我們?nèi)祟惪偸菚J為,相比地球上其它活的物種而言我們處于最頂端,生命從單細胞生物開始進化了超過30億年,直到如今地球上具有多種形態(tài)尺寸以及不同能力的植物和動物,此外,隨著生態(tài)復雜性的增加,在生命的歷史長河中,我們看到了智力、復雜的社會能力以及科技創(chuàng)新的不斷發(fā)展。
從自然角度來講,生命歷史的進展是從簡單到復雜,而且這也正反映在了基因數(shù)量的增多上,我們以卓越的智慧和全球的統(tǒng)治力為我們的發(fā)展帶路,人類是最復雜的生物,其有著一套非常精細化的基因群體。大約在半個世紀前,有研究推測人類機體中的基因有數(shù)百萬個,如今這些基因的數(shù)量下降到了2萬個,如今我們都知道,比如說香蕉都有3萬個基因,其基因數(shù)量大約是人類基因的1.5倍。隨著研究者們深入研究,他們設計出了既能夠計算有機體基因數(shù)量,又能夠發(fā)現(xiàn)不必要的基因的特殊方法。
我們可以認為機體中所有的基因都是我們烹飪的食譜,其以dna堿基對的形式被書寫(atcg),這些基因能夠提供提供指令來指導機體合成組成機體的蛋白質(zhì)并且行使著不同的功能;一個標準的基因需要大約1000個堿基字母,結合不同的環(huán)境,基因往往會負責其所扮演的不同角色,因此到底有多少基因能夠構成一個完整的有機體呢?
當我們談論到基因數(shù)量時,我們常常會表示我們能對病毒進行實際計數(shù),但目前研究者對真核生物進行計數(shù)面臨的一個挑戰(zhàn)就是我們機體的基因或許并不是像鴨子一樣連續(xù)地排成了一隊。我們機體烹飪書中遺傳食譜的排列方式往往會被打斷,并且會混入30萬個其它的字母,大約50%實際上都被描述為失活死亡的病毒,因此在真核生物中很難對具有關鍵功能基因進行計數(shù)。
相比較而言,對病毒和細菌基因進行計數(shù)就簡單地多,這是因為基因的原料—核苷酸對于小型生物而言非常珍貴,因此小型生物在進化過程中會通過較強的選擇剔除掉那些不必要的序列,實際上對于病毒而言最大的挑戰(zhàn)就是如何最初發(fā)現(xiàn)它們,令人驚訝的是,所有主要病毒的發(fā)現(xiàn),包括hiv等,都并不是通過測序?qū)崿F(xiàn)的,而是通過一些古老的方法,比如說將其放大到可見程度或者觀察期形態(tài)學特征,分子生物學技術的發(fā)展教會了研究者如何探索病毒世界的多樣性,但其僅僅能夠幫助我們對已知存在的病毒的基因進行計數(shù)。
越少越繁榮
在人類整個基因組中,需要維持健康生命/生活的基因數(shù)量實際上要遠遠少于當前所估計的2萬個基因,近日就有研究進行研究發(fā)現(xiàn),維持人類生命的必要基因的數(shù)量或許非常少。研究人員對數(shù)千名個體進行研究,尋找其基因組中天然發(fā)生的“敲除”現(xiàn)象,即尋找那些“不在場”的特殊基因,我們所有的基因都有著連個拷貝,其中一個來自上一輩,通常情況下如果當基因另一個拷貝失活時,另一個活性拷貝就會進行功能性的彌補,研究者很難發(fā)現(xiàn)攜帶兩個基因拷貝都失活的個體,因為失活的基因在天然狀態(tài)下非常罕見。
研究敲除基因的功能在實驗室對大鼠進行研究就可以,研究者們會利用現(xiàn)代的遺傳工程技術來對目的基因進行失活操作,或者移除該基因來觀察該基因失活后機體的表現(xiàn);但對人類的研究需要生活在21世紀醫(yī)療技術時代的人群,而且還需要找到適合進行遺傳學和統(tǒng)計學研究分析的譜系群體,冰島人就是一類非常有用的研究對象。
研究者通過研究發(fā)現(xiàn),有700多個基因被敲除后并不會帶來明顯的健康影響,比如,研究者指出,名為prdm9的基因在小鼠的生育能力上扮演著重要作用,但如果在人類機體中被敲除后卻不會引發(fā)任何疾病癥狀?;趯θ祟惽贸芯窟M行推測性分析,研究這表示,實際上人類僅需要3000個基因就能夠制造出一個健康完整的自己,這就類似于一種“巨大病毒”— 潘多拉病毒,2014年該病毒從3萬年的西伯利亞冰川中復蘇過來,其是目前研究者知道的最大的病毒,該病毒有2500個基因。
那么我們還需要什么基因呢?我們甚至并不知道四分之一的人類基因到底能干什么?到底其發(fā)揮著什么樣的作用?
