人们对基因的认识经历了长时间的发展过程，而且随着生命科学的发展，基因的概念还在不断深化。
19世纪中叶，Gregor Mendel 通过阐明分离和独立分配规律来解释生物性状的遗传现象，提出了遗传因子（hereditary factor）的概念，他将控制豌豆性状的遗传因素称为遗传因子，形成了基因的雏型。1909年，丹麦遗传学家W．Johanssen根据希腊语“给予生命”之义，创造了“gene”一词。之后，随着T．H．Morgan、O．T．Avery、J．Watson和F．Crike等人的工作，人们对基因的概念逐渐形成。基因（gene）是一段可以编码具有某种生物学功能物质的核苷酸序列。基因的研究为基因工程的创立奠定了坚实的理论基础，基因工程的诞生是基因研究发展的必然结果；而基因工程技术的发展和应用，又深刻并有力地影响着基因的研究，使我们对基因的研究提到了空前的高度。随着研究的进一步深入，科学家提出了移动基因（又称为转位因子，transposable elements）、断裂基因（split gene）、假基因（pseudogene）、重叠基因（overlappinggenes）或嵌套基因（nested genes）等基因的现代概念。
基因具有以下特点：①不同基因具有相同的物质基础。原则上，所有生物的DNA都是可以重组互换的，因为地球上的一切生物，无论是高等还是低等，它们的基因都是一个具有遗传功能的特定核苷酸序列的DNA片断，而所有生物的DNA结构都是一样的。有些病毒的基因定位在RNA上，但这些病毒RNA可以通过反转录产生cDNA，并不影响不同基因的重组互换。②基因是可以切割的。基因在染色体上的存在形式是直线排列。大多数基因彼此之间存在着间隔，少数基因是重叠排列的。③基因是可以转移的。生物体内有的基因是可以在染色体上移动的，甚至可以在不同的染色体上跳跃，插入到靶DNA分子中。基因在转移的过程中就完成了基因间的重组。④多肽与基因之间存在对应关系。现在普遍认为，一种多肽就有一种相对应的基因。因此，基因的转移或重组可以根据其表达产物多肽的性质来检查。
⑤遗传密码是通用的。一系列的三联密码子（除极少数外）同氨基酸之间的对应关系，在所有生物中都是相同的。⑥基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代。经重组的基因一般来说是能传代的，可以获得相对稳定的转基因生物。
1．1基因工程的定义
基因工程（genetic engineering）也叫基因操作、遗传工程或重组DNA技术，是按着人们的科研或生产需要，在分子水平上，用人工方法提取或合成不同生物的遗传物质（DNA片段），在体外切割、拼接形成重组DNA，然后将重组DNA与载体的遗传物质重新组合，再将其引入到没有该DNA的受体细胞中，进行复制和表达，生产出符合人类需要的产品或创造出生物的新性状，并使之稳定地遗传给下一代。广义的基因工程，是指DNA重组技术的产业化设计与应用，分为上游和下游技术。上游技术包括外源基因重组、克隆和表达的设计与构建，即狭义的基因工程。下游技术包括含有外源基因的生物细胞（基因工程菌或细胞）的大规模培养以及外源基因的表达、分离、纯化过程。按目的基因的克隆和表达系统的不同，基因工程分为原核生物基因工程、酵母基因工程、植物基因工程和动物基因工程。
基因工程有两个重要的特征，一是可以通过一定的技术手段把来自供体的基因转移到受体细胞中，因此可以实现按照人们的愿望，改造生物的遗传特性，创造出生物的新性状；二是某一段DNA可在受体细胞内进行复制，为准备大量纯化的DNA片段提供了可能，拓宽了分子生物学的研究领域。
1．2基因工程的诞生和发展
1．2．1基因工程的诞生
