转基因动物制药PPT课件.ppt

转基因动物制药 1 你可曾见过会发光的哺乳动物 不怕猫的老鼠 吐出蜘蛛丝的山羊 2 这么神奇的动物不可能在自然界中存在 但是通过转基因技术 将其他动物的基因注入某种动物的DNA之内 各种神奇古怪的动物便纷纷涌现 科学家创造出所谓的 转基因动物 来研究疾病治疗 制造自然物质和拓展科研领域 3 以下是科学家 制造 出的最神奇 最古怪的10种转基因动物 4 1 荧光鼠 2007年末 荧光鼠脑细胞的图片传遍世界各地 从 福利客 超市的宣传海报到 自然 杂志的封面 这些五彩斑斓的脑细胞是单个的神经元 鲜艳的色彩帮助科学家将它们区分开来 英国哈佛大学的杰夫 里奇曼为首的科研小组在实验鼠的基因组中导入水母的绿色荧光蛋白基因 使其在紫色光线的照射下呈现出绿色荧光 这种绿色荧光基因对小鼠无害 只起到标记作用 5 2 蜘蛛羊 6 我们所有人都听说过蜘蛛侠 但是你听过蜘蛛山羊吗 这种转基因山羊是独一无二的 因为它们能产生普通的蜘蛛丝 这种构成蜘蛛网的同样物质由它们的乳腺产生 很多科学家把蜘蛛丝叫做 生物钢 有着超强的抗张强度 研究人员称 如果把很多蜘蛛丝拧成一股绳的话 它足够强韧 可制成防弹背心 降落伞绳 或者从飞机到航母等设备 蜘蛛丝还可被制成人造韧带和人造腱 支撑组织 骨骼和神经细胞 让它们在生长期间保持稳定 随着细胞的逐渐生长 这些人造丝部分会逐渐分解 但蜘蛛与蚕不同 把很多蜘蛛放在一起它们会彼此蚕食 因此 科学家始终致力于想出集中生产蜘蛛丝的方法 帮助 生产 这些山羊的怀俄明大学分子生物学家兰迪 刘易斯说 从概念上讲 这个过程非常简单 用于丝蛋白的蜘蛛丝基因与控制蛋白质构成组织的山羊的DNA有关 在这种情况下 它是乳腺 只形成于哺乳期 然后 细胞与卵结合生成胚胎 胚胎有着合成其DNA的基因 当母羊开始分泌乳汁时丝蛋白就产生了 7 3 抗癌老鼠 8 美国研究人员通过一项新技术 使得老鼠具有了抵抗各种癌症的能力 而这个科学突破将使癌症患者有望接受无副作用的治疗 这些老鼠内产生的一种蛋白质是未来疗法的关键 它能消灭肿瘤细胞 却不会伤害体内的健康组织 通常情况下 一般的癌症治疗会使患者出现疼痛 恶心和掉头发等情况 科学家们希望有朝一日把这种蛋白质用于癌症患者身上 使他们摆脱这些痛苦 这个突破取决于一种叫Par 4的老鼠基因 它生产这种蛋白质 研究人员让一组老鼠拥有比正常情况下更多的蛋白质 癌症研究 杂志报道 后来他们发现 这些老鼠对许多癌症类型产生免疫力 像肝癌和前列腺癌等 测试显示 这种蛋白质还能抵抗乳腺癌 胰腺癌和头颈癌等 美国的这些科学家们表示 至关紧要的一点是这些老鼠没有出现任何明显的副作用 9 4 翡翠海参 10 翡翠海参看起来更像一片树叶 而不是黏滑的腹足软体动物 但它却是已知第一种在自然演化过程中发生转基因现象的物种 这种生物令很多科学家大惑不解 就像缅因大学的玛丽 朗波发现 它们居然能够利用水藻食物中的叶绿体进行光合作用以产生能量 没有任何其他动物能够这样利用叶绿体 朗波研究发现海参中的一种基因与水藻中具有光合作用的基因类似 这表明在过去的漫长岁月中 该基因或许通过自然进化的方式从水藻转移到海参的DNA中 虽然目前还很难证实海参身上的这种基因转移 但朗波仍表示 我们正致力于探究这种转移是如何发生的 