生物技术概况讲座

生物工程及基因科学发展概况

徐亚欧

第一页，共八十一页。内容1.21世纪将是什么时代2.

生物工程概念及范畴3.生物技术的特点4.世界农业生物技术发展概况5.生物工程高速发展的几个重要标志6.生物工程应用领域7.我国生物技术产业发展概况8.生物工程技术展望第二页，共八十一页。China'sfirstclonedcow

第三页，共八十一页。1“二十一”世纪将是什么时代

生物技术时代

海洋时代

知识经济时代

智能交通时代

电动汽车时代

非致死战争时代

毫微技术的时代

心理疾病时代

第四页，共八十一页。生物技术时代20世纪人类在生物学领域取得的科学技术成就还是为生物技术时代的到来提供了必要条件。特别是，分离、识别和重组基因的能力，人类基因组的作图与测序，PCR技术，DNA芯片的出现，尤其是以计算机和因特网为工具，对遗传信息进行管理、交流、破译、预测等为主要研究对象的生物信息学(Bioinformatics)的诞生，这些作为新时代的科学技术都正在以前所未有的速度发展和普及着。20世纪“多利羊”克隆成功，人类基因组测序，试管婴儿面世，以及许许多多生物工程技术的诞生，早已预示着生物技术时代的到来。杰里米·里夫金在《生物技术世纪》一书中指出：“我们正处于生物技术时代的伟大历史性变革中。”第五页，共八十一页。生物技术到系统生物技术——组学时代高通量实验技术的广泛应用产生了海量数据,利用生物信息学工具整合这些数据,加深了人们对细菌生理活动规律的认识,系统生物学应运而生。系统生物学的出现使代谢工程从局部通路水平上升到整体水平,代谢工程也因此进入了新的发展阶段——系统生物技术时代。系统生物技术通过整合各个层次组学数据,建立数学模型,或通过比较不同菌株或同一菌株在不同条件下基因组、转录组、蛋白组或代谢组的差异以阐明生命活动规律,在此基础上,对影响表型的靶基因进行改造,得到符合预期的表型。随着新的高通量实验技术的不断运用以及生物信息学的发展,系统生物技术必将取得更大进步。第六页，共八十一页。海洋科学时代

国际海洋科学技术的发展形势：大科学，高技术

1997年世界海洋委员会在一份报告中把当前海洋科学技术发展面临的课题归结为四类：

科学文化进步:包括揭示生命起源、宇宙起源、人类起源（海洋人类学）的研究；

探索和开发海洋财富：包括生物资源开发（主要是渔业）、油气资源开发、海洋运输、能源利用、空间利用和旅游、海洋环境净化容量等；

生命支持系统研究和保护：包括海洋与气候、生物多样性、健康和废物清除、防灾减灾等；

其他类：包括海洋管理、海洋经济学、论理学、海岸科学、培训和教育。第七页，共八十一页。知识经济时代知识经济是什么经济，它是和渔猎经济、农业经济、工业经济相并列的第四个经济时代，是一个新的经济时代。经济时代的特征是由生产要素资源的组成(劳动、工具、土地、资金、经验技巧、科学技术等)以及它们的结构方式来决定的。也就是说在生产要素的资源总体结构中间，哪一种生产要素处在一个主导的地位，它就决定了对经济时代的划分。知识经济时代是以知识和科学技术为要术的经济时代。第八页，共八十一页。智能交通时代人们在寻找解决城市拥堵的良方，智能交通的概念决定了人们对其的重大期望。智能交通，也就是ITS，英文是IntelligentTransportSystems，其中的含义是为了追求安全、舒适和畅通的交通环境,通过最先进的信息通信技术,将人、道路和汽车融为一体的全新智能系统。（包括智能交通、智能汽车）在未来，公路上的探测器将被小型计算机取代，司机可以和智能交通灯随时进行“对话”，生态环境亦可由此得到改善。

