第二节《基因工程应用》

1、1,2,综合训练一 选择题答案 1-5.CADCD 6-10.CADBD 11-15.BBACA 16-20.CCDDB 21-15.ADCCC 21-30.BDBDD,第二节 基因工程的应用,4,一、植物基因工程硕果累累,哪些转基因作物已进入大规模商业化应用阶段?,转基因大豆、玉米、棉花和油菜,5,植物基因工程技术主要用于哪些方面?,提高农作物的抗逆能力（如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等）,以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面.,6,(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.现在已有哪些抗虫植物问世?,3. 用于杀的基因

2、主要有哪些？,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,4.抗虫棉的目的基因是什么?目的基因从何而来? 5.我国的转基因抗虫棉取得了哪些进展?,7,请阅读P18生物资料技术卡,了解一些抗虫基因的抗虫机理。,8,（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（coat protein，CP）基因；病毒复制酶基因,9,拓展：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？,关于病毒外壳蛋白基

3、因(CP基因)导入植物后的抗病毒机理，目前有几种假说。一种假说认为：CP基因在植物细胞内表达积累后，当入侵的病毒裸露核酸进入植物细胞后，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。另一种假说认为：植物细胞内积累的病毒外壳蛋白会抑制病毒脱除外壳，使病毒核酸分子不能释放出来。然而最近的研究表明，如果将病毒的外壳蛋白的AUG起始密码缺失，使之不能被翻译，或者将外壳蛋白基因变成反义RNA基因，整合到植物细胞染色体上，转基因植物则有很好的抗性。因此，有人认为抗性机理不是外壳蛋白在起作用，而是CP基因转录出RNA后，与入侵病毒RNA之间的相互作用起到了抗性作用。,10,4.在抗真菌转基

4、因植物中使用什么基因？,几丁质酶基因和抗毒素合成基因,11,（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,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,12,3.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,13,4.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伤作物,14,（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

5、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。,15,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？,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,16,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,17,转基因矮牵牛的目的基因是什么？,与植物花青素代谢有关的基因,18,异想天开,19,总结：基因工程在农业上的应用,（1）高产、稳产和具优良品质的品种 用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白

6、质含量。如“向日葵豆”植株。 （2）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。,20,1.转基因技术育种,图28 植物转基因技术流程示意图,21,细胞,基因分离,目的基因 载体（质粒）,基因导入载体（重组质粒）,受体细胞,组织或细胞,目的基因,导入 受体,农杆菌转化法 花粉管通道法 基因枪转化法,转化组织 或细胞,转化与未 转化植株,转基因植株,选优,筛选,植株再生,移苗入土,植物转基因技术育种过程,22,2.转基因植物的实例,转基因作物于1986年在美国和法国首次进入大田试验，到1997年底全世界转基

7、因作物的田间试验已达25,000例。2002年全球转基因作物推广面积达5,870万公顷，比1996年增长了34.5倍；种植转基因作物的国家从1996年的6个增加到2002年的16个。,23,据不完全统计，目前至少已在200种植物中成功进行了转基因 种类包括：水稻、玉米、马铃薯等粮食作物，棉花、大豆、油菜、亚麻、向日葵等经济作物，番茄、黄瓜、荠菜、甘蓝、花椰菜、胡萝卜、茄子、生菜、芹菜、苜蓿、白三叶草、苹果、核桃、李、木瓜、甜瓜、草莓、矮牵牛、菊花、香石竹和杨树等； 涉及性状包括：抗虫、抗病毒、抗细菌、抗真菌、抗除草剂、抗旱、抗盐渍，以及品质改良、生长发育的调控和提高产量等。 在国际上，抗虫、抗

8、病、抗除草剂的转基因棉花、玉米、大豆、马铃薯等已进入商业化应用阶段，并有较大面积的推广。,24,1994年，美国首次批准了转基因延熟番茄的商品化生产。到1997年底，全世界共有51种转基因植物产品被正式批准投入商品化生产。根据国际农业生物技术应用服务机构的统计和预测，全球范围内，1998年转基因农作物的销售额为1215亿美元，2000年为30亿美元，预计2010年将达到250亿美元。转基因农作物将成为21世纪农业的主导产品，转基因植物产业将成为21世纪新的经济增长点。,25,2.转基因植物的实例,图29 转基因耐贮藏番茄（左）和普通番茄（右）,（1）转基因耐贮藏番茄,26,（2）转基因抗虫作物

9、,27,遭到玉米螟侵害和真菌感染的普通玉米(左)与Bt玉米(右),28,转基因番木瓜 抗环斑病毒,29,转基因杨树 抗舞毒蛾,30,（3）抗除草剂作物,31,其他,金大米,32,二、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,导入外源生长激素基因,33,（二）用于改善畜产品的品质,举例说明,将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，转基因牛分泌的乳汁中乳糖的含量大大减低。,（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？,转基因动物的乳腺。,34,（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

10、。 （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因药物最理想的表达场所呢？,35,将药物蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射等方法，导入哺乳动物的受精卵中，将受精卵送入母体，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。,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。,36,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