这将有利于科学家探索动植物间的基因转移是否会发生在其他的物种上 11 5 荧光鱼 2003年 美国得克萨斯的一家公司宣布 经过转基因技术他们已经研制出能发荧光的小型热带鱼 荧光鱼 这种 光芒四射 的红色荧光鱼 是利用转基因技术得到商标注册的第一种商业性荧光宠物鱼 改基因后的斑马鱼散发出粉红色荧光 远看像金鱼一样 目前 公司以GloFish的商标对红色荧光鱼进行了注册 这标志着转基因荧光鱼可以被当作家庭宠物出售 12 6 转基因蚊子 伦敦帝国学院的科研小组培育了一种转基因蚊子 其中的雄性具有荧光睾丸 很容易被识别 然后令其不育 研究者称 可以将大量这样的转基因蚊子放到野外与普通的雌蚊交配 减少疟蚊的产卵量 从而慢慢减少疟蚊的数目 这种转基因蚊子没有生育能力 所以不会将基因遗传给野生蚊子 美国科学家通过基因改造 在实验室中培育出了一种蚊子 它具备了不再感染疟疾的能力 将这些蚊子放入野外可以有效切断人与蚊子之间的疟疾传播途径 这些经过基因改造的蚊子被饲以未感染疟原虫的血液时并无明显优势 不过在饲以含有疟原虫的血液后 比普通蚊子更能适应环境 这意味着 跟普通的蚊子相比 这种转基因蚊子的繁殖能力和生存能力更强 死亡率更低 被疟原虫感染不会杀死普通蚊子 但是会降低其繁殖率 13 7 超级老鼠 14 一种超级老鼠可以不知疲倦地奔跑数小时 寿命更长 拥有更强繁殖能力 吃得更多而不增加体重 美国科学家培育出的这种转基因老鼠震撼了世界 引起人们的遐想 培育超级老鼠的技术手段能否应用于人类 改善人类的能力 第一只超级老鼠诞生于大约4年前 如今 科学家已经培育出500只超级老鼠 研究者将高度活跃的磷酸烯醇丙酮酸羧激酶 PEPCK C 基因注入老鼠胚胎 基因转化的老鼠在运动时有效利用身体脂肪产生能量 同时避免产生大量乳酸 乳酸可导致肌肉痉挛 即使耐力最强的运动员也会发生肌肉痉挛 科学家汉森教授说 超级老鼠主要利用脂肪转化能量 体内只产生非常微量的乳酸 它们不吃不喝也能跑4到5个小时 这种老鼠最多能以每分钟20米的速度奔跑6公里 也就是说 它能连续不间断奔跑5个小时甚至更多 科学家说 这相当于一个人不间断地高速骑自行车翻越阿尔卑斯山 只有人类顶级运动员可以做到 比如环法自行车赛七冠王兰斯 阿姆斯特朗 15 8 产药的小鸡 16 曾培育出世界上第一只克隆羊 多利 的英国罗斯林研究所 近日又取得了一项重大的科学突破 该研究所的科学家成功培育出世界上第一批能下 神奇鸡蛋 的小鸡 这种经过基因改造的小鸡所下的蛋能用来制造治疗癌症和其他疾病的药物 这一重大科学突破无疑为大规模生产药物提供了非常广阔的前景 科学家用于研究的小鸡名为 依沙褐壳蛋鸡 这种法国品种鸡每年可下约300颗鸡蛋 经过基因改造后的 依沙褐壳蛋鸡 其DNA中含有人为加入的人类基因 当母鸡生下蛋后 科学家就能从鸡蛋的蛋白中提取用来制造药物的蛋白质 牛津生物医药公司的研究人员安德鲁 伍德表示 从理论上来说 这种技术适用于不同种类的基因 因此这些母鸡也可以被用于制造许多不同的蛋白质 未来 这种技术有望用于治疗包括帕金森症 糖尿病和多种癌症在内的各种疾病 17 9 无所畏惧的老鼠 18 日本科学家最近通过改变老鼠的基因 培育出了一只不怕猫的老鼠 在科学家展示的照片中 一只褐色老鼠离一只猫不到一英寸 