基因工程的主要成果及发展前景课件

基因工程的主要成果及发展前景 1 主要内容 基因工程概述基因工程的发展简史基因工程的主要成果基因工程的发展前景 2 基因工程的定义 基因工程 geneticengineering 技术是指按照预先设计好的蓝图 利用现代分子生物学技术 特别是酶学技术 对遗传物质DNA直接竞相体外重组操作与改造 将一种生物 供体 的基因转移到另外一种生物 受体 中去 从而实现受体生物的定向改造与改良 3 从细胞中分离出DNA 限制酶截取DNA片断 分离大肠杆菌中的质粒 DNA重组 用重组质粒转化大肠杆菌 培养大肠杆菌克隆大量基因 基因工程的基本程序 4 基因工程的发展简史 1972年 以H Boyer P Berg等人为代表的一批美国科学家发展了关于重组DNA技术 并于1972年得到了第一个重组的DNA分子 1973年完成头一个细菌基因的克隆 1973年 美国斯坦福大学和旧金山大学Coken和Boyer两位科学家成功地进行了DNA分子重组试验 揭开了基因工程发展的序幕 1975年 F Sanger以及A Maxam和W Gilbert发明了快速的DNA序列测定技术 1977年 第一个全长5387bp的噬菌体 X174基因组测定完成 1978年 首次实现了通过大肠杆菌生产由人工合成基因表达的人脑激素和人胰岛素 1981年 R D Palmiter和R L Brinster成功获得第一个转基因小鼠 A c Spradling和G M Rubin培育出转基因果蝇 1982年 第一个由基因工程菌生产的药物 胰岛素 在美国和英国获准使用 5 基因工程的发展简史 1984年 Bevan报告了从粪链球菌中提取的基因植入烟草 Nicotinaplumbaginifolia 的基因组 开创了转基因生物时代 1988年 J D watson出任 人类基因组计划 首席科学家 协调举世瞩目的人类基因组测序工作的进行 1989年 我国首个基因工程药物IFN aI1989年经卫生部批准获新药证书 1994年 美国农业部 USDA 和美国食品与药品管理局 FDA 批准第一个转基因作物产品 延熟保鲜转基因番茄进入市场之后 大量的转基因生物作为食品进入人们的生活 1995年 自然杂志汇集发表了人基因组全物理图 以及3号 16号和22号人染色体的保密度物理图 1997年 中国科学院国家基因研究中心以洪国藩教授为首的科学家小组 在世界上首次成功构建了高分辨率的水稻基因组物理图 英国爱丁堡罗斯林研究院首次克隆成功多莉羊 引起世界轰动 2009年 我国率先利用基因工程生产出了流感疫苗 6 基因工程的主要成果 基因工程与医药卫生基因工程与食品工业基因工程与农牧业基因工程与环境保护基因工程与生物能源的开发 7 基因工程与医药卫生 1 基因工程制药 我国基因工程制药实施产业化始于上世纪80年代末期 目前基因工程制药主要瞄准一些重大的常见疾病 如艾滋病 癌症 糖尿病 抑郁症 心脏病 老年性痴呆症 中风 骨质疏松症等严重危害人类健康并流行范围较广的病症 8 基因工程制药的技术路线 基因工程细菌发酵制药基因工程动物细胞培养制药转基因动物生物反应器制药转基因植物生物反应器制药 9 基因工程与医药卫生 基因工程制药的主要流程 获得目的基因 DNA特定片段 选择基因的合适运载体 另一种DNA分子 组建重组质粒 将重组DNA引入细菌或动植物细胞并使其增殖 构建工程菌 或细胞 培养工程菌 蛋白质 多肽 酶 激素 疫苗 细胞生长因子及单克隆抗体等 产物分离纯化 除菌过滤 半成品检定 成品检定 包装 10 基因工程药物 1 重组蛋白质或多肽类药物 11 基因工程药物 2 核酸类药物包括DNA药物 反义RNA RNAi药物 核酶等 通过基因工程方法制备的药物通常是与天然蛋白质具有相同结构和活性的重组蛋白或多肽 这类产品多为人工设计 在生理活性 血液中稳定性 耐热性及耐蛋白酶影响等方面性能优于天然型蛋白质 12 基因工程与医药卫生 在转基因动物制药方面 普遍认为乳腺是最佳 厂址 