由于分子生物学和分子遗传学发展的影响，基因分子生物学的研究也取得了前所未有的进步，为基因工程的诞生奠定了坚实的理论基础。这些成就主要包括3个方面：第一，在20世纪40年代确定了遗传信息的携带者，即基因的分子载体是DNA而不是蛋白质，从而明确了遗传的物质基础问题；第二，是在20世纪50年代揭示了DNA分子的双螺旋结构模型和半保留复制机制，解决了基因的自我复制和传递的问题；第三，是在20世纪50年代末和60年代初，相继提出了中心法则和操纵子学说，并成功地破译了遗传密码，从而阐明了遗传信息的流向和表达问题。随着DNA的内部结构和遗传机制的秘密一点一点呈现在人们的眼前，特别是当人们了解到遗传密码是由信使RNA转录表达以后，生物学家不再仅仅满足于探索、揭示生物遗传的秘密，而是开始跃跃欲试，设想在分子水平上去干预生物的遗传特性。如果将一种生物的DNA中的某个遗传密码片断连接到另外一种生物的DNA链上去，将DNA重新组织一下，不就可以按照人类的愿望，设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型吗？ 这与过去培育生物新品种的传统做法完全不同，它很像技术科学的工程设计，即按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因”重新“施工”，“组装”成新的基因组合，创造出新的生物。这种完全按照人的意愿，由重新组装基因到新生物产生的生物科学技术，就被称为“基因工程”，或者称为“遗传工程”。
由于基因工程是一门内容广泛、综合性的生物技术学科，在20世纪60年代科学发展的水平下真正实施基因工程，还存在许多问题，特别是在技术方面。生物有机体，尤其是具有复杂结构的真核生物，其DNA含量是十分庞大的。首先要解决的是DNA核苷酸序列的整体结构问题，能否有效地分离单基因，以实现在体外对它的结构与功能进行深入的研究，是进行基因操作的重要环节。在20世纪70年代两项关键技术（DNA分子的切割与连接技术、DNA的核苷酸序列分析技术）从根本上解决了DNA的结构分析问题。基因操作的第二大技术是载体的使用。在20世纪70年代，将外源DNA分子导入大肠杆菌的转化获得成功，1972年美国斯坦福大学的S．Cohen等人报道，经氯化钙处理的大肠杆菌细胞同样也能够摄取质粒的DNA。
从此，大肠杆菌便成了分子克隆的良好的转化受体。不到四年，世界上第一家基因工程公司“Genetech”注册登记，意味着基因工程的实际应用已跨入商业运作的门槛。随着1970年逆转录酶的发现，无论在理论上还是技术上都已经具备了开展DNA重组工作的条件。1972年，美国斯坦福大学的P．Berg 博士领导的研究小组，率先完成了世界上第一次成功的DNA体外重组实验，并提出了体外重组的DNA分子进入宿主细胞的过程，以及在其中进行复制和有效表达等问题。在20世纪60年代还发展出了琼脂糖凝胶电泳和Southern转移杂交技术，这对于DNA片断的分离、检测十分有用，并很快被应用于基因操作实验。1973年，Cohen 等首次完成了重组质粒DNA对大肠杆菌的转化，同时与S．Boyer 合作，将非洲爪蟾含核糖体基因的DNA片段与质粒pSC101重组，转化大肠杆菌，转录出相应的mRNA。此研究成果表明基因工程已正式问世，并说明了质粒分子可以作为基因克隆的载体能携带外源基因导入宿主细胞，也说明了真核生物的基因可以转移到原核生物细胞中并在其中实现功能表达。
1．2．2基因工程的发展
自基因工程问世以后的这二十几年是基因工程迅速发展的阶段。如果说20世纪八九十年代是基因工程基础研究趋向成熟，那么21世纪初将是基因工程应用研究的鼎盛时期。
1．3．1基因工程的基本过程
对于整个基因操作过程来讲，目的基因的获取是关键，它直接涉及产物，而且还影响到产物的量。在基因操作过程中，目的基因是很难获得的，所以通常采取先生成基因文库的方法，然后从基因文库中筛选。如果目的基因的序列以及它的调控等信息很清楚，可以直接通过PCR或cDNA获取，这样就大大减少了选择目的基因的盲目性。基因工程主要包括以下过程：