在猫的身边嗅来嗅去 长期以来 科学家们一直认为 动物的恐惧可能是由它们灵敏的嗅觉唤起的 老鼠拥有大约1000个嗅觉感受器基因 而人类只有400个起作用的和大约800个不活跃的嗅觉感受器基因 在用老鼠所做的一项实验中 研究人员确认并移除了老鼠大脑嗅球上的某些感受器 结果这些老鼠变成了一群无所畏惧的啮齿动物 在天敌面前转来转去 显示出极强的好奇心 永远不知道危险的存在 19 10 有利于改善环境的基因猪 20 携带细菌基因的转基因猪可产生更清洁 污染更少的绿肥 这些基因 可帮助猪除去食物中的磷酸盐 从而有助减少猪畜牧业中产生的对农业有害的废物 在加拿大圭尔夫大学的猪研究小组成员SergeGolovan说 植物含有许多有机磷 而普通猪不能使用它 没吸收的磷流散在环境中 危害溪流中的生物 产生温室气体 转基因猪经过遗传修饰 在唾液中产生肌醇六磷酸酶 从而可以吸收植物中的磷 而普通猪是不能消化磷的 对转基因猪产生的肥料进行分析发现 他们比普通猪的排磷量减少了75 圭尔夫大学研究小组使用来自大肠杆菌的肌醇六磷酸酶基因 将该基因插入到猪基因组中 猪的唾液中产生这种酶 这种污染性小的猪所排泄的磷比食用肌醇六磷酸酶的猪要少得多 21 基因工程药物3个阶段 其一是细菌基因工程 即把目的基因通过适当的改建导入大肠杆菌中 再通过细菌等原核微生物表达的目的蛋白作为药物 其二是细胞基因工程药物 这是把人或哺乳动物的基因直接导入哺乳动物的细胞中 生产有生物活性的产品 其三是利用转基因动物生产低成本 高活性的药物 转基因动物生产药物不仅开辟了制药业的新纪元 而且它也是转基因动物研究最活跃的领域 22 一 转基因动物 转基因动物是把外源基因导入动物的生殖细胞中 并整合该细胞后发育成为个体整合的外源基因 整合的外源基因又能影响其后代遗传的动物 23 转基因动物技术可以加快家禽品种的改良速度 提高肉 奶 蛋 毛的产量和品质 又可生产珍贵的人用药用蛋白和营养品 同时可以提供供体器官以挽救器官衰竭的病人 转基因动物最诱人的前景是作为生物反应器 利用它生产人类所需要的生物活性产品或药物 24 1982年世界第一只转基因动物 巨鼠 的产生 就是把大白鼠的生长激素基因导入小白鼠的受精卵里 将之再导入一 借腹怀孕 的母鼠体内 而生下一只比正常小鼠体格增长一倍的 巨鼠 25 一 转移基因 一 转移基因的原理 1 各种生物的遗传密码都是统一的2 都服从 中心法则 所以 当一个物种的细胞内加入另一物种或人工合成的DNA 即基因 后就可能产生新的性状 26 二 基因的获得 取自现有的生物体如病毒 细菌 体细胞或肿瘤细胞的DNA 用限制内切酶或外切酶把DNA切割成若干小段 然后再把这些小段利用连接酶分别放入载体中 并建成载体克隆 载体 如质粒 某些噬菌体和病毒均可作为载体 理想基因也可用人工合成的办法获得 要合成一特定的基因 就是要合成具有一定排列顺序的DNA 27 二 基因转移的受体细胞基因转移的受体细胞必须是全能细胞 全能细胞随着细胞分化 胚胎发育 可以把其中的基因组贮存的全部遗传信息扩大到生物体所有的细胞中 除此以外至少是多能细胞 28 满足转基因动物需要的受体细胞有以下几种 一 原生殖细胞 禽类的原生殖细胞容易分离 培养和冷冻 所以 这种受体细胞在禽类动物较易实现 