復雜源于簡單
但是是否人類基因真正的數(shù)量時2萬?3000個?或者是別的數(shù)量呢?問題的焦點就是當我們理解基因的復雜性時,大小或許真的并不重要了。數(shù)學家alan turing提出了一種多細胞發(fā)育的理論,他研究了簡單的數(shù)學模型,名為反應-擴散過程,在這種過程中,少數(shù)的化學物質(zhì)會發(fā)生擴散并且相互反應;隨著簡單規(guī)則指導機體反應的情況下,這些模型或許就能夠產(chǎn)生一些非常復雜的擬序結構,因此植物和動物的生物學結構或許并不需要復雜的編程。
類似地,很顯然人類大腦中有著100萬億個連接,這才是真正制造我們的本源所在,但我們或許并不可能對其進行單一性地遺傳編程操作,近來一項在人工智能上的突破性研究就是基于大腦神經(jīng)網(wǎng)絡開展的,所謂人工智能就是擁有簡單元件(和神經(jīng)元類似)的大腦計算機模型,其能夠通過與外界相互作用來建立一定的聯(lián)系,而相關研究結果推測,在應用領域內(nèi),比如手寫識別和醫(yī)療診斷中,google公司就會邀請公眾來同人工智能計算機來打游戲以及觀察夢境。
微生物已經(jīng)超越了基礎的世界
因此,很顯然,單細胞并不需要非常復雜的數(shù)量來產(chǎn)生非常復雜的效應,那么人類機體基因的數(shù)量或許就和單細胞的微生物,比如病毒和細菌一樣,具有相同的尺寸。非常微小的微生物都有著極其豐富、復雜的生命,當然近幾年不斷興起的社會微生物學就是研究微生物世界極其復雜“社會關系”的一門學科。
過去10年里研究者通過研究發(fā)現(xiàn),微生物會將其90%的生命以生物被膜的形式存在,這或許是一種最有效有力的一種生物學組織,的確許多生物被膜都同細胞間有著復雜的通訊機制,就像大腦組織一樣,這或許能夠啟發(fā)科學家們開發(fā)一種新型模型來研究諸如偏頭痛和癲癇癥等腦部障礙。
生物被膜被認為是“微生物的城市”,如今社會微生物以及相關的醫(yī)學研究近些年取得了快速的發(fā)展,比如囊性纖維化的療法開發(fā)商,居住在“城市”中的微生物也會互相協(xié)作、發(fā)生競爭、自殺等等一系列活動,因此其或許會成為21世紀科學家們在進化生物學中從事的重點領域研究之一。
人類的生物學機制或許遠比我們想象地要更加杰出,當然對微生物世界的研究或許也會變得非常有趣,而關于基因的數(shù)量似乎同生命的奧秘并沒有什么關系。
19世紀后期顯微技術的改進,生物固定技術(如:Fleming 1882,1884;Canoy 1886)和染色技術的出現(xiàn)極大的方便了人們對細胞顯微結構的認識,各種細胞器相繼被發(fā)現(xiàn),20世紀30年代電子顯微鏡技術的問世,是細胞形態(tài)的研究達到了空前的高潮。20世紀50年代分子生物學的興起,推動細胞生物學的研究進入了分子水平。 1. 1831 英國人Robert Brown 發(fā)現(xiàn)植物細胞核。 2. 1832 比利時人C. J. Dumortier 觀察了藻類的細胞分裂,并認為細胞來源于原來存在的細胞。 3. 1835 德國人H. von Molh 仔細觀察了植物的細胞分裂,認為是植物的根和芽尖極易觀察到的現(xiàn)象。 4. 1835 法國人F. Dujardin 觀察動物活細胞時發(fā)現(xiàn)“肉樣質(zhì)”(Sarcode)。 5. 1839 捷克人J. E. Pukinye 用protoplasm這一術語描述細胞物質(zhì),“Protoplast”為神學用語,指人類始祖亞當。 6. 1841 波蘭人R. Remak發(fā)現(xiàn)雞胚血細胞的直接分裂(無絲分裂)。 7. 1846 德國人H. von Mohl研究了植物原生質(zhì),發(fā)表了“identifies protoplasm as the substance of cells”。 8. 1848 德國人W. Hofmeister 描繪了鴨跖草Tradescantia的花粉母細胞,明確的體現(xiàn)出染色體,但他沒有認識到之一重要性,40年后德國人H. von Waldeyer因這一結構可被堿性染料著色而定名為Chromosome。 9. 1861 德國人M. Shultze 認為動物細胞內(nèi)的肉樣質(zhì)和植物體內(nèi)的原生質(zhì)具有同樣的意義。他給細胞的定義是:“the cell is an accumulation of living substance or protoplasm definitely delimited in space and possessing a cell membrane and nucleus?!? 10. 1864 德國人Max Schultze 觀察了植物的胞間連絲。 11. 1865 德國人J. von Suchs 發(fā)現(xiàn)葉綠體。 12. 1866 奧地利人G. Mendel 發(fā)表了對豌豆的雜交試驗結果,提出遺傳的分離規(guī)律和自由組合規(guī)律。 13. 1868 英國人T. H. Huxley 在愛丁堡作題為“生命的物質(zhì)基礎”(the physical basis of life)的演講報告時首次把原生質(zhì)的概念介紹給了英國公眾。 14. 1869 瑞士人F. Miescher 從膿細胞中分離出核酸。 15. 1876 德國人O.Hertwig發(fā)現(xiàn)海膽的受精現(xiàn)象,其論文題目為“observe the fertilization of a sea urchin egg”。 16. 1879 德國人W. Flemming觀察了蠑螈細胞的有絲分裂,于1882年提出了mitosis 這一術語。后來德國人E. Strasburger(1876-80)在植物細胞中發(fā)現(xiàn)有絲分裂,認為有絲分裂的實質(zhì)是核內(nèi)絲狀物(染色體)的形成及其向兩個子細胞的平均分配,動植物的受精實質(zhì)上是父本和母本配子核的融合,并于1984提出了Prophase和Metaphase的概念。 17. 1882 德國人E. Strasburger 提出細胞質(zhì)(cytoplasm)和核質(zhì)(nucleoplasm)的概念。 