高中生物人教版选修《现代生物科技专题》第一章第三节-基因工程的应用

1、1.培育转基因抗虫棉的主要步骤需要哪些工具？,2.简述培育转基因抗虫棉的基本过程？,思考：,1.3 基因工程的应用,基因工程自20世纪70年代兴起后,在短短的30年间,得到了飞速的发展，目前已成为生物科学的核心技术。基因工程在实际应用领域-农牧业、工业、环境、能源和医药卫生等方面，也展示出美好的前景。,1.3基因工程的应用,1、植物基因工程硕果累累 2、动物基因工程前景广阔 3、基因工程药物异军突起 4、基因治疗曙光初照,植物基因工程硕果累累,大豆、玉米、棉花、油菜已进入大规模商业化应用阶段,主要用于：提高农作物抗逆能力（如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等） 、改良农作物品质、利用植物生

2、产药物,(一)抗虫转基因植物,1.虫害给农作物带来了哪些影响? 传统农业如何 防治害虫? 有哪些不足?,2.如何获得抗虫植物？现在有哪些抗虫植物问世?,3. 抗虫基因有哪些？,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,请阅读P18生物资料技术卡,了解一些抗虫基因的抗虫机理。,1.抗虫棉的目的基因是什么?目的基因从何而来?对哺乳动物有害吗？ 2.将抗虫基因导入植物细胞中用的最多的方法是什么？我国的科学家将抗虫基因导入棉花用了什么独创的方法?,农杆菌转化法；花粉管通道法,思考： 1.细菌的基因之所以能“嫁接”到棉花细胞内，原因是 。,组成细菌和棉花的DNA分子的空间结

3、构和化学组成相同,2.利用基因工程培育抗虫棉，与诱变育种和杂交育种相比，有什么优点？是属于哪种变异？,克服远缘亲本杂交不亲和的障碍，打破物种界限，定向改变生物的性状，目的性强。,3.抗虫棉能抗病吗？,基因重组,（二）抗病转基因植物,1.什么是病原微生物？有哪些种类？,引起生物生病的微生物， 主要有病毒、真菌和细菌等,2.为什么说常规育种很难培育出抗病毒的新品种？,3.在抗病转基因植物中使用最多的是什么基因？,病毒外壳蛋白基因； 病毒的复制酶基因,思考：在抗病毒转基因植物中，为什么使用病毒外壳 蛋白基因可以抗病毒侵染？,假说一：CP基因在植物体内表达积累后，当入侵的病毒 裸露核酸进入植物细胞后，

4、会立即被这些外壳蛋白重新 包裹，从而阻止病毒核酸分子的复制和翻译。,假说二：植物细胞内积累的病毒外壳蛋白会抑制病毒脱壳，使病毒核酸分子不能释放出来。,4.在抗真菌转基因植物中使用什么基因？,几丁质酶基因和抗毒素合成基因,（三）其他抗逆转基因植物,1.哪些环境条件会造成农作物低产、减产？,盐碱、干旱、低温和涝害等,2.盐碱和干旱对农作物的危害与什么有关？,细胞内的渗透压调节,3.在抗盐碱和抗干旱作物中使用了什么基因？,调节细胞渗透压的基因,4.转基因耐寒的烟草和番茄中哪种目的基因提高了其抗寒能力？目的基因从何而来？,鱼的抗冻蛋白基因,5.抗除草剂基因有何用途？,喷洒除草剂时，杀死田间的杂草而不损

5、伤作物,（四）利用转基因改良植物的品质,人体（或其它脊椎动物）必不可少，而机体内又不能合成的，必须从食物中补充的氨基酸，称必需氨基酸。 必需氨基酸共有种：赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸。 如果饮食中经常缺少必需氨基酸，可影响健康。 另外12种氨基酸是人体细胞能够合成的叫做非必需氨基酸。,你知道哪些食品中缺少必需氨基酸？ 如何用转基因的方法加以改良？试举例说明？,将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物 (改变必需氨基酸合成途径中某种关键酶的活性),转基因延熟番茄的目的基因是什么？,控制番茄果实成熟的基因,转基因矮牵牛的目的基因是什么？,与植物花

6、青素代谢有关的基因,“金米的故事”： 将水仙花的两个基因和一种细菌的一个基因一起植入一种名为T309的水稻中，获得一种水稻新品种。这样获得的新水稻富含铁元素、锌元素和可转化为维生素A的胡萝卜素，能防止贫血和维生素A缺乏症，大米又呈金黄色。,异想天开：做路灯的发光树,总结：基因工程在农业上的应用,（1）改良农作物的品质 （培育高产、稳产和具优良品质的品种） （2）培育抗逆性品种 将细菌的抗虫、抗病毒、抗除草剂、抗盐碱、抗干旱、抗高温等抗性基因转移到作物体内，将从根本上改变作物的特性。如转基因抗虫棉。,二、动物基因工程前景广阔,（一）用于提高动物生长速度,动物品种改良、建立生物反应器、器官移植等,

