又稱遺傳工程，在體外重新組合去氧核糖核酸(DNA)分子，並使它們在適當的細胞中增殖的遺傳操作。這種操作可把特定的基因組合到載體上，並使之在受體細胞中增殖和表達。因此它不受親緣關係限制，為遺傳育種和分子遺傳學研究開闢瞭嶄新的途徑。
廣義的遺傳工程包括細胞水準上的遺傳操作（細胞工程）和分子水準上的遺傳操作，即重組DNA技術（有人稱之為基因工程）。狹義的遺傳工程則專指後者。
簡史
重組DNA技術來源於兩個方面的基礎理論研究──限制性核酸內切酶（簡稱限制酶）和基因載體（簡稱載體）。限制酶的研究可以追溯到1952年美國分子遺傳學傢S.E.盧裡亞在大腸桿菌中所發現的一種所謂限制現象──從菌株甲的細菌所釋放的噬菌體能有效地感染同一菌株的細菌，可是不能有效地感染菌株乙；少數被感染的菌株乙的細菌所釋放的同一噬菌體能有效地感染菌株乙可是不能有效地感染菌株甲。經過長期的研究，美國學者W.阿爾伯在1974年終於對這一現象提出瞭解釋，認為通過噬菌體感染而進入細菌細胞的DNA分子能被細菌識別而分解，細菌本身的DNA則由於已被自己所修飾（甲基化）而免於被分解。但有少數噬菌體在沒有被分解以前已被修飾瞭，這些噬菌體經釋放後便能有效地感染同一菌株的細菌。被甲（或乙）這一菌株所修飾的噬菌體隻能有效地感染甲（或乙），而不能有效地感染乙（或甲），說明各個菌株對於外來DNA的限制作用常常是專一性的。通過進一步的研究發現這種限制現象是由於細菌細胞中具有專一性的限制性核酸內切酶的緣故。
重組DNA技術中所用的載體主要是質粒和溫和噬菌體（見轉導）兩類，而在實際應用中的載體幾乎都是經過改造的質粒或溫和噬菌體。英國微生物遺傳學傢W.海斯和美國微生物遺傳學傢J.萊德伯格等在1952年首先認識到大腸桿菌的 F因子（見細菌接合）是染色體外的遺傳因子。1953年法國學者P.弗雷德裡克等發現大腸桿菌產生大腸桿菌素這一性狀為一種染色體外的大腸桿菌素因子所控制。1957年日本學者發現瞭抗藥性質粒。後兩類質粒都是在遺傳工程中廣泛應用的質粒。
重組DNA技術中廣泛應用的噬菌體是大腸桿菌的溫和噬菌體λ，它是在1951年由美國學者E.萊德伯格等發現的。
到70年代初，生物化學研究的進展也為重組DNA技術奠定瞭基礎。1972年美國的分子生物學傢P.伯格等將動物病毒 SV40的DNA與噬菌體P22的DNA連接在一起，構成瞭第一批重組體DNA分子。1973年美國的分子生物學傢 S.N.科恩等又將幾種不同的外源DNA插入質粒pSC101的DNA中，並進一步將它們引入大腸桿菌中，從而開創瞭遺傳工程的研究。
步驟和技術路線
重組DNA技術一般包括四步：①產生DNA片段；②DNA片段與載體DNA分子相連接；③將重組DNA分子導入宿主細胞；④選出含有所需要的重組體DNA分子的宿主細胞。在具體工作中選擇哪條技術路線，主要取決於基因的來源、基因本身的性質和該項遺傳工程的目的（見圖）。
重組DNA片段的取得 主要的方法有：①利用限制酶取得具有粘性末端或平整末端的DNA片段；②用機械方法剪切取得具有平整末端的DNA片段，例如用超聲波斷裂雙鏈DNA分子；③經反向轉錄酶的作用從mRNA獲得與mRNA順序互補的DNA單鏈，然後再復制形成雙鏈DNA（cDNA）。例如人的胰島素和血紅蛋白的結構基因都用這方法獲得。這樣獲得的基因具有編碼蛋白質的全部核苷酸順序，但往往與原來位置在染色體上的基因在結構上有區別，它們不含有稱為內含子的不編碼蛋白質的間隔順序（見基因）；④用化學方法合成DNA片段。從蛋白質肽鏈的氨基酸順序可以知道它的遺傳密碼。依照這密碼用化學方法可以人工合成基因。