因为乳汁不会进入体内循环 不会影响转基因动物本身的新陈代谢 而且从转基因动物乳汁中提取蛋白 产量高 生物活性稳定 英国罗斯林研究所研制成功的转基因羊的乳汁中含有可治疗肺气肿病的抗胰蛋白酶 荷兰的PHP公司用转基因牛生产具有抗菌作用的乳铁蛋白 我国目前已有乳铁蛋白 白蛋白 凝血因子等进入临床试验阶段 在上海奉贤的奉新动物试验场 转基因羊的乳汁中已有了治疗B型血友病的凝血因子 研究工作正在顺利展开 13 基因工程与医药卫生 2 基因工程在医学临床上的应用主要包括基因诊断和基因治疗 它们为人类及时 有效治疗恶性肿瘤和心血管等重大疾病和防治肝炎 艾滋病等大规模流行病带来希望 14 基因诊断 应用基因工程诊断疾病即基因诊断 又称DNA诊断 是利用DNA重组技术 直接从DNA水平来检测人类疾病的新的诊断手段 15 基因诊断 1 基因诊断遗传疾病 人体基因组的类型早在受精卵开始时就已形成 因此在人体发育的任何时期 只要获得受检者的基因DNA 应用恰当的DNA分析技术 便能鉴定出缺陷的基因 例如 地中海贫血的Bart s综合征是由于编码 珠蛋白的 1和 2基因缺失引起的 应用聚合酶链式反应 等位基因寡核苷酸 PCR ASO 技术 可以判断是否患有该病 镰刀型细胞贫血症患者珠蛋白Bs基因第6个密码子突变 可以应用限制酶Mst 识别法予以诊断 通过限制性片段长度多态 RFLP 的连锁分析 可推测一个家庭成员和胎儿是否携带有遗传病 这一技术已成功应用于地中海贫血病 苯丙酮尿症等多种遗传病的基因诊断 16 基因诊断 2 基因诊断也被扩大用于传染性疾病的检测和诊断 只要找出传染病原的特异性DNA 制成试剂与患者体液反应 如呈阳性便表明患者已感染有该病菌 目前已有结核杆菌 淋球菌 丙型肝炎 人类免疫缺陷病毒 肠道病毒 肺炎支原体等几十种疾病科采用此技术进行诊断 并正在推出可检测几百种疾病的基因 DNA 芯片 将使检测诊断的规模得到飞跃扩展 这将是人类基因组草图完成后最直接最大的用途 17 基因诊断 3 应用基因诊断还可以诊断出潜在的病原感染者 为病人的早期对症治疗提供了可靠依据 例如家养宠物感染弓形虫病可导致孕妇习惯性流产 早产 死产 或畸胎 基因诊断可以很快查出病原感染者 基因诊断在某种程度上 还能够防止一些遗传病出现 减轻症状或得到及时医治 例如基因诊断用于早期胎儿的遗传病诊断 如果发现 症状 便可及早中止妊娠 从而达到优生的目的 此外 基因诊断技术在肿瘤诊断中的应用也取得了重要成果 例如 用白血病患者细胞中分离出的癌基因制备的DNA探针 可以用来检测白血病 18 基因治疗 基因治疗是把健康的外源基因导入到有基因缺陷的细胞中 达到治疗疾病的目的 或者说用正常的基因取代或修补病人细胞中有缺陷的基因 从而达到治疗疾病的目的 基因工程的兴起 使得基因治疗成为可能 一些目前尚无有效治疗手段的疾病 如遗传病 肿瘤 心脑血管疾病 老年痴呆及艾滋病等 可望通过基因治疗来达到防治的目的 19 基因治疗的方式 1 基因矫正或置换 即对有缺陷基因的异常序列进行矫正 对缺陷基因精确地原位修复 或以正常基因原位置换异常基因 因此不涉及基因组的任何改变 2 基因增补 不去除异常基因 而是通过外源基因的导入 使其表达正常产物 从而补偿缺陷基因的功能 3 基因封闭 有些基因异常过度表达 如癌基因或病毒基因可导致疾病 可用反义核酸技术 核酶或诱饵转录因子来封闭或消除这些有害基因的表达 除上述3大类外 还有如导入病毒或细菌来源的所谓 自杀基因 或经过改造的条件性复制病毒 只能在p53缺陷的肿瘤细胞中繁殖以达到溶解肿瘤细胞的目的 20 基因治疗 2011年8月10日 发表于 科学转化医学 和 新英格兰医学杂志 上的一篇论文报道 科学家用基因工程改造的自体免疫细胞治疗白血病获得成功 这种新方法的成功使骨髓移植不再是治疗白血病的唯一方法 给白血病的治疗带来了重大突破 21 基因工程与食品卫生 基因工程在食品领域中的作用目前涉及到对食品资源的改造 对食品品质的改造 新产品的开发 