7、外源生长激素基因,目的基因：,（二）用于改善畜产品的品质,举例说明,例如，有些人对牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状，科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁，在其他养分不受影响的情况下，乳糖的含量大大减低。,上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带白蛋白的转基因牛，他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使 转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍，转基因动物（ ） A提供基因的动物 B基因组中增加外源基因的动物 C能产生白蛋白的动物 D能表达基因信息的动物,（三）用转基因的动物生产药物,设问:就基因药物而言，最理想的表达场所是哪里

8、？,转基因动物的乳腺,什么叫转基因动物？,是指把人或哺乳动物的某种基因导入到哺乳动物(如鼠、兔、羊和猪)的受精卵里，目的基因若与受精卵染色体DNA整合，细胞分裂时，该基因随染色体的倍增而倍增，使每个细胞中都带有目的基因，使性状得以表达，并稳定地遗传给后代，从而获得基因产品。这样一种新的个体，称为转基因动物。,（1）乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。 （2）从乳汁中获取目的基因产物，产量高，易提纯，表达的蛋白质已经过充分的修饰加工，具有稳定的生物活性。 （3）从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同时，转基因动物又可无限繁殖。,设问:为什么乳腺能成为基

9、因药物最理想的表达场所呢？,将 基因与 等调控组件重组在一起，通过 等方法，导入哺乳动物的 中，将 其 送入母体，使其发育成转基因动物。转基因动物进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁生产所需要的药品，称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。,乳腺生物反应器,乳腺生物反应器的优点： 产量高；质量好；成本低；易提取。,药物蛋白,乳腺蛋白基因的启动子,显微注射,受精卵,获取目的基因（例如血清白蛋白基因） 构建基因表达载体（在血清白蛋白基因前加特异表达的启动子） 显微注射导入哺乳动物受精卵中 形成胚胎 将胚胎送入母体动物 发育成转基因动物（只有在产下的雌性个体中，转入的基因才能表达）。,思考:用基因工程技术实现

10、动物乳腺生物反应器的操作过程是怎样的？,继哺乳动物乳腺发生器研发成功后，膀胱生物发生器的研究也取得了一定进展。最近，科学家培养出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。,例1、继哺乳动物乳腺发生器研发成功后，膀胱生物发生器的研究也取得了一定进展。最近，科学家培养出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。请回答： （1）将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞，常用方法是_。 （2）进行基因转移是，通常要将外源基因转_中，原因是 。 （3）通常采用 技术检测外源基因是否插入了小鼠的基因组 （4）在研制膀胱生物反应器时，应使外源基因在小鼠的 细胞中特异

11、表达。 （5）为使外源基因在后代长期保持，可将转基因小鼠细胞的 转入 细胞中构成重组细胞，使其发育成与供体具有相同性状的个体。该技术称为 。,显微注射,受精卵,受精卵具有全能性，可使外源基因在相应组织细胞表达,DNA分子杂交,膀胱上皮,细胞核,去核的卵,核移植（或克隆）,例2、器官移植是治疗人类某些疾病的有效治疗方法，如对大面积烧伤病人采取的皮肤移植，肾衰竭病人的肾移植，冠心病人的心脏移植等。下面就器官移植的话题，回答相关问题：英国科学家已经研究用动物的器官作为器官移植的器官来源，科学家发现猪的内脏器官与人的内脏器官大小、形态均差不多，他们从20世纪80年代就开始研究。研究的重点是改造猪细胞膜

12、。 （1）猪细胞膜的基本结构和人的细胞膜是相同的，但其上的和人细胞膜有很多是不同的。 （2）改造猪细胞膜主要是通过 技术进行，具体操作步骤：,糖蛋白,基因工程,第一步，获得控制目的基因（人体细胞膜上蛋白质合成的基因），所用的方法有 。 第二步，将目的基因与 结合； 第三步，将目的基因导入受体细胞，对猪来说，应导入其细胞最有效。 在这项技术中，必须使用的两种工具酶是和 。,鸟枪法、反转录法、化学合成法,运载体,受精卵,限制酶,DNA连接酶,（四）用转基因动物作器官移植的供体 供体动物： 存在的难题： 解决方法：,猪,免疫排斥,将供体基因组导入某种基因调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去

13、抗原决定基因，再结合克隆技术，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。,小结： 基因工程的应用 植物基因工程： 抗虫、抗病、抗逆转基因植物，利用转基因改良植物的品质。 动物基因工程： 提高动物生长速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物。,转基因生物与目的基因的关系,Bt毒蛋白基因,苏云金芽孢杆菌,病毒外壳基因和病毒复制酶基因,几丁质酶基因和抗毒素合成基因,调节细胞渗透压的基因,抗冻蛋白基因,鱼,抗除草剂基因,富含赖氨酸的蛋白质编码基因,控制番茄果实成熟的基因,植物花青素代谢有关的基因,乳糖酶基因,人胰岛素基因,人,基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的。在基因操作的基本步骤中，不进行

14、碱基互补配对的步骤是 C A、人工合成目的基因 B、目的基因与运载体结合 C、将目的基因导入受体细胞 D、目的基因的检测和表达,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。,三、基因工程药品异军突起,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,

