基因工程的应用级蛋白质工程.ppt

1、高中生物复习课件,卉原中学 王廷杰,选修三 现代生物科技专题,致同学们,专题一 基因工程,专题二 细胞工程,专题三 胚胎工程,专题四 生物技术的 安全性和伦理问题,专题五 生态工程,异想天开,第二讲 基因工程的应用及蛋白质工程,【考纲解读】,一、基因工程的应用：,植物基因工程硕果累累; 动物基因工程前景广阔; 基因工程药物异军突起;基因治疗曙光初照。,转黄瓜抗青枯病基因的甜椒,1、植物基因工程硕果累累,抗虫转基因植物,利用转基因改良植物品质,抗逆转基因植物,抗病转基因植物,虫害,t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。,抗虫转基因植物,抗虫植物,例：转基因抗虫棉

2、,抗病转基因植物,抗病毒,病毒外壳蛋白基因； 病毒复制酶基因；,花叶病,几丁质酶基因； 抗毒素合成基因。,抗病基因,抗真菌,转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯,抗逆转基因植物,抗盐碱、 干旱基因。,干 旱,调节细胞渗透压,盐 碱 地,涝 灾,抗盐碱、抗旱、耐寒、抗除草剂等。,耐储藏西红柿,利用转基因改良植物品质,许多食品营养不均衡。例如： 豆类：蛋氨酸少。大麦、玉米、小麦：赖氨酸少。,富含赖氨酸的 蛋白质编码基因,高赖氨酸玉米,(改变必需氨基酸合成途径中某种关键酶的活性),8种必需氨基酸： 赖氨酸、色氨酸、 苯丙氨酸、亮氨酸、 异亮氨酸、苏氨酸、 甲硫氨酸、缬氨酸。,2、动物基因工程前景广阔,提高动物

3、生长速度,用于改善畜产品品质,用转基因动物生产药物,用转基因动物作器官移植的供体,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？,提高动物生长速度,将人的生长激素基因和牛的生长激素基因分别注射到小白鼠受精卵中，得到的“超级小鼠”。,用于改善畜产品品质,有人对牛奶中乳糖不能完全消化、或有过敏症状。,导入乳糖酶基因,转基因牛 分泌的乳汁， 其他营养成 分不变，乳

4、糖 含量降低。,显微注射,重组,药物蛋白基因,乳腺蛋白基因的 启动子等调控组件,受精卵,转基因动物,所需药品,乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷),用转基因动物生产药物,培养,生产,抗凝血酶；血清白蛋白； 生长激素；抗胰蛋白酶。,乳腺生物反应器,用哺乳动物生产基因药物，最理想的表达场所是哪里？,转基因动物的乳腺。,如何让目的基因在乳腺中表达？,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）,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。 从乳汁中获取目的基因产

5、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。 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。,为什么乳腺是基因药物最理想的表达场所？,在血清白蛋白基因前加特异表达的启动子,思考:用动物乳腺生物反应器的生产药物（如人血清白蛋白）操作过程是怎样的？,获取目的基因,获取人血清白蛋白基因,构建基因表达载体,导入受体细胞,检测和表达,受精卵体外培养形成早期胚胎，将胚胎送入雌性个体子宫内，发育成转基因动物，外源基因在成熟雌性个体的乳腺细胞中表达，分泌的乳汁中提取人血清白蛋白。,显微注射到哺乳动物的受精卵中,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

6、在一起，通过显微注射等方法，导入哺乳动物的受精卵中，将 其 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或乳房生物反应器。,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。,继哺乳动物乳腺发生器研发成功后，膀胱生物发生器的研究也取得了一定进展。最近，科学家培养出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。请回答： （1）将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞，常用方法是_。 （2）进行基因转移时，通常要将外源基因转入_中，原因是 _ 。 （3）通常采用_ _技术检测外源基因是否插入了小鼠的

7、基因组 （4）在研制膀胱生物反应器时，应使外源基因在小鼠的_ _细胞中特异表达。,显微注射法,受精卵,具全能性，可使外源基因在相应的组织细胞中表达,DNA杂交,_膀胱上皮细胞,器官移植,人体移植器官短缺,寻求可替代移植器官,免疫排斥,基因工程,改造动物器官,器官供体基因组,某种调节因子,抑制或除去抗原决定基因的表达,克隆,无免疫排斥的移植器官,用转基因动物作器官移植的供体,导入,小结： 基因工程的应用 植物基因工程： 抗虫、抗病、抗逆转基因植物，利用转基因改良植物的品质。 动物基因工程： 提高动物生长速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物。,3、基因工程药物异军突起,在传统的制药厂中，胰岛

