1.3基因工程的应用

基因工程自20世纪70年代兴起后，在短短的30年间，得到了飞速的发展，目前已成为生物科学的核心技术。基因工程在实际应用领域——农牧业、工业、环境、能源和医药卫生等方面，也展示出美好的前景。（一）植物基因工程（二）动物基因工程（三）基因工程药物（四）基因工程药物异军突起（五）基因芯片一、植物基因工程硕果累累转基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力,以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面.1、抗虫转基因植物的培育植物害虫：主要是昆虫类抗虫基因：Bt毒蛋白、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因抗虫转基因植物：水稻、棉花、玉米、马铃薯、大豆、烟草等意义：减少化学农药使用，降低对环境的污染，节约成本2、抗病转基因植物引起植物生病的微生物：病毒、细菌、真菌抗病基因病毒外壳蛋白基因、病毒复制酶基因几丁质酶基因、抗毒素合成基因抗病转基因植物：甜椒、小麦等（这些基因的转化植物表现出对同种病毒或相近病毒或病毒RNA侵染的高水平抗性）拓展：在抗病毒转基因植物中，为什么使用病毒外壳蛋白基因可以抗病毒侵染？关于病毒外壳蛋白基因(CP基因)导入植物后的抗病毒机理，目前有几种假说。一种假说认为：CP基因在植物细胞内表达积累后，当入侵的病毒裸露核酸进入植物细胞后，会立即被这些外壳蛋白重新包裹，从而阻止病毒核酸分子的复制和翻译。另一种假说认为：植物细胞内积累的病毒外壳蛋白会抑制病毒脱除外壳，使病毒核酸分子不能释放出来。然而最近的研究表明，如果将病毒的外壳蛋白的AUG起始密码缺失，使之不能被翻译，或者将外壳蛋白基因变成反义RNA基因，整合到植物细胞染色体上，转基因植物则有很好的抗性。因此，有人认为抗性机理不是外壳蛋白在起作用，而是CP基因转录出RNA后，与入侵病毒RNA之间的相互作用起到了抗性作用。3、抗逆转基因植物植物生长的不利环境（逆境）：干旱、盐碱、低温、涝害等植物抗逆基因：调节细胞渗透压基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因等抗逆转基因植物：大豆、玉米、番茄、烟草等4、利用转基因改良植物品质①玉米中缺少赖氨酸，改良方法为：将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物改变必需氨基酸合成途径中某种关键酶的活性②转基因延熟番茄的目的基因是什么？控制番茄果实成熟的基因③转基因矮牵牛的目的基因是什么？与植物花青素代谢有关的基因异想天开：发光树能做路灯吗？发光基因：指导合成荧光素和荧光素酶的基因总结：基因工程在农业上的应用1）高产、稳产和具优良品质的品种用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白质含量。如“转基因高赖氨酸玉米”植株。2）抗逆性品种将细菌的抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。如转基因抗虫棉。二、动物基因工程前景广阔（一）用于提高动物生长速度——动物品种改良、建立生物反应器、器官移植等导入外源生长激素基因（二）用于改善畜产品的品质举例说明将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，转基因牛分泌的乳汁中乳糖的含量大大减低。（三）用转基因的动物生产药物设问:就基因药物而言，最理想的表达场所是哪里？转基因动物的乳腺。1）乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。2）从乳汁中获取目的基因产物，产量高，易提纯，表达的蛋白质已经过充分的修饰加工，具有稳定的生物活性。3）从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同时，转基因动物又可无限繁殖。为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢？将药物蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射等方法，导入哺乳动物的受精卵中，将受精卵送入母体，使其发育成转基因动物。转基因动物进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁生产所需要的药品，称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。乳腺生物反应器乳腺生物反应器的优点：①产量高；②质量好；③成本低；④易提取。①获取目的基因（例如血清白蛋白基因）②构建基因表达载体（在血清白蛋白基因前加特异表达的启动子）③显微注射导入哺乳动物受精卵中④形成胚胎⑤将胚胎送入母体动物⑥发育成转基因动物（只有在产下的雌性个体中，转入的基因才能表达）。思考:用基因工程技术实现动物乳腺生物反应器的操作过程是怎样的？（四）用转基因动物作器官移植的供体利用基因工程对猪的器官进行改造方法：将器官供体基因组导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达或设法除去抗原决定基因，再结合克隆技术，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官三、基因工程药品异军突起利用转基因工程菌来生产细胞因子、抗体、疫苗、激素等等。•在传统的药品生产中，某些药品如胰岛素、干扰素直接生物体的哪些结构中提取？药品直接从生物的组织、细胞或血液中提取。•传统生产方法的缺点由于受原料来源的限制，价格十分昂贵。•可利用什么方法来解决上述问题？利用基因工程方法制造“工程菌”，可高效率地生产出各种高质量、低成本的药品。•胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。胰岛素分子结构基因工程胰岛素（一）•将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!