食品添加剂的生产以及食品卫生检测等方面 利用基因工程技术不但可以提高食品的营养价值 去除食物原料中的有害成分 同时还可以通过对农作物品种改良 减少种植过程中农药 化肥等化学品的使用量 22 基因工程与食品工业 1 改善食品原料品质 23 基因工程与食品工业 2 生产酶制剂酶的传统来源是动物肝脏和植物种子 后来因发酵工程技术的发展 使得利用微生物生产各类酶成为可能 20世纪50年代初开始 分子生物学和生物化学的发展使基因工程技术在酶制剂方面的应用越来越广泛 凝乳酶是第一次应用基因工程技术把小牛胃中的凝乳酶基因转移到细菌或真核微生物生产的酶 利用基因工程菌生产凝乳酶是解决凝乳酶供不应求的理想途径 Geoffrog等将编码牛凝乳酶的基因克隆岛乳酸克鲁维酵母中发现 乳酸克鲁维酵母能有效地把凝乳酶原分泌到培养基质 并成功地进行了大规模的工业生产 24 基因工程与食品工业 3 改良食品加工性能啤酒制造中对大麦醇溶蛋白含量有一定要求 如果大麦中醇溶蛋白含量过高就会影响发酵 容易使啤酒产生混浊 也会使其过滤困难 采用基因工程技术 使另一蛋白基因克隆到大麦中 便可相应地使大麦中醇溶蛋白含量降低 以适应生产的要求 在牛乳加工中如何提高其热稳定性是关键问题 牛乳中的酪蛋白分子含有丝氨酸磷酸 它能结合钙离子而使酪蛋白沉淀 现在采用基因操作 增加k 酪蛋白编码基因的拷贝数和置换 k 酪蛋白分子中Ala 53被丝氨酸所置换 便可提高其磷酸化 使k 酪蛋白分子间斥力增加 以提高牛乳的稳定性 这对防止消毒奶沉淀和炼乳凝结起重要作用 25 基因工程与食品工业 3 改善食品加工性能中国农业科学院生物技术所的研究人员主持的 利用基因工程技术高效表达高甜度蛋白 项目已取得可喜进展 目前通过专家鉴定 该项成果首次在国际上采用细菌优化密码子 人工合成了蛋白甜度为相同重量蔗糖甜度1100倍的单链monellin甜蛋白基因 通过定点突变 有首次获得了蛋白产物甜度为相同重量蔗糖甜度4500倍的menellin甜蛋白基因 并通过优化发酵条件使其在大肠杆菌中得到表达 其表达效率在40 左右 发酵时间仅为24 36h 国外发酵时间120 180h 26 基因工程与食品工业 4 食品检测近年来DNA探针杂交技术在食品微生物检测中的应用研究十分活跃 DNA探针杂交技术具有特异性强 灵敏度高及操作简便快速等特点 将是今后食品微生物检测技术的一个重要发展方向 目前该技术已用于多种食品中致病菌的检测 蜡质芽孢杆菌 Bacilluscereus 是一种很重要的经食物携带 能引起人体疾病的微生物 其产生的肠毒素可能会引起腹泻 呕吐等症状 传统的检测方法如平板接种 生化特征描述等方法费时费力 近年来人们通过利用PCR和DNA探针技术来检测此类病原菌 例如 Subramanian等通过用限制性内切酶Bgl 从蜡质芽孢杆菌质粒中获得了一段大小为3kb的DNA片段为探针 研究发现 此DNA探针对鉴定蜡质芽孢杆菌有高度专一性 27 基因工程与农牧业 1 种植业基因工程在农业上的应用主要表现在两个方面 第一 通过基因工程技术获得高产 稳定和具有优良品质的农作物 第二 用基因工程的方法培育出具有各种抗逆性的作物新品种 28 基因工程与农牧业 取自自然植物体内分子较小且富集含硫氨基酸的蛋白质基因转入适当受体 可以改良作物蛋白质的品质 例如巴西豆种子内含有12kDa的小蛋白 占种子总蛋白的30 还含17 9 的蛋氨酸和8 7 胱氨酸 该蛋白的CDNA 已合成 与扁豆蛋白基因的启动子 终止子等构成嵌合基因 以双元Ti质粒载体转入烟草 结果在转基因烟草种子中获得了表达 表达量约为种子总蛋白的5 以色列的科学工作者已将分离到的富脯氨酸基因导入番茄 在番茄的幼果中得到高度表达 他们还建立了转基因水稻细胞系并从中再生出了小植株 从该植株的叶 根以及维管束中发现了 葡萄糖苷酸酶 GUS 活性 日本的生命科学工作者从水稻 松树和梨树中分离得到光合作用基因并将其导入光合作用弱的作物 从而加大了作物的光合作用强度 达到了提高作物产量的目的 