（1）材料准备：包括目的基因的制备、受体细胞（宿主）的准备；（2）制备重组载体DNA：包括选择合适的载体，用限制性内切酶分别将外源DNA和载体分子切开，将目的基因与载体于体外重组，形成重组载体DNA分子；（3）重组的DNA分子引入受体细胞，并建立起无性繁殖系；（4）筛选出所需要的无性繁殖系，并保证外源基因在受体细胞中稳定遗传、正确表达；（5）表达的外源蛋白的分离纯化。
概括地说，基因工程的过程包括目的基因的获得、载体制备、重组体制备、基因转移、基因表达、产品分离纯化等。
1．3．2基因工程研究的主要内容
（1）从复杂的生物有机体基因组中，经过酶切消化或PCR扩增等步骤，分离出带有目的基因的DNA片段；
（2）在体外，将带有目的基因的外源DNA片段连接到能够自我复制的并具有选择记号的载体分子上，形成重组DNA分子；
（3）将重组DNA分子转移到适当的受体细胞（宿主细胞），并与之一起增殖；
（4）从大量的细胞繁殖群体中，筛选出获得了细胞重组DNA分子的受体细胞克隆；
（5）从这些筛选出来的受体细胞克隆中提取出已经得到扩增的目的基因，供进一步分析研究使用；
（6）将目的基因克隆到表达载体上，导入宿主细胞，使之在新的遗传背景下实现功能表达，生产出人类所需要的物质。
基因工程的主体思想是获得外源基因的高效表达，可从四方面达到目的：①利用载体DNA在受体细胞中独立于染色体DNA而自主复制的特性与载体分子重组，通过载体分子的扩增提高外源基因在受体细胞中的剂量，借此提高宏观表达水平。②筛选、修饰重组基因表达的转录调控元件：启动子、增强子、上游调控序列、操作子、终止子。③修饰和构建蛋白质生物合成的翻译调控元件：序列、密码子。④工程菌（微型生物反应器）的稳定生产及增殖。
1．4基因工程的研究意义
虽然基因工程的出现给人类带来了一些生物安全性问题，尤其是经基因工程改造的转基因食品，使人们产生了疑虑和担心，但是实践表明，基因工程将产生难以估计的经济效益和社会效益，特别是在解决人类所面临的粮食、能源、疾病、环境等问题。基因工程技术已经在医学、工业、农业等各个领域得到了广泛的应用，必将为人类作出巨大贡献。
1．4．1基因工程技术在医学领域中的应用
1．基因工程制药或疫苗
生产基因工程药物的基本方法是，将目的基因用DNA重组的方法连接在载体上，然后将载体导入靶细胞（微生物、哺乳动物细胞或人体组织靶细胞），使目的基因在靶细胞中得到表达，最后将表达的目的蛋白质提纯及制成制剂，从而成为蛋白类药或疫苗。
目前，已经可以按照需要，通过基因工程生产出大量廉价优质的新药物和诊断试剂，诸如人生长激素、人胰岛素、尿激酶、红细胞生成素、白细胞介素、干扰素、细胞集落刺激因子、表皮生长因子等。具有高度特异性和针对性的基因工程蛋白质多肽药物的问世，不仅改变了制药工业的产品结构，而且为治疗各种疾病如糖尿病、肾衰竭、肿瘤、侏儒症等提供了有效的药物。
2001年全球生物技术公司总数已达4284家，其中上市公司有622家，销售总额约为348亿美元，其中基因药物的销售额为250亿美元，占总销售额的70%。美国至今已批准了120多种基因工程药物上市，还有近400种处于临床研究阶段，约3000种处于临床前研究阶段，基因工程药物的产值和销售额已超过200亿美元。每年平均有3～4个新药或疫苗问世，在很多领域特别是疑难病症上，起到了传统化学药物难以达到的作用。
治疗糖尿病的胰岛素，是一种由51个氨基酸残基组成的蛋白质，1982年美国EliLilly公司推出利用基因工程技术制造的人胰岛素，商品名为Humulin。传统的生产方法是从牛的胰脏中提取，每1000磅牛胰脏才能得到10克胰岛素。通过基因工程方法，把编码胰岛素的基因转入大肠杆菌细胞中去，造出能生产胰岛素的工程菌，从200升发酵液就可得到10克胰岛素。
