基因技术与人类的关系

1、基因技术与人类的关系深圳大学生命科学学院郑易之 教授基因工程技术与人类关系密切基因工程技术与人类关系密切n 是是20世纪末和世纪末和21世纪初发展最为迅速的高新技术之一世纪初发展最为迅速的高新技术之一n 使发酵、食品、轻工等传统工业发生了深刻的革命使发酵、食品、轻工等传统工业发生了深刻的革命n 为解决人类的人口膨胀、食物短缺、能量匮乏、疾病防治为解决人类的人口膨胀、食物短缺、能量匮乏、疾病防治 和环境污染等问题带来了新的希望和环境污染等问题带来了新的希望n 将对人类生活和健康、经济发展、社会进步产生巨大的影将对人类生活和健康、经济发展、社会进步产生巨大的影 响响从从DNA双螺旋结构的发现双螺旋

2、结构的发现l 基础性研究阶段（基础性研究阶段（20世纪世纪50年代开始）：遗传物质的结构年代开始）：遗传物质的结构和功能，以及表达和调控有了全面的认识，为通过对遗传物和功能，以及表达和调控有了全面的认识，为通过对遗传物质的修饰和改造，定向的获得人类所需要的成分打下了基础。质的修饰和改造，定向的获得人类所需要的成分打下了基础。l 商业化生产阶段（商业化生产阶段（20世纪世纪80年代以来）：年代以来）：一、转基因植物与农业生产一、转基因植物与农业生产二、基因技术与人类健康二、基因技术与人类健康三、生物技术在工业中的应用三、生物技术在工业中的应用转基因植物与农业生产转基因植物与农业生产（一）、转基因

3、植物技术（一）、转基因植物技术1、植物转基因技术定义、植物转基因技术定义 将优良性状的目的基因导入植物细胞或组织，并在其中进行表达，将优良性状的目的基因导入植物细胞或组织，并在其中进行表达，从而使植物获得新的性状。从而使植物获得新的性状。2、转基因方法介绍、转基因方法介绍 原生质体为受体的直接转化法原生质体为受体的直接转化法（简称原生质体法）（简称原生质体法） 农杆菌介导转化法农杆菌介导转化法（1974年）年） 基因枪法基因枪法（1987年）年） 基因枪 3. 转基因植物研究发展转基因植物研究发展 n 1983年，转基因年，转基因烟草、胡萝卜烟草、胡萝卜问世问世 1987年，转基因年，转基因油

4、菜、棉花油菜、棉花产生产生 1988年，转基因年，转基因水稻、玉米水稻、玉米诞生诞生 1992年，培育出转基因年，培育出转基因小麦小麦 1994年，培育出转基因年，培育出转基因大麦大麦n 20余种植物产品通过余种植物产品通过FDA认证认证n 13个国家种植转基因植物个国家种植转基因植物n 转基因作物商业化：遍布转基因作物商业化：遍布6大洲大洲n 2000年商业化种植面积比年商业化种植面积比1996年翻了几倍年翻了几倍n 预测：预测：2020年世界上年世界上80 -90的农作物将是转基因植物的农作物将是转基因植物4. 转基因作物种植面积的发展：转基因作物种植面积的发展：1996年年170万公顷。

5、万公顷。 1997年年1100万公顷。万公顷。 1998年年2780万公顷。万公顷。 1999年年3990万公顷。万公顷。 2000年年4420万公顷。万公顷。 2001年全球转基因植物种植面积首次突破年全球转基因植物种植面积首次突破5000万公顷。万公顷。以转基因性状而言，以转基因性状而言，2001年种植面积最大的仍然是年种植面积最大的仍然是抗除草剂转基因作物抗除草剂转基因作物，其次是其次是抗虫转基因作物抗虫转基因作物。种植面积最大的国家仍然是种植面积最大的国家仍然是美国美国，2001年种植面积达年种植面积达3570万公顷，其万公顷，其次为阿根廷次为阿根廷1180万公顷，加拿大万公顷，加拿大

6、320万公顷，中国万公顷，中国150万公顷。万公顷。（二）转基因植物研究现状（二）转基因植物研究现状提高作物抗性提高作物抗性抗虫棉、抗虫玉米、抗虫水稻、抗虫马铃薯、抗除草剂大豆、抗除草剂玉米、抗白叶枯水稻等。改良品质改良品质高含油玉米， 使玉米含油量从3.5%升高至8.5%（美国杜邦公司投资17亿美元）改善大豆蛋白质质量,使其具有肌肉蛋白的营养含-3不饱和脂肪酸的高含油大豆含40%月桂酸的油菜籽耐储藏的延熟番茄增加马铃薯的固形物含量，以减少炸薯条用油保健型作物保健型作物把植物改造成重要的药物(抗体)或工业原料的生产工厂-生物反应器 （生产口服疫苗），利用香蕉、西红柿生产口服疫苗提高植物抗逆性提