汽车电子向更友善、更智慧的方向发展，是汽车电子集成化、智能化、人性化、信息化、数字化的统一体，由此构建起一个截然不同的全新的汽车电子智能新时代。第九页，共八十一页。电动汽车时代随着全球石油资源紧张、大气环境污染加剧，节能环保的电动汽车受到人们越来越多的关注。最近十多年，西方发达国家更是投入大量资金和人力，并制定了一系列的优惠政策来发展电动汽车。但由于动力电池等关键技术没有取得重要进展，电动汽车的产业化至今未能实现。第十页，共八十一页。21世纪将是非致死战争时代目前的军事科学研究已经展示出越来越多的非致命武器，如使用低能垦的激光束的激光武器、人工改变敌方气候状况的气象武器、能暂时性干扰成永久性毁坏重要传感器的微波武器、利用低频率声波的次声武器、涉及量子物理和分子化学的电磁脉冲武器、通过无线电等发送的电子病毒武器等等，将使未来的战争不出现流血而取得胜利。第十一页，共八十一页。21世纪将是毫微技术的时代毫微技术是以毫微米为测量单位的产品的技术，所制成的微型机械非常微小，如目前最小的电磁电动机外径只有0.8毫米，重量仅为4毫克，转速达每分钟1万转，工作电压1.7伏。毫微技术将应用于人类各个领域，能在危险环境中排除故障，能用于家电的自动调节，能充当医生进入人体医治疾病，能做军事杀手攻其不备，等等。目前世界各国都投入巨资开发研究，下世纪必成大气候。第十二页，共八十一页。21世纪将是心理疾病时代:医学科技的发展，使人类在种种疫苗的保护之下，机体的疾病会越来越少，并因技术的发达而很容易治愈。与此同时，心理方面的疾病将占主导地位，成为影响人类健康的最主要因素，精神方法治疗疾病随之大放光彩，逐步形成整套的医疗方法，取代目前药物及手术治疗疾病为主的方式。第十三页，共八十一页。2生物工程概念及范畴

生物工程是指利用生物体系(动、植物、微生物)，应用先进的生物学和工程技术，通过加工或不加工底物原料，为人类提供所需各种产品或达到某种目的的一种新型的跨学科技术

第十四页，共八十一页。生物工程的五大技术系统基因工程细胞工程酶工程发酵工程蛋白质工程第十五页，共八十一页。基因工程geneticengineering基因工程又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因(DNA分子)，按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。第十六页，共八十一页。细胞工程(Cellengineering)是指应用现代细胞生物学、发育生物学、遗传学和分子生物学的理论与方法，按照人们的需要和设计，在细胞水平上的遗传操作，重组细胞的结构和内含物，以改变生物的结构和功能，即通过细胞融合、核质移植、染色体或基因移植以及组织和细胞培养等方法，快速繁殖和培养出人们所需要的新物种的生物工程技术。第十七页，共八十一页。酶工程酶工程就是将酶或者微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能,借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备,酶的固定化,酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程的应用，主要集中于食品工业，轻工业以及医药工业中。

第十八页，共八十一页。发酵工程发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。第十九页，共八十一页。蛋白质工程所谓蛋白质工程，就是利用基因工程手段，包括基因的定点突变和基因表达对蛋白质进行改造，以期获得性质和功能更加完善的蛋白质分子。第二十页，共八十一页。3生物技术的特点：

生物技术和生物工程的特点高技术高投入高风险高回报第二十一页，共八十一页。4世界农业生物技术发展概况现代生物技术是利用生物有机体或其组成部分(包括器官、组织、细胞或细胞器等)，借助于工程原理，提供商品和社会服务的综合科学技术。它是70年代初在重组DNA技术、细胞培养技术以及生物反应技术等深入发展的基础上产生的一门新兴学科。现代生物技术，经过20多年的发展，其应用范围迅速遍及医药卫生、农林牧渔、环境保护等各个领域，为人类解决当今世界所面临的健康、食物、能源、资源和环境等诸多重大问题提供了有利手段。第二十二页，共八十一页。4.1生物技术在世界农业发展中的重要意义农业是生物技术最重要的应用领域之一。现代生物技术可以培育出优质、高产、抗病虫、抗逆的农作物以及畜禽、林木、鱼类等新品种；可以进行再生能源的利用，解决能源短缺问题；可以扩大食饲料、药品等来源，满足人类日益增长的需要；可以进行无废物的良性循环，减少环境污染，充分利用各种资源等。因此现代生物技术越来越受到各国政府和企业界关注，被认为是新世纪农业科技的先导部分。第二十三页，共八十一页。4.2世界农业生物技术研究特点