18. 1883 比利時人E. van Beneden 證明馬蛔蟲Ascaris megalocephala配子的染色體數(shù)目是體細胞的一半,并且在受精過程中卵子和精子貢獻給合子的染色體數(shù)目相等。 19. 1883 比利時人E. van Beneden和德國人T. Boveri發(fā)現(xiàn)中心體。 20. 1884 德國人O.Hertwig和E. Strasburger提出細胞核控制遺傳的論斷。 21. 1886 德國人A. Weismann 提出種質(zhì)論。 22. 1890 德國人Richard Altmann 描述了線粒體的染色方法,他推測線粒體就像細胞的內(nèi)共生物,并認為線粒體與能量代謝有關。他還于1889年提出了核酸的概念。 23. 1892 德國人T. Boveri和O. Hertwig研究了減數(shù)分裂的本質(zhì),并描述了染色體聯(lián)會現(xiàn)象。 24. 1898 意大利人C. Golgi 用銀染法觀察高爾基體。 25. 1900 孟德爾在34年前發(fā)表的遺傳法則被重新發(fā)現(xiàn)。 26. 1905 美國人Clarence McClung shows that female mammals have 2 X chromosomes and that males have an X and a Y 27. 1908 美國人T. H. Morgan以Drosophila melanogaster為材料開始著名的遺傳學實驗,1910年提出遺傳的染色體理論,1919年發(fā)表“遺傳的本質(zhì)”(Physical Basis of Heredity)。1926年發(fā)表“基因?qū)W說”(The Theory of the Gene) 28. 1910 德國人A. Kossel獲得諾貝爾生理醫(yī)學獎,他首先分離出腺嘌呤、胸腺嘧啶和組氨酸。29. 1935 美國人W. M. Stanley 首次得到煙草花葉病毒的結晶體。 30. 1940 德國人G. A. Kausche和H. Ruska 發(fā)表了世界第一張葉綠體的電鏡照片。 31. 1941 美國人G. W. Beadle和E. L. Tatum提出一個基因一個酶的概念。 32. 1944 美國人O. Avery,C. Macleod 和M. McCarthy等人通過微生物轉(zhuǎn)化試驗證明DNA是遺傳物質(zhì)。 33. 1945 美國的K. R. Porter、A. Claude 和 E. F. Fullam發(fā)現(xiàn)小鼠成纖維細胞中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。 34. 1949 加拿大人M. Bar發(fā)現(xiàn)巴氏小體。 35. 1951 美國人James Bonner發(fā)現(xiàn)線粒體與細胞呼吸有關。 36. 1953 美國人J. D. Watson 和英國人F. H. C. Crick提出DNA雙螺旋模型。 37. 1955 比利時人C. de Duve發(fā)現(xiàn)溶酶體和過氧化物酶體。 38. 1955 美國人Vincent Du Vigneaud因人工合成多肽而獲諾貝爾獎 39. 1956年,蔣有興(美籍華人)利用徐道覺發(fā)明的低滲處理技術證實了人的2n為46條,而不是48條。 40. 1957 J. D. Robertson[2]用超薄切片技術獲得了清晰的細胞膜照片,顯示暗-明-暗三層結構。 41. 1961 英國人P. Mitchell 提出線粒體氧化磷酸化偶聯(lián)的化學滲透學說,獲1978年諾貝爾化學獎。 42. 1961-64 美國人M. W. Nirenberg破譯DNA遺傳密碼。 43. 1968 瑞士人Werner Arber從細菌中發(fā)現(xiàn)DNA限制性內(nèi)切酶。 44. 1970 美國人D. Baltimore、R. Dulbecco 和H. Temin由于發(fā)現(xiàn)在RNA腫瘤病毒中存在以RNA為模板,逆轉(zhuǎn)錄生成DNA的逆轉(zhuǎn)錄酶而獲1975共享諾貝爾生理醫(yī)學獎。 45. 1971 美國人Daniel Nathans 和Hamilton Smith發(fā)展了核酸酶切技術。 46. 1973 美國人S. Cohen和H. Boyer將外源基因拼接在質(zhì)粒中,并在大腸桿菌中表達,從而揭開基因工程的序幕。 47. 1975 英國人F. Sanger設計出DNA測序的雙脫氧法。于1980年獲諾貝爾化學獎。此外Sanger還由于1953年測定了牛胰島素的一級結構而獲得1958年諾貝爾化學獎。 48. 1982 美國人S. B. Prusiner發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)因子Prion,更新了醫(yī)學感染的概念,于1997年獲諾貝爾生理醫(yī)學獎。 49. 1983 美國人K. B. Mullis發(fā)明PCR儀,1987年發(fā)表了 “Specific synthesis of DNA in vitro via a polymerase-catalyzed chain reaction”,于1993年獲諾貝爾化學獎。 50. 1984 德國人G. J. F. Kohler、阿根廷人C. Milstein[3]和丹麥科學家N. K. Jerne由于發(fā)展了單克隆抗體技術,完善了極微量蛋白質(zhì)的檢測技術而分享了諾貝爾生理醫(yī)學獎。 51. 1989 美國人S. Altman和T. R. Cech由于發(fā)現(xiàn)某些RNA具有酶的功能(稱為核酶)而共享諾貝爾化學獎。Bishop和Varmus由于發(fā)現(xiàn)正常細胞同樣帶有原癌基因而分享當年的諾貝爾生理醫(yī)學獎。 52. 1997 多利羊在盧斯林研究所誕生,成為世紀末的重大新聞。多利是Ian Wilmut領導的研究小組克隆的(圖1-3)。 53. 1998 美國人T. Wakayama和R. Yanagimachi成功地用凍干精子繁殖出小鼠。 54. 2000 世界首例克隆豬在蘇格蘭誕生,是由Alan Coleman領導的研究小組克隆的。 55. 2001 美國人Leland Hartwell、英國人Paul Nurse、Timothy Hunt因?qū)毎芷谡{(diào)控機理的研究而獲諾貝爾生理醫(yī)學獎。 56. 2002 英國人Sydney Brenner、美國人H. Robert Horvitz和英國人John E. Sulston,因在器官發(fā)育的遺傳調(diào)控和細胞程序性死亡方面的研究獲諾貝爾諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。 57. 2003 美國科學家Peter Agre和Roderick MacKinnon,分別因?qū)毎にǖ?,離子通道結構和機理研究而獲諾貝爾化學獎。