7、高植物抗逆性抗低温、抗寒基因香蕉抗盐、抗旱植物，抗病基因：抗霉菌的转基因葡萄，提高德国雷司令葡萄酒的口味，保证了德国的葡萄酒的纯正口味(三)商业化生产步伐加快20002000年底，世界各国批准的商业化生产的转基因作物有年底，世界各国批准的商业化生产的转基因作物有100100多种，包括多种，包括1212种农作种农作物物, ,涉及转基因食品达涉及转基因食品达40004000余种余种在美国市场在美国市场包装食品中转基因成分占包装食品中转基因成分占6060, ,转基因食品的总交易量转基因食品的总交易量: : 1996 1996年年 2.352.35亿美元亿美元 19981998年年 12-1512-1

8、5亿美元亿美元 20002000年年 3030亿美元以上亿美元以上 预计预计 20052005年年 6060亿美元亿美元 20102010年年 200200亿美元亿美元 基因作物产品的销售额增长 1997年 40亿美元 2002年 85亿美元 转基因技术带来了育种方法的革命转基因技术带来了育种方法的革命 传统杂交育种：时间长，至少需要812年 突变育种：可加快育种速度，诱变的随机性高， 筛选工作繁重 分子育种：时间短，目的性强突变育种突变育种：CropCultivar NameMethod Used to Induce MutationriceCalrose 76gamma rayswheat

9、Abovesodium azideLewisthermal neutronsoatsAlamo-XX-raysgrapefruitRio Redthermal neutronsStar Rubythermal neutronsburmuda grassTifeaglegamma raysTifgreen IIgamma raysTift 94gamma raysTifway IIgamma rayslettuceIce Cubeethyl methanesulphonateMini-Greenethyl methanesulphonatecommon beanSeafarerX-raysSea

10、wayX-rayslilacPrairie Petitethermal neutronsSt. Augustine grassTXSA 8202gamma rays分子育种程序：分子育种程序：标记基因标记基因 启动子启动子 外源目的基因外源目的基因 终止序列终止序列DNA-mRNA-蛋白质性状蛋白质性状转基因植物的生产(图例)样品比较（左为普通棉花，样品比较（左为普通棉花，右为兔毛转基因棉花）右为兔毛转基因棉花）抗除草剂大豆抗除草剂大豆抗除草剂作物抗除草剂作物抗虫棉花抗虫棉花抗抗CMV病毒转基因番茄病毒转基因番茄抗抗CMV病毒转基因甜椒病毒转基因甜椒转查尔酮合酶矮牵牛花转查尔酮合酶矮牵牛花Tw

11、o tomato plants artificially inoculated with bacterial speck disease. Plant on left has been genetically engineered with a gene for resistance to the disease, and plant on right is a susceptible, non-engineered variety. Swiss researchers have produced rice capable of synthesizing beta-carotene, the

12、precursor of Vitamin A (Ye et al., 2000). This rice variety is now being crossed into adapted varieties, with field tests possible in a year or two. Grape vines are susceptible to several diseases that reduce the amount and the quality of wine grapes and table grapes or even kill the vine. Genes tha

13、t confer resistance to particular diseases would reduce the cost of battling diseases in the vineyard. Researchers at the University of Florida have patented a method for producing grape vines that carry a silkworm gene to provide protection from Pierces disease, a fatal bacterial disease that affec

14、ts grapes and several other plants.Improved nutritional content and delayed ripening are transgenic traits of interest in tomatoes. Source: USDA Canola is a major oilseed crop. Transgenic research has focused on improving the nutritional quality of canola oil by enhancing the Vitamin E content or by

15、 modifying the balance of fatty acids. Nicotine-free tobacco is now being grown for a projected introduction of nicotine-free cigarettesDecaffeinated coffee is now made by treating coffee beans to remove the caffeine. Other methods are criticized for removing some of the desirable, flavor-producing

16、components along with the undesirable caffeine. Papaya is a tropical fruit rich in Vitamins A and C, but susceptible to a number of serious pests and diseases. The transgenic variety UH Rainbow, resistant to the papaya ringspot virus, is currently in production in Hawaii. Improved Turfgrass for Lawn

17、s and Recreational Areas There are a number of environmental concerns associated with the current use of turfgrass. These include the amount of chemicals applied (fertilizers, herbicides, fungicides, and even green dyes); the large quantity of water required to keep lawns healthy, especially in the