4.2.1重视生物技术的基础研究

世界各国普遍重视农业生物技术的基础研究，发达国家不惜工本，在基础研究上开展竞争。如：日本每年拨出2亿美元用于水稻基因定位研究；日本以国立农业研究机构，民间企业以部分道府县农业试验场为主，目前全日本43个都道府县中有34个道府县根据各自的特色针对不同的作物开展转基因技术的基础研究工作。美国用30亿美元研究人类基因图谱。欧洲各国政府也都支持粮食和蔬菜的基因定位研究。英国一直比较重视农业基础理论和生物技术的研究，特别是不断加大对农业基础研究的经费投入。第二十四页，共八十一页。4.2.2农业生物技术的产业化水平不断提高目前，世界农业生物技术的产业化水平已有很大提高，其中农业生物技术产品市场发展较快的国家有美国、法国、荷兰和德国，1999年美国有8％的公司从事有关生物技术的研究和产品生产，而欧洲的同类型公司有485家，其中从事农业生物技术的占16％。虽然不少农业生物技术产品尚处于研制、试验阶段，商品化的发展也将充满风险和曲折，但是农业生物技术产业化的趋势却是不可逆转的，并有可能迎来发展最快的未来10年。第二十五页，共八十一页。4.3世界农业生物技术发展的进展

