基因工程的应用

1、.,基因工程的应用,专题基因工程,.,一、植物基因工程硕果累累,转基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力,以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面.,.,1.抗虫转基因植物,.,一 植物基因工程硕果累累,1.3 基因工程的应用,IMN,1.抗虫转基因植物,1）使用化学农药的弊端：,3）目的基因：,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）例子：,转基因抗虫水稻、抗虫棉,2）培育转基因植物的方法：,.,一 植物基因工程硕果累累,1.3 基因工程的应用,IMN,2.抗病转基因植物,1）目的基因：,病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因,最多：,几丁质酶基因和抗毒

2、素合成基因,抗真菌转基因植物：,2）例子：,抗病毒转基因小麦、抗病毒转基因甜椒,.,2.抗病转基因植物,.,一 植物基因工程硕果累累,1.3 基因工程的应用,IMN,3.其它抗逆转基因植物,1）造成低产和减产的常见因素：,2）盐碱和干旱对农作物的危害与什么有关：,与细胞内渗透压调节有关,3）目的基因：,抗盐碱和干旱作物：,调节细胞渗透压的基因,耐寒的番茄：,鱼的抗冻蛋白基因,抗除草剂的大豆：,抗除草剂基因,.,3.其他抗逆转基因植物,.,转鱼抗寒蛋白基因的番茄,.,转黄瓜抗青枯病基因的甜椒,.,转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯,.,不会引起过敏的转基因大豆,.,一 植物基因工程硕果累累,1.3 基因

3、工程的应用,IMN,4.利用转基因改良植物的品质,1）豆类中哪种必需氨基酸较少?大米、玉米、 小麦中哪种必需氨基酸较少?,蛋氨酸,2）如何培育富含赖氨基酸氨酸的转基因玉米? 转基因延熟番茄？具观赏价值的转基因矮牵牛？,赖氨酸,.,4.利用转基因改良植物的品质,.,提高观赏价值,.,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质含量。如“转基因高赖氨酸玉米”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。,.,繁殖具有抗病能力、高产仔率、高产奶率

4、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。,基因工程在畜牧养殖业上的应用主要是什么？,将人的生长激素基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠受精卵中，得到的“超级小鼠”。,.,二 动物基因工程前景广阔,IMN,1.动物基因工程的应用体现在那些方面？,用于提高动物生长速度,用于改善畜产品的品质,用转基因动物生产药物,用于转基因动物作器官移植的供体,.,二 动物基因工程前景广阔,IMN,2.如何利用动物基因工程技术提高动物的生长 速率?,3.怎样能在其他营养成分不受影响的情况下,降 低乳糖的含量?,将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组,.,

5、二、动物基因工程前景广阔,1.用于提高动物生长速度,.,2.用于改善畜产品的品质,3.用转基因的动物生产药物,如转基因牛分泌的乳汁，乳糖含量降低，营养成分不变,.,转基因牛,乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷),.,转基因动物的乳腺。,就基因药物而言，最理想的表达场所是哪里？,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。,什么叫转基因动物？,.,1）乳腺是一个外分泌器官，

6、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，转基因动物又可繁殖。,为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢？,二 动物基因工程前景广阔,IMN,4.简述乳房生物反应器的操作过程？,获取目的基因 （例如血清蛋白基因）,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 （只有在产下的雌性动物个体中， 转入的基因才能表达）,.,二 动物基因工程

7、前景广阔,IMN,5.乳房生物反应器的操作过程与转基因动物操作 过程有何不同之处？并阐述原因？,要在编码蛋白质的基因序列前加上乳腺组织 中特异表达的启动子（乳腺蛋白基因的启动 子）构成表达载体。,因为产品在奶中形成，需要乳腺组织中特异 表达的启动子。（基因的选择性表达）,.,二 动物基因工程前景广阔,IMN,供体动物：,存在的难题：,解决方法：,在供体基因组中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。,免疫排斥,6.用转基因动物作器官移植的供体动物、存在的 难题和解决的方法分别是什么？,小型猪,.,三

