基因工程应用课件

1、第八章 基 因 工 程 的成果和发展前景第一节 基因工程与医药卫生第二节 基因工程与农牧业、食品工业第三节 基因工程与环境保护第四节 基因工程的安全性问题1第一节基因工程与医药卫生 基因工程药品的生产许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。2基因工程药物主要包括：细胞因子、抗体、疫苗、激素和寡核苷酸药物等，主要用于预防和治疗人类的肿瘤、心血管疾病、遗传病、各种传染病、糖尿病、类风湿疾病等。3基因工

2、程药物 基因工程激素类药物 基因工程细胞因子类药物 基因工程抗体 基因工程疫苗4基因工程激素类药物胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。胰岛素分子结构5生长激素抑制和调节多种激素的作用从动物脑中提取:5mg-50万只羊脑基因工程9升大肠杆菌 培养液生长激素是一类由动物脑垂体前叶分泌的能促进生长的蛋白质类激素。在临床上主要用于治疗垂体性侏儒症。7细胞因子（Cytokine）是由细胞分泌的能调节生物有机体生理功能，参与细胞的增殖、分化和凋亡的小分子多肽类物质。根据细胞因子的功能可分为：干扰素（i

3、nterferon，IFN）集落刺激因子（colony stimulating factor，CSF）白细胞介素（interleukin，IL）肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）生长因子（growth factor，GF）等基因工程细胞因子类药物8干扰素根据其结构和来源可分为：干扰素、和三种。干扰素的主要生理作用： 抗病毒感染 干扰素作用于细胞后能合成多种抗病毒蛋白，抑制病毒的复制。 调控细胞的生长 调节免疫细胞发挥生理效应在临床上干扰素用于治疗白血病、乙型肝炎、丙型肝炎、多发性硬化症和类风湿关节炎等多种疾病。10基因工程人干扰素-2b（安达芬） 是我国第一个全

4、国产化基因工程人干扰素-2b，具有抗病毒，抑制肿瘤细胞增生，调节人体免疫功能的作用，广泛用于病毒性疾病治疗和多种肿瘤的治疗，是当前国际公认的病毒性疾病治疗的首选药物和肿瘤生物治疗的主要药物。1112基因工程抗体(Genetic engineering antibody)概念： 根据研究者的意图，采用基因工程方法，在基因水平，对免疫球蛋白基因进行切割、拼接或修饰后导入受体细胞进行表达，产生新型抗体。主要包括 嵌合抗体、单链抗体、人源化抗体、双价抗体和双特异性抗体。141517 1.死疫苗： 用理化方法将免疫原性强的细菌杀死制成的。如百日咳、伤寒、霍乱、斑疹伤寒、流行性脑膜炎、钩端螺旋体病等2.活

5、疫苗： 用减毒或无毒的病原体制成,如鼠疫和炭疽等的疫苗基因工程疫苗18 活疫苗与死疫苗的比较 活疫苗 死疫苗 接种次数 1次 2-3次 接种量 小 较大 接种反应 轻 重 免疫效果 较好,维持1-5年 差,维持0.5-1年 毒力回升 有可能 不可能 安全性 有潜在危险性 安全性好 疫苗稳定性 相对不稳定 相对稳定 保存 不易保存 易保存1920213.基因工程疫苗 将编码有效抗原组分的目的基因插入适当载体,形成重组DNA, 再导入宿主细胞, 目的基因随重组DNA复制而复制, 随宿主细胞分裂而扩增, 使目的基因表达大量有效抗原成分, 由此制备的疫苗称为基因工程疫苗 如把HBsAg基因插入酵母细胞

6、中，成功表达并制备HBsAg疫苗225.核酸疫苗或称DNA疫苗、基因疫苗 是将能编码引起保护性免疫应答的病原体免疫原基因片段和质粒载体直接注射入宿主体以表达目的免疫原，进而产生特异性体液免疫和细胞免疫的新型疫苗。24基因诊断与基因治疗运用基因工程设计制造的“DNA探针”检测肝炎病毒等病毒感染及遗传缺陷，不但准确而且迅速。通过基因工程给患有遗传病的人体内导入正常基因可“一次性”解除病人的疾苦。我国研究人员正在制备用于基因治疗的基因工程细胞25二、应用前景 基因诊断是根据基因型来判断表型，固称为逆向诊断。对于迟发性遗传病和产前检查很有意义。基因诊断具有快速、方便、准确的优点。27 1. 基因调控治