形成
從1839年M.J.施萊登和T.A.H.施萬的細胞學說問世以來,確立了細胞(真核細胞)是多細胞生物結構和生命活動的基本單位。但是長期以來,細胞學的研究偏重在結構方面。此后,在相鄰學科的進展的影響下逐漸地發(fā)展到其他方面。例如在遺傳學的帶動下發(fā)展起細胞遺傳學,加深了對染色體的認識;在生物化學的影響之下發(fā)展起細胞生化,用生化手段了解細胞各組分的生化組成和功能活動;在物理學、化學的滲透下形成了細胞化學,研究細胞的化學成分及其定位,這些都為細胞生物學的形成和發(fā)展打下了基礎。 20世紀50年代以來,關于細胞的超顯微結構的研究,使人們對于光學顯微鏡下看不到的精細結構有了明確的認識。分子生物學、分子遺傳學以原核生物為材料取得的成就,使人們了解到遺傳密碼、中心法則以及原核生物中基因表達的調(diào)節(jié)與控制等基本問題,這些都直接促進了細胞生物學的發(fā)展。但由于原核細胞不同于真核細胞,后者具有核膜,染色質(zhì)除DNA外還含有組蛋白及非組蛋白,而且細胞質(zhì)中的結構也比前者復雜得多。因此,還需要了解在原核生物得到的成就在多大程度上適用于真核細胞,研究遺傳和發(fā)育在真核細胞中是如何操縱的。
未來
細胞生物學雖說是一個比較年輕的學科,從學術思想上卻可以追溯到較早的年代。1883年德國胚胎學家W.魯就闡述過關于遺傳和發(fā)育的設想。他假定受精卵中包含著所有的遺傳物質(zhì),后者在卵裂時不是平均地分配到子細胞中,這種不同質(zhì)的分裂決定子細胞及其后代的命運。德國動物學家A.魏斯曼發(fā)展了這種想法,提出了種質(zhì)學說,認為裂球的不均等分裂導致了細胞的分化。雖然這些見解都已證明是錯誤的,但是可以看出細胞生物學所要解決的問題在那時已被提出來了。以后E.B.威爾遜1927年在他的《細胞——在發(fā)育和遺傳中》的巨著中明確指出:細胞是生命活動的基本單位,發(fā)育和遺傳這些生命現(xiàn)象應當在細胞上研究。1934年,美國遺傳學家和胚胎學家T.H.摩爾根在遺傳學取得巨大成就之后,在企圖融合發(fā)育與遺傳的《胚胎學與遺傳學》一書中寫道:“可以設想,各原生質(zhì)區(qū)域在開始時的差異會影響基因的活動,然后基因又反轉(zhuǎn)過來影響原生質(zhì),后者就開始一系列新的、相應的反應。這樣,我們可以勾畫出胚胎各部分的逐步建立和分化?!钡谀柛哪甏捎诩毎麑W和其他相鄰學科還未發(fā)生密切的聯(lián)系,或者說其他學科尚未能在細胞水平上開展關于發(fā)育和遺傳的研究,所以細胞生物學只能在50年代之后,各方面的條件逐漸成熟了,才得以蓬勃發(fā)展。
1,基因工程的應用
基因療法
隨著人類對基因研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)許多疾病是由于基因結構與功能發(fā)生改變所引起的??茖W家將不僅能發(fā)現(xiàn)有缺陷的基因,而且還能掌握如何進行對基因診斷、修復、治療和預防,這是生物技術發(fā)展的前沿。這項成果將給人類的健康和生活帶來不可估量的利益。
所謂基因治療是指用基因工程的技術方法,將正常的基因轉(zhuǎn)如病患者的細胞中,以取代病變基因,從而表達所缺乏的產(chǎn)物,或者通過關閉或降低異常表達的基因等途徑,達到治療某些遺傳病的目的。目前,已發(fā)現(xiàn)的遺傳病有6500多種,其中由單基因缺陷引起的就有約3000多種。因此,遺傳病是基因治療的主要對象。
第一例基因治療是美國在1990年進行的。當時,兩個4歲和9歲的小女孩由于體內(nèi)腺苷脫氨酶缺乏而患了嚴重的聯(lián)合免疫缺陷癥。科學家對她們進行了基因治療并取得了成功。這一開創(chuàng)性的工作標志著基因治療已經(jīng)從實驗研究過渡到臨床實驗。1991年,我國首例B型血友病的基因治療臨床實驗也獲得了成功。
基因治療的最新進展是即將用基因槍技術于基因治療。其方法是將特定的DNA用改進的基因槍技術導入小鼠的肌肉、肝臟、脾、腸道和皮膚獲得成功的表達。這一成功預示著人們未來可能利用基因槍傳送藥物到人體內(nèi)的特定部位,以取代傳統(tǒng)的接種疫苗,并用基因槍技術來治療遺傳病。
目前,科學家們正在研究的是胎兒基因療法。如果現(xiàn)在的實驗療效得到進一步確證的話,就有可能將胎兒基因療法擴大到其它遺傳病,以防止出生患遺傳病癥的新生兒,從而從根本上提高后代的健康水平。
基因工程藥物研究
基因工程藥物,是重組DNA的表達產(chǎn)物。廣義的說,凡是在藥物生產(chǎn)過程中涉及用基因工程的,都可以成為基因工程藥物。在這方面的研究具有十分誘人的前景。
基因工程藥物研究的開發(fā)重點是從蛋白質(zhì)類藥物,如胰島素、人生長激素、促紅細胞生成素等的分子蛋白質(zhì),轉(zhuǎn)移到尋找較小分子蛋白質(zhì)藥物。這是因為蛋白質(zhì)的分子一般都比較大,不容易穿過細胞膜,因而影響其藥理作用的發(fā)揮,而小分子藥物在這方面就具有明顯的優(yōu)越性。另一方面對疾病的治療思路也開闊了,從單純的用藥發(fā)展到用基因工程技術或基因本身作為治療手段。
