基因工程的应用蛋白质工程的崛起

基因工程的应用蛋白质工程的崛起第一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五一、基因工程的应用1.转基因植物类别应用实例抗虫抗病抗逆改良杀虫的基因主要有Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等抗病毒基因:病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因;抗真菌基因:几丁质酶基因和抗毒素合成基因抗盐碱和抗干旱的调节细胞渗透压基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因①转基因玉米中赖氨酸的含量比对照提高30%②转基因延熟番茄储存时间可延长1～2个月③转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色变异第二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2.转基因动物类别应用实例提高生长速度改善畜产品品质生产药物作器官移植的供体如转外源生长激素基因绵羊和转外源生长激素基因鲤鱼生长速率快、体型大如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中,乳糖的含量大大减低,而其他营养成分不受影响目前,已在牛和山羊等动物乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要药品科学家正试图利用基因工程方法对猪的器官进行改造,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反应的转基因克隆猪器官第三页，共三十七页，编辑于2023年，星期五3.基因工程药物（1）来源：转基因的________。（2）成果：__________、抗体、_____、激素等。（3）作用：预防和治疗__________、心血管疾病、________、各种传染病、糖尿病、类风湿等疾病。4.基因治疗（1）方法：把_________导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能。（2）效果：治疗________的最有效的手段。（3）分类：______基因治疗和______基因治疗。工程菌细胞因子人类肿瘤遗传病正常基因遗传病体内体外疫苗第四页，共三十七页，编辑于2023年，星期五二、蛋白质工程1.概念理解（1）基础：蛋白质分子的__________及其与生物功能的关系。（2）操作：__________或基因合成。（3）结果：改造了现有蛋白质或制造出____________。（4）目的：满足人类的_____________的需求。2.操作过程从预期的____________出发→设计预期的__________→推测应有的___________→找到相对应的_______________(基因)→

基因表达→产生需要的蛋白质。结构规律基因修饰新的蛋白质生产和生活蛋白质功能蛋白质结构氨基酸序列脱氧核苷酸序列第五页，共三十七页，编辑于2023年，星期五基因工程的应用成果1.乳腺生物反应器与工程菌生产药物的比较（1）概念：①乳腺生物反应器是指将外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白。②工程菌是指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系。（2）两者的区别：第六页，共三十七页，编辑于2023年，星期五比较项目乳腺生物反应器工程菌基因结构基因表达受体细胞导入目的基因的方式动物基因的结构与人类基因的结构基本相同细菌或酵母菌等生物基因的结构与人类基因的结构有较大差异合成的药物蛋白与天然蛋白质相同细菌细胞内没有内质网、高尔基体等细胞器,产生的药物蛋白可能没有活性动物的受精卵微生物细胞显微注射法感受态细胞法第七页，共三十七页，编辑于2023年，星期五比较项目乳腺生物反应器工程菌生产条件药物提取生产设备不需严格灭菌,温度等外界条件对其影响不大需严格灭菌,严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件从动物乳汁中提取从微生物细胞中提取畜牧业生产,加提取设备工业生产,设备精良第八页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2.基因治疗与基因诊断原理操作过程进展基因治疗基因诊断基因表达碱基互补配对利用正常基因导入有基因缺陷的细胞中,以表达出正常性状来治疗临床实验制作特定DNA探针与病人样品DNA混合分析杂交带情况临床应用第九页，共三十七页，编辑于2023年，星期五【高考警示钟】1.并非所有个体都可作为乳腺生物反应器操作成功的应该是雌性个体，个体本身的繁殖速度较高，泌乳量、蛋白含量等都是应该考虑的因素。2.基因治疗并未改变缺陷基因基因治疗是把正常基因导入受体细胞中，以表达正常产物从而治疗疾病，对原来细胞中存在缺陷的基因没有清除或改变。第十页，共三十七页，编辑于2023年，星期五【典例训练1】动物乳腺生物反应器是基于转基因技术平台，将外源基因导入动物组织中并定位表达于动物乳腺，使哺乳动物成为“批量生产药物的工厂”。如图是利用乳腺生物反应器生产某种药用蛋白的流程图，请回答下列问题：第十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五(1)完整的基因表达载体除了图中所示结构，还应有_________

