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1、基因工程的应用,专题基因工程,学习目标 1、举例说出植物基因工程的成果 2、举例说出动物基因工程的成果 3、举例说出基因工程药品 4、概括出基因治疗的原理及过程 5、说出基因芯片的概念,植物基因工程硕果累累,哪些转基因作物已进入大规模商业化应用阶段?,植物基因工程技术主要用于哪些方面?,一、植物基因工程,转基因工程技术主要应用方面：用于提高农作物的抗逆能力（如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等）,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 2、抗病转基因植物 3、抗逆转基因植物 4、利用转基因改良植物的品质,(一)抗虫转基因植物,1.虫害给农作物带来了哪些影响? 传
2、统农业如何防治害虫? 有哪些不足?,3.现在已有哪些抗虫植物问世?,4.抗虫基因有哪些？,请阅读P18生物资料技术卡,了解一些抗虫基因的抗虫机理。,5.抗虫棉的目的基因是什么?目的基因从何而来?,2.防治作物虫害的发展趋势是?,一.植物基因工程硕果累累,方法：,目的基因：,从某些生物中分离出具有杀虫活性的基因，将其导入作物中，使其具有抗虫性,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,成果：,转基因抗虫棉；转基因抗虫水稻等。,(一)抗虫转基因植物,（二）抗病转基因植物,1.什么是病原微生物？有哪些种类？,2.为什么说常规育种很难培育出抗病毒的新 品种？,3.抗病毒转基
3、因植物中使用最多的是什么基因？,4.在抗真菌转基因植物中使用什么基因？,目的基因：,病毒外壳蛋白基因（CP基因） 病毒的复制酶基因,成果：,抗烟草花叶病毒的转基因烟草 抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等。,一.植物基因工程硕果累累,抗病毒基因：,几丁质酶基因 抗毒素合成基因,抗真菌基因：,引起植物生病的病原微生物有：病毒、真菌和细菌,（二）抗病转基因植物,病毒外壳蛋白（coat protein, CP）基因 在植物中表达病毒外壳蛋白基因可以阻止病毒的侵染或症状的产生。 病毒外壳蛋白的抗性机理：一种假说认为，当入侵病毒的裸露核酸进入植物细胞后，它们立即被细胞中的自由CP所重新包裹，从而阻止了入侵病
4、毒核酸的翻译和复制。在离体条件下，附加自由CP能够抑制末装配病毒的翻译的实验结果支持了上述假说；另一假说认为，抗性机制是在CP水平上抑制病毒脱壳，此说法最有力的证据是转基因植株可抗完整病毒的侵染，但不能抵御裸露病毒RNA的入侵；还有一种观点认为病毒外壳蛋白的抗性机制不是外壳蛋白在起作用，而可能是它的RNA转录物与入侵病毒RNA之间的相互作用。,病毒复制酶基因 RNA病毒（如烟草花叶病毒）的复制酶是依赖于RNA的RNA聚合酶。 病毒复制酶一般是在病毒核酸进入寄主细胞并结合到寄主核糖体之后形成的。在植物中表达不完整的病毒复制酶基因可以显著提高植物对病毒的抗性，作用机制还不十分清楚，可能与基因转录后
5、沉默有关。,（三）抗逆转基因植物,1.哪些环境条件会造成农作物低产、减产？,2.盐碱和干旱对农作物的危害与什么有关？,在抗盐碱和抗干旱作物中使用了什么基因？,3.转基因耐寒的烟草和番茄中哪种目的基因提高了其抗寒能力？目的基因从何而来？,4.抗除草剂基因有何用途？,一.植物基因工程硕果累累,成果：,A.利用调节细胞渗透压的基因，提高作物抗旱和抗盐碱能力； B.将鱼的抗冻蛋白基因转入番茄，提高番茄的抗冻能力。 C.将抗除草剂基因导入农作物中，在喷洒除草剂时，杀死杂草而不杀死农作物。,（三）抗逆转基因植物,（四）利用转基因改良植物的品质,人体（或其它脊椎动物）必不可少，而机体内又不能合成的，必须从食
6、物中补充的氨基酸，称必需氨基酸。 必需氨基酸共有种：赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸。 如果饮食中经常缺少必需氨基酸，可影响健康。 另外12种氨基酸是人体细胞能够合成的叫做非必需氨基酸。,你知道哪些食品中缺少必需氨基酸？ 如何用转基因的方法加以改良？,将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物 改变必需氨基酸合成途径中某种关键酶的活性,含大量维生素的转基因玉米,抗癌抗衰老的紫色西红柿,（四）利用转基因改良植物的品质,转入维生素A合成酶基因的大米,转基因延熟番茄的目的基因是什么？,控制番茄果实成熟的基因,乙烯是催熟果实的一种激素，在其形成过程中需要乙
7、烯形成酶。通过基因工程可以获得能抑制乙烯形成酶基因表达的植物新品种，这些转基因植物的果实既保持了原有的品质，又延长了储藏期。,延长果实的储藏期,转基因矮牵牛,优点： 提高花卉的观赏价值,转基因矮牵牛,转基因蓝玫瑰,异想天开,一.植物基因工程硕果累累,成果：,A.将富含赖氨酸的蛋白质的编码基因导入玉米，获得的转基因玉米赖氨酸含量提高30。 B.将控制番茄成熟的基因带入番茄，获得转基因延熟番茄，储存期可以达2个月。 C.将与植物花青素有关的基因导入矮牵牛中，转基因矮牵牛出现颜色变异。,（四）利用转基因改良植物的品质,总结：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