4.3.1在基因图谱研究方面发达国家在基因图谱研究取得较大成就：英国完成了小麦基因图谱的测定，这一图谱是目前世界上最详细的，包括21对染色体上的16万亿碱基对，已确定的基因有矮化基因，抗病基因，抗拟基因等；美国对一些主要作物，拟南芥及主要林木进行了遗传图谱的构建，重要基因特别是数量性状位点的标记、定位和作图，并就一些种进行了物理图谱的构建及少数基因的功能分析。澳大利亚与世界14个国家的38个实验室共同完成了牛的基因图谱，它包含了1000个DNA变体，覆盖了全部基因的95％，是目前最完整的动物基因图谱。第二十六页，共八十一页。4.3.2在植物转基因技术研究方面转基因技术已取得重大突破，全球已在100多种植物中获得了转基因植株。其中，具有实用价值的基因转移包括抗除草剂、抗虫、抗病、抗病毒、改善品质、改变蛋白质组分、雄性不育、改变花形花色、延长保鲜期等基因的转移。如孟山都公司成功地把苏云金杆菌的基因转移到棉花，玉米，西红柿和马铃薯等植物内，组建成抗棉铃虫，抗玉米钻心虫等十几种作物新品种，这些抗虫新品种可使一些作物减少使用杀虫剂(化学农药)约60％。澳大利亚科研人员利用转基因方法研制出抗象鼻虫的豌豆品种，抗PVLR病毒的土豆品种等。韩国已利用基因聚合建立了水稻转基因体系，并已利用此项技术开发出抗除草剂水稻。第二十七页，共八十一页。4.3.3植物组织培养、生物防治领域国际上植物工厂化生产技术研究方面正在向实用化阶段迈进。全世界通过细胞组织培养而成功再生植株的植物已超过600种，有140多种植物能够通过原生质体培养得到再生植株，有200多种植物实现了花药培养成株。新型生物杀虫剂、生长激素、农用疫苗和诊断盒方面，美国环境保护委员会先后批准了2家公司研制的4种新型生物杀虫剂投入使用，一种保护雏鸡免遭鸡新城疫病毒和鸡痘病毒侵染的基因重组病毒疫苗也于近年实现商品化。第二十八页，共八十一页。4.3.4转基因动物生产药物(生物反应器)方面利用转基因技术研制动物生物反应器是动物生物技术中最具诱惑力、最易进入产业化阶段的研究领域，目前已成为世界各国竞争的热点。英国1991年9月报道从转基因绵羊的奶中生产人a1-抗胰蛋白酶(a1-AT)；荷兰PHP公司培育出了表达人乳铁蛋白基因的转基因牛，美国GTC公司等培育出了表达抗凝血酶Ⅲ基因的转基因山羊等。比利时则在开发利用转基因油菜生产多肽药物。韩国生命工学研究所培育出了能分泌人乳成份lactoferrin的转基因奶牛个体。第二十九页，共八十一页。4.3.5转基因动物育种方面科学家们运用转基因动物育种新技术已培育出转基因猪、羊、牛、鱼等，培育的转基因猪较普通猪体重增长快，个头大，饲料转化率高，可以为养猪业带来丰厚的经济效益。美国利用基因工程方法把某些动物生长激素基因转移到细菌中，然后由细菌繁殖产生大量有用的激素，这些激素在畜禽新陈代谢过程中，能促进其体内蛋白质的合成和脂肪的消耗，从而加快生长发育。澳大利亚研究人员已设计出一种可以改善羊体内血液中增长荷尔蒙数量基因，从而提高饲料的利用率和改进羊肉的品质。第三十页，共八十一页。4.4我国农业生物技术的发展概况我国农业生物技术起步晚，与发达国家有一定差距，但发展顺利，进步较快，在国家政策的扶持下，尤其是在国家“863”计划，“973”计划和“国家转基因植物研究与产业化专项”的直接支持下，已取得了很大的成绩。目前，我国农业生物技术的整体水平在发展中国家处于领先地位，一些领域已经进入国际先进行列。