学家依然没有揭开这一现象的真正谜底，这种现象的概率非常小，在10万个细胞中仅能发生一次。
同源重组技术的出现及其不断发展，使基因工程目前能够精确地控制老鼠的基因组。欧盟制定了一个专项研究开发计划，对老鼠的2万个基因进行深入研究，这些基因的数量占老鼠总量的2/3。欧盟计划在3年内生产出2万个转基因品种。
但是，当生物学家利用同源重组技术对其他动物进行研究时，得到的结果非常不尽人意。他们发现，除了老鼠的胚胎干细胞之外，同源重组现象在其他动物的细胞中相当罕见。
现在，生物学家正在研究多种新的技术手段，以实现对活细胞DNA的准确改变。而这些技术手段的效率远远高于初期“同源重组”技术的效率，在最好的情况下，可以在15个细胞中成功实现一次。
其中的一种方法是利用那些感染细菌的病毒。在催化重组酶的作用下，这些病毒能够在特定的靶点位置实现基因整合，从而对宿主细胞的DNA进行精确的改变。
催化重组酶能识别两种不同的靶序列：第一种是宿主细胞DNA的滤过性毒菌DNA序列，第二种则是位于宿主细胞基因靶点位置的DNA序列。催化重组酶在宿主细胞DNA链的两侧进行切割，然后将新的DNA序列植入，再将整段DNA链条黏合起来。催化重组酶的这种能力为基因工程技术提供了巨大的发展潜力。生物学家只需将第一种目的DNA序列植入到其他DNA链条的任何片段中，催化重组酶就能够将它与那些包含第二种DNA的所有片段整合在一起！
然而，由于大多数动、植物的基因组中并没有第二种靶序列，基因学家对此提出了一个解决方案：如果一种有机体本身没有一种靶序列，可以利用“随机整合法”为其增加这种靶序列。也就是说，生产出一种靶序列存在于适当点位的动物，使其繁殖后代。然后，就可以根据需要在其后代细胞基因链的点位植入其他基因。艾格莱斯通评价道：“这就像一个‘录音座’。我们可以精确地知道具体正在发生的事情，知道它将发生的具体点位。”
催化重组酶：基因工程的宠儿
在基因工程领域，催化重组酶正日益成为生物学家的宠儿。
艾格莱斯通一直致力于研究一种被称为“phiC31”的催化重组酶。他利用基因工程技术重组蚊子的基因，使蚊子失去传播疟疾的能力。2005年，艾格莱斯通研究小组成功地培育了几种携带有phiC31靶序列的新品种蚊子。研究人员利用催化重组酶，能够将几种不同的基因植入到蚊子DNA的相同位点，并可以重复这种操作，这大大增加了这种研究方法的可靠性。基因工程学家可以使用这种方法培育更多的其他动、植物新品种。
不过在基因疗法中，采用在DNA链中预先植入“录音座”的方法并不是一个令人满意的选择。然而，美国斯坦福大学的米歇尔·卡洛斯给我们带来了新的希望。卡洛斯在phiC31方法研究领域是一位先驱者，她已经证实没有必要采用上述方法。她发现，phiC31能够将DNA片段植入到宿主细胞DNA的“伪位点”（与真位点相似度仅有30％）。尽管整合过程的效率较低，但她还发现很多动物的染色体至少有一个伪位点。
2002年，卡洛斯研究小组证明phiC31方法可以用于基因疗法。我们已经知道，如果老鼠体内缺乏一种被称为“凝血因子IX”的基因就会患血友病。研究利用催化重组酶的方法，在老鼠肝脏内的凝血介质中加入凝血因子IX，很多实验鼠的肝脏细胞很快就能够生产出大量的凝血因子IX，其数量足以治疗血友病症状。卡洛斯指出：“这是我们所作的第一项研究，也是第一次在实验中获得成功。此外，我们已经利用多种动物成功地完成了类似实验。”
现在面临的挑战是，如何证明人类基因工程应用这种方法也将是安全的。在老鼠的染色体组中，phiC31插入DNA链条的整合位点主要有两个，但人体染色体组则要复杂得多。目前，卡洛斯小组已经在人体染色体组中确认了19个主要的整合位点，而另有82个整合位点的结果则具有随机性。尽管如此，对于随机植入来说，人类已经了解了101个整合位点的情况，这依然是一种巨大进步。卡洛斯计划对此将进一步研究，以开发出新的催化重组酶，实现更为精确的位点植入。
