基因工程的应用及蛋白质工程的崛起

.,基因工程的应用及产业化前景,第3节,.,一、植物基因工程的应用,.,一、植物基因工程的应用1.提高抗逆性,.,一、植物基因工程的应用1.提高抗逆性（1）常用抗虫基因：Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。,.,一、植物基因工程的应用1.提高抗逆性（1）常用抗虫基因：Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。（2）常用抗病基因：a.抗病毒基因有：病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因；b.抗真菌基因有：几丁质酶基因和抗毒素合成基因,.,一、植物基因工程的应用1.提高抗逆性（1）常用抗虫基因：Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。（2）常用抗病基因：a.抗病毒基因有：病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因；b.抗真菌基因有：几丁质酶基因和抗毒素合成基因（3）其他抗逆基因抗盐碱和干旱的调节细胞渗透压基因、抗冻基因、抗除草剂基因等等。,.,2.改良植物品质,.,2.改良植物品质如：将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，或者改变这些氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。,.,例1下列说法正确的是A用基因工程方法培育抗虫植物也能抗病毒B基因工程在畜牧业上应用的目的是培育体型巨大、品质优良的动物C任何一种假单孢杆菌都能分解四种石油成分,因此,假单孢杆菌是“超级细菌”D基因工程在农业生产上的应用主要是培育高产、稳产、品质优良和具有抗性的农作物,.,例1下列说法正确的是A用基因工程方法培育抗虫植物也能抗病毒B基因工程在畜牧业上应用的目的是培育体型巨大、品质优良的动物C任何一种假单孢杆菌都能分解四种石油成分,因此,假单孢杆菌是“超级细菌”D基因工程在农业生产上的应用主要是培育高产、稳产、品质优良和具有抗性的农作物,.,二、动物基因工程,.,二、动物基因工程1.用于提高动物生长速度：由于外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快。如：转基因绵羊和转基因鲤鱼。,.,二、动物基因工程1.用于提高动物生长速度：由于外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快。如：转基因绵羊和转基因鲤鱼。2.用于改善畜产品的品质：基因工程可用于改善畜产品的品质。如：将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，这样所获得的牛奶乳糖的含量大大减低。,.,3.用转基因动物做器官移植的供体：目前，科学家正试图利用基因工程方法对一些动物的器官进行改造，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。,.,4.生产药物提供许多昂贵药品，并已形成基因工程制药业的雏形。目前诸如人胰岛素、人生长激素、人脑激素、干扰素、乙肝疫苗、蛋白C、组织血纤维蛋白溶酶原激活剂等数十种基因工程药物已实现商品化。此外，还有促红细胞生成素、白细胞介素2、肾素、心钠素等一大批珍贵药品正处于试用或临床试验阶段。,.,1.在传统的药品生产中，某些药品如胰岛素、干扰素等直接从生物体的哪些结构中提取？,从生物的组织、细胞或血液中提取。,2.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。,.,3.可利用什么方法来解决上述问题？,利用基因工程方法制造转基因的工程菌，可高效率地生产出各种高质量、低成本的药品。,工程菌:用基因工程方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系。,基因工程药品包括：细胞因子（即淋巴因子如白细胞介素2、干扰素）、抗体、疫苗、激素等,.,胰岛素是治疗糖尿病的特效药。一般临床上使用的胰岛素主要从猪、牛等家畜的胰腺中提取，每100kg胰腺只能提取45g胰岛素。用该方法生产的胰岛素产量低，价格昂贵，远不能满足社会需要。1979年，科学家将动物体内的胰岛素基因与大肠杆菌DNA分子重组，并在大肠杆菌内实现了表达。1982年，美国一家基因公司用基因工程方法生产的胰岛素投入市场，售价降低了30%50%。,基因工程药品胰岛素,.,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,.,干扰素是动物或人体细胞受到病毒侵染后产生的一种糖蛋白。干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染，是一种抗病毒的特效药。此外干扰素对治疗癌症和某些白血病也有一定疗效。