DNA片段和載體的連接 DNA片段和載體相連接的方法主要有四種：①粘性末端連接，每一種限制性核酸內切酶作用於DNA分子上的特定的識別順序，許多酶作用的結果產生具有粘性末端的兩個DNA片段。例如來自大腸桿菌（Escherichia coli）的限制酶 EcoRI作用於識別順序
（↑指示切點），產生具有粘性末端
和
的片段。把所要克隆的DNA和載體DNA用同一種限制酶處理後再經DNA連接酶處理，就可以把它們連接起來。②平整末端連接，某些限制性內切酶作用的結果產生不含粘性末端的平整末端。例如來自副流感嗜血桿菌（
Hemophilus parainfluenzae） 的限制酶Hpal作用於識別順序
而產生末端為
的DNA片段。用機械剪切方法取得的DNA片段的末端也是平整的。在某些連接酶（例如感染噬菌體T4後的大腸桿菌所產生的DNA連接酶） 的作用下同樣可以把兩個這樣的DNA片段連接起來。③同聚末端連接，在脫氧核苷酸轉移酶(也稱末端轉移酶)的作用下可以在DNA的3′羧基端合成低聚多核苷酸。如果把所需要的DNA片段接上低聚腺嘌呤核苷酸，而把載體分子接上低聚胸腺嘧啶核苷酸，那麼由於兩者之間能形成互補氫鍵，同樣可以通過DNA連接酶的作用而完成DNA片段和載體間的連接。④人工接頭分子連接，在兩個平整末端DNA片段的一端接上用人工合成的寡聚核苷酸接頭片段，這裡面包含有某一限制酶的識別位點。經這一限制酶處理便可以得到具有粘性末端的兩個DNA片段，進一步便可以用DNA連接酶把這樣兩個DNA分子連接起來。
導入宿主細胞 將連接有所需要的DNA的載體導入宿主細胞的常用方法有四種：①轉化，用質粒作載體所常用的方法。②轉染（見轉化），用噬菌體DNA作載體所用的方法，這裡所用的噬菌體DNA並沒有包上它的外殼。③轉導，用噬菌體作載體所用的方法，這裡所用的噬菌體DNA被包上瞭它的外殼，不過這外殼並不是在噬菌體感染過程中包上，而是在離體情況下包上的，所以稱為離體包裝。④註射，如果宿主是比較大的動植物細胞則可以用註射方法把重組DNA分子導入。
選擇 用以上任何一種方法連接起來的DNA中既可能包括所需要的DNA片段，也可能包括並不需要的片段，甚至包括互相連接起來的載體分子的聚合體。所以接受這些DNA的宿主細胞中間隻有一小部分是真正含有所需要的基因的。一般通過3種方法可以取得所需要的宿主細胞：①遺傳學方法，對於帶有抗藥性基因的質粒來講，從被轉化細菌是否由敏感狀態變為抗藥的狀態就可以知道它有沒有獲得這一抗藥性質粒。一個抗藥性基因中間如果接上瞭一段外來的DNA片段，就使獲得這一質粒的細菌不再表現抗性。把一個帶有兩個抗性基因氨芐青黴素抗性和四環素抗性的質粒pBR322用限制酶 Bam HI處理，由於Bam HI的唯一的識別位點是在四環素抗性基因中，所以經同一種酶處理的DNA分子片段就可以連接在這一基因中間。在被轉化的細菌中選擇隻對氨芐青黴素具有抗性而對四環素不具抗性的細菌，便可以獲得帶有外來DNA片段的載體的細菌。這是一種常用的遺傳學方法。②免疫學方法和分子雜交方法，當一個宿主細胞獲得瞭攜帶在載體上的基因後，細胞中往往就出現這一基因所編碼的蛋白質，用免疫學方法可以檢出這種細胞。分子雜交的原理和方法同樣可以用來檢測這一基因的存在（見分子雜交、基因文庫）。