7、疗 从基因水平调控缺陷基因的表达，以达到改善症状的目的。 镰型细胞贫血症是因珠蛋白的链基因突变，产生不正常的血红蛋白所致。用5氮胞苷抑制甲基化酶，使因甲基化而关闭的基因重新开放，产生HbF以代替HbA。 用具有抑制基因表达的反义RNA，或能切割RNA的核酶（ribozyme），阻断基因的表达。在肿瘤的治疗上，可以在基因水平上抑制肿瘤细胞基因的恶性表达和引导肿瘤细胞逆转。基因治疗一、基因治疗的类型28基因治疗类型（续） 2. 基因矫正治疗 基因增补将正常基因导入患者的体内，补偿缺陷基因的功能。 基因替换以正常基因取代变异的基因。 基因修复对异常基因进行原位的特异性修复。按矫正基因的类型分为两种基

8、因治疗： 生殖细胞基因治疗对生殖细胞或早期胚胎细胞进行基因矫正。1987年，成功治疗小鼠颤抖症、免疫缺陷症、地中海贫血症等。 体细胞基因治疗以体细胞为受体细胞，不影响下一代。常用的是细胞介导法：选择靶细胞在体外进行基因修饰，再将其输入体内。29二、基因治疗的条件 对导入的基因及其产物有详尽的了解； 外源基因有效导入受体细胞、稳定整合、适量表达； 不能使受治细胞基因组及表达调控受影响；导入基因方法安全，载体对靶细胞无害； 三、基因治疗的原则 对象是病情严重、预后极差、别无他法的患者； 无需高水平的表达和精确定量控制就有治疗效果； 靶细胞获取或回输安全；转移基因的表达对细胞微环境无严格的特异性要求

9、。30四、基因疗法的步骤 目的基因的选择： 根据基因治疗的类型选择相应的目的基因（增补、替换、添加）。 基因载体的构建：使目的基因在受体细胞内高效、可控、稳定地表达。 受体细胞的选择：容易分离获取，在体外增殖存活，大量扩增。如成纤维细胞、淋巴细胞、骨髓造血干细胞等。31五、基因治疗的应用治疗恶性肿瘤 例如，将已导入IL2基因的TIL细胞回输给病人，启动自身免疫，治疗黑色素瘤。美国已批准8种基因治疗方案。治疗艾滋病 用射线照射已导入HIV 基因的成纤维细胞，细胞停止分化，但能产生g p160，将细胞回输给病人，能激活免疫系统，杀伤HIV 感染细胞。治疗家族性高胆固醇血症（FH） 这是肝细胞低密度

10、脂蛋白（LDL）受体基因混乱造成的遗传病，将LDL基因导入病人离体培养的肝细胞中，然后经导管注入门脉循环的血液中，进入肝细胞后表达相应的功能蛋白。32基因治疗的应用（续）治疗先天性免疫缺陷综合症 病人因缺少腺苷脱氨酶基因（ADA）导致T、B淋巴细胞发育不完全，功能障碍，造成严重免疫缺陷。将正常ADA 基因经转录病毒转染进入白细胞，回输患者体内，ADA基因表达正常，患者ADA达正常值的25%。治疗B型血友病： 将人凝血因子的cDNA经逆转录病毒转染到患者的成纤维细胞，再植入患者腹腔中。患者的凝血因子从7.1ng/ml上升到24.5ng/ml，其活性从2.9%上升到6.3%。病情明显好转，不需要输

11、血治疗。33SCID的基因工程治疗重症联合免疫缺陷（SCID）患者缺乏正常的人体免疫功能，只要稍被细菌或者病毒感染，就会发病死亡。这个病的机理是细胞的一个常染色体上编码腺苷酸脱氨酶（简称ADA）的基因（ada）发生了突变。可以通过基因工程的方法治疗。SCID患者生存在无菌环境中34基因治疗SCID的过程3536运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。第二节 基因工程与农牧业、食品工业37一、转基因动物二、转基因植物第二节 基因工程与农牧业、食品工业38一、转基因动物转基因超级鼠1982年，英国的自然杂志发表了一篇文章：有两个美

12、国实验小组利用转基因技术，将大鼠生长激素重组基因导入到小鼠受精卵中,培育出具快速生长效应的“转基因超级鼠”。转基因鼠比与它同胎所生的小鼠生长速度快23倍，体积大一倍。39（一）概 念转基因技术：（1）将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性状的可遗传的修饰，称之为转基因技术。（2）转基因技术就是指利用分子生物学技术，将某些生物的基因转移到其它物种中，改造生物的遗传物质，使遗传物质得到改造的生物在性状、营养和消费品质等方面向人类需要的目标转变。转基因动物：所谓转基因动物就是指以实验方法将外源基因导入动物染色体基因组内稳定整合并能遗传给后代的一类动物。40（

