基因工程应用.ppt

第一节 基因工程药物,基因工程激素类药物 基因工程细胞因子类药物 基因工程抗体 基因工程受体 基因工程疫苗,基因工程激素类药物,激素是生物体内分泌腺或特异细胞产生的微量有机化合物，能引起特殊的生理效应。多肽蛋白激素、甾醇类激素、脂肪类激素。 通过基因工程方法合成的为蛋白多肽类激素 胰岛素 人生长激素 人促卵泡激素,胰岛素,1955 Sanger 首次报道胰岛素的aa序列 1969 Crowfoot-Hodgkin等确定其空间结构 1979 Rutter W和Doodman H克隆了该基因 1982 FDA批准基因工程胰岛素产品上市,获得途径 1、先发酵生成胰岛素原，再将其转变为胰岛素 2、分开发酵生成胰岛素的A和B链，重组产生完整的胰岛素,人生长激素,刺激骨生长，促进黏多糖和胶原的合成 影响蛋白质、糖类、脂类的代谢,1944 牛脑垂体分离出生长激素 1956 人脑垂体分离出生长激素 1969 确定其aa序列 1985 FDA批准第一代重组人生长激素上市 （E.coli中表达，N端多一个甲硫氨基残基） 现在 第二代重组人生长激素生产（分泌蛋白形式表达，与天然蛋白一致）,基因工程细胞因子类药物,细胞分泌的调节生物有机体生理功能，参与细胞增殖、分化、和凋亡的小分子多肽类物质,干扰素 、 集落刺激因子（如红细胞生成素）、 白介素 、 肿瘤坏死因子 、 趋化因子、 生长因子,天然提取物少，价格昂贵，不能满足市场需求,干扰素,1986 FDA批准基因工程干扰素2a和2b上市 1990和1993干扰素和上市 1992 中国生产1b 临床应用 抗病毒感染，调控细胞生长， 调节免疫细胞发挥生理效应,基因工程人干扰素-2b（安达芬） 是我国第一个国产化基因工程人干扰素-2b,1988 瑞士Cilag公司的基因工程红细胞生成素上市 治疗（非）肾功能衰退导致的贫血 人表皮生长因子基因工程产品美国上市 治疗外伤 溃疡 烧伤等 目前已有多种基因工程白介素产品上市或进入临床试验 抗肿瘤 抗感染中发挥重要功能,抗体：在特异性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，抗血栓形成和解毒等 主要有： 鼠源单克隆基因工程抗体， 小分子抗体， 人源单克隆基因工程抗体,基因工程抗体,受体：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 功能：接受并传递信号 治疗上受体一般为可溶性的 主要有： 基因工程肿瘤坏死因子受体 免疫球蛋白Fc受体 抗原受体 补体受体,基因工程受体,疫苗：泛指所有用于人工自动免疫的预防生物制品。人体经预防接种后所获得的免疫叫做人工自动免疫。,目前使用的疫苗对人体带来某些副作用甚至产生后遗症 基因工程疫苗则有可能将疫苗对人体的副作用或毒害作用降至最低程度,基因工程疫苗,痢疾菌疫苗,通过DNA重组技术将痢疾杆菌表面LPS-O抗原基因转移到痢疾菌苗T32中，获得了双价免疫原性的痢疾菌，同时对痢疾菌毒力基因进行突变构建了减毒突变株 优点： 具有较高的免疫活性，而且降低了对人体的毒害作用,细菌疫苗,霍乱毒素由A和B两亚单位组成 A亚单位为毒力活性成分 B亚单位具有强的免疫原性 基因工程霍乱菌苗为通过基因工程方法删除A亚单位的减毒株 优点：无明显副作用，保护期较长,霍乱菌疫苗,结核病的活菌苗主要为卡介苗，存活时间长，并安全可靠。 以卡介苗为载体构建重组疫苗在机体内可诱发强的持续免疫应答反应。,结核菌疫苗,伤寒菌疫苗,通过基因工程方法可构建营养缺陷型减毒突变株 优点： 可以增加免疫活性 还可以减少免疫次数,病毒疫苗,基因工程亚单位疫苗 基因工程表达具有抗原活性的病毒蛋白质制成的疫苗 基因工程载体疫苗 将抗原基因重组到载体微生物中，使其表达出相应保护性抗原后而制成的疫苗 基因缺失活疫苗 将病毒疫苗的毒性基因进行定点诱变，使其失活。,核酸疫苗,DNA直接注射小鼠肌肉可引起免疫应答 核酸作为疫苗具有独特的优点： 针对特异表位的杀伤性T细胞 扩大抗原的免疫原性 清除病毒感染细胞和肿瘤细胞,1976年，27岁的风险投资人Robert Swanson与University of California的教授Herb Boyer共饮了几杯啤酒，讨论了基因工程技术的商业前景。讨论结束时，他们决定建立一个公司，并取名为Genentech（Genetic Engineering Technology）。 