基因表達 在構建重組體DNA分子和選擇宿主細胞時，還須考慮外源基因表達的問題。就是說要求外來的基因在宿主細胞中能準確地轉錄和翻譯，所產生的蛋白質在宿主細胞中不被分解，而且最好還能分泌到細胞外。為瞭使外源基因表達，需要在基因編碼順序的5＇端有能被宿主細胞識別的啟動基因順序以及核糖體的結合順序。兩種常用的方法能用來使外源基因在宿主細胞中順利地表達：①在形成重組體DNA分子時在載體的啟動基因順序和核糖體結合順序後面的適當位置上連接外源基因。例如將兔的β－珠蛋白基因或人的成纖維細胞幹擾素基因分別連接到已經處在載體上的大腸桿菌乳糖操縱子的啟動基因後面，便能使它們在大腸桿菌中順利地表達；②將外源基因插入到載體的結構基因中的適當位置上，轉錄和翻譯的結果將產生一個融合蛋白。這種融合蛋白質被提純後，還要準確地將兩部分分開，才能獲得所需要的蛋白質。在早期的遺傳工程研究中，生長激素釋放抑制因子和鼠胰島素基因的表達都是通過將它們連接在β-半乳糖苷酶基因中的方式實現的。
應用
發酵工業 用大腸桿菌生產人的生長激素釋放抑制因子是第一個成功的實例。在9升細菌培養液中這種激素的產量等於從大約50萬頭羊的腦中提取得到的量。這是把人工合成的基因連接到小型多拷貝質粒pBR322上，並利用乳糖操縱子β－半乳糖苷酶基因的高效率啟動子，構成新的雜種質粒而實現的。現在胰島素、人的生長激素、人的胸腺激素 α-1、人的幹擾素、牛的生長激素、乙型肝炎病毒抗原和口蹄疫病毒抗原等都可用大腸桿菌發酵生產，其中有的還可在酵母或枯草桿菌中表達，這就為大規模的工業發酵開辟瞭新的途徑。還有些很重要的基因，如纖維素酶的基因等也已在大腸桿菌中克隆和表達。
利用遺傳工程手段還可以提高微生物本身所產生的酶的產量。例如可以把大腸桿菌連接酶的產量提高500倍。
理論研究 應用重組DNA技術可以克隆和擴增某些原核生物和真核生物的基因，從而可以進一步研究它們的結構和功能。重組DNA技術的成就和提出的問題促進瞭遺傳學、生物化學、微生物學、生物物理學和細胞學等學科的發展，並且有助於這些不同學科的結合。目前正在形成一門新興的學科──生物工藝學或生物工程學，就是這種趨勢的反映。
動植物育種和基因治療 已經有一些研究工作明確地預示著重組DNA技術在這些方面的潛力。例如把來自兔的β－血紅蛋白基因註射到小鼠受精卵的核內，再將這種受精卵放回到小鼠輸卵管內使它發育，在生下來的小鼠的肝細胞中發現有兔的β-血紅蛋白基因和兔的β-血紅蛋白。還有人把包括小鼠的金屬巰基組氨酸三甲基內鹽 Ⅰ(metallothioneine Ⅰ)基因的啟動子及大鼠生長激素結構基因的DNA片段註射進小鼠受精卵的前核中，由此發育得來的一部分小鼠由於帶有可表達的大鼠生長激素基因，所以明顯地比對照鼠長得大。這些實驗結果為基因治療展現瞭可喜的前景。固氮的功能涉及17個基因，分屬7個操縱子，現在已能把它們全部引入酵母菌，而且能正常地復制，不過還沒有能使這些基因表達。改造玉米胚乳蛋白質而使人畜營養必需的賴氨酸和色氨酸成分增加的工作也在著手進行。大豆的基因已能通過Ti質粒引入向日葵。因此，可以預期隨著時間的推移在能源、農業、食品生產、工業化學和藥品制造等方面都將會取得巨大的成果。
參考書目
R.W.Old，S.B.Primrose，Principles of Gene Manipulation，University of California Press，1980.