18、West; the energy required to mow lawns Food crops engineered to produce edible vaccines against infectious diseases would make vaccination more readily available to children around the world. White mold (Sclerotinia) is a serious problem for sunflower producers in some areas. Resistance to this dise

19、ase would expand the area in which sunflowers can be grown and might improve yields in areas of current cultivation. A commercially available cultivar is not expected before 2005. 转基因植物种植面积增长速度转基因植物种植面积增长速度(三) 转基因植物的发展趋势1. 抗逆基因及抗逆分子育种2. 提高作物品质：高含油、低饱和脂肪酸、高必需氨基酸、高营养（营养功能基因，维生素E ）3. 生物反应器含疫苗的农作物4. 清除重

20、金属作物等基因工程与人类健康一、人类基因组计划一、人类基因组计划概述概述（一）人类基因组计划（一）人类基因组计划1、人类基因组计划的提出 1986年年，美国生物学家、诺贝尔奖获得者，美国生物学家、诺贝尔奖获得者Renato Dulbecco首次提出人类基因组计划（简称首次提出人类基因组计划（简称 HGP）的设想。）的设想。 1988年年，国际人类基因组织成立。，国际人类基因组织成立。 1987年年，中国开始在，中国开始在“863计划计划”中设立人类基因组研究中设立人类基因组研究课课 题。题。 1990年年，美国国会批准正式启动人类基因组计划。，美国国会批准正式启动人类基因组计划。 1999年年

21、，中国正式加入国际研究计划，完成，中国正式加入国际研究计划，完成1，成为参，成为参 与这一研究的唯一的一个发展中国家。与这一研究的唯一的一个发展中国家。3号染色号染色 体上的三千万个碱基对。体上的三千万个碱基对。2、人类基因组的概念整个基因组：整个基因组：DNA全部全部序列，序列，10万个基因万个基因 基因定位基因定位 基因作图基因作图 基因克隆基因克隆生物物种间的差异生物物种间的差异人的个体差异人的个体差异人染色体及其标准带纹人染色体及其标准带纹（常染色体和性染色体）（常染色体和性染色体）差异差生的原因：差异差生的原因：染色体染色体DNA氨基酸氨基酸DNA双螺旋结构（遗传物质）决定形状的氨基

22、酸序列（由DNA决定）人染色体上的30亿个碱基对一个碱基突变一个碱基突变氨基酸变异氨基酸变异蛋白质变异蛋白质变异人类疾病人类疾病 （镰刀性贫血病：谷氨酸（镰刀性贫血病：谷氨酸缬氨酸）缬氨酸） 由于染色体、核基因突变导致的遗传性疾病：由于染色体、核基因突变导致的遗传性疾病：1.染色体病染色体病: 先天愚型或称唐氏综合症，也称21三体综合征2.单因子遗传病：单因子遗传病：由单一因子引起的遗传性疾病。 常染色体显性遗传病-多指（趾）症； 常染色体隐性遗传白化病，先天性聋哑等； 性连锁显性遗传遗传性慢性肝炎； 性连锁隐性遗传血友病，色盲等溶酶体贮积症，如苯丙酮尿症，半乳糖血症，粘多糖症合成酶缺陷，如血

23、球蛋白缺乏症、白化病；肝豆状核变性（Wilson病）等血液病，如地中海貧血、镰状细胞贫血、血友病先天性肾上腺增生症、脊髓性肌肉萎缩症3. 多因子遗传病多因子遗传病: 由两对以上微效基因共同作用造成的. 唇裂、腭裂、高血压、糖尿病、狂躁抑郁症、类风湿性关节炎及先天性心脏病等，均有多基因遗传基础，并各自有其遗传度。 -“易感人群”。环境因素影响越大，遗传度越低。3、人类基因组计划的目标、人类基因组计划的目标人类基因组计划的起因解决包括肿瘤在内的人类疾病的分人类基因组计划的起因解决包括肿瘤在内的人类疾病的分子遗传学问题，疾病基因的克隆是子遗传学问题，疾病基因的克隆是HGP的核心之一的核心之一用用15

24、年时间，阐明人类基因组全部年时间，阐明人类基因组全部DNA序列序列,定位定位10万个万个基因：基因：基因定位，基因作图，基因克隆基因定位，基因作图，基因克隆建立储存这些信息的数据库；建立储存这些信息的数据库；开发数据分析工具；开发数据分析工具；研究研究HGP实施所带来的伦理、法律和社会问题实施所带来的伦理、法律和社会问题人类基因组计划的意义： 阐明基因结构与功能的关系 细胞生长、发育、分化的分子机制 疾病发生的分子机制 为人类诊断和治疗疾病提供依据，为医疗产业带来新的革命 生命科学与信息科学相结合，衍生出新的学科生物信息学 带动新兴高技术产业、技术、数据库和生物学资源 推动农业、畜牧业、能源、