11、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动物乳腺生物反应器的操作过程是怎样的？,37,“转基因荧光猪”,不含胆固醇的转基因小鼠,荧光斑马鱼,荧光热带鱼,38,转基因幼猴和母亲,首只转基因猴降生,39,转基因鲑鱼(上)与同年龄的野生鲑鱼(下),40,转基因蝴蝶,41,（四）用转基因动物作器官移植的供体,利用基因工程对猪的器官进行改造,方法：将器官供体基因组导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达或设法除去抗原决定基因，再结合克隆技术，培育出没有免疫排斥

12、反应的转基因克隆猪器官,42,将目的基因导入到动物的受精卵里，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。,总结：什么叫转基因动物？,基因工程在畜牧养殖业上的应用主要是什么？,繁殖具有抗病能力、高产仔率、高产奶率和高质量的皮毛等优良品质的转基因动物。 该过程的重要步骤是通过感染或显微注射技术将重组DNA转移到动物受精卵中。,43,1.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.

13、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,44,3.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,45,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，

14、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,46,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 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,47,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

15、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,48,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

16、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。,49,1、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,50,1990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

17、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。,51,3、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,52,基因治疗工作原理,53,54,基因治疗对癌症的治疗方案,抑制癌细胞增生基因 导入癌细胞 抑制癌细胞转录 DNA片断导入癌细胞 提高机体免疫力基因导入免疫系统,阻断癌细胞繁殖,提

18、高免疫力,55,基因治疗的机理,基因置换：正常基因取代致病基因 基因修正：纠正致病基因的突变碱基序列 基因修饰：目的基因表达产物补偿致病基因 的功能 基因抑制：外源基因干扰、抑制有害基因的 表达 基因封闭：封闭特定基因的表达,56,小 结,基本概念 基因诊断 PCR技术 基因芯片 基因治疗 基本理论 基因诊断过程 基因诊断及基因芯片的应用 基因治疗的过程 基因治疗的机理,57,DNA分子杂交是基因诊断最基本的方法之一。当用一段已知基因的核苷酸序列作为探针，与被测基因进行接触，若两者的碱基完全配对成双链，则表明被测基因中含有已知的基因序列。,知识回顾：基因诊断,58,基因芯片,阅读课本，分组讨论

19、思考： 什么是基因芯片？ 基因芯片与基因诊断有什么关系？ 基因芯片有什么优点？ 基因芯片有哪些应用？,59,五、基因芯片,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。,60,通过微技术手段将大量特定序列的DNA片段（探针）有序地固定在尼龙膜、玻片或硅片上，从而能大量，快速、平行地对DNA分子的碱基序列进行测定和定量分析。,基因芯片在感染性疾病、遗传性疾病和肿瘤

20、等疾病的临床诊断方面具有独特的优势。与传统检测方法相比，它可以在一张芯片同时对多个病人进行多种疾病的检测；无需机体免疫应答反应，能及早诊断，待测样品用量小；能检测病原微生物的耐药性，病原微生物的亚型；极高的灵敏度和可靠性；检测成本低，自动化程度高，利于大规模推广应用。这些特点使得医务人员在短时间内，可以掌握大量的疾病诊断信息，这些信息有助于医生在短时间内找到正确的治疗措施。同时为不久的将来实现真正意义上的网络诊断提供了有效手段。,61,练习,1.抗虫棉抗虫机理是由于：（ ） 转入了苏云金芽孢杆菌Bt基因 抑制昆虫消化道内淀粉酶活性 抗虫棉产生了Bt毒蛋白 Bt毒蛋白能破坏鳞翅目昆虫的消化系统

21、使昆虫不能正常摄食、消化食物中的蛋白质 A、 B、 C、 D、,B,62,2.转基因耐贮藏番茄作用机理是（ ） A 、抑制生长素的合成 B、 抑制代谢，代谢减弱 C、 抑制细胞呼吸 D、 封闭乙烯合成途径中关键酶基因,D,3.乳腺生物反应器可用于（ ） A、 动物抗病育种 B、 生产药用蛋白 C、 治疗人类疾病 D 、分泌大量乳汁,B,63,再见,64,基因诊断与基因治疗,65,从社会中来,恶性肿瘤的早期诊断？ 产生胎儿的早期诊断？ SARS疑似患者的快速诊断？,66,基因诊断,基因,蛋白质,性状,生化诊断,基因诊断,临床诊断,67,基因诊断,基因诊断 工具： 原理： PCR技术： 在DNA聚

22、合酶作用下，利用4种脱氧核苷酸，依据模板DNA序列合成相同序列的DNA片断,放射性同位素标记或荧光分子标记的DNA分子探针,碱基互补配对原则（DNA分子杂交）,68,69,基因诊断过程：,基因诊断过程： 制备基因探针 提取目的基因，获得单链DNA PCR扩增DNA 目的DNA与尼龙膜结合 探针与目的DNA互补配对 冲洗尼龙膜 检测杂合分子,关键要素： 探针DNA、目的DNA、信号检测,PCR扩增仪,70,PCR扩增过程,71,基因诊断结果,72,基因诊断的应用,感染性疾病的病原诊断 结核病、柯萨奇B3病毒感染的心肌炎、乙型肝炎病毒（HBV）、丙型肝炎病毒（HCV），爱滋病等 各种肿瘤的生物学特性的判断 遗传病的基因异常分析（包括产前诊