传统的干扰素生产方法是从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取出1mg干扰素。19801982年，科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，是传统的生产量的12万倍。1987年上述干扰素大量投放市场。,基因工程药品干扰素,.,利用微生物生产药物的优越性何在?,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。有以下优越性：（1）利用活细胞作为表达系统，表达效率高，无需大型装置和大面积厂房就可以生产出大量药品。（2）可以解决传统制药中原料来源的不足。利用基因工程菌发酵生产就不需要从动物或人体上获取原料。（3）降低生产成本，减少生产人员和管理人员。,.,例2原有基因通过DNA重组技术得以改造的动物称为转基因动物。现在这一技术可使羊奶中含有人体蛋白质，人类控制蛋白质合成的基因可以替代羊染色体上的相似基因，右图表示了这一技术的基本过程。请回答：,.,（1）人体蛋白质基因之所以能“插入”到羊染色体内，原因是,.,（1）人体蛋白质基因之所以能“插入”到羊染色体内，原因是,人和羊DNA分子的空间结构、化学组成相同（有互补的碱基序列,.,（2）从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是_。将人体蛋白质基因“插入”羊体细胞染色体中的酶是_。,.,（2）从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是_。将人体蛋白质基因“插入”羊体细胞染色体中的酶是_。,限制性内切酶,.,（2）从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是_。将人体蛋白质基因“插入”羊体细胞染色体中的酶是_。,限制性核酸内切酶,DNA连接酶,.,（3）将人体蛋白质基因导入羊体内并成功地表达，使羊产生新的性状。这种变异属于_。（4）假设人体蛋白质基因含有12000个碱基对，则该基因控制合成的蛋白质共有_个氨基酸。,.,（3）将人体蛋白质基因导入羊体内并成功地表达，使羊产生新的性状。这种变异属于_。（4）假设人体蛋白质基因含有12000个碱基对，则该基因控制合成的蛋白质共有_个氨基酸。,基因重组,.,（3）将人体蛋白质基因导入羊体内并成功地表达，使羊产生新的性状。这种变异属于_。（4）假设人体蛋白质基因含有12000个碱基对，则该基因控制合成的蛋白质共有_个氨基酸。,基因重组,4000,.,三、基因治疗,.,三、基因治疗1.概念：基因治疗是把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，是治疗遗传病的最有效的手段。,.,三、基因治疗1.概念：基因治疗是把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，是治疗遗传病的最有效的手段。2.方法：体外基因治疗和体内基因治疗原理：掩盖或补充缺陷基因的表达。,.,4、基因治疗的发展现状：处于初期的临床试验阶段,5、用于基因治疗的基因种类：正常基因、反义基因和自杀基因,.,基因治疗存在的问题,1、目的基因的安全性问题首先，应确认用于基因治疗的目的基因进入人体后，不会产生有害的遗传变异。其次，目的基因的表达应有一定的可控性，既不能表达过量，也不能表达不足。2、运载体问题所用的运载体主要是脂质体和病毒（逆转录病毒和腺病毒）3、致病多基因问题,.,1990年7月，美国国家卫生研究所首次批准SCID基因治疗方案。9月，一个年仅4岁的小女孩艾姗蒂接受基因治疗并取得成功。,腺苷脱氨酶(ADA)基因,严重联合免疫缺陷症(SCID),缺陷,基因治疗,.,正常ADA基因,ADA基因整合到病毒核酸上,感染使ADA基因进入T淋巴细胞,培养T淋巴细胞,ADA基因整合到细胞的染色体上,转基因T淋巴细胞回输到体内骨髓组织里,病人,分离得到T淋巴细胞,.,四、DNA分子杂交技术的应用,.,四、DNA分子杂交技术的应用1诊断病毒引起的传染病；2诊断遗传性疾病；3诊断癌症，如白血病（用分离出的白血病基因制备的DNA探针）；4检测饮用水中的病毒含量。5鉴定生物之间亲缘关系的远近。,.,例4下列技术依据DNA分子杂交原理的是观察DNA在细胞中的分布检测目的基因是否导入受体细胞检测目的基因是否完全转录并翻译检测目的基因是否进行转录A.B.C.D.,.,例4下列技术依据DNA分子杂交原理的是观察DNA在细胞中的分布检测目的基因是否导入受体细胞检测目的基因是否完全转录并翻译检测目的基因是否进行转录A.B.C.D.,.,一、蛋白质工程崛起的缘由,.,一、蛋白质工程崛起的缘由,天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。,.,二、蛋白质工程的概念,.,蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，以满足人类对生产和生活的需求。