現(xiàn)在,還有一個需要引起大家注意的問題,就是許多過去被征服的傳染病,由于細菌產(chǎn)生了耐藥性,又卷土重來。其中最值得引起注意的是結核病。據(jù)世界衛(wèi)生組織報道,現(xiàn)已出現(xiàn)全球肺結核病危機。本來即將被消滅的結核病又死灰復燃,而且出現(xiàn)了多種耐藥結核病。據(jù)統(tǒng)計,全世界現(xiàn)有17.22億人感染了結核病菌,每年有
900萬新結核病人,約300萬人死于結核病,相當于每10秒鐘就有一人死于結核病。科學家還指出,在今后的一段時間里,會有數(shù)以百計的感染細菌性疾病的人將無藥可治,同時病毒性疾病日益曾多,防不勝防。不過與此同時,科學家們也探索了對付的辦法,他們在人體、昆蟲和植物種子中找到一些小分子的抗微生物多肽,它們的分子量小于4000,僅有30多個氨基酸,具有強烈的廣普殺傷病原微生物的活力,對細菌、病菌、真菌等病原微生物能產(chǎn)生較強的殺傷作用,有可能成為新一代的“超級抗生素”。除了用它來開發(fā)新的抗生素外,這類小分子多肽還可以在農(nóng)業(yè)上用于培育抗病作物的新品種。
加快農(nóng)作物新品種的培育
科學家們在利用基因工程技術改良農(nóng)作物方面已取得重大進展,一場新的綠色革命近在眼前。這場新的綠色革命的一個顯著特點就是生物技術、農(nóng)業(yè)、食品和醫(yī)藥行業(yè)將融合到一起。
本世紀五、六十年代,由于雜交品種推廣、化肥使用量增加以及灌溉面積的擴大,農(nóng)作物產(chǎn)量成倍提高,這就是大家所說的“綠色革命”。但一些研究人員認為,這些方法目前已很難再使農(nóng)作物產(chǎn)量有進一步的大幅度提高。
基因技術的突破使科學家們得以用傳統(tǒng)育種專家難以想象的方式改良農(nóng)作物。例如,基因技術可以使農(nóng)作物自己釋放出殺蟲劑,可以使農(nóng)作物種植在旱地或鹽堿地上,或者生產(chǎn)出營養(yǎng)更豐富的食品??茖W家們還在開發(fā)可以生產(chǎn)出能夠防病的疫苗和食品的農(nóng)作物。
基因技術也使開發(fā)農(nóng)作物新品種的時間大為縮短。利用傳統(tǒng)的育種方法,需要七、八年時間才能培育出一個新的植物品種,基因工程技術使研究人員可以將任何一種基因注入到一種植物中,從而培育出一種全新的農(nóng)作物品種,時間則縮短一半。
雖然第一批基因工程農(nóng)作物品種5年前才開始上市,但今年美國種植的玉米、大豆和棉花中的一半將使用利用基因工程培育的種子。據(jù)估計,今后5年內(nèi),美國基因工程農(nóng)產(chǎn)品和食品的市場規(guī)模將從今年的40億美元擴大到200億美元,20年后達到750億美元。有的專家預計,“到下世紀初,很可能美國的每一種食品中都含有一點基因工程的成分?!?br> 盡管還有不少人、特別是歐洲國家消費者對轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品心存疑慮,但是專家們指出,利用基因工程改良農(nóng)作物已勢在必行。這首先是由于全球人口的壓力不斷增加。專家們估計,今后40年內(nèi),全球的人口將比目前增加一半,為此,糧食產(chǎn)量需增加75%。另外,人口的老齡化對醫(yī)療系統(tǒng)的壓力不斷增加,開發(fā)可以增強人體健康的食品十分必要。
加快農(nóng)作物新品種的培育也是第三世界發(fā)展中國家發(fā)展生物技術的一個共同目標,我國的農(nóng)業(yè)生物技術的研究與應用已經(jīng)廣泛開展,并已取得顯著效益。
分子進化工程的研究
分子進化工程是繼蛋白質(zhì)工程之后的第三代基因工程。它通過在試管里對以核酸為主的多分子體系施以選擇的壓力,模擬自然中生物進化歷程,以達到創(chuàng)造新基因、新蛋白質(zhì)的目的。
這需要三個步驟,即擴增、突變、和選擇。擴增是使所提取的遺傳信息DNA片段分子獲得大量的拷貝;突變是在基因水平上施加壓力,使DNA片段上的堿基發(fā)生變異,這種變異為選擇和進化提供原料;選擇是在表型水平上通過適者生存,不適者淘汰的方式固定變異。這三個過程緊密相連缺一不可。
現(xiàn)在,科學家已應用此方法,通過試管里的定向進化,獲得了能抑制凝血酶活性的DNA分子,這類DNA具有抗凝血作用,它有可能代替溶解血栓的蛋白質(zhì)藥物,來治療心肌梗塞、腦血栓等疾病。
我國基因研究的成果
以破譯人類基因組全部遺傳信息為目的的科學研究,是當前國際生物醫(yī)學界攻克的前沿課題之一。據(jù)介紹,這項研究中最受關注的是對人類疾病相關基因和具有重要生物學功能基因的克隆分離和鑒定,以此獲得對相關疾病進行基因治療的可能性和生產(chǎn)生物制品的權利。
人類基因項目是國家“863”高科技計劃的重要組成部分。在醫(yī)學上,人類基因與人類的疾病有相關性,一旦弄清某基因與某疾病的具體關系,人們就可以制造出該疾病的基因藥物,對人類健康長壽產(chǎn)生巨大影響。據(jù)介紹,人類基因樣本總數(shù)約10萬條,現(xiàn)已找到并完成測序的約有8000條。
近些年我國對人類基因組研究十分關注,在國家自然科學基金、“863計劃”以及地方政府等多渠道的經(jīng)費資助下,已在北京、上海兩地建立了具備先進科研條件的國家級基因研究中心。同時,科技人員緊跟世界新技術的發(fā)展,在基因工程研究的關鍵技術和成果產(chǎn)業(yè)化方面均有突破性的進展。我國人類基因組研究已走在世界先進行列,某些基因工程藥物也開始進入應用階段。
目前,我國在蛋白基因的突變研究、血液病的基因治療、食管癌研究、分子進化理論、白血病相關基因的結構研究等項目的基礎性研究上,有的成果已處于國際領先水平,有的已形成了自己的技術體系。而乙肝疫苗、重組α型干擾素、重組人紅細胞生成素,以及轉(zhuǎn)基因動物的藥物生產(chǎn)器等十多個基因工程藥物,均已進入了產(chǎn)業(yè)化階段。
基因技術:進退兩難的境地和兩面性的特征
基因作物在輿論界引發(fā)爭議不足為怪。但在同屬發(fā)達世界的大西洋兩岸,轉(zhuǎn)基因技術的待遇迥然不同卻是一種耐人尋味的現(xiàn)象。當美國40%的農(nóng)田種植了經(jīng)過基因改良的作物、消費者大都泰然自若地購買轉(zhuǎn)基因食品時,此類食品在歐洲何以遭遇一浪高過一浪的喊打之聲?