等。基因表达载体导入受体细胞最常用的方法有：_________

（植物）、_________（动物）。（2）目的基因的获取与基因表达载体的构建都需要用到的工具酶是_________

，有何特点？__________________。（3）过程②形成的胚胎可以用_________技术来检测是否含有药用蛋白基因。（4）除利用乳腺、膀胱等生物反应器外，人们还可以利用_________、_________等方法来生产上述物质，而传统生产上述药品是_________中提取，存在的缺点是_______________。第十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五【解题指南】1.考查实质借转基因动物生产药物的相关知识来考查基因工程的工具和操作过程。2.解题关键（1）载体的组成必须具备表达的调控序列和筛选的标记基因。（2）工程菌与动物细胞代谢的环境必须是无菌条件。【解析】（1）基因工程中基因表达载体由载体和目的基因组成，完整的基因表达载体有以下构成部分：复制原点、启动子、终止子和标记基因。基因表达载体导入受体细胞常用的方法有植物：农杆菌转化法（最常用）、花粉管通道法、基因枪法；动物：显微注射法。第十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期五（2）目的基因与载体构建基因表达载体的前提是二者具有相同的黏性末端，要产生相同的黏性末端必须用同种限制酶来切割，因为酶具有专一性，只有用同种限制酶切割才能保证产生相同的黏性末端。（3）在胚胎时期导入的目的基因还未表达，不可能从产物上来检测，所以不能用抗原-抗体杂交，也不能用DNA与RNA分子杂交，只能用DNA分子杂交，胚胎细胞均来自同一受精卵，所含的遗传物质相同，若含有导入的目的基因，通过DNA分子杂交就能出现杂交带，从而证明了目的基因已经导入。（4）乳腺生物反应器和膀胱生物反应器是转基因动物生产药物的新方法，传统生产多以微生物发酵工程或动物细胞工程为主要方法，但由于受操作条件相对较苛刻等的限制，所以价格较高。第十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期五答案：（1）终止子、标记基因农杆菌转化法显微注射法（2）限制酶专一性（3）DNA分子杂交（4）工程菌培养动物细胞培养直接从生物组织、细胞或血液由于受操作条件相对较苛刻等的限制，价格十分昂贵第十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期五【互动探究】③过程可能涉及哪些生物技术？提示：早期胚胎培养、胚胎移植、胚胎分割。分析：受精卵细胞发育成个体，需要在体外进行早期胚胎培养，然后移植到同期发情处理的雌羊的子宫内继续发育，为得到多只羊可能还需要胚胎分割技术。第十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期五蛋白质工程与基因工程

比较蛋白质工程基因工程区别过程目的结果联系从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列(基因)目的基因的获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定定向改造或生产人类所需的蛋白质定向改造生物的遗传特性,获得人类所需的生物类型或生物产品可生产自然界没有的蛋白质原则上只能生产自然界已存在的蛋白质(1)蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程(2)基因工程能为蛋白质工程提供理论及技术支持,蛋白质工程可对基因工程中所需的某些酶进行修饰、改造,使之更符合需要第十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期五【典例训练2】干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在-70℃条件下保存半年，给广大患者带来福音。（1）蛋白质的合成是受基因控制的，因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设计实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”：设计推测合成第十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期五（2）基因工程和蛋白质工程相比较，基因工程在原则上只能生产_______________的蛋白质，不一定符合_______________需要。而蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过_______________或_______________，对现有蛋白质进行_______________或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活需要。（3）蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的_______________结构。第十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期五（4）对天然蛋白质进行改造，应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？________________________________________________________________________。原因是：_________________________________________________________________________________________________。【解题指南】1.考查实质对蛋白质工程的实验流程的理解。2.解题关键（1）明确蛋白质工程的实质是根据蛋白质预期功能推测出相对应的脱氧核苷酸序列。（2）明确蛋白质工程是通过改造基因来改造蛋白质。第二十页，共三十七页，编辑于2023年，星期五【解析】（1）蛋白质工程的基本流程为根据预期的蛋白质功能推测出蛋白质结构及控制该蛋白质的基因的脱氧核苷酸序列。（2）蛋白质工程的实质是通过对基因改造或修饰制造自然界不存在的符合人们生产和生活需要的蛋白质。（3）蛋白质的空间结构十分复杂，很难根据预期功能来预测出空间结构。（4）基因控制蛋白质的合成，对基因的改造相当于间接改造了蛋白质。第二十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五答案：（1）预期的蛋白质功能预期的蛋白质结构应有的氨基酸序列相对应的脱氧核苷酸序列（基因）（2）自然界已存在人类生产和生活基因修饰基因合成改造（3）空间（或高级）（4）应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造首先，任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因也就是对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以通过改造过的基因遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子也无法遗传；其次，对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作，难度要小得多第二十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五1.阅读以下资料，完成各题。Ⅰ．一个眼科专家小组将能够产生“探色”蛋白质的基因注入两只患有色盲症的猴子眼中，帮助这些动物第一次看到红色和绿色。Ⅱ．一些研究人员一直建议使用冰冻猛犸象尸体的皮肤或毛发“克隆”猛犸象。Ⅲ．一些学者假想将经过改造的转基因植物作为改造某些自然条件恶劣地区的先锋植物。第二十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期五（1）资料Ⅰ所采用的技术手段是____________工程，这一技术大体可以分为四个阶段：目的基因的提取→基因表达载体的构建→_____________________→目的基因的检测与鉴定。一个基因表达载体的组成除了目的基因外，还必须有____________、