8、素、干扰素等如何生产？有何缺点？,直接从生物的组织、细胞或血液中提取。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。,干扰素生产车间,重组人胰岛素,转基因工程菌,生产药物,细胞因子、抗体、疫苗、激素。,预防和治疗：肿瘤、心血管疾病、遗传病、传染病、糖尿病、类风湿等。,用基因工程的方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系。,可高效率地生产出各种高质量、低成本的药品。,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

9、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，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,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

10、述干扰素大量投放市场。,基因工程药品 干扰素,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,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

11、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。,4、基因治疗曙光初照,基因治疗： 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，这是治疗遗传病的最有效的手段。,例：复合型免疫缺陷症,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。,遗传性疾病病人,正常基因,基因表达、发挥功能。,1990年9月14日，安德森对一例患腺甘脱氨酶缺乏症（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

12、生产ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。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血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。 ADA缺乏症：一种严重的免疫缺陷症,腺苷脱氨酶的缺乏可使T淋巴细胞因代谢产物的累积而死亡,从而导致严重的联合性免疫缺陷症(SCID)。通常导致婴儿出生几个月后死亡。,复合型免疫缺陷症的基因工程治疗,复合型免疫缺陷症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

13、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的基因发生了突变。可以通过基因工程的方法治疗。,患者生存在无菌环境中,ADA缺乏症的基因治疗,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。,半乳糖血症,基因治疗的类型,体外基因治疗：先从病人体内获得某种细胞，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

14、入患者体内。,体内基因治疗：直接向人体组织细胞中转移的治病方法。（如将治疗囊性纤维病的正常基因转入患者肺组织）,基因治疗的发展现状：,目前都处于初期的临床试验阶段,（操作复杂，但效果可靠。）,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、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。,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。 原理：利用DNA分子杂交原理； 探针制备：放射

15、性同位素(如32P)、荧光分子等标记的DNA分子；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。 探针必须是单链，并且带有容易被检测出来的标记物。,实例：,病毒的检测：肝炎病毒、肠道病毒、单纯孢疹病毒等；,遗传性疾病的检测：镰刀型细胞贫血症、苯丙酮尿症等；,A、制作基因探针；,基因诊断的过程,B、将待测基因加热成单链；,C、两者混合杂交。,珠蛋白的DNA探针 镰刀型细胞贫血症 苯丙氨酸羟化酶基因探针 苯丙酮尿症 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,DNA分子杂交原理：,DNA分子

16、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。,应用：神奇的基因芯片,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。,主要用于基因检测工作，让芯片上成千上万的探针分子，与被检测的带有标记的基因样品，按碱基配对原理进行杂交。,基

17、因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。,基因芯片在临床诊断方面表现出的独特优势： 在早期诊断中发挥作用；同时对多个病人进行多种疾病的检测；可以从分子水平上了解疾病。,体外核酸扩增技术。 优点：具有特异、敏感、产率高、 快速、简便、重复性好、易自动化等； 能在一个试管内将所要研究的目的基因或某一DNA片段于数小时内扩增至十万乃至百万倍,使肉眼能直接观察和判断； 可从一根毛发、一滴血、甚至一个细胞中扩增出足量的DNA供分析研究和检测鉴定。,应用：基因诊断PCR法,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

18、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？,1）用基因工程产物“超级细菌”分解石油，可以大大提高细菌分解石油的效率。具体方法：将能分解三种烃类的假单孢杆菌的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”。 2）用基因工程培养出“吞噬”汞和降解土壤中DDT的细菌，以及能够净化镉污染的植物。 3）通过基因重组构建新的杀虫剂，取代生产过程中耗能多、易造成环境污染的农药，并试图通过基因工程回收和利用工业废物。,通过基因工程方法怎样净化被污染的环境？,这是两幅同学画的基因工程卡通图。你能像这位同学一样。展开你想像的翅膀，用图画、文

19、字或用音乐创造等，来畅想基因工程的未来吗？,转基因技术的利与弊：,改变传统的育种方式，缩短育种时间。培育出高产优质、抗病虫害、抗旱、抗盐碱，抗除草剂等特性的作物新品种。 克服远源杂交不亲和障碍。如可以把动物的基因，甚至人的基因组合到植物里去。 生产有利于健康和抗病的食品。 培育出符合人们意愿的动植物新品种。,有些转基因食物含的一些物质，可能会影响人体健康。 大量的转基因生物进入自然界后很可能会与野生物种进行杂交，产生一些超级生物，从而造成基因污染。如有些作物插入抗虫基因，杀死环境中有益的生物。,二、蛋白质工程的崛起：,通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存在的活性物质，并借助转基因而改变动植