我国是世界上继美国之后，第2个拥有自主研制抗虫棉技术的国家；我国转基因水稻的研制处于世界先进水平。到2003年8月止，我国共受理转基因生物安全评价申请1044项，批准777项。国内从事涉及农业生物技术研究的机构已经超过200家，研发队伍1万多人。2003年全国转基因作物种植面积达到280万hm2。目前，我国涉及农业生物技术的各类研究机构已超过200家，初步形成了从基础研究，应用技术研究到产品开发相互衔接，相互促进的创新体系。第三十一页，共八十一页。4.4.1在植物组织培养、染色体工程育种等方面我国在组织培养的应用与开发方面一直处于国际领先地位，至今已育成数10个水稻、小麦、大麦、玉米、马铃薯、油菜等新品种。在花药培养、染色体工程育种方面：近年来，结合分子标记辅助育种等技术，我国科学家育成了广谱高抗白粉病的小麦——一簇毛麦易位系6VS／6AL，成功地将中间偃麦草抗小麦黄矮病的基因转移到普通小麦中，育成了119880和119899等易位系。第三十二页，共八十一页。4.4.2在植物基因组研究方面植物功能基因研究完成了模式植物水稻和拟南芥大型突变库的构建，克隆了一批与小麦，水稻，棉纤维等品质与发育密切相关的候选基因。完成了10250份水稻和近200份棉花重要遗传资源的鉴定，完成了籼稻9311全基因组的工作框架图和基因精细图，为我国水稻基因组研究做出了重要贡献。完成了水稻籼稻(9311)的全基因组精细图，目前该基因组精确图的覆盖率已达到98％，并且已经有95％的序列准确定位到染色体上，完成了水稻粳稻4号染色体的精确测序，是世界上第1个完成的禾本科植物全基因组测序。从水稻，小麦，棉花，大豆等重要农作物中分离克隆出功能基因20多个，这些基因在秸杆利用，作物，蔬菜纤维品质改良，水稻亚种间杂种优势利用，遗传改良植物营养利用等方面有良好的应用前景。第三十三页，共八十一页。4.4.3在转基因植物研究方面我国科学家成功地研制出单价Bt抗虫转基因棉花，并获得了国家专利，我国已成为世界上拥有抗虫棉研制开发整套技术的第2个国家；目前已有4个抗虫转基因棉新品种通过审定，累计推广36．7万hm2，产生的社会与经济效益达7．7亿元，7个抗黄矮病，白粉病和赤霉病的小麦新品种通过品种审定，累计推广种植96．5万hm2，大大超额完成了原定的目标。第三十四页，共八十一页。4.4.4在动物胚胎移植等研究方面我国牛、羊、猪、兔等家畜胚胎移植和牛、羊、兔等家畜胚胎冷冻技术已获成功。动物的胚胎移植技术已在生产上推广应用。近年来，在胚胎移植技术基础上又进行了奶牛、绵羊切割胚胎的移植，成倍提高了胚胎移植的效率，从而更有效地挖掘优良母畜的遗传潜力。现在试管牛羊，体外核移植、胚胎的切割及体外受精技术均已成功，进入中试。牛的卵母细胞在体外培养成熟等已取得明显进展。在水产上已成功地选育出“四倍体复合银鲫鱼”和“人工复合三倍体鲤鱼”，经大面积饲养试验显示出快速生长特性。如人工复合三倍体鲤鱼生长速度比普通鲤鱼快65％。第三十五页，共八十一页。4.4.5在单克隆抗体研制、动物生物反应器方面我国已研究制成马传染性贫血、猪瘟、鸡新城疫、草鱼出血疫、马铃薯病毒及其它植物病毒等等一大批单克隆试剂盒，并应用于动植物一些严重病害的快速准确诊断。在动物生物反应器方面，已获得了表达生长激素基因的转基因羊，乳腺表达人生长激素基因和抗凝乳酶基因的转基因绵羊等。第三十六页，共八十一页。5生物工程高速发展的几个重要标志