____________以及标记基因。第二十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期五（2）以下是某些研究人员设想的利用冰冻猛犸象尸体的皮肤或毛发复活猛犸象的过程：第一步：从已灭绝的动物身上提取DNA，对片段进行排序和组装以获得完整基因组。第二步：利用获得的基因组在数量合理的染色体内重建已灭绝动物的DNA。第三步：将染色体“打包”植入一个人造细胞核，而后将细胞核注入来自相配替代品的卵子。第四步：胚胎植入现代象子宫内，使之顺利发育成幼兽。其中第四步运用的技术手段是______________________技术。（3）资料Ⅲ中采用的措施主要可能造成_______________两方面的安全问题。该过程应用的主要生物技术是____________。第二十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期五【解析】（1）从四个阶段的内容提示上分析，将外源基因导入猴子体内表达的技术手段应该是基因工程。基因工程的四个操作步骤为：目的基因的提取；基因表达载体的构建；将目的基因导入受体细胞；目的基因的检测与鉴定。表达载体的组成包括：目的基因、启动子、终止子、标记基因等。（2）将体外操作完成的胚胎移入子宫内，以得到胚胎发育的良好条件，是胚胎移植的规范操作。（3）改造的先锋植物一旦入侵到农田中将造成严重的生态问题，如威胁其他生物的生存等。该过程是由细胞得到个体的过程，为植物组织培养过程。第二十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期五答案：（1）基因将目的基因导入受体细胞启动子终止子（2）胚胎移植（3）生物安全、环境安全植物组织培养第二十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2.（2012·龙岩模拟）如图是利用奶牛乳汁生产人血清白蛋白的图解，根据下图回答：（1）在形成图中③的过程中，我们称②为________________，获取②的途径主要有__________________________________。第二十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期五（2）有人对这种牛奶不敢食用，人们对这种转基因食品的担心表现在______________________、___________________、

___________________________。（3）人血清白蛋白的生产说明该工程突破了自然界物种之间的

________________，在基因表达载体中，人的血清白蛋白基因前端必须要有__________________。（4）对①处理后的分散细胞进行培养，通常要在培养液中添加一定量的___________，此外应定期更换___________，以便保证被培养的细胞处于___________的环境中。第二十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期五【解析】（1）②血清白蛋白基因是目的基因，获取目的基因的途径主要有3个：一是从相应生物的基因文库中获取，二是利用体外PCR技术大量扩增，三是基因比较小，核苷酸序列已知，可以用化学方法直接人工合成。（2）人们对转基因食品的担心表现在：担心出现滞后效应、担心出现新的过敏原、担心营养成分改变等。（3）利用奶牛乳汁生产人血清白蛋白，突破了自然界物种之间的生殖隔离；启动子是一段有特殊结构的DNA片段，是RNA聚合酶识别和结合的部位；有了它才能驱动基因转录出mRNA，翻译出蛋白质，故在基因表达载体中，人血清白蛋白基因前端必须要有启动子。第三十页，共三十七页，编辑于2023年，星期五（4）动物细胞培养首先应保证被培养的细胞处于无菌、无毒的环境；通常还要在细胞培养液中添加一定量的抗生素，以防培养过程中的污染；此外，应定期更换培养液，以便清除代谢产物，防止细胞代谢产物积累对细胞自身造成危害。答案：（1）目的基因从基因文库中获取、PCR技术扩增、人工合成（2）担心出现滞后效应担心出现新的过敏原担心营养成分改变（3）生殖隔离启动子（4）抗生素培养液无菌、无毒第三十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五3.抗旱植物体内的抗旱基因为R，旱敏基因为r。研究表明，多数抗旱农作物能通过细胞代谢产生一种代谢产物，调节根部细胞内的渗透压，此代谢产物在叶肉细胞内很难找到。（1）抗旱农作物的叶肉细胞内难以找到与抗旱有关的代谢产物的原因是____________________________。（2）现已制备足够多的R探针和r探针，通过探针来检测某植物相关的基因型。请据图分析回答：第三十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五①图中扩增基因常用的方法是_________。若已提取到某抗旱植物Rr的叶肉细胞总DNA，_____（“能”或“不能”）以DNA为模板直接扩增抗旱基因，扩增过程中寻找抗旱基因的位置依靠______________。②图中处理基因获取单链DNA常用的方法有_______________。第三十三页，共三十七页，编辑于2