基因工程应用

第七章基因工程应用基因工程药物转基因植物转基因动物基因治疗基因芯片技术基因工程的应用抗体疫苗激素寡核苷酸药物细胞因子基因工程药物7.1基因工程药物7.1.1基因工程激素类药物激素：是一类由生物体内分泌腺或特异性细胞产生的微量有机化合物，通过体液或细胞外液运送到特定的作用部位，能引起特殊的生理效应。激素（按化学性质分）多肽蛋白类激素甾醇类激素脂肪酸类激素基因工程类激素：主要指通过基因工程方法合成的蛋白多肽类激素。胰岛素•胰岛素是最早从动物胰脏中分离出来的多肽蛋白类激素。•胰岛素的合成胰脏胰岛的β细胞前胰岛素原胰岛素原成熟的胰岛素跨膜运输切除前导肽在高尔基体内形成二硫键切除C肽合成用基因工程生产人胰岛素的两种主要途径：用发酵的方法生产胰岛素原，在体外将胰岛素原转变成胰岛素。（主要方法）先分别发酵生产人胰岛素的A链和B链，纯化后再在体外重组产生完整的人胰岛素。生长激素1985年，美国的FDA批准了第一代重组人生长激素上市。第一代重组人生长激素在大肠杆菌中表达，蛋白质的N端比天然的人生长激素多了一个甲硫氨酸。目前生产和使用的是第二代生物工程生长激素。第二代生物工程生长激素是以分泌蛋白的形式表达的，信号肽在分泌的过程中被自动切除而产生与天然蛋白完全一致的序列。生长激素：是由动物脑垂体前叶分泌的一种能促进生长的蛋白类激素。7.1.2基因工程细胞因子类药物细胞因子（Cytokine）：是由细胞分泌的能调节生物有机体生理功能，参与细胞的增殖、分化和凋亡的小分子多肽类物质。1957年Isaacs和Indenmann发现了第一种细胞因子——干扰素（IFN）。细胞因子（按功能分）干扰素（IFN）集落刺激因子（CSF）白细胞介素（IL）肿瘤坏死因子（TNF）趋化因子（chemokine）生长因子（GF）大多数细胞因子是分泌型小分子多肽，少数细胞因子结合在细胞膜的表面。细胞因子通过与靶细胞表面的特异性受体结合后发挥作用。作用特点：多相性、网络性、高效性。生物学功能：调节免疫应答、抗病毒、抗肿瘤、调节机体造血功能、促进炎症反应。干扰素（interferon，IFN）干扰素：是一类多功能细胞因子，按结构和来源可分为α、β、γ三种。IFN-α主要由白细胞产生，IFN-β由成纤维细胞产生，IFN-γ主要由T细胞和NK细胞产生。抗病毒感染调控细胞的生长调节免疫细胞发挥生理效应干扰素的主要生理作用临床应用：治疗白血病、乙型肝炎、丙型肝炎、多发性硬化症和类风湿关节炎等多种疾病。红细胞生成素（erythropoietin，EPO）红细胞生成素：又称促红细胞生成素或红细胞生产刺激因子，是一种集落刺激因子。它由肾脏和肝脏产生，其主要功能是刺激造血始细胞分化为红细胞，维持外周血中红细胞的正常水平。1988年瑞士的Cilag公司上市了基因工程EPO。中国仓鼠卵巢细胞（CHO细胞）生产的重组人EPO于1989年被美国FDA批准上市，现已在全世界年销售额达数十亿美元，成为开发最成功的基因工程药物之一。生产EPO的关键是建立高表达工程细胞，由于蛋白质的糖基化对其生物学活性很重要，因此以基因工程途径生产EPO不能利用大肠杆菌表达系统，只能利用哺乳动物表达系统进行生产。EPO的临床应用：肾功能衰竭导致的贫血；肿瘤及肿瘤放化疗所导致的贫血；骨髓增生异常综合症贫血；类风湿性关节炎和红斑狼疮所致贫血；艾滋病人因使用叠氮胸苷（AZT）治疗所致贫血。干细胞因子（stemcellfactor，SCF）对骨髓造血干细胞和造血始细胞具有刺激效应。目前人重组SCF已完成临床实验并申请上市。SCF也可与其它细胞因子联合使用，以发挥不同的生理作用。人表皮生长因子（epidermalgrowthfactor，EGF）人表皮生长因子，因其可抑制胃酸的分泌，故又称抑胃素。它由53个氨基酸残基组成，广泛存在与人的各种体液中。功能：对多种细胞具有刺激效应。临床应用：治疗外伤、溃疡、烧伤等。