,二、蛋白质工程的概念,.,蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，以满足人类对生产和生活的需求。,前提：,原理：,目的：,二、蛋白质工程的概念,.,蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，以满足人类对生产和生活的需求。,前提：,原理：,目的：,了解蛋白质的结构和功能,二、蛋白质工程的概念,.,蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，以满足人类对生产和生活的需求。,前提：,原理：,目的：,了解蛋白质的结构和功能,改造基因(基因修饰或基因合成),二、蛋白质工程的概念,.,蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，以满足人类对生产和生活的需求。,前提：,原理：,目的：,了解蛋白质的结构和功能,改造基因(基因修饰或基因合成),定向改造或制造蛋白质,二、蛋白质工程的概念,.,三、蛋白质工程的基本原理,.,预期功能,三、蛋白质工程的基本原理,.,蛋白质三维结构,预期功能,三、蛋白质工程的基本原理,.,蛋白质三维结构,预期功能,分子设计,三、蛋白质工程的基本原理,.,氨基酸序列多肽链,蛋白质三维结构,预期功能,分子设计,三、蛋白质工程的基本原理,.,氨基酸序列多肽链,蛋白质三维结构,预期功能,DNA合成,分子设计,三、蛋白质工程的基本原理,.,基因DNA,氨基酸序列多肽链,蛋白质三维结构,预期功能,DNA合成,分子设计,三、蛋白质工程的基本原理,.,基因DNA,氨基酸序列多肽链,蛋白质三维结构,预期功能,转录,DNA合成,分子设计,三、蛋白质工程的基本原理,mRNA,.,基因DNA,氨基酸序列多肽链,蛋白质三维结构,预期功能,转录,翻译,DNA合成,分子设计,三、蛋白质工程的基本原理,mRNA,.,基因DNA,氨基酸序列多肽链,蛋白质三维结构,预期功能,转录,翻译,折叠,DNA合成,分子设计,三、蛋白质工程的基本原理,mRNA,.,基因DNA,氨基酸序列多肽链,蛋白质三维结构,预期功能,生物功能,转录,翻译,折叠,DNA合成,分子设计,三、蛋白质工程的基本原理,mRNA,.,六、蛋白质工程和基因工程的比较,.,六、蛋白质工程和基因工程的比较,.,六、蛋白质工程和基因工程的比较,.,六、蛋白质工程和基因工程的比较,.,六、蛋白质工程和基因工程的比较,.,例5科学家将干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使干扰素第17位的半胱氨酸改变成丝氨酸，结果大大提高了干扰素的抗病活性，并且提高了储存稳定性。该生物技术为A.基因工程B.蛋白质工程C.基因突变D.细胞工程,.,六、蛋白质工程的基本内容1概念：蛋白质工程通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质。蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。,.,2流程图：,.,例6以下关于蛋白质工程的说法正确的是A蛋白质工程以基因工程为基础B蛋白质工程就是酶工程的延伸C蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造D蛋白质工程只能生产天然的蛋白质,.,例6以下关于蛋白质工程的说法正确的是A蛋白质工程以基因工程为基础B蛋白质工程就是酶工程的延伸C蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造D蛋白质工程只能生产天然的蛋白质,.,跟踪演练1“工程菌”是指（）A用物理或化学方法诱发菌类自身某些基因得到高效表达的菌类细胞株系B用遗传工程的方法，把相同种类不同株系的菌类通过杂交得到新细胞株系C用基因工程方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系D从自然界中选取能迅速增质的菌类,.,3.目前可以用放射性同位素（如32P）、荧光分子等标记的DNA分子做探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息。以下与DNA探针有关的叙述中，不正确的是（）ADNA探针可用于病毒性肝炎的诊断BDNA探针可用于遗传性疾病的诊断CDNA探针可用于改造变异的基因DDNA探针可用于检测饮用水病毒含量,.,4.蛋白质工程的基本操作程序正确是（）蛋白质分子结构合成;DNA合成;mRNA合成蛋白质的预期功能根据氨基酸的序列推出脱氧核苷酸的序列ABCD,.,5.当前医学上，蛋白质工程药物正逐步取代第一代基因工程多肽蛋白质类替代治疗剂，则基因工程药物与蛋白质工程药物的区别是A、都与天然产物完全相同B、都与天然产物不相同C、基因工程药物与天然产物完全相同，蛋白质工程药物与天然产物不相同D、基因工程药物与天然产物不相同，蛋白质工程药物与天然产物完全相同,.,6.