25、环境相关产业的发展（二）人类基因组计划的研究现状（二）人类基因组计划的研究现状1、人类基因组测序、人类基因组测序2、某些疾病基因的定位克隆、某些疾病基因的定位克隆3、部分多基因病的研究、部分多基因病的研究4、中国的人类基因组研究：人类基因组的多、中国的人类基因组研究：人类基因组的多样性的比较研究，肿瘤易感基因样性的比较研究，肿瘤易感基因（三）人类基因组计划的应用（三）人类基因组计划的应用 1、人类基因组计划在基础理论研究方面、人类基因组计划在基础理论研究方面的应用的应用 （1）基因的结构与功能）基因的结构与功能 （2）基因组结构特征）基因组结构特征 （3）新基因与蛋白质）新基因与蛋白质2、人类

26、基因组计划在医学领域中的应用人类基因组计划在医学领域中的应用（1）基因时代：战胜特定疾病）基因时代：战胜特定疾病 心脑血管疾病，糖尿病，癌症等疾病与基因序心脑血管疾病，糖尿病，癌症等疾病与基因序列的突变有关列的突变有关 易感疾病与易感基因易感疾病与易感基因（2）基因诊断：金睛火眼）基因诊断：金睛火眼 产前诊断，胎儿期疾病预测：忧郁症、心脏病产前诊断，胎儿期疾病预测：忧郁症、心脏病二、医药生物技术发展状况二、医药生物技术发展状况（一）基因工程药物的发展现状（一）基因工程药物的发展现状 1、基因工程药物：蛋白质类药物、疫苗、基因工程药物：蛋白质类药物、疫苗 2、基因工程药物发展现况、基因工程药物发

27、展现况 国外基因工程药物国外基因工程药物中文名称中文名称 英文名或缩写英文名或缩写 适应症适应症 胰岛素胰岛素 HumulinNovolinHumalog 糖尿病糖尿病 肿瘤坏死因子肿瘤坏死因子 TNF 各种肿瘤各种肿瘤集落刺激因子集落刺激因子 Neupogen 人生长激素人生长激素 ProtropinHumatropeNutropinAQ 矮小病矮小病 人干扰素人干扰素 rhuIFN2brhuIFN2arhuIFNB 抗癌抗癌rhuIFNrlb HCV, 抗癌抗癌HBV,HVC等等 抗癌，多发硬化症肾癌，慢性肉芽肿抗癌，多发硬化症肾癌，慢性肉芽肿 白细胞介素白细胞介素 rhuIL 化疗，抗癌

28、化疗，抗癌 组织溶纤原激活剂组织溶纤原激活剂 RhuTpA 脑栓塞，心梗脑栓塞，心梗 我国基因工程药物（批准上市的药物和疫苗：12种；批准进入临床的：10种；进入临床研究的：10种）中文名称中文名称 英文名或缩写英文名或缩写 适应症适应症 重组人干扰素重组人干扰素a1b rhuIFNaIb 治疗病毒性角膜炎治疗病毒性角膜炎 上皮生长因子上皮生长因子 (EGF) 烧伤或创伤治疗外用药物烧伤或创伤治疗外用药物 粒细胞集落刺激因子粒细胞集落刺激因子 (GCSF) 癌症癌症 粒细胞巨噬细胞集落刺激因子粒细胞巨噬细胞集落刺激因子 (GM-CSF) 癌症治疗引起的白细胞减少症癌症治疗引起的白细胞减少症 红

29、细胞生成素红细胞生成素 (EPO) 治疗慢性肾功能衰竭引起的贫血治疗慢性肾功能衰竭引起的贫血 溶栓药物链激酶溶栓药物链激酶 (SK) 治疗慢性肾功能衰竭引起的贫血治疗慢性肾功能衰竭引起的贫血 重组人胰岛素重组人胰岛素 HumulinNovolinHumalog 糖尿病糖尿病 白细胞介素白细胞介素-2 rhuIL-2 类风湿类风湿 （二）基因工程疫苗、诊断试剂、（二）基因工程疫苗、诊断试剂、诊断技术的发展诊断技术的发展1、基因工程疫苗、基因工程疫苗2、诊断试剂、诊断技术的产生、诊断试剂、诊断技术的产生3、法医、犯罪鉴定、法医、犯罪鉴定 三、纳米技术在医学中的应用三、纳米技术在医学中的应用1、纳米