白细胞介素（interleukin，IL）简称白介素，是由多种免疫细胞产生的细胞因子，它是一类重要的免疫调节因子。1972年这个家族的第一个成员IL-1被发现，它介导淋巴细胞的增值反应。1983年发现了IL-2，它在免疫系统中发挥核心调节作用。到目前已发现20多种白介素，分别以IL-1～IL-20表示。临床应用：治疗肿瘤及某些感染性疾病如结核杆菌感染等，还可用于治疗艾滋病。基因工程IL-2于1992年由美国的Chiron公司生产并上市。7.1.3基因工程抗体抗体：是在抗原物质刺激下产生的，能与相应抗原发生特异性免疫反应的蛋白质分子。抗体的生理功能：与特异性抗原结合发生免疫反应，活化补体，通过与不同的受体结合而介导Ⅰ型变态反应调节吞噬细胞的吞噬功能。抗体的临床应用：抗肿瘤、抗感染、防止器官移植中的排斥反应、抗血栓的形成、解毒等。鼠源单克隆基因工程抗体单克隆抗体：是由识别一种抗原决定簇的细胞产生的均一性抗体，它反应的特异性高、亲和力强、效价高、血清交叉反应少。解决措施：通过基因工程将鼠源单克隆抗体进行改进，构建人－鼠嵌合抗体或人源化抗体。基因工程抗体的临床应用：用于抗肿瘤、抗病毒、抗移植排斥反应和抗过敏反应。缺点：鼠源单克隆抗体在重复用药时会产生抗鼠抗体导致疗效降低。小分子抗体小分子抗体是针对完整抗体的分子量较大、不易透过血管壁等不足而进行改进的。小分子抗体（按构建方法分）Fab抗体单链抗体单域抗体超变区多肽抗体人源单克隆抗体是针对鼠源单克隆抗体存在抗鼠免疫反应的缺陷而发展起来的。制备人源单克隆抗体的两种方法通过噬菌体通过小鼠7.1.4基因工程受体受体：是指细胞表面与各种配体如抗体等进行特异性结合的大分子物质，它一般为糖蛋白。受体的主要功能：接受并传递信号，将信号传递到细胞内后，引发细胞的调控系统并产生一系列生理变化。受体（根据与受体结合的配体种类不同）细胞因子受体免疫球蛋白受体补体受体抗原受体7.1.5基因工程疫苗基因工程疫苗基因工程细菌疫苗基因工程病毒疫苗核酸疫苗其它基因工程疫苗7.1.5.1基因工程细菌疫苗基因工程细菌疫苗基因工程痢疾菌疫苗基因工程霍乱菌疫苗基因工程结核菌疫苗基因工程伤寒菌疫苗7.1.5.2基因工程病毒疫苗基因工程病毒疫苗基因工程亚单位疫苗基因工程载体疫苗基因缺失活疫苗7.1.5.3核酸疫苗核酸作为疫苗的优点：其诱生的免疫应答不仅针对特异表位的抗体，还可以针对特异表位的杀伤性T细胞；能扩大抗原的免疫原性；诱生杀伤性T细胞，清除病毒感染细胞和肿瘤细胞；可与其它免疫因子联合使用。7.1.5.4其它基因工程疫苗艾滋病疫苗寄生虫疫苗其它基因工程疫苗7.2转基因植物转基因植物抗病虫害转基因植物抗逆转基因植物药用转基因植物转基因植物食品其它转基因植物7.2.1抗病虫害转基因植物抗病虫害转基因植物抗虫转基因植物抗病毒转基因植物抗真菌转基因植物7.2.1.1抗虫转基因植物抗虫转基因植物苏云金杆菌毒素转基因植物蛋白酶抑制剂转基因植物植物凝集素转基因植物淀粉酶抑制剂转基因植物7.2.1.2抗病毒转基因植物抗病毒转基因植物利用植物自身编码的抗病毒基因培育抗病毒植株病毒外壳蛋白转基因植物病毒复制酶转基因植物移动蛋白转基因植物核糖体失活蛋白转基因植物病毒卫星RNA转基因植物反义RNA转基因植物（补）7.2.1.3抗真菌转基因植物植物对真菌等病害微生物的防御主要包括两个方面：当致病菌入侵植物时，植物细胞壁的结构发生变化，细胞壁的强度和硬度增加。机械防护：生物学保护：植物细胞被诱导合成多种活性物质如硫堇、抗毒素和几丁质酶等，以抑制真菌的生长和入侵。抗真菌转基因植物几丁质酶转基因植物植物抗毒素转基因植物7.2.2抗逆转基因植物逆境（stress）：是指使植物产生伤害的环境，又称胁迫。如寒冷、冰冻、炎热、干旱、盐渍等。胁迫分为生物胁迫和非生物胁迫两大类。