二 配子 配子能把自身携带的基因组全部信息和外源插入基因序列 完整地贡献给合子 由于精子可用作有效的转移载体 所以 可以精子作为目的基因的受体 较多的是用重组病毒直接感染精子 精子即可把外源基因传到合子 29 三 受精卵或胚胎内细胞团 精卵结合形成的单细胞受精卵 是最常用的外源基因转移的受体 受精后的早期胚胎及囊胚期稍后的胚胎含有的内细胞团 该细胞团内含有未分化的胚胎干细胞 也可认为是全能的 或至少是多能性的 所以 用该时期的内细胞团或囊胚期的细胞作为外源基因的受体细胞 也可望达到基因转移的目的 但这种情况下制备的转基因动物多为嵌合体 30 三 实验动物的准备 一 不育雄性公鼠 结扎公鼠与母鼠交配以后产生假孕母鼠 二 假孕雌性母鼠 作为获得外源基因即转基因胚胎的养母 要求6周龄至5个月较合适 对种系无特殊要求 三 取受精卵的雌性母鼠 如果无特殊遗传背景的要求 一般用杂交F1受精卵较为理想 四 与卵供体母鼠交配的正常公鼠 公鼠性成熟约在6 8周 不同种系有些区别 31 四 基因导入的方法 一 显微注射法 主要技术手段 在显微镜下 可借助显微操作仪 将毛细玻璃管直接插入受精卵的雄原核中 较大的原核 注入特定的外源基因 即为基因显微注射法 二 逆转录病毒感染法 以逆转录病毒作载体 把重组的逆转录病毒载体DNA包装成高滴度病毒颗粒 感染发育早期的胚胎 将外源基因导入宿主的染色体内的方法称为逆转录病毒感染法 此法操作简单 可通过注射将重组病毒转移到囊胚腔内 也可将去透明带的胚胎与分泌重组病毒颗粒的细胞共培养 以达到将外源DNA转移到胚胎中去的目的 32 逆转录病毒感染法的优点是 重组逆转录病毒可同时感染大量胚胎 感染后的整合率高 外源DNA在受体细胞基因组中的整合通常是单拷贝的 不需要昂贵的显微注射设备 本法的缺点是 由于选用的受体是早期胚胎 不是受精卵 致使外源DNA在动物各种组织中的分布不均 不易整合到生殖细胞中 由于病毒衣壳大小有限 限制了被导入的外源DNA的大小 一般不超过15Kb 33 三 胚胎干细胞介导法 囊胚的内细胞团含有未分化的胚胎干细胞 体外建株的胚胎干细胞称为EK细胞 embryonickaryotypecell 或 embryonicstemcell 如果将EK细胞移植到正常发育的囊胚腔中 它们能很快地与受体的内细胞团聚集在一起 参与正常的胚胎发育 用重组的逆转录病毒作为载体感染EK细胞 再将此EK细胞移植入受体囊胚腔 可发育成携带着特定外源DNA的个体 采用这一方法的优点是 外源DNA的整合率高 整合在生殖细胞中的比例也很高 缺点是 EK细胞株不易建立 长期培养后出现细胞分化现象 生产的转基因动物都是嵌合体 34 四 精子载体法将外源DNA与精子一起孵育 精子可捕获外源DNA 并通过受精过程将外源DNA导入受精卵 此法不仅可免去复杂而昂贵的设备 且可省去不少繁杂的操作和条件准备 但该法有些结果不能重复 此外 还有一些其它的方法 都有不同的优缺点 35 五 转基因鼠的检测待假孕母鼠产出幼仔后 可用幼鼠尾巴提取DNA 对于一些基因调控研究 需要尽快获得信息而暂不需保留转基因鼠 从胎鼠组织或幼鼠尾巴提取的DNA 可用PCR Dotblot 斑点杂交 Southernblot Southern转移 