★人类基因组计划★后基因组时代★干细胞时代

第三十七页，共八十一页。

5.1人类基因组计划1990年，美国正式启动“人类基因组计划”，计划历时15年，斥资30亿美元。

随后又有英国、日本、法国、德国和中国科学家的先后加盟和合作，这一"生命登月计划"终于在新世纪钟声敲响的半年时间内即取得突破性进展：绘制出人类基因组草图。第三十八页，共八十一页。人类基因组约含3万至4万个基因，由约30亿对碱基组成。1990年10月国际人类基因组计划启动1999年9月中国跻身人类基因组计划，承担1％测序任务2000年4月人类基因组“中国卷”绘就2001年2月人类基因组草图完成2003年4月人类基因组精细图问世(２００３年４月１４日，中、美、日、德、法、英等６国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功，人类基因组计划的所有目标全部实现。已完成的序列图覆盖人类基因组所含基因区域的９９％，精确率达到９９．９９％，这一进度比原计划提前两年多。至此，人类基因组计划共耗资２７亿美元，比原先预计的３０亿美元有明显节省。)2004年10月人类基因组完成图公布第三十九页，共八十一页。国际人类基因组单体型图计划（HapMap计划）

继人类基因组计划完成以后HapMap计划由日本、英国、加拿大、中国、尼日利亚和美国的科学家们合作完成。项目正式开始于2002年10月27-29日的HapMap计划第一次会议，预计进行3年（现已完成）。第四十页，共八十一页。国际人类基因组单体型图简介在基因组中，不同个体的DNA序列上的单个碱基的差异被称作单核苷酸多态性（SNPs）。例如，某些人的染色体上某个位置的碱基是A，而另一些人的染色体的相同位置上的碱基则是G。同一位置上的每个碱基类型叫做一个等位位点。第四十一页，共八十一页。人类的所有群体中大约存在一千万个SNP位点，其中稀有的SNP位点的频率至少有1%。相邻SNPs的等位位点倾向于以一个整体遗传给后代。位于染色体上某一区域的一组相关联的SNP等位位点被称作单体型（haplotype）。大多数染色体区域只有少数几个常见的单体型（每个具有至少5%的频率），它们代表了一个群体中人与人之间的大部分多态性。一个染色体区域可以有很多SNP位点，但是只用少数几个标签SNPs，就能够提供该区域内大多数的遗传多态模式。第四十二页，共八十一页。遗传多态性和单体型图的用途大多数常见的疾病，如糖尿病、癌症、中风、心脏病、抑郁症、哮喘等，受众多基因以及环境因子共同作用。尽管任意两个不相关的人的DNA序列有99.9%是一致的，剩下的那0.1%由于包含了遗传上的差异因素而非常重要。这些差异造成人们罹患疾病的不同风险和对药物的不同反应。发现这些与常见疾病相关的DNA序列上的多态位点，是了解引起人类疾病的复杂原因的最重要途径之一。研究者一般通过比较患者和非患者来发现影响某种疾病例如糖尿病的基因。在两组单体型频率不同的染色体区域，就有可能包含疾病相关基因。理论上，研究者通过对全部一千万个SNP位点都进行基因分型，也能够寻找到这样的区域。但是，目前用这种方法进行检定的成本是过于昂贵。通过单体型图计划将鉴定出20~100万个标签SNP位点，从而提供与一千万个SNP位点大致相同的图谱信息。这样将大幅度地减少成本使研究易于进行。

第四十三页，共八十一页。人类基因组单体型图及对基因组科学的重要影响中国科学院北京基因组研究所曾长青研究员在《2008科学发展报告》中发表了题为“人类基因组单体型图及其对于基因组科学的重要影响”的文章。第四十四页，共八十一页。文章指出国际单体型图计划（HapMapProject）是研究有关个体差异的遗传规律。个体差异最常见的是单核苷酸多态性（SNP）。HapMap计划就是构建不同人群的高密度SNP图谱，确立SNP在人群中的常见分布和传递模式，从而揭示人类作为群体的遗传机制，为发现复杂性疾病的相关易感基因提供基础数据、研究策略和先进技术。HapMap对于基因组学发展和人类健康的深远影响有：

第四十五页，共八十一页。1.高精密度的人类遗传用表对于全球范围复杂性疾病易感基因研究的巨大推动。2.HapMap本身对于人类遗传多态性的最新发现及其对于基因组科学的极大推动。3.HapMap计划对于基因组研究技术的重大促进。4.HapMap再一次击退基因专利对于人类健康事业的挑战。多国合作构建单体型图HapMap计划，并随时将数据无偿公布在Hap-Map网站上。最终公益项目以其无法超越的规模速度迫使私营计划放弃对于SNPs的专利尝试。5.国际HapMap及其“中国卷”的完成对于我国基因组学研究和疾病易感基因定位的重要推动。

第四十六页，共八十一页。中国人基因组图谱绘制完成2007年10月深圳华大基因研究院发布中国人基因组图谱绘制完成。第四十七页，共八十一页。2007年10月我国科学家已经成功绘制完成第一个完整中国人基因组图谱(又称“炎黄一号”)，这也是第一个亚洲人全基因序列图谱。该项目是我国科学家继承担国际人类基因组计划1%任务、国际人类单体型图谱10%任务后，用新一代测序技术独立完成的100%中国人基因组图谱。这项在基因组科学领域里程碑式的科学成果，对于中国乃至亚洲人的DNA、隐形疾病基因、流行病预测等领域的研究具有重要作用。目前完成的“炎黄一号”的中国人基因组序列图谱只是全部研究工作的第一步。“第二步是选取100人做出中国人基因组标准序列图谱。在这个基础上建立中国人的个体化医疗体系。”第四十八页，共八十一页。国际人类基因组计划绘制的第一个白种人的基因组耗资20多亿美元，而中国的研究团队绘制“炎黄一号”的中国人基因组序列图谱花费在2000万人民币。该项目执行博士王俊说预计10年内，花1万元即可绘制个人基因身份证，人类将可能人手一份“基因身份证”，里面记录了只属于你自己的遗传信息。特别是某些遗传病缺陷会被早发现早治疗，祖先的命运因此而不必在你身上重演。