13、二）转基因的方法1.显微注射法：将DNA注射到胚胎的细胞核内，再把注射过DNA的胚胎移植到动物体内，使之发育成正常的幼仔。 2.体细胞核移植方法：先在体外培养的体细胞中进行基因导入并筛选。然后将带转基因体细胞移植到去掉细胞核的卵细胞中，生产重构胚胎。413.逆转录病毒感染法：最早用来得到转基因小鼠的方法，利用逆转录载体将遗传信息以RNA分子的形式，在逆转录整合酶和逆转录基因组末端的特异性核酸序列的作用下，反转录并整合到宿主基因组中去，最终得到转基因小鼠。4.胚胎干细胞法：将转染的胚胎干细胞注射入受体囊胚腔，可参与嵌合体的形成，将来出生的动物的生殖系统就有可能整合上外源基因，通过杂交繁育得到纯合

14、目的基因的个体，即为转基因动物。42（三）转基因动物技术的主要步骤获取外源目的基因外源目的基因导入生殖细胞或胚胎干细胞选择携带目的基因的细胞，选择体外培养系统和宿主动物转基因胚胎的发育及鉴定筛选所得的转基因动物43（四）转基因动物的技术路线经典的技术路线 目的基因 显微注射已交配的 取出 移植 受体动物 妊娠供体动物 受精卵 输卵管 转基因动物 缺点：注入目的基因的命中率低，目的基因的整合率低，受精卵移植的受孕率低。44转基因动物的技术路线(续)整合胚胎移植的技术路线 转基因动物 受体动物子宫 目的基因 非手术 胚胎移植 体外受精 体外培养 多细胞胚胎 检测 整合外源基因卵子 受精卵 或囊胚

15、的胚胎精子优点：受精卵的成活率高达90以上，外源基因整合率高，提高受孕率。45转基因动物的技术路线（续）核移植（克隆）的技术路线 目的基因 转基因动物 导入 动物胎儿成纤维细胞 妊娠 取核动物 去核 重组的 体外培养 囊胚期 胚胎移植 卵细胞 受精卵 胚胎 受体动物子宫特点：体细胞核移植；核移植前导入目的基因。46转基因动物的技术路线（续）整合卵受精的技术路线： 目的基因 转基因动物 导入 逆转录病毒 妊娠 精子 感染 体外受精 胚胎移植 卵母细胞 成熟卵细胞 囊胚 受体动物子宫 特点：卵母细胞导入目的基因后再与精子受精。47 （五）转基因动物的应用前景1.研究基因的结构与功能，了解动物生命现

16、象的内在本质。2.建立多种疾病的动物模型，研究发病机理及治疗方法。3.改善动物生产性能，提高动物育种效率。4.作为医用或食用蛋白的生物反应器。可以通过家畜乳腺分泌大量安全、高效、廉价的人体药用蛋白。48转基因鱼生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国)49转基因牛乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷)50超级动物导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠51特殊动物导入人基因具特殊用途的猪和小鼠52转基因动物53二、转基因植物 转基因植物就是把来源于任何生物可人工合成的基因转入体内的植物。（一）转基因植物的类型 抗病转基因植物：抗病毒转基因烟草 抗虫转基因植物：抗虫棉 抗逆转基因植物：抗旱、抗盐碱

17、 抗除草剂转基因植物：抗除草剂转基因玉米、大豆、棉花、油菜 改良品质转基因植物：转VA水稻 转基因药品植物：生产霍乱疫苗的胡萝卜54（二）植物转基因技术 农杆菌介导转化法 组织培养再生植株 基因枪介导转化法 花粉管通道法55植物转基因技术示意图（三）植物转基因技术56（四）转基因植物的贡献 增加农作物产量 降低生产成本 减少化学农药对环境的污染 改善农作物品质 提高经济效益57转基因植物 58世界上第一种基因移植作物是一种含有抗生素药类抗体的烟草，1983年得以培植出来。 59 转基因番茄 1994年，美国政府批准了他们研制成功抗干旱、早熟、保鲜的转基因番茄商品化之后，我国也相继成功培育出优良

18、品种的转基因番茄，以满足人们的需求。 60 转基因油菜 油菜是人们食用油的主要来源之一。一般油菜籽的含油量约为40左右。通过转基因技术，培育出来的油菜籽，可以大大地提高它的出油率。而且油的纯度质量更好。61转基因甜椒 甜椒在栽培的过程中，容易受病毒的感染。我国科学工作者，采用转基因技术，培育出抗病毒的甜椒。62 玉米是主要粮食之一，又可以提炼油脂，也可以用作食品和工业的原料以及作饲料，浑身是宝。人们称它是含金的植物。如今培育出转基因玉米，品质更好，产量更高。转基因玉米 63转基因牵牛花 我国科学工作者，用转基因技术，可以转变矮牵牛花的花色，使矮牵牛花的花色更加丰富多彩。 64转基因小麦 从植物