第一个基因工程公司在学术界和商业界的满腹怀疑中诞生了！,Genentech的骄人业绩,美国已批准上市的基因工程药物（1997.7）,中国已经批准上市的基因工程药物（1998.5）,第二节 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 转基因植物食品 其它,抗病虫害转基因植物,130kDa-内毒素蛋白： cryI, cryII, cryIII, cryIV -内毒素蛋白进入昆虫中肠，在消化酶的作用下将原毒素降解为60kDa的有毒多肽并结合上皮细胞的特异受体，导致细胞膜穿孔、细胞肿胀裂解，最后细胞死亡。,苏云金杆菌毒素（BT）,植物凝集素,是一种糖蛋白或结合糖的蛋白质。当昆虫吸取含凝集素的食物后，凝集素与昆虫肠道的糖配体结合，从而影响营养物质的吸收。 雪花莲凝集素基因 豌豆凝集素基因 麦胚凝集素基因,蛋白酶抑制剂,蛋白酶抑制剂能与昆虫消化道的蛋白消化酶结合，形成酶抑制剂复合物，从而阻断或降低蛋白酶对外源蛋白的水解，导致外源蛋白不能被正常消化，引起昆虫厌食反应。 丝氨酸蛋白酶抑制剂 琉基蛋白酶抑制剂 金属蛋白酶抑制剂,淀粉酶抑制剂,淀粉酶抑制剂能抑制昆虫消化道淀粉酶的活性，使昆虫吸入的淀粉无法消化，从而阻断昆虫的能量来源，导致昆虫发育不正常而死亡。,转基因水稻,抗稻纵卷叶螟,转基因抗虫棉花,抗病毒转基因植物,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,利用植物自身编码的抗病毒基因培育抗病毒植物,转黄瓜抗青枯病基因的甜椒,在番茄、黄瓜、南瓜和甜椒等植物中已经成功具有抗病性,超级南瓜,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,机械防护和生物学保护,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,科学家发现极地的鱼体内有一些特殊蛋白可以抑制冰晶的增长, 从而免受低温的冻害, 正常地生活在寒冷的极地中。将这种抗冻蛋白基因从鱼体内分离出来, 导入植物体获得转基因植物, 目前这种基因已被转入番茄和黄瓜中。,极地乌贼,转鱼抗寒基因的番茄,化学除草剂在现代农业中起着十分重要的作用。理想的除草剂必须具有高效、广谱的杀草能力, 且对作物及人畜无害, 在土壤中的残留短, 成本不高。但现在要开发出1种新的符合上述要求的除草剂的成本越来越高, 选择的机率也在明显降低。,抗除草剂大豆转基因大豆,已获得抗除草剂的转基因烟草、番茄、马铃薯、棉花、油菜、大豆和水稻等作物。,药用转基因植物,转基因植物表达抗体 转基因植物表达疫苗,利用转基因植物为生物反应器 生产蛋白类药物和疫苗,转基因植物食品,提高作物产量 改良作物品质,人们越来越关注食物的口味、口感和营养价值,在蛋白质改良方面, 由于特定作物种子中往往缺少某几种必需氨基酸, 人们的注意力集中于通过基因工程改变蛋白质的必需氨基酸的组成来改善植物的营养价值。 美国国际植物研究所的科学家们从大豆中获取蛋白质合成基因, 成功地导入到马铃薯中, 培育出高蛋白马铃薯品种, 其蛋白质含量接近大豆, 营养价值大大提高, 受到农场主及消费者的普遍欢迎。,转基因小麦 从植物体中分离出合成赖氨酸的基因，把这基因转入小麦植株中 赖氨酸含量高， 营养价值高。,转基因油菜 油菜是人们食用油的主要来源之一。一般油菜籽的含油量约为40左右。通过转基因技术，培育出来的油菜籽，可以大大地提高它的出油率。而且油的纯度质量更好。,玉米是主要粮食之一，又可以提炼油脂，也可以用作食品和工业的原料以及作饲料，浑身是宝。人们称它是含金的植物。如今培育出转基因玉米，品质更好，产量更高。,转基因玉米,其它转基因植物,1.抗早衰转基因植物 2.改变花色、花型的转基因植物 3.利用转基因植物生产可降解塑料,转基因蓝玫瑰,4. 提高植物的光合作用效率 （1）提高CO2的固定率 改变与光合作用有关的酶的结构和组成（如二磷酸核酮糖羧化酶）。 （2）提高光能吸收率和转化率 改变光能交换系统的分子的基因结构。 5. 提高豆科植物的固氮效率 是农业生物技术的主要内容。,2007年全球转基因作物各国家种植面积（单位：百万公顷）,中国已经批准进入大田的转基因植物（1998.3）,第三节 转基因动物,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 转基因动物应用于人体器官移植,转基因动物是将外源基因导入动物细胞内，通过与染色体整合，将生物性状遗传给后代动物。