第四十九页，共八十一页。5.2后基因组时代人类后基因组计划是由序列（结构）基因组学向功能基因组学的转移。后基因组时代前沿技术1、功能基因组学（FunctionalGenomics）2、生物信息学（Bioinformatics）

3、比较基因组学(ComparativeGenomics)

4、结构基因组学(structuralgenomics)5、转录组学（transcriptomics）6、代谢组学(metabonomics／metabolomics)7、蛋白质组学（Proteomics）另介绍一下表观遗传学

(epigenetics)

第五十页，共八十一页。功能基因组学功能基因组学:其所要解决的问题包括如何识别基因组组成元素及注释重要元素的功能。已经知道，蛋白质是生命状态的直接体现。与低等生物不同的是，人类基因序列中只有约5%的序列是编码区（指导合成蛋白质），这部分基因组元素被称为"开放阅读框架（ORF）"，预测所有ORF并研究其产物功能是当前功能基因组学的首要任务；另95%以上的序列是基因的调控序列，这部分元素被称作非编码区，其中有很多是具有生物学功能意义的片段，对于了解各相关基因之间的调控关系非常重要，因此，对非编码区的功能研究将是功能基因组学的下一步研究热点。第五十一页，共八十一页。生物信息学生物信息学是一门利用计算机技术研究生物系统之规律的学科。人类和各种模式生物的基因组序列汇成如潮水般的DNA信息量。利用这些生物学数据和计算机技术，对这些基因组资料进行大规模比较，寻找其最大相似性（同源性），或搜索序列上的局部特征，或研究由同一个祖先基因特化而来的对应基因，或用进化分析方法，从而能够鉴定和预测未知的ORF或非编码区各元件的生物学功能。第五十二页，共八十一页。比较基因组学比较基因组学(ComparativeGenomics)是基于基因组图谱和测序基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。基因组的各个基因及其产物之间互相关联，互相作用。对同一物种不同个体的基因组进行比较，以及对不同物种的基因组进行比较，不仅可以揭示生命的起源、进化等重大生物学问题，还具有潜在的实用价值。例如通过细菌和人类的基因组比较研究，有可能筛选出只在细菌中存在的基因，成为新的抗菌素的药靶。第五十三页，共八十一页。结构基因组学结构基因组学(structuralgenomics)是基因组学的一个重要组成部分和研究领域,它是一门通过基因作图、核苷酸序列分析确定基因组成、基因定位的科学。即借助计算机技术，模拟出未知基因的蛋白质产物的立体结构，从而根据结构与功能的关系进行预测，还可以深入探求蛋白质为何具有特定的生物学功能。结构类识别的方法包括晶体衍射法、"穿线"法、三维模体搜索法等。目前蛋白质数据库每年可得到2000-3000个蛋白质的数据。第五十四页，共八十一页。转录组学转录组学（transcriptomics），是一门在整体水平上研究细胞中基因转录的情况及转录调控规律的学科。简而言之，转录组学是从RNA水平研究基因表达的情况。第五十五页，共八十一页。代谢组学代谢组学(metabonomics／metabolomics)是效仿基因组学和蛋白质组学的研究思想，对生物体内所有代谢物进行定量分析，并寻找代谢物与生理病理变化的相对关系的研究方式，是系统生物学的组成部分。其研究对象大都是相对分子质量1000以内的小分子物质。先进分析检测技术结合模式识别和专家系统等计算分析方法是代谢组学研究的基本方法。

第五十六页，共八十一页。蛋白质组学蛋白质组学（Proteomics）指“一种基因组所表达的全套蛋白质”，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。蛋白质组本质上指的是在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互作用等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识。蛋白质组的研究不仅能为生命活动规律提供物质基础，也能为众多种疾病机理的阐明及攻克提供理论根据和解决途径。通过对正常个体及病理个体间的蛋白质组比较分析，我们可以找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”，它们可成为新药物设计的分子靶点，或者也会为疾病的早期诊断提供分子标志。第五十七页，共八十一页。表观遗传学后基因组时代的领舞者