從直接社會背景看,目前歐洲流行“轉(zhuǎn)基因恐懼癥”情有可原。從1986年英國發(fā)現(xiàn)瘋牛病,到今年比利時污染雞查出致癌的二惡英和可口可樂在法國導致兒童溶血癥,歐洲人對食品安全頗有些風聲鶴唳,關于轉(zhuǎn)基因食品可能危害人類健康的假設如條件反射一般讓他們聞而生畏。
同時,歐洲較之美國在環(huán)境和生態(tài)保護問題上一貫采取更為敏感乃至激進的態(tài)度,這是轉(zhuǎn)基因食品在歐美處境殊異的另一緣故。一方面,歐洲各國媒介的環(huán)保意識日益強烈,往往對可能危害環(huán)境和生態(tài)的問題窮追不舍甚至進行夸張的報道,這在很大程度上左右著公眾對諸如轉(zhuǎn)基因問題的態(tài)度。另一方面,以“綠黨”為代表的“環(huán)保主義勢力”近年來在歐洲政壇崛起,在政府和議會中的勢力不斷擴大,對決策過程施加著越來越大的影響。
但是,歐洲人對轉(zhuǎn)基因技術之所以采取如此排斥的態(tài)度,似乎還有一個較為隱蔽卻很重要的深層原因。實際上,在轉(zhuǎn)基因問題上歐美之間既有價值觀念之差,更是經(jīng)濟利益之爭。與一般商品不同,轉(zhuǎn)基因技術具有一種獨特的壟斷性。在技術上,美國的“生命科學”公司一般都通過生物工程使其產(chǎn)品具有自我保護功能。其中最突出的是“終止基因”,它可以使種子自我毀滅而不能象傳統(tǒng)作物種子那樣被再種植。另一種技術是使種子必須經(jīng)過只為種子公司所掌握的某種“化學催化”方能發(fā)育和生長。在法律上,轉(zhuǎn)基因作物種子一般是通過一種特殊的租賃制度提供的,消費者不得自行保留和再種植。美國是耗資巨大的基因工程研究最大的投資者,而從事轉(zhuǎn)基因技術開發(fā)的美國公司都熟諳利用知識產(chǎn)權和專利保護法尋求巨額回報之道。美國目前被認為已控制了相當大份額的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品市場,進而可以操縱市場價格。因此,抵制轉(zhuǎn)基因技術實際上也就是抵制美國在這一領域的壟斷。
生物技術在許多領域正在發(fā)揮越來越重要的作用:遺傳工程產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)領域無孔不入,遺傳工程作物開始在美國農(nóng)業(yè)中占有重要位置;生物技術在醫(yī)學領域取得顯著進展,已有一些遺傳工程藥物取代了常規(guī)藥物,醫(yī)學界在幾方面從基因研究中獲利;克隆技術的進展為拯救瀕危物種及探索多種人類疾病的治療方法提供了前所未有的機會。目前研究人員正準備將生物技術推進到更富挑戰(zhàn)性的領域。但近來警惕遺傳學家的行為的聲音越來越受到重視。
今天,人們借助于所謂的DNA切片已能同時研究上百個遺傳基質(zhì)。基因的研究達到了這樣一個發(fā)展高度,幾年后,隨著對人類遺傳物質(zhì)分析的結束,人們開始集中所有的手段對人的其他部分遺傳物質(zhì)的優(yōu)缺點進行有系統(tǒng)地研究。但是,生物學的發(fā)展也有其消極的一面:它容易為種族主義提供新的遺傳學方面的依據(jù)對新的遺傳學持批評態(tài)度的人總喜歡描繪出一幅可怕的景象:沒完沒了的測試、操縱和克隆、毫無感情的士兵、基因很完美的工廠工人……遺傳密碼使基因研究人員能深入到人們的內(nèi)心深處,并給他們提供了操縱生命的工具。然而他們是否能使遺傳學朝好的研究方向發(fā)展還完全不能預料。
2,首先要取出多利親娘的細胞核,再取出另一只母羊的卵細胞(去除細胞核的),把多利親娘的細胞核放到取的卵細胞中,電擊或其他處理使卵細胞處于激活狀態(tài),然后把卵細胞放入生出多利的母羊體內(nèi),等生出來就完成了.
證明動物細胞核有全能性.
克隆是英語單詞clone的音譯,clone源于希臘文klon,原意是指幼苗或嫩枝,以無性繁殖或營養(yǎng)繁殖的方式培育植物,如桿插和嫁接。
如今,克隆是指生物體通過體細胞進行的無性繁殖,以及由無性繁殖形成的基因型完全相同的后代個體組成的種群??寺∫部梢岳斫鉃閺椭啤⒖截?,就是從原型中產(chǎn)生出同樣的復制品,它的外表及遺傳基因與原型完全相同。
1997年 2月,綿羊“多利”誕生的消息披露,立即引起全世界的關注,這頭由英國生物學家通過克隆技術培育的克隆綿羊,意味著人類可以利用動物身上的一個體細胞,產(chǎn)生出與這個動物完全相同的生命體,打破了千古不變的自然規(guī)律。
克隆一詞是由clone音譯而來,在音譯名出現(xiàn)以前曾有一個意譯名--無性繁殖系,指由單一細胞或共同祖先經(jīng)有絲分裂得到的細胞群體或有機群體。
我們通過細胞培養(yǎng)可以得到一個細胞克隆。在微生物實驗時,通過倒平皿,我們可以得到一個個的菌落,這些菌落其實就是細菌的克隆??梢娍寺≡瓉硎莻€名詞,指一群細胞或一群個體。隨著分子生物學的發(fā)展,出現(xiàn)了核移植與基因工程之類的操作。核移植操作可以得到重建細胞,重建細胞可以繁殖成一個無性系;基因工程操作可以將某一被選定的基因拼接到質(zhì)粒的復制子上,隨著復制子的復制也能得到DNA分子的無性系。于是,有人就把這類操作稱作克隆,即將clone一詞由名詞轉(zhuǎn)化成動詞,并將核移植稱為 nuclear cloning(核克?。?,通過基因工程得到DNA分子的無性系稱為molecular cloning(分子克?。?。在這里克隆是一種實現(xiàn)無性繁殖(asexual reproduction)的操作,是一種顯微操作或分子生物學操作,而不是一般意義上的無性繁殖(或無性繁殖操作)。這也許正是克隆一詞能夠存在而不被無性繁殖替代的原因。