等多种方法分析以确定是否转基因鼠 36 药用蛋白基因 表达细胞株 细胞核 转基因动物生产药用蛋白的基本过程 受体动物 供体动物 受精卵 无核受精卵 组装的核细胞 多细胞胚胎 假孕 动物 动物幼崽 雌性转基因动物 乳汁 药用蛋白 37 使用克隆动物制药的例子 从克隆奶羊或奶牛的奶和血液中可提取蛋白质和抗生素克隆鸡可产下用于制药的鸡蛋克隆猪可用来培育人类器官等等 38 位于美国威斯康星州的生物技术公司Infigen公司使用核转移技术 培育出一种进行了基因改造的小猪 这种猪可用于研究异种基因移植 或称异种移植 是使用动物的细胞 组织或器官治疗人类的不治之症 39 2006年 麻省GTC生物制药公司的科学家首次利用从基因改造的母羊中抽取的乳汁研制出抗凝血的药物 ATryn 该药是全球第一种通过山羊奶制造的蛋白质药物 方法是改造山羊的基因 令它们的乳汁蕴含丰富的抗凝血蛋白 GTC的技术研发副总裁扬 艾克兰德称 150头奶羊生产出的药品足以满足成千上万人的需求 FDA的专家认为 这种由羊奶制成的抗凝血药物医疗成效显著 而且非常安全 2009年2月 FDA首次批准由转基因动物生产的药物ATryn上市 该药物也已经在欧洲批准发售 40 荷兰Pharming制药公司利用转基因兔的乳汁生产的重组人类C1抑制蛋白药物Rhucin 用于治疗某种遗传性蛋白质缺陷症 已于2009年向欧洲药品管理局申请上市许可证 最终的审查有望于2010年第三季度获准通过 而另一家公司也在研制由转基因山羊表达 用于治疗神经毒气中毒的药物 41 科学家培育转基因山羊可产含人奶成份羊奶新浪科技讯北京时间2009年2月14日消息 据英国 每日邮报 报道 目前 俄罗斯和白俄罗斯科学家正在培育转基因山羊 所产羊奶含有在人奶中发现的同样成分 乳铁蛋白 他们表示 对于无法喂奶的母亲来说 这项突破可以帮助她们的宝宝享受母奶所能带来的全部益处 42 将转基因动物由提高生产性能拓展到人用药品和器官的生产 利用转基因动物生产人类药用蛋白等非常规畜产品 是目前世界上动物转基因研究的热点之一 其主要原理 是将某些对人类医用价值高的蛋白质编码基因导入动物基因组内 使其在转基因动物的特定组织或器官中大量表达 这些转基因动物便成为了生物反应器 43 根据目的蛋白表达部位的不同课分为乳腺生物反应器 血液生物反应器 输卵管生物反应器 膀胱生物反应器 精囊腺生物反应器 唾液腺生物反应器等 44 乳腺是一个外分泌器官 由于 由于乳汁不进入体内循环 因此不会影响转基因动物本身的生理代谢反应 从转基因动物乳汁中方获得的基因产物不但产量高 易提纯 而且表达的蛋白经过充分的修饰加工 具有稳定的生物活性 45 20世纪80年代中期 英国科学家克拉克首先在鼠的乳腺组织高效表达了人抗胰蛋白酶因子基因 开创了研制动物乳房生物反应器的先河 1991年英国的科学家将人的阿发1抗胰蛋白酶基因 阿发 antitrypsin AAT 转入绵羊受精卵 成功的获得了5只转基因羊 从绵羊乳中纯化的阿发1抗胰蛋白酶与人血浆中的阿发1抗胰蛋白酶具有相同的生物活性 46 我国先后获得了乳腺表达的人促红细胞生成素 乙型肝炎表面抗原和凝血因子 转基因山羊 此后通过转基因体细胞哦核移植技术生产了整合有人岩藻糖转移酶 fucosyltransferase 