表观遗传学被定义为“在基因组序列不变的情况下，可以决定基因表达与否并可稳定遗传下去的调控密码”。这些密码包括DNA的“后天性”修饰（如甲基化修饰）、组蛋白的各种修饰等。与经典遗传学以研究基因序列决定生物学功能为核心相比，表观遗传学主要研究这些“表观遗传密码”的建立和维持的机制，及其如何决定细胞的表型和个体的发育。因此，表观遗传密码构成了基因（DNA序列）和表型（由基因表达谱式和环境因素所决定）间的关键信息界面。它使经典的遗传密码中所隐藏的信息产生了意义非凡的扩展。第五十八页，共八十一页。5.3干细胞时代1999年12月17日出版的美国《Science》杂志公布了它评出的1999年世界十大科学成果之一：

美国科学家发现，取自人胚胎或骨髓的干细胞可用于培育不同的人体细胞、组织和器官，这有望成为移植器官的新来源。从此宣布了21世纪将进入干细胞时代。2007年，日本和美国的科学家们分别发表文章,提出不用制造胚胎,只需要通过几个细胞转录因子,就可以对体细胞重新“编程”,诱导出多能干(iPS)细胞,该细胞具有胚胎干细胞的形态、增殖、表面抗原、基因表达、端粒酶活性等,还可以分化成为三个胚层中的所有细胞类型。(Cell2007,131:861和Science2007年11月20日在线发表)，即号称“新干细胞时代”

。这种制造干细胞的方法另辟蹊径,巧妙地避开了“生产和制造胚胎”等饱受伦理学抨击的步骤。第五十九页，共八十一页。胚胎干细胞胚干细胞来源于胚的最早发育阶段，当处于合适的化学环境时，干细胞就能无限地复制并形成更专化的组织细胞。

神经干细胞最令人难忘的发现来自神经干细胞的动物研究，这些细胞源于胎儿的大脑，似乎也可能存在于成人的脑中。同其他一些专化干细胞不同，它们易于在培养物中发育，并能形成通常发现于脑中的所有细胞类型。

第六十页，共八十一页。6生物工程应用领域第六十一页，共八十一页。生物工程在医药工业中的应用

第一生物反应器生产药品

利用微生物生产基因重组药物植物基因工程药物动物基因工程药物第六十二页，共八十一页。美国已批准上市的基因工程药物（1997）中文名称商品名称英文名或缩写开发公司胰岛素HumulinNovolinHumalogInsulin

lispoinslinLilliyNovoNordiskLilly人生长激素ProtropinHumatropinNutropinAQrhuGHGenentechLillyGenentech干扰素ItronAReferonAAvonixBetaseronActimmuneAlferon-NrhuIFNα2brhuIFNα2arhuIFNβrhuIFNβ1brhuIFNγ1brhuIFNα3ScheringRocheBigoenChironGenentechInterferonScience白细胞介素2ProleukinrhuIL2Chiron第六十三页，共八十一页。粒细胞集落刺激因子NeupogenruhG-CSFAmgen粒细胞巨噬细胞集落刺激因子LeukinerhuGM-CSFImmunex红细胞生成素EpogenProcritrhuEPOAmgenOrtho组织溶纤原激活剂

ActvaserhuTPAGenentech生长激素

SerostimsomatotropinSerono促生长素NutropinSaizenGenotropinNorditropinBio-TropinsomatopinGenentechSeronoPharma/UpjohnNovoNordiskBiotechGeneral第六十四页，共八十一页。抗血友病因子ⅧKogenateRecombinatefactorⅧBeyerBaxter乙型肝炎疫苗RecombivaxHBEngerixBComraxhepatitisBvaccineMerckSmithKlineMerck甲型肝炎疫苗HavrixhepatitisAvaccineSmith