生物胁迫是指病害、虫害和杂草等；非生物胁迫则指不利的理化因子，其详细分类见下图：非生物胁迫温度水辐射化学因素风、雨、雪、声、磁、电低温高温涝干旱红外光可见光紫外线离子辐射盐类离子气体除草剂冷害冻害抗逆转基因植物抗盐转基因植物抗旱转基因植物抗冻转基因植物抗除草剂转基因植物7.2.3药用转基因植物与原核生物表达系统和动物表达系统相比，转基因植物医药生物反应器生产重组蛋白具有六大优点：植物细胞的全能性。植物种植是最经济的蛋白质生产系统。植物是能够大规模生产蛋白质的生产系统。用植物生产疫苗简单、方便。植物具有完整的真核细胞表达系统。表达产物无毒性和副作用，安全可靠，无残存DNA和潜在致病、致癌性。药用转基因植物（表现在三方面）转基因植物表达抗体转基因植物表达疫苗转基因植物生产药用蛋白7.2.4转基因植物食品利用植物基因工程提高作物的产量利用植物基因工程改良作物的品质7.2.5其它转基因植物抗早衰转基因植物改变花色、花型的转基因植物利用转基因植物生产可降解塑料7.3转基因动物转基因动物：是指人类按照自己的意愿有目的、有计划、有根据、有预见地将外源基因导入动物细胞内，通过与染色体基因组进行稳定的整合，将生物性状传递给后代动物。转基因动物的应用利用转基因动物改良动物品种转基因动物作为生物反应器转基因动物筛选药物7.3.1利用转基因动物改良动物品种利用转基因动物技术提高动物的繁育速度利用转基因动物技术改善动物品质利用转基因动物技术培育抗病害动物品系7.3.2转基因动物作为生物反应器转基因动物生物反应器动物乳腺生物反应器动物血液生物反应器哺乳动物分泌腺体生物反应器7.3.3转基因动物筛选药物（自学）利用转基因动物筛选抗肿瘤药物利用转基因动物筛选抗艾滋病药物利用转基因动物筛选抗抗其他疾病药物7.3.4转基因动物应用于人体器官移植（自学）7.4基因治疗基因治疗：是指以正常的基因替代或修补病人细胞中的缺陷基因从而达到治疗疾病的目的，它是治疗分子疾病最有效的手段之一。基因治疗体细胞基因治疗生殖细胞基因治疗1990年9月14日，美国年仅4岁的女孩阿尚蒂接受了世界上第一例基因治疗临床试验。基因治疗的策略补充内容：补充策略纠正策略限制策略无中生有基因治疗活体直接转移（invivo）：将外源基因通过载体直接注射到肌肉、血管等靶组织或通过口服、喷雾、皮下涂抹等方式直接被试验个体的靶部位吸收。该法操作简便，易于推广，但目前尚未成熟，存在疗效短、免疫排斥及基因转移载体在体内随机分布等安全性等问题。该法虽有种种缺陷，仍不失为基因治疗发展的最终趋势。离体转移（exvivo）：将试验对象的靶细胞取出，体外培养导入基因后再重新输回试验者体内。该法比较经典，安全有效且易控制，但是步骤多、操作复杂，患者接受程度低，难以大规模推广。基因治疗体内基因治疗：将含外源基因的真核细胞表达载体直接导入人体内。体外基因治疗：将含有外源基因的表达载体导入人体自身或异体细胞，经体外细胞扩增后输回人体。基因治疗技术的四个环节基因诊断基因分离载体构建基因转移用于治疗的基因正常基因反义基因自杀基因基因诊断：是指利用多种基因检测技术对人体病变基因进行定位分析。基因分离：是指利用DNA重组技术克隆、鉴定、扩增和纯化用于治疗的基因，并根据病变基因的定位，与特异性整合序列和基因表达调控元件进行体外重组。体内疗法体外疗法表达载体的构建是基因治疗成功与否的关键。病毒型载体非病毒型载体目前基因治疗中使用的载体基因转移方法7.4.1肿瘤的基因治疗肿瘤基因治疗的主要策略抑癌基因治疗法免疫基因治疗法自杀基因治疗法基因修饰瘤苗法7.4.1.1抑癌基因治疗通过向患者导入抑癌基因、恢复人体抑制肿瘤的功能，从而达到治愈肿瘤的目的。•人P53基因•RB基因•P16基因•反义癌基因治疗7.4.1.2基因修饰瘤苗瘤苗：以外源基因修饰的肿瘤细胞。目前采用的外源基因多数是细胞因子基因（包括白介素系列基因、干扰素基因、集落刺激因子基因等）。细胞因子基因修饰人肿瘤细胞的过程：细胞因子基因的克隆构建重组反转录病毒载体缺陷型重组反转录病毒的包装肿瘤细胞的转染及检测7.4.1.3肿瘤的免疫基因治疗肿瘤的免疫基因治疗：是指利用免疫基因对肿瘤