多利羊又稱克隆羊,其實是用核克隆技術產(chǎn)生的羊。有人說,只有多利羊才是真正的克隆羊,其他報導,如克隆豬、克隆牛等,由于它們是由胚胎細胞發(fā)育而成的,而胚胎細胞是有性繁殖產(chǎn)生的,所以,不是真正意義上的克隆。這是一種誤解,是由于對有性過程在時間上把握不準所造成的。有性過程到受精卵、即合子形成時即告結束,合子分裂一旦開始即與有性過程無關了。如果說分裂后的胚胎細胞是有性繁殖產(chǎn)生的,那么,體細胞追究下去也是有性繁殖產(chǎn)生的。但事實上它們都是由合子經(jīng)有絲分裂逐漸產(chǎn)生的。這就是說,有性繁殖實際上是經(jīng)過一次有性過程和許多次無性過程,最后產(chǎn)生一個成活的后代而實現(xiàn)的。從胚胎中取出一個細胞使之發(fā)育成一個個體,這顯然應屬于無性繁殖。所以,從這個意義上講,杜里舒是克隆技術(細胞克隆技術)的創(chuàng)始人,他的將兩分裂球時期的細胞分開,使之發(fā)育成兩個海膽的實驗,是最早的克隆實驗。而人類的同卵雙生雙胞胎,就是經(jīng)天然細胞克隆化產(chǎn)生的。而克隆豬、克隆牛,如果是經(jīng)核移植育成的,則不管供核細胞是來自早期胚胎細胞,還是已分化細胞,均屬于真正意義上的克隆技術,而且是比杜里舒的水平高得多的克隆技術。
這里順便提一下,因為中文詞不能從詞形上看出詞性,所以,"細胞克隆"一詞既可看成名詞,又可看成動詞。作為名詞,細胞克隆指細胞的一個無性繁殖系。作為動詞,它與核克隆、分子克隆對應,指用細胞去無性繁殖。為了與前者區(qū)別,作者建議該意思可用"細胞克隆化"或"細胞克隆技術"來表達。應用細胞克隆技術,可將細胞克隆成一個無性繁殖的細胞群體,如細胞培養(yǎng)中得到的克??;也可使克隆后的細胞分化、發(fā)育成一個無性繁殖的個體,如杜里舒得到的海膽,某些研究者得到的克隆豬、克隆牛等。
多利羊與其它克隆動物的區(qū)別不在于是不是無性繁殖,而在于供核細胞的分化程度。早期胚胎細胞基本上是未分化細胞,即使是成形胚胎的已分化細胞,其細胞分化程度也遠低于成年個體的已特化細胞。能將已特化細胞克隆成一個成活的個體,從理論上講這是一次重大突破。這說明,已特化細胞的遺傳結構即使發(fā)生了變化,這種變化也不是不可逆的,至少特化至乳腺上皮細胞時還是如此。至于神經(jīng)細胞、腦細胞的特化是不是不可逆的,也可用核移植的方法檢驗。不過可以預料,克隆神經(jīng)細胞,難度肯定要高于乳腺上皮細胞。
話說到這里你一定能理解,為什么說克隆不是復制的同義詞了。提起復制,我們最熟悉的就是用復印機復印文件,通過復印得到的復制品與原件是完全一樣的。DNA的復制結果就是如此,所以復制用于DNA的合成是一個非常確切的術語。而克隆則是一個過程,克隆產(chǎn)生的個體還需進行胚胎發(fā)育和胎后發(fā)育,克隆個體與原本之間有一段年齡差異。由于發(fā)育過程既受基因主宰又受環(huán)境調(diào)控,而克隆與其原本盡管基因相同,所處環(huán)境卻絕不會相同,所以,克隆與其原本是不可能像復制品與原件那樣完全一樣的。再者,如果克隆個體是由核移植產(chǎn)生的,那么,由于重建細胞的細胞質(zhì)并非來自原本,而我們知道細胞質(zhì)中也有遺傳物質(zhì),它們必然會對個體產(chǎn)生影響,所以,更不能把克隆個體看成是原本的復制品。
克隆個體可以看成是原本的再生,但不是原本的復活。因為:i.克隆個體和原本可以同時存在,ii.盡管從遺傳結構上看克隆個體和原本是姐妹(兄弟)關系,但從年齡上看它們卻是親子關系。無性繁殖的生物仍然有"代"的概念,克隆個體也應有"代"的概念。而且,克隆個體的代間界限也是很容易劃分的。由原本的體細胞產(chǎn)生的克隆個體是第1代,克隆個體成為成體后從其體細胞再克隆,即可得到第2代克隆個體。理論上講,正如無性繁殖可以一代接一代地傳下去一樣,克隆個體的代數(shù)也是無止境的。只不過克隆不是自然進行的繁殖,而是人為操作,是否有必要一代代克隆下去值得懷疑。如果沒有理論或?qū)嶋H上的意義,可能不會有人愿意做多代克隆的工作。
3,“人類基因組計劃”及其意義
人類基因組計劃的科學宗旨與“定時、定量、定質(zhì)”的具體目標,是測定組成人類基因組的30億個核昔酸的序列,從而奠定闡明人類基因組及所有基因的結構與功能,解讀人類的全部遺傳信息,奠定揭開人體奧秘的基礎。由于生命物質(zhì)的一致性與生物進化的連續(xù)性,以及“人類基因組計劃”所建立的策略與技術的通用性,這就意味著奠定著揭開生命最終奧秘的基礎。
人類基因組計劃對生命科學研究與生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的導向性意義,我可以用規(guī)?;⑿蛄谢⑿畔⒒爱a(chǎn)業(yè)化、醫(yī)學化、人文化來歸納。
一、規(guī)?;?