蛋白质工程中直接操作的对象是A、氨基酸的结构B、蛋白质空间结构C、肽链结构D、基因结构,.,8.在基因诊断技术中，所用的探针DNA分子中必须存在一定量的放射性同位素，后者的作用是A.为形成杂交的DNA分子提供能量B.引起探针DNA产生不定向的基因突变C.作为探针DNA的示踪元素D.增加探针DNA的分子量,.,9.材料1：1957年，英国和瑞士研究人员在研究流感干扰现象时发现，被病毒感染的细胞能产生一种因子，作用于其他细胞，干扰病毒复制，故命名为干扰素。材料2：1966-1971年发现了干扰素的抗病毒机制，引起了人们对干扰素抗病毒作用的关注。但是由于当时的干扰素来自于人白细胞的提取，且每30万毫升人血才能提取1毫克，造成干扰素治疗价格昂贵，因此干扰素治疗未能大量应用于临床。,.,材料31980-1982年，科学家用基因工程方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从每1升细胞培养物中可以得到20-40毫升干扰素。从1987年开始，用基因工程方法生产的干扰素进入了工业化生产，并且大量投放市场。利用这种基因工程的方法产生干扰素，每公斤微生物培养物可得到2040mg。价格可望下降到只有原来的1/150。据以上叙述，结合你学过的生物知识，回答下列问题：,.,（1）下列有关干扰素的叙述，不正确的是A干扰素不能直接对病原微生物起抑制作用B由于干扰素不具有特异性故能治疗所有恶性肿瘤C产生干扰素的细胞是被病原微生物侵袭过的细胞D人及其它动物能产生干扰素来保护邻近细胞的事实说明了生物体是一个统一的整体,.,（1）下列有关干扰素的叙述，不正确的是A干扰素不能直接对病原微生物起抑制作用B由于干扰素不具有特异性故能治疗所有恶性肿瘤C产生干扰素的细胞是被病原微生物侵袭过的细胞D人及其它动物能产生干扰素来保护邻近细胞的事实说明了生物体是一个统一的整体,.,（2）医学上干扰素一般制成_（针剂、口服的药丸），保存的条件是_，其理由是:,.,（2）医学上干扰素一般制成_（针剂、口服的药丸），保存的条件是_，其理由是:,针剂,.,（2）医学上干扰素一般制成_（针剂、口服的药丸），保存的条件是_，其理由是:,针剂,低温避光,.,（2）医学上干扰素一般制成_（针剂、口服的药丸），保存的条件是_，其理由是:,针剂,低温避光,干扰素是蛋白质，如制成口服药丸会在胃肠中被水解成氨基酸。高温、强光下保存会使蛋白质结构变性，失去生理活性。,.,（3）知道了干扰素的氨基酸排列顺序，也可以人工合成干扰素基因，简述其合成原理:,.,（3）知道了干扰素的氨基酸排列顺序，也可以人工合成干扰素基因，简述其合成原理:,据干扰素的氨基酸排列顺序和遗传密码表，确定信使RNA上的碱基序列，然后根据碱基互补配对的原则确定RNA的碱基对排列顺序，以此为蓝图合成干扰素基因。,.,（4）大肠杆菌等微生物是基因工程最早的突破口和最常用的实验材料，这是因为：大肠杆菌结构_，容易从体内取出和导入_；大肠杆菌繁殖_，产量大，成本低。,.,（4）大肠杆菌等微生物是基因工程最早的突破口和最常用的实验材料，这是因为：大肠杆菌结构_，容易从体内取出和导入_；大肠杆菌繁殖_，产量大，成本低。,简单,.,（4）大肠杆菌等微生物是基因工程最早的突破口和最常用的实验材料，这是因为：大肠杆菌结构_，容易从体内取出和导入_；大肠杆菌繁殖_，产量大，成本低。,简单,质粒,.,（4）大肠杆菌等微生物是基因工程最早的突破口和最常用的实验材料，这是因为：大肠杆菌结构_，容易从体内取出和导入_；大肠杆菌繁殖_，产量大，成本低。,简单,质粒,迅速,.,（5）基因工大肠杆菌b菌不同于普通大肠杆菌a的特点是b含有_，这种变异属于可遗传变异类型中的_。目的基因能在大肠杆菌内表达其功能，说明人和大肠杆菌共用一套_，也说明人和大肠杆菌之间有一定的_。,.,（5）基因工大肠杆菌b菌不同于普通大肠杆a菌的特点是b含有_，这种变异属于可遗传变异类型中的_。目的基因能在大肠杆菌内表达其功能，说明人和大肠杆菌共用一套_，也说明人和大肠杆菌之间有一定的_。,目的基因,.,（5）基因工大肠杆菌菌不同于普通大肠杆菌a的特点是b含有_，这种变异属于可遗传变异类型中的_。目的基因能在大肠杆菌内表达其功能，说明人和大肠杆菌共用一套_，也说明人和大肠杆菌之间有一定的_。,目的基因,基因重组,.,（5）基因工大肠杆菌菌不同于普通大肠杆菌a的特点是b含有_，这种变异属于可遗传变异类型中的_。目的基因能在大肠杆菌内表达其功能，说明人和大肠杆菌共用一套_，也说明人和大肠杆菌之间有一定的_。,目的基因,基因重组,密码子,.,（5）基因工大肠杆菌菌不同于普通大肠杆菌a的特点是b含有_，这种变异属于可遗传变异类型中的_。目的基因能在大肠杆菌内表达其功能，说明人和大肠杆菌共用一套_，也说明人和大肠杆菌之间有一定的_。,目的基因,基因重组,密码子,亲缘关系,.,10.如图,近年科学家发现，一些RNA小片段能够使特定的植物基因处于关闭状态，这种现象被称作RNA干扰(RNAInterference，简称RNAi)。,.,RNA干扰通常是一种由双链RNA诱发的“基因沉默”。在此过程中，该双链RNA与细