治疗慢性胃炎的特效药 基因的转基因体细胞克隆奶牛 并在转基因奶牛的乳汁中表达了岩藻转移酶 47 2002年英国和美国先后利用基因打靶技术生产了敲除阿发 1 3 半乳糖转移酶 是引发将猪的器官移植给人时造成急性免疫排斥反应的重要因素 基因的转基因克隆猪 为异种器官移植的应用提供了全新的材料 48 各种酪蛋白以及乳清蛋白和乳球蛋白等基因的调节元件已相继被克隆并投入使用 目前 已有多种具有生物活性的昂贵的医用蛋白质在转基因动物乳腺中合成并分泌 据美国遗传学会预测 到2005年 全美动物乳房反应器生产的药物年销售额可达350亿美元 到2010年 所有基因工程药物中利用动物乳房生物反应器生产的份额将高达95 49 2 转基因动物制药的优点 设备简单 不耗能 无环镜污染动物乳房生物反应器生产的药物 基本上是一个畜牧业过程 虽然饲养乳腺分泌药品的牛羊需要在特别洁净的环境中 但是原料生产成本几乎可以忽略不计 动物生产奶蛋白并不需要什么珍贵的原料 也不需要什么复杂的设备 不会消耗大量的能源 动物吃的是饲料 生产出的是高营养价值的动物蛋白 50 品种多 产量高 质量好动物的乳房有强大的生产蛋白的能力 目前国际上已有数十家转基因动物公司 可生产 1 抗胰蛋白酶 人红细胞生成素 乳铁蛋白 人血白蛋白 人血红蛋白及人凝血因子 和抗凝血酶 血纤维蛋白原 蛋白质C等十余种稀有药品 这些药物生理活性好 与人同源性高 非常接近天然产品 1只绵羊1年可产奶300 500kg 奶中的蛋白质含量约占7 折合每只绵羊1年可产奶蛋白20 30kg 1只小的家兔 1年可以产奶20kg 奶中蛋白质含量高达10 1年可产奶蛋白2kg 51 生产周期短目前一种新药从研制开发 通过新药审批 上市需要15 20年 如果利用转基因动物乳腺生物反应器 新药上市约5年 如以动物生命的周期计算 转基因的羊从显微注射到泌乳的周期是18个月 而转基因牛只需要25 29个月 52 生产成本低国外的经济学家算过 用其他生产工艺 如哺乳动物细胞培养方法 来生产1g药物蛋白 成本需800 5000美元 而利用转基因动物只需要0 02 0 50美元 53 3 转基因动物的应用领域 生物反应器 药用或食品蛋白的大量生产 即转基因动物制药 疾病的动物模型 用于研究 药物筛选 药物治疗 毒物测试 通过增加或删除基因来研究基因的功能 调控和发育 如癌基因 免疫系统等 异种器官的移植 家畜品种的改良 54 到20世纪90年代中期 国际上已成立了数十家转基因动物公司 转基因羊和猪的成功的实例有10多种 生产出贵重的药用蛋白 如 1 抗胰蛋白酶 人红细胞生成素 乳铁蛋白 人血清蛋白 人血红蛋白 人的凝血因子 抗凝血酶 胶原 血纤蛋白原 LAT PA 蛋白质L tPA等 55 在我国 施履吉院士早在80年代初就提出乳腺生物反应器的构想 并与他的合作者一起成功地获得了表达乙肝病毒表面抗原的转基因兔 为通过转基因动物的途径获得珍贵药品打下了基础 目前 我国在转基因动物的研究领域 以获得了转基因小鼠 转基因鱼以及转基因猪 转基因羊 转基因鸡等具有快速生长能力或有抗病能力的家畜 家禽种系 56 90年代 国家 863 高技术计划以将转基因山羊 乳腺生物反应器的研究列入重大项目 并与地方政府 如上海市 密切配合 积极支持我国科