8、可以改善粮食作物的 蛋白质含量。如“向日葵豆”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。,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？,二、动物基因工程前景广阔,（一）用于提高动物生长速度,动物品种改良、建立生物反应器、器官移植等,导入外源生长激素基因
9、,（二）用于改善畜产品的品质,有些人对牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状，科学家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，在其他营养成分不受影响的情况下，乳糖的含量大大减低。,乳糖,乳糖酶,半乳糖,（三）用转基因的动物生产药物（重点）,设问:就基因药物而言，最理想的表达场所是哪里？,转基因动物的乳腺。,为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢？ 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
10、基因的产物的同时，转基因动物又可无限繁殖。,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在一起，通过显微注射等方法，导入哺乳动物的受精卵中，将受精卵送入母体，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。,获取目的基因（例如血清白蛋白基因） 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（只有在产下的雌性个体中，转入的基因才能表达）。,思考:用基因工程技术实现动
11、物乳腺生物反应器的操作过程是怎样的？,用转基因的动物生产药物,人治疗性抗体转基因奶牛,含有人凝血因子的转基因羊,（四）用转基因动物作器官移植的供体,利用基因工程对猪的器官进行改造,方法：将器官供体基因组导入某种调节因子，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,导入人基因具特殊用途的猪和小鼠,二、动物基因工程前景广阔,（一）用于提高动物生长速度 导入外源生长激素基因 （二）用于改善畜产品的品质 导入 肠乳糖酶基因 （三）用转基因的动物生产药物 乳腺生物反应器：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在一起，通过显微注射等
12、方法，导入哺乳动物的受精卵中，将受精卵送入母体，使其发育成转基因动物 （四）用转基因动物作器官移植的供体 方法：将器官供体基因组导入某种调节因子，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,1.在传统的药品生产中，某些药品如胰岛素、干扰素等直接从生物体的哪些结构中提取？,从生物的组织、细胞或血液中提取。,2.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。,三、基因工程药品异军突起,3.可利用什么方法来解决上述问题？,3.可利用什么方法来解决上述问题？,利用基因工程方法制造转基因的工程菌，可高效率地生产出各种高质量、低成本
13、的药品。,工程菌:用基因工程方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系。,基因工程药品包括：细胞因子（即淋巴因子如白细胞介素2、干扰素）、抗体、疫苗、激素等,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,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
14、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,干扰素是动物或人体细胞受到病毒侵染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。此外干扰素对治疗癌症和某些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
15、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,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。,基因工程药物发酵设备,（一）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
16、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,1、基因治疗概念：,（二）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，是治疗遗传病的最有效的手段。 原理：把特定的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，从而达到治疗疾病的目的。,2、实例：,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。,(1)对严重复合型免疫缺陷症的治疗,四、基因治疗曙光初照,1990年9月14日，安德森对一例患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溶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