29 基因工程与农牧业 30 加利福尼亚的戴维斯基因工程公司从矮牵牛中分离出一种新蓝色编码基因 将其导入到玫瑰中 获得了开蓝色花的玫瑰 31 基因工程与农牧业 美国研发了一种可食用的转基因棉籽 他们所采用的方法是通过改变棉树的基因 减少了棉籽中的有毒化学物质棉子酚的含量 从而使之可以供人类食用 该攻关课题组负责人德克萨斯大学的植物生物工程学家基尔蒂 拉索尔说 研究小组是利用应用于癌症和艾滋病研究中的RNAi技术降低棉籽中棉子酚的含量 32 基因工程与农牧业 日本研究人员首次将来自人类肝脏的基因导入稻米基因中 使稻米能够消化杀虫剂和工业产生的化学物质 这种新型基因能够产生代号为 CPY2B6 的酶 这种酶尤其擅长分解有害化学物质 尤其对13种除草剂具有免疫性 在此之后 美国的文特利亚生物技术公司研制的转基因水稻可以产生两种能在母乳 唾液和眼泪中找到的蛋白质 这两种蛋白有助于人类的水合反应 从而可缓解腹泻病情 33 基因工程与农牧业 英国达勒姆大学和英国农业基因技术公司组成的科技攻关小组 应用基因工程技术 把胰蛋白酶抑制剂基因转移到作物中成功地获得表达 使之变成了耐虫害的新型作物品种 美国培育出既抗虫又抗两种除草剂 即抗草甘膦和草铵膦 的玉米我国运用基因工程培育成双抗优质烟 并在世界上首获抗虫转基因黑杨用 自杀 基因防止作物病虫害用基因工程培育出抗虫性强的水稻新品系 34 35 基因工程与农牧业 2 养殖业现代养殖业的发展需要大量的动物优良品种 常规育种技术往往需大量的种群和漫长的时间 而转基因技术的应用具有独特的优势 转基因家畜的实验首先是从兔 猪 绵羊开始 目前转基因牛 猪 兔和羊均已问世 含有人生长激素基因的转基因猪生长周期明显缩短 饲料利用率及瘦肉比大幅度提高 36 基因工程与农牧业 曾经培育出克隆羊多莉的罗斯林研究所的研究人员已培育出首批转基因小鸡 由于经过基因改造 这些鸡产下的蛋能够制造可以防治癌症和其他威胁生命的疾病的药物 37 基因工程与农牧业 2011年下半年 南京医科大学培育出一批基因工程猪 这些猪能够为人体器官移植提供可用器官 以弥补供体短缺 38 基因工程与农牧业 转基因动物技术的实施路线 先将药物蛋白基因显微注射入供体动物受精卵 再通过移植进入受体动物的输卵管 我国科学工作者在提高转基因动物成功率方面另辟蹊径 取得了重大进展 上海医学遗传研究所的科研人员将分子生物 选秀 提取至胚胎囊胚阶段 使转基因羊的成功率明显提高 39 基因工程与环境保护 随着化学工业的迅速发展 产生了为数众多的化合物 其中不少都是能持久存在的有毒物质 这些物质的存在对人们所处的环境造成了极大的威胁 基因工程技术则有望解决这一难题 科学家通过DNA重组技术得到分解性能较高的工程菌种和具有特殊降解功能的菌株 从而大大提高有机物的降解效率 同时也扩大了可降解的污染物种类 40 基因工程与环境保护 1 利用植物基因工程技术治理重金属污染植物修复去除Hg的方式 从能够脱汞的细菌中得到基因 编码到植物中 从而不仅能够增加Hg的抗性 而且还可以增加其挥发能力 Heaton等研究者将细菌有机汞裂解酶 merB 和汞还原酶 merA 基因修饰到Arabidopsis和烟草植物中 从土壤中吸收Hg 和甲基汞 MeHg 最终以气态Hg形式从叶表进入到大气中 酿酒酵母液泡转运蛋白YCF1催化Cd2 Cd GS2 转运到液泡中 同时也可催化As GS3和Hg GS2的转运 在拟南芥中成功表达有功能活性的YCF1的研究表明 YCF1的过量表达明显提高了植物对高浓度铅 镉的耐受性 且转基因植物有很高的抗性 41 基因工程与环境保护 2 利用植物基因工程技术治理持久性有机污染 POPS 通过在植物根系施入有利于生物降解系生长的根系分泌物可以加速四氯乙烯 TEC 的降解 试验证实 在无菌条件下生长的杂交杨树能够有效提取TEC并将其降解为三氯乙烯 氯化醋酸盐以及最终产物二氧化碳 三硝基甲苯 TNT 是一种高毒性污染物 英国的一些生物学家已经培养出一种转基因烟草