,荧光水母基因的小猪,转基因小猴,无胆固醇小鼠,转基因荧光鱼,转基因蝴蝶,利用转基因动物改良动物品种,提高动物的繁育速度 改良动物品质 培育抗病害动物品系,生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国),英国罗斯林研究所研制成功的转基因羊，其乳汁中含有抗胰蛋白酶，可治疗肺气肿病。这种病在北美比较常见，病人以前只能依赖于注射人的抗胰蛋白酶做替代疗法， 价格昂贵，而现在用转基因羊来生产，每升这种羊奶可售6000美元。,转基因动物作为生物反应器,1998年初，上海医学遗传研究所中国科学家已经获得5只转基因山羊。其中一只奶山羊的乳汁中，含有堪称血友病人救星的药物蛋白有活性的人凝血九因子,如荷兰的GenPharm公司用转基因牛生产乳铁蛋白，预计每年从牛奶生产出来营养奶粉的销售额是50亿美元。,乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷),转基因动物筛选药物,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病毒药物 转基因动物用于筛选抗其他疾病药物,利用转基因技术建立敏感动物品系和产生与人类相同疾病的动物模型来进行药物筛选。,转基因动物应用于人体器官移植,异种器官移植导致免疫排斥反应,通过免疫排斥相关基因转基因猪的建立，对猪的器官进行改造，降低或消除对人体的免疫排斥反应，最终应用于人体的器官移植,导入人基因具特殊用途的猪和小鼠,包括三大类： 第一类是正常基因 第二类是反义基因 第三类是自杀基因,基因治疗是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,第四节 基因治疗,肿瘤病的基因治疗 分子遗传病的基因治疗 心血管的基因治疗 艾滋病的基因治疗,腺苷脱氨酶(ADA)缺乏的 严重联合免疫缺陷(SCID),病因: 淋巴细胞缺乏ADA酶 腺苷、dATP堆积 破坏免疫功能 患儿很少活到成年,第一个基因临床治疗的方案(1990.9.14,NIH),治疗策略： 淋巴细胞ADA酶 恢复至正常水平的 5%-10% 维持免疫系统功能 改善病人症状,治疗基本步骤,ADA基因+逆转录病毒载体 导入患者淋巴细胞 体外扩增 回输病人体内 淋巴细胞ADA酶恢复至正常水平的5%-10% 维持免疫系统功能,改善病人症状,医药,药物基因组学,人工设计,克隆,疾病的动物模型,治疗性小分子,植物,微生物,诊断用蛋白,治疗性蛋白,微生物,动物,疫苗,植物,微生物,治疗性核酸,基因治疗,基因修复,反义药物,DNA疫苗,诊断性核酸,遗传病,传染病,1. 对环境的影响 重新组合一种在自然见尚未发现的的生物性状有可能给现有的生态环境带来不良影响。 2. 新型病毒的出现 制造带有抗生素抗性基因或有产生病毒能力的基因的新型微生物有可能在人类或其它生物体内传播。,第五节 基因工程的安全隐患,3. 癌症扩散 将肿瘤病毒或其它动物病毒的DNA引入细菌有可能扩大癌症的发生范围。 4. 人造生物扩散 新组成的重组DNA生物体的意外扩散可能会出现不同程度的潜在危险。,技术不够完善，转基因生物并非十全十美 现代基因工程产品的不确定性和存在着破坏环境的风险 基因工程产品特殊性质 可能会造成经济动荡不安,转基因产品存在缺陷原因,1. 公众的担忧 1973年美国的公众第一次公开表示担心应用重组DNA技术可能会培养出具有潜在危险性的新型微生物，从而给人类带来难以预料的后果。,重组DNA研究的安全准则,2. 专家的态度 1974年美国国立卫生研究院（NIH）考虑到重组DNA的潜在危险，提请Paul Berg博士组成一个重组DNA咨询委员会。 这个由11名分子生物学和重组DNA权威学者组成的委员会在同年7月发表公开信（science,158,303)，要求在没有弄清楚重组DNA所涉及的危险性范围和程度，以及在采取必要的防护措施之前，暂停两类试验（带抗生素抗性和肿瘤病毒及动物病毒）。,3.制定安全规则 1976年6月23日，NIH正式公布了“重组DNA研究的安全准则”。 规定了安全防护（物理防护和生物防护）标准以及禁止若干类型的实验。 1979年、1981年、1989年NIH又做了多次