20、物性状，得以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗。然而在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现，这些蛋白质只是适应生物自身的需要，而对它们进行产业化开发往往不合意，需要加以改造。 1983年Ulmer首先提出蛋白质工程，它是指按照特定的需要，对蛋白质进行分子设计和改造的工程。自此以后，蛋白质工程迅速发展，已成为生物工程的重要组成部分。,回答,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 基因修饰或基因合成，对现有蛋白质 进行改造，或制造一种新的蛋白质， 以满足人类的生产和生活的需求。,蛋白质工程：,蛋白质工程的基本原理,翻译,逆转录,转 录,DNA,RNA,蛋白质,性 状,蛋白

21、质 三维结构,氨基酸序列 多肽链,mRNA,基因 DNA,1、中心法则,2、蛋白质工程流程图,蛋白质工程的主要步骤通常包括： （1）从生物体中分离纯化得到目的蛋白； （2）测定其氨基酸序列； （3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;,（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响； （5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变； （6）分离纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。,三、蛋白质工程的进展与前景,改造胰岛素 特效药品,应用于电子方面,蛋白质工程 制造电子元件。 优点：体积小、 耗电少、效率高。,胰岛素改

22、造,天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素 快速起作用。该 速效胰岛素已 通过临床实验。,水蛭素改造,水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形

23、成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。,生长激素改造,生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。 在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸

24、侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。,治癌酶改造,癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基3-OH缺乏,从而阻断DNA的合成，杀死癌细胞。HSVTK催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶,在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换，催化能力20倍以上。 蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了几个

25、例子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。,人类蛋白质组计划是继人类基因组计划后，生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学命题。2001年国际人类蛋白质组组织宣告成立。2003年该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以美国科学家牵头执行的“人类蛋白质组计划”，由此拉开了蛋白质组计划的帷幕。,人类蛋白质组计划,“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是

26、中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作计划，总部设在北京。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。,全力投入会使你与众不同，你是最优秀的，你一定能做的更好！,请拿出你的课本（17-29页），双色笔和学案，还有你的,你准备好了吗？,激情,1、举例说出基因工程的应用及取得的丰硕成果；关注基因工程的进展；认同基因工程的应用促进了生产力的提高。 2、举例说出蛋白质工程崛起的缘由；简述蛋白质工程的基本原理及过程；尝试运用逆向思维分析和解决问题 。,【重点和难点】,【学习目标】,第一讲 基因工程的基本工具和操作程序,1、基因工程的应用。 2、蛋白

27、质工程的基本原理及过程。,一、自主纠错、疯狂记忆（约3分钟）,对照参考答案纠正导学案的错误并理解记忆。,要求： 静心、动脑，深入思考。让自己知道哪些懂了，哪些还不懂，不懂的要用红笔画出来，以便讨论时重点突破。,温馨提示,疯狂记忆 1、。 2、。 3、。,全力投入会使你与众不同,你是最优秀的。你一定能做的更好！,二、小组合作、讨论解疑（约10分钟）,要求： 1、组长负责协调好分层讨论，先一对一讨论（3-5分钟），然后组内讨论，纠正好答案。要求每个人都有事干，注重讨论的效率。 2、要讨论出自己的东西，讨论完的同学整理总结知识，注意总结本组好的解题方法和规律，准备展示。,讨论内容： 1、自学中不能独

28、立解决的问题。 2、一会儿要展示的问题： （1）【自主预习】 （2）【合作探究】 （3）【课堂检测】,比一比，看一看，哪个小组效率高？,三、踊跃展示、高效点评、大胆质疑：,展示要求： 1、口头展示： 面向同学、语言简洁、准确，声音洪亮； 书面展示： 规范快速，注重总结规律方法。 2、讨论完毕总结整理完善，力争全部过关。 非展示同学： 在同学展示的时候继续讨论或记忆总结。并学会倾听，学会整理自己的答案，准备点评补充和质疑。,点评要求： 1、点评时声音洪亮脱稿，注重自己的“教态”。 2、点评讲究方法：先评书写、再评对错、后总结方法规律。 3、点评讲究效率：言简意赅，遇不明白时及时让给其他同学。 非点评同学： 注意倾听、思考，关键内容做好笔记，有补充或不明白的地方及时、大胆提出。,踊跃展示（5分钟）、高效点评（15分钟）,（1）【课堂检测】1、2,（4）【课堂检测】7、8,（2）【课堂检测