胰岛素生产车间基因工程胰岛素（一）基因工程干扰素（一）•干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！过去从人血中提取，300L血才提取1mg！其“珍贵”程度自不用多说。干扰素生产车间干扰素分子结构基因工程干扰素(二）•基因工程人干扰素α-2b（安达芬）是我国第一个全国产化基因工程人干扰素α-2b，具有抗病毒，抑制肿瘤细胞增生，调节人体免疫功能的作用，广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗，是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。治疗侏儒症的唯一方法，是向人体注射生长激素。而生长激素的获得很困难。以前，要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底部摘取垂体，并从中提取生长激素。现可利用基因工程方法，将人的生长激素基因导入大肠杆菌中，使其生产生长激素。人们从450L大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于6万具尸体的全部产量。•基因工程药品——生长激素其它基因工程药物•人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。人造血液及其生产利用微生物生产药物的优越性何在?所谓利用微生物生产蛋白质类药物，是指将人们需要的某种蛋白质的编码基因，构建成表达载体后导入微生物，然后利用微生物发酵来生产蛋白质类药物。与传统的制药相比有以下优越性：（1）利用活细胞作为表达系统，表达效率高。（2）可以解决传统制药中原料来源的不足。（3）降低生产成本，减少生产人员和管理人员。转基因工程菌的其它应用利用转基因微生物分解和降解污染物。1）用基因工程产物——“超级细菌”分解石油，可以大大提高细菌分解石油的效率。具体方法：将能分解三种烃类的假单孢杆菌的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”。2）用基因工程培养出“吞噬”汞和降解土壤中DDT的细菌。3）通过基因重组构建新的杀虫剂，取代生产过程中耗能多、易造成环境污染的农药，并试图通过基因工程回收和利用工业废物。•基因诊断：也称为DNA诊断或基因探针技术，即在DNA水平分析检测某一基因，从而对特定的疾病进行诊断。探针制备：放射性同位素(如32P)、荧光分子等标记的DNA分子；原理：利用DNA分子杂交原理；四、基因治疗曙光初照•基因探针：基因探针就是一段与目的基因或DNA互补的特异核苷酸序列。它包括整个基因，或基因的一部分；可以是DNA本身，也可以是由之转录而来的RNA。•基因诊断技术在什么方面发展迅速？在诊断遗传性疾病方面发展迅速。目前已经可以对几十种遗传病进行产前诊断。1）β—珠蛋白的DNA探针→镰刀状细胞贫血症2）苯丙氨酸羧化酶基因探针→苯丙酮尿症3）白血病患者细胞中分离出的癌基因制备的DNA探针→白血病•举例1、基因治疗概念：向有基因缺陷细胞(靶细胞)或组织中引入外源基因DNA或RNA片段,以纠正或补偿基因的缺陷,关闭或抑制异常表达的基因,从而达到治疗的目的2、实例：将腺苷酸脱氨酶基因转入取自患者的淋巴细胞中，再将这种淋巴细胞转入患者体内。(1)对严重复合型免疫缺陷症的治疗患者生存在无菌环境中3、基因治疗的类型体外基因治疗：先从病人体内获得某种细胞，进行培养，然后在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内。体内基因治疗：直接向人体组织细胞中转移的治病方法。（如将治疗囊性纤维病的正常基因转入患者肺组织）4、基因治疗的发展现状：处于初期的临床试验阶段基因治疗SCID的过程体外基因治疗体内基因治疗用于基因治疗的基因种类•1。用正常基因代替缺陷基因，或依靠其表达产物来弥补病变基因带来的缺陷。如血友病、地中海贫血病的治疗。•2。反义基因。用mRNA分子与病变的mRNA分子进行互补，阻断蛋白质的合成。•3。自杀基因。编码可杀死癌变细胞的蛋白酶基因。将目的DNA用自动化设备点在固体支持物上，DNA经固定后，用不同颜色的荧光标记的探针对这些DNA同时进行杂交。五、基因芯片基本原理：DNA分子杂交应用：研究基因型（利用基因芯片进行序列分析，包括识别DNA序列的突变和研究基因的多态性）；分析基因表达（利用基因芯片检测转录产物,研究基因功能）;基因诊断(针对靶基因而特别设计,利用分子杂交进行特定基因的确定)优点：实现基因信息的大规模检测基因工程与食品业基因工程为人类开辟新的食物来源。1）鸡蛋白基因在大肠杆菌和酵母菌中表达获得成功。这表明，未来能用发酵罐培养的大肠杆菌或酵母菌来生产人类所需要的卵清蛋白。2）用基因工程的方法从微生物中获得人们所需要的糖类、脂肪和维生素等产品。•基因工程为食品工业中提供了什么前景？基因工程与环境监测（一）•基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来基因工程与环境监测（二）•利用基因工程培育的指示生物能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。基因工程与环境污染治理•基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。练习1、转基因技术在植物品种改良方面应用广泛，其中一项基因工程就是改造CO2固定酶。其目的是（）A、提高光合作用效率B、延长果实的储藏期C、培育新作物品种D、提高植物的抗性A2、上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带白蛋白基因的转基因牛，他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍。“转基因动物”是指（）A、提供基因的动物B、基因组中增加外源基因的动物C、能产生白蛋白的动物D、能表达基因信息的动物B3、治疗白化病、苯丙酮尿症等人类遗传病的根本途径是（）A、口服化学药物B、注射化学药物C、利用辐射或药物诱发治病基因突变D、采用基因治疗法纠正或弥补缺陷基因带来的影响D