8、 基因工程药品异军突起,.,在传统的药品生产中，某些药品如胰岛素、干扰素直接生物体的哪些结构中提取？,药品直接从生物的组织、细胞或血液中提取。,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。,可利用什么方法来解决上述问题？,利用基因工程方法制造“工程菌”，可高效率地生产出各种高质量、低成本的药品。,.,基因工程胰岛素（一）,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,.,基因工程胰岛素（二）,将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！大规

9、模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了30%-50%!,胰岛素生产车间,.,干扰素是病毒侵入细胞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。此外干扰素对治疗某些癌症和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,.,基因工程干扰素（一）,干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药”！过去从人血中提取，300L血才提取1

10、mg！其“珍贵”程度自不用多说。,干扰素生产车间,干扰素分子结构,.,基因工程干扰素( 二）,基因工程人干扰素-2b（安达芬） 是我国第一个全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。,.,其它基因工程药物,人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。,人造血液及其生产,.,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

11、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,.,基因诊断：,也称为DNA诊断或基因探针技术，即在DNA水平分析检测某一基因，从而对特定的疾病进行诊断。 探针制备：放射性同位素(如32P)、荧光分子等标记的DNA分子； 原 理：利用DNA分子杂交原理；,四、基因治疗曙光初照,.,基因探针：,基因探针就是一段与目的基因或DNA互补的特异核苷酸序列。它包括整个基因，或基因的一部分；可以是DNA本身，也可以是由之转录而来的RNA

12、。,分子探针：核酸分子探针是指特定的已知核酸片段，能与互补核酸序列退火杂交，用于对待测核酸样品中特定基因顺序的探测。 满足：（1）必须是单链， （2）带有容易被检测出来的标记物。,.,DNA分子杂交原理：,DNA分子杂交是基因诊断最基本的方法之一。其基本原理是：互补的DNA单链能够在一定条件下结合成双链，即能够进行杂交。这种结合是特异的，即严格按照碱基互补配对进行。因此，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。,.,基因诊断技术在什么方面发展迅速？,在诊断遗传性疾病方面发展迅速。目前已经可以对几十种遗传病进行产前

13、诊断。,1）珠蛋白的DNA探针 镰刀状细胞贫血症 2）苯丙氨酸羧化酶基因探针 苯丙酮尿症 3）白血病患者细胞中分离出的癌基因制备的DNA探针 白血病,举例,.,基因治疗：,是指是把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。,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，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。,.,1、体外基因治疗： 2、体内基因治疗：,从病人体内

14、获得某种细胞，进行培养，然后，在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内。,直接向人体组织细胞中转移基因的治病方法。,.,SCID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,.,基因治疗SCID的过程,体外基因治疗,体内基因治疗,下 页,返 回,.,用于基因治疗的基因种类,1。用正常基因代替缺陷基因，或依靠其表达产物来弥补病变基因带来的缺陷。如血友病

15、、地中海贫血病的治疗。 2。反义基因。用mRNA分子与病变的mRNA分子进行互补，阻断蛋白质的合成。 3。自杀基因。编码可杀死癌变细胞的蛋白酶基因。,.,用口径为1m的DNA注射器，将大量的目的基因片段注入到受精卵的核内，然后把经过注射的受精卵移植到另一只雌性动物的子宫内，使受精卵发育为转基因动物。,什么叫显微注射技术？,.,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

16、了什么前景？,.,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,.,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。,.,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。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。,例题分析（一）,农业上大量使用化肥存在许多负面影响，生物固氮已成为一项重要研究课题，实验证明，生物固氮是某些微生物（如根瘤菌、蓝藻等）将空气中的N2固定为NH3的过程。 （1）与人工合成NH3所需的高温、高压条件相比，生物固氮的顺利进行是因为根瘤菌、蓝藻体内含有特定的 ，这类物质的化学本质是 。,酶,蛋白质,例题分析（一）续,（2）人们正在着力研究转基因固氮植物（如固氮水稻、固氮小麦等），某科学家将根瘤菌、细胞中的固氮基因，通过基因工程方法转移到水稻植株细胞中，经检测，转基因水稻具备了固氮功能。据上述材料分析：,固氮基因已经整合到