“基因組學”這一新的學科,是隨著“人類基因組計劃”的啟動而誕生,隨著人類基因組計劃的進展而發(fā)展起來的。生物學家第一次從整個基因組的規(guī)模去認識、研究一個物種所有與多個物種(通過比較基因組學)的基因,而不是大家分頭一個一個去發(fā)現(xiàn)、研究自己“喜歡”的基因。這是基因組學區(qū)別于基因?qū)W(genetics)與所有涉及基因的生物科學其他學科的主要區(qū)別之一。研究規(guī)模的改變帶來了實驗室及實驗方式的改變,同時對領頭科學家的素質(zhì),工作人員的團體精神,以及超大型實驗室特有的“半科學、半企業(yè)”型 管理,都提出了新的要求。這是“人類基因組計劃”只有6個正式成員國與16個中心的原因之一,也是對“人類基因組計劃”的貢獻份額已成為一個國家國力的綜合反應及生命科學與生物產(chǎn)業(yè)標志的根據(jù)。
二、序列化
生物信息的序列化,是生命科學進入二十一世紀的劃時代的里程碑,也是生命科學成熟的一個階段性標志。只有數(shù)量化(定量)的學科才能稱為科學。孟德爾的貢獻主要是把“因子”與數(shù)量化帶進了這一門原先就存在、并已有巨大成就的學科。
生物信息的序列化即生命科學以序列為基礎。這是新時代的生命科學區(qū)別于以前的生物學的最主要的特點。隨著人類基因組序列圖的最終完成,SNP(單核苦酸多態(tài)性,即序列差異)的發(fā)現(xiàn),以及比較基因組學,古代DNA,“食物基因組計劃”、“病原與環(huán)境基因組計劃”(主要是致命致病源以—與之有關的人類易感性有關序列)的推進,具有科學、經(jīng)濟、醫(yī)學意義的主要物種的基因組序列圖都將問世。我們從序列中得到的信息,已經(jīng)比到現(xiàn)在為止的所有生物研究積累的信息還要多。生命科學第一次成為導向的,而不是再以假 說與概念為導向的科學。即使進化這一生命最實質(zhì)的特征,以及進化的研究,也將這一因時間與過去了的環(huán)境而唯一不能在實驗室重復的研究,都將因多種模式及其他生物的基因組序列為基礎進行定量的研究。古代DNA的研究,將揭示生命進化的奧秘與古今生物的聯(lián)系。這就幫助人們更好的認識人類在生物世界中的關系。
三、信息化
人類基因組計劃的成功,是借助了生物信息學,也借助于把地球變小的網(wǎng)絡。沒有他們,國際人類基因組計劃的協(xié)調(diào)與全世界的及時公布是不可能的。沒有全部的軟件與硬件,人類基因組計劃一切都不可能。序列一經(jīng)讀出,它的質(zhì)控、組裝,以至于遞交、分析都有賴于生物信息學,而現(xiàn)在開始,序列的意義完全決定于生物信息學。沒有電子計算機的分析與正在爆炸的信息的比較,序列又有何用?可是信息化又改變了整個生命科學,改變了實驗對象存在的方式。今天的生物學實驗可能大部分工作是分析序列信息。
人類基因組計劃之所以引人注目,本來就首先是人們對健康的需求。人類對健康的追求,是人類的最重要的活動之一。疾病問題自然影響健康的首要因子,是每一個人、每一對父母、每一個家庭、每一個國家政府所不得不考慮的問題。
四、醫(yī)學化
人類基因組計劃已經(jīng)把它的成果醫(yī)學化,已在醫(yī)學方面為人類造福。人類基因組計劃沒有辜負民主眾的支持與厚望。已建立的“工作框架圖”所提供的序列,經(jīng)生物信息的加工與其他技術的研究,已鑒定了近4萬個基因;已克隆了幾十種與疾病直接有關的“疾病等位基因”。四十余種基因產(chǎn)品,如人胰島素、干擾素、生長激素等,已經(jīng)投人工作生產(chǎn)。很多疾病的基因診斷技術已經(jīng)建立,基因預測、基因預防、基因診斷、基因治療將使整個醫(yī)學改觀。而DNA序列的差異,將有助于人類了解不同個體對疾病的抵抗力,因而根據(jù)每個人的“基因特點”對癥下藥。即二十一世紀的醫(yī)學——“個體化醫(yī)學”。那時,DNA序列分析有可能成為最快速、最準確、也最便宜的診斷手段。
瘧疾、老年癡呆癥等將在近期有新的突破。以“基因圖”作為生活中飲食起居的“參考書”,使我們的生活方法與生活環(huán)境與我們的基因更為和諧,肯定會在一定程度上延長大家的壽命。人類都將因?qū)ξ覀冏约夯虻恼J識而受惠。
五、產(chǎn)業(yè)化
人類基因組計劃將帶動二十一世紀的生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。規(guī)?;⑿蛄谢?、信息學等特點,使它在一開始便與產(chǎn)業(yè)化的可能性聯(lián)系起來。
生物產(chǎn)業(yè)與信息產(chǎn)業(yè)一同,將成為世界各國二十一世紀的國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。生物產(chǎn)業(yè)的特點是資源依賴性與資源信息化,因而使生物資源成為繼國土(礦產(chǎn)等)資源之后可供再爭奪再占有的戰(zhàn)略資源。人類基因組計劃所發(fā)展起的戰(zhàn)略與技術使生物資源由原先的群體種質(zhì)資源(野生與優(yōu)質(zhì)品種的種質(zhì))轉(zhuǎn)變?yōu)樾蛄谢c信息性,技術帶來的資源信息性又使它的保護更為困難。不認識到這一點就有可能使我們的生物資源流失, 生物產(chǎn)業(yè)失去源頭與上游,建立的生物技術(如基因克隆、轉(zhuǎn)基因、動物個體克隆等)成為無米之炊。我國生命科學界當前的迫切任務是在為人類基因組計劃做出貢獻的同事,適應的DNA序列為基礎,以生物信息為導向的生命科學新時代的要求。
六、人文化
白宮慶?!肮ぷ骺蚣軋D”的背景圖案奈人玩味:解讀生命之書——人文的里程碑(A milestone for humanity)。
從前,當我們討論“科學是雙刃劍”時,我們關心的僅僅是人類的敵人可能也會揮起這柄劍,如希特勒,如山本五十六?,F(xiàn)在,我們的問題一下子復雜起來了,這群人類公敵依然存在(如生物恐怖主義者)??墒歉匾氖菬o法從現(xiàn)有的國際法、一國之法來判定非法的行為的問題。我們的法律一下子在這些新問題前變得無所適從,或無能為力。我們在道義(moral)或倫理(ethical)、個人生存心理、社會結構與行為等各方面都還要做好足夠的準備。從人文角度來說,連人性與人文對人權、平等、社會結構在自然界中的位置都將重新討論。
4,發(fā)展經(jīng)濟與保護環(huán)境的平衡點在哪里
當前,經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的矛盾日益尖銳,迫切需要從理論上弄清楚二者之間的關系,以便在實踐中正確地加以處理。如果不能對二者之間的關系作出明確回答,就會引發(fā)一系列問題。比如,一些地方政府片面認為發(fā)展就是經(jīng)濟增長,以至于經(jīng)濟增長速度一時上去了,卻出現(xiàn)了較為嚴重的環(huán)境污染問題。又如,一些地方政府提出“生態(tài)優(yōu)先,保護第一”的口號,那么究竟是發(fā)展第一、還是保護第一呢?政府說不清,企業(yè)說不清,公眾更說不清。其直接后果,就是環(huán)保工作成為周期性工作,一段時間“靠邊站”,一段時間“上前線”,要靠“集中整治”、“專項行動”來打“殲滅戰(zhàn)”,在一定程度上陷入“滯后、事后、被動、補救”的境地。
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