15、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

16、。人们从 450 L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

17、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。,1、基因治疗概念：,四、基因治疗曙光初照,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。 （把特定的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，从而达到治疗疾病的目的）,2、实例：,将腺苷酸脱氨酶基因转入取自患者的淋巴细胞中，再将这

18、种淋巴细胞转入患者体内。,(1)对严重复合型免疫缺陷症的治疗,1990年9月14日，安德森对一例患ADA缺乏症的4岁女孩进行基因治疗。这个4岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们将这个女孩的白血球进行基因改造，使有缺陷的基因被健康的基因替代，然后把含正常白血球的溶液输入她左臂的一条静脉血管中。在以后的10个月内她又接受了7次这样的治疗，同时也接受酶治疗。后来，她的免疫功能日趋健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活，并进入普通小学上学。,患半乳糖血症的患者，由于细胞内半乳糖苷转移酶基因缺陷而缺少半乳糖苷转移酶，使过多的半乳糖在体内积聚，

19、引起肝、脑等功能受损。 1971年，美国科学家在体外做了试验，用带有半乳糖苷转移酶基因的噬菌体侵染患者的离体组织细胞，结果发现这些组织细胞能够利用半乳糖了。这表明，用基因替换的方法治疗这种遗传病是可能的。,(2)半乳糖血症,3、基因治疗的类型,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,基因诊断：,（1）概念：用放射性同位素（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，达到检测疾病的目的。,（2）原理：DNA分子杂交。,（3）DNA探针：,概念：用已知序列的DNA片段作为探针与待测

20、样品的DNA序列进行核酸分子杂交，用于对待测核酸样品中特定基因顺序的探测。, DNA探针的必备条件：,A、必须是单链；,B、带有容易被检测出来的标记物。,（5）实例：,病毒的检测：肝炎病毒、肠道病毒、单纯孢疹病毒等；,遗传性疾病的检测：镰刀型细胞贫血症、苯丙酮尿症等；,A、制作基因探针；,（4）基因诊断的过程,B、将待测基因加热成单链；,C、两者混合杂交。,正常人 患者 DNA DNA,正常人 患者 DNA DNA,基因诊断生物芯片,从正常人的基因组中分离出DNA，与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱；从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱。通过比较、分析这两种图谱，就可

21、以得出病变的DNA信息。基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。,体外核酸扩增技术。 优点：具有特异、敏感、产率高、 快速、简便、重复性好、易自动化等； 能在一个试管内将所要研究的目的基因或某一DNA片段于数小时内扩增至十万乃至百万倍,使肉能直接观察和判断； 可从一根毛发、一滴血、甚至一个细胞中扩增出足量的DNA供分析研究和检测鉴定。,应用：基因诊断PCR法,例4、基因治疗是指（ ） A、把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗目的 B、对有缺陷的细胞进行修复，从而使其恢复正常，达到治疗的目的 C、运用人工诱变的方法，使有基因缺陷的

22、细胞发生基因突变，从而恢复正常 D、运用基因工程技术，把有缺陷的基因切除，达到治疗疾病的目的,A,例5、患者缺乏正常的人体免疫功能，只要稍被细菌或病毒感染，就会性病死亡。经过研究证实，SCID病人细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶的基因发生了突变。 （1）请你利用所学知识，设想一个治疗SCID病的方案。 第一步：发现人体正常ada基因克隆后用来替换反转录病毒的原有基因，构建重组载体； 第二步：从SCID病人体内分离出免疫系统有缺陷的T淋巴细胞 第三步： ； 第四步： ； （2）还有哪些遗传病可用基因治疗的方案进行治疗？试举例。,将这些T淋巴细胞与携带了正常ada基因的反转录酶病毒混合在一起，

23、让病毒感染T淋巴细胞，使正常的ada基因扩增并插入到T细胞的基因中；,在实验室中通过细胞培养并确认转入的基因成功表达后，用注射器将成千上万个重组的转基因T细胞注射到SCID患者的个体组织中。,血友病，镰刀型细胞贫血症。,例6、应用基因工程技术诊断疾病的过程中必须使用基因探针才能达到检测疾病的目的。这里的基因探针是指（ ） A、用于检测疾病的医疗器械 B、用放射性同位素或萤光分子等标记的DNA分子 C、合成球蛋白的DNA D、合成苯丙羟化酶的DNA片段,B,基因工程与食品业,基因工程为人类开辟新的食物来源。 1）鸡蛋白基因在大肠杆菌和酵母菌中表达获得成功。这表明，未来能用发酵罐培养的大肠杆菌或酵母菌来生产人类所需要的卵清蛋白。 2）用基因工程的方法从微生物中获得人们所需要的糖类、脂肪和维生素等产品。,基因工程为食品工业中提供了什么前景？,1、环境监测：基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。,1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来,基因工程与环境保护,基因工程在环保方面有什么应用？,利用基因工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。,下 页,2、环境污染治理：基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。,通常一种细菌只能