近来的另一项研究成果表明，如果phiC31的含量非常高，则会诱发人体细胞内的染色体重组，如果人体细胞内染色体的随机重组就会致癌。卡洛斯反驳说，phiC31所诱发人体细胞内染色体重组并不是随机的，这种重组只发生在DNA链条上的整合位点，其中任何一个位点都不靠近那些有可能导致癌症的基因。
科学家已经在人体细胞或实验鼠细胞试验中获得了成功，证明它可被用来治疗一些疾病，例如
遗传性皮肤病、被称为酪氨酸血症的肝脏疾病、人体免疫系统疾病等。卡洛斯希望她的研究结果在两年之内能够开始
临床试验，而血友病有望成为第一试验目标。
对于多数遗传疾病来说，其原因并不仅是缺少正常的基因，如果正常基因的位置发生错误同样也可以造成遗传障碍。因此，生物学家的最终目标是将所有的DNA序列作为靶，而不是仅将DNA传递到少数预定的整合位点。这样，不仅可以植入正确的“句子”，也可以修复“拼写的错误”。
目前，美国一家生物技术公司，专门研究设计“锌指结构（Znicfingers）”。在正常情况下，它存在于大多数DNA黏合蛋白的次级结构中，能够将各种DNA序列“锁定”在一起。从理论上来讲，利用锌指结构，科学家就可以根据客户的需要制造出各种蛋白质，并将其中植入DNA片段或者其他因子之中，黏合到所选择的任何DNA序列上。
基因剪刀：基因疗法的新希望
所谓的“分子剪刀”就是核酸酶，它是把DNA剪切酶植入锌指结构而得到的，能够在一个特定的位点剪切DNA片段。
全球一些研究小组的研究结果已经表明，如果在剪切DNA片段的同时，植入新的DNA片段，就会迫使修复酶起作用，进而大大加速同源重组的过程。
有一种变异基因会使人患X－SCID（一种严重的免疫缺陷疾病）。2005年7月，美国一家生物技术公司报告，该公司已经利用定制的DNA剪刀来校正了这种变异基因，校正比例达到18％。该
论文在生物工程学界引起了不小的震动。当时，美国盐湖城的犹他大学的达纳·卡洛尔认为：“这项研究取得了真正的、了不起的成果。”此外，该公司还从人体中提取免疫细胞，利用分子剪刀技术使这些免疫细胞能够抵御HIV病毒，如果再用这些细胞重建患者的免疫系统，将有望把艾滋病控制在初期阶段。论文的作者之一、美国德克萨斯大学的马休·鲍特乌斯认为，这种基因疗法的潜力巨大。
2003年，卡洛尔研究小组的结果表明，分子剪刀技术可以用于果蝇和植物，对它们进行基因工程改造。
尽管分子剪刀技术给基因工程带来了非常诱人的前景，但它本身也不是“灵丹妙药”，也面临一些需要解决的难题。
其一是分子剪刀能在一些具体位点对DNA链进行剪切，但同时也会造成双螺旋链的断裂，这种断裂会杀死一些正常的细胞。鲍特乌斯认为，这并不是一个巨大的难题。解决的方案是在植入之前，用分子剪刀在体外对细胞进行处理。
另外一个让人担忧的问题是，如果被剪断的DNA链在修复时发生错误，这些细胞就有可能变成癌细胞。目前，由于没有将剪刀技术修饰过的细胞再次植入动物体内的成功实例，还无法确定这种技术的具体风险。但鲍特乌斯依然认为“这是一个可以解决的问题。”此外，需要植入的DNA片段越大，分子剪刀的效率就越低。
毫无疑问，最理想的方案是将两种方法的优点结合起来：一、具有瞄准任何预定DNA片序列的能力；二、植入或者除去较大DNA片段的能力。为了实现这个目标，需要研究一种新的方法，能够改变催化重组过程，以使新的DNA片段黏接到所预定DNA序列上。
要实现这一点并不容易，因为催化重组的实际情况相当复杂。英国格拉斯哥大学生物学家马希尔·斯塔科指出，他的研究小组已经成功地改变了一个催化重组过程，使它可以识别一种原来不能识别的DNA序列。斯塔科认为，用类似于phiC31的催化重组酶，来锁定其他任何DNA序列仅仅是一个时间问题。
基因工程学家正在带领人类缓缓迈入生物工程技术的一个新纪元。他们在实验鼠身上获得了巨大成功，不久的将来同样有望在其他物种身上获得这种成功，其中当然包括我们人类自身。今后，基因工程给人类带来的福音会越来越多，成千上万人的命运将会因此改变。
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