30、生物技术、纳米生物技术:1nm=10-9m 用纳米技术制造的微型机器人用纳米技术制造的微型机器人 (体积只有句子中的体积只有句子中的 标点符号大小标点符号大小)2、纳米生物材料的研发、纳米生物材料的研发1）纳米药物载体和基因载体技术：）纳米药物载体和基因载体技术： 以纳米颗粒作为药物和基因的携带载体，将药物、以纳米颗粒作为药物和基因的携带载体，将药物、DNA和和RNA等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面，等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面，同时也在颗粒表面耦联特异性的靶向分子，通过靶向分子与同时也在颗粒表面耦联特异性的靶向分子，通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合，进入细

31、胞内，实现安全有效地靶细胞表面特异性受体结合，进入细胞内，实现安全有效地靶向性药物和基因治疗。向性药物和基因治疗。2）用于恶性肿瘤诊断和治疗的药物载体主要由金属纳米颗粒、）用于恶性肿瘤诊断和治疗的药物载体主要由金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒和生物性无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒和生物性颗粒构成。颗粒构成。 纳米药物载体降解过程生物技术在工业上生物技术在工业上的应用的应用生物技术是最古老的技术，其历史与人类文明同时开始生物技术是最古老的技术，其历史与人类文明同时开始 中国人最早懂得了制酱、酿酒、造醋传统的酿造和发酵工业中国人最早懂得了制酱、酿酒、造醋传统

32、的酿造和发酵工业: 现代生物技术现代生物技术 特点：以基因工程为核心内容，包括细胞工程、酶工程和发酵工程特点：以基因工程为核心内容，包括细胞工程、酶工程和发酵工程的生物技术。的生物技术。 向工业的其他领域发展，向工业的其他领域发展，向高产、优质、高效、资源节约、环境友向高产、优质、高效、资源节约、环境友好型过度，形成生物材料产业、生物能源产业、生物化工产业及环境生好型过度，形成生物材料产业、生物能源产业、生物化工产业及环境生物技术产业等等。物技术产业等等。 1. 食品工业食品工业2. 石油工业石油工业3. 化工工业化工工业4. 化妆品工业化妆品工业5. 纺织工业纺织工业1. 食品工业食品工业

33、转基因食品转基因动物和转基因植物转基因食品转基因动物和转基因植物,转基因食品渗透到食品工业转基因食品渗透到食品工业的各个方面，转基因食品工业产值达的各个方面，转基因食品工业产值达2500亿美元亿美元 生物反应器含疫苗的农作物、水果生物反应器含疫苗的农作物、水果 基因工程生产需用激素增加产奶量和瘦肉型化的重组生长激素；改变基因工程生产需用激素增加产奶量和瘦肉型化的重组生长激素；改变奶成分除去乳糖和乳球蛋白，高酪蛋白，奶成分除去乳糖和乳球蛋白，高酪蛋白， 品质育种品质育种提高小麦硬度，减少对淀粉的破坏，提高米的品质；控制提高小麦硬度，减少对淀粉的破坏，提高米的品质；控制小麦谷蛋白亚基的数量，改善面

34、粉的粘弹性等小麦谷蛋白亚基的数量，改善面粉的粘弹性等2石油工业石油工业（1）利用微生物勘探石油）利用微生物勘探石油（2）油污及其他有机物、污水的处理：自然状态和）油污及其他有机物、污水的处理：自然状态和人为施加微生物人为施加微生物 （3）开发绿色大油田生物石油）开发绿色大油田生物石油 产油的树产油的树“石油植物石油植物”。它们所分泌出来的液体。它们所分泌出来的液体,不需加工或稍经加工便不需加工或稍经加工便可作燃料使用。可作燃料使用。 海南岛的海南岛的15高的高的油楠树油楠树,每株可产油每株可产油 1020公斤公斤,有的多达有的多达 50公斤。公斤。 绿玉树、美国香槐和三角大戟绿玉树、美国香槐和三角大戟。绿玉树是一种肉质木本植物。绿玉树是一种肉质木本植物 ,枝干中含有大枝干中含有大量的白色乳汁，量的白色乳汁，100公斤绿玉树茎就可提取公斤绿玉树茎就可提取 8的石油物质。的石油物质。 自然界中发现有自然界中发现有 1 0 0多种树木产油多种树木产油, 如菲律宾的如菲律宾的邦伊健邦树邦伊健邦树、马来西亚的、马来西亚的银银合欢树合欢树、巴西的、巴西的苦配巴