19、体中分离出合成赖氨酸的基因，把这基因转入小麦植株中，培育出转基因小麦。用这种转基因小麦制造出来的面粉，更适合用来烤面包，而且面粉中赖氨酸含量高，这种面包的营养价值高。 65转基因抗虫棉花66转基因耐贮藏番茄（左）和普通番茄（右）67转黄瓜抗青枯病基因的甜椒68转鱼抗寒基因的番茄69转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯70不会引起过敏的转基因大豆7172四个主要国家转基因作物种植面积占全球。美国占，达万公顷，转基因作物产量也居世界第一，美国种植的的大豆、的棉花和的玉米都是转基因作物。阿根廷占，达万公顷。加拿大占，达万公顷。中国第四位，占，达万公顷。欧盟国家总面积不到万公顷，.左右。 四个转基因作物种植大国

20、2002年数据73转基因技术的发展中国 2002年，种植面积突破210万公顷，成为继美国、加拿大、阿根廷之后的转基因作物种植大国。 正在研究的转基因生物有130多种，涉及的基因种类超过100种。 1993年，发布了基因工程安全管理相关法规。 2001年，国务院发布了农业转基因生物安全管理条例。74农业生物技术应用国际服务组织（ISAAA）执行纲要简报 1996-2005年，生物技术作物全球累计种植面积为4.75 亿公顷，10 年间累计的全球市场价值约为293 亿美元。转基因技术的发展全球75农业生物技术应用国际服务组织（ISAAA）执行纲要简报 1996-2005年，种植转基因作物的国家由6个

21、增加到21个。2004-2005年增加了四个国家即葡萄牙、法国、捷克共和国和伊朗。转基因技术的发展全球76基因工程与环境监测（一）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探针检测出来第三节 基因工程与环境保护77基因工程与环境监测（二）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。78基因工程与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。通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有

22、的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。79第四节 基因工程的安全性问题转基因食品与药物安全问题 转基因植物的扩散； 转入植物的外源基因的扩散问题； 转入植物的其他标记基因，如抗生素抗性基因等的扩散问题； 转基因植物是否会影响和破坏生物多样性； 转基因植物是否会改变与之相关物种，如害虫等的进化速度； 转基因植物中标记基因的毒性问题； 转基因植物的果实或其他部分作为食物是否会引起食用者产生不良反应，是否有长期积累的作用； 转基因植物是否会对农业和国际贸易带来一些不可预测的影响。80理性地看待转基因农作物的安全性 潜在危险有那些？ 毒害人畜 超级杂草 新型病毒 昆虫产生抗性 危害其它昆

23、虫81转基因农作物安全性的评估权国际管理条例 总体来说，美国和加拿大对转基因植物的管理较为宽松。美国在2000年种植的转基因作物面积3030万公顷，占当年全世界转基因作物种植面积的70。若再加上加拿大和阿根廷，这三国种植的转基因作物占全世界的98。 与此形成鲜明对照的是欧洲国家。从研究水平上来说，欧洲国家，特别是英国、法国、德国等在农业生物技术领域都开展了广泛深入的研究，开发出一批可用于生产的转基因作物。但直到现在，欧洲作为商品种植的转基因作物还很少。欧洲的消费者很难接受转基因食品。82转基因农作物安全性的评估权我国管理条例 国家科委在1993年12月发布了“基因工程安全管理办法”。根据这一原

24、则，农业部在1996年7月颁布了“农业生物基因工程安全管理实施办法”。 按照本“实施办法”的规定，农业部设立了农业生物基因工程安全管理办公室，并成立了农业生物基因工程安全委员会，负责全国农业生物遗传工程体及其产品的中间试验、环境释放和商品化生产的安全性评价。 从1997年开始，农业部的安全委员会每年受理两次申请。截止2003年，农业部共受理了8批200多项申请，批准转Bt基因抗虫棉，反义RNA技术延熟番茄、改变花色的矮牵牛、抗病毒的甜椒和番茄的商品化生产。83转基因植物申请单位 检验地点 耐贮藏番茄华中农业大学 转基因酮合成酶矮牵牛北京大学 广东汕头 抗黄瓜花叶病甜椒PK-SP01北京大学北京、厦门、云南 抗黄瓜花叶病甜椒双丰R辽宁 抗黄瓜花叶病毒番茄PK-TMB805R 北京大学北京、厦门、云南抗黄瓜花叶病毒番茄8805R北京大学 辽宁抗虫棉（单价，双价）中国农业科院生物技