基因工程引言

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1、四川大学生命科学学院 张义正 教授 2019级硕士生 基因工程原理 Principle of Gene Engineering 引 言 三大重中之重高技术 l生物技术 BT l信息技术 IT l新材料技术 纳米技术 NT 生物技术概念与特征 l定义 利用活体生物或它们的产物来生产或修饰 一种产品以改良植物和动物 或发展具有特 殊用途的微生物的技术 l特征 21世纪最具潜力的高新技术 多学科 交叉 综合的技术 影响最为深远最广泛的技术 生物技术与生物工程的区别 lBiotechnology and Bioengineering l生物技术侧重于利用生物学方法解决 生物体本身的问题 l生物工程则侧

2、重于利用工程学方法解 决生物学问题 生物技术的基础 lDNA操作技术 l基因组计划 人类基因组和其他生物 基因组计划 l蛋白质组 l生物信息学 l下游支撑技术与手段 生物技术的类别 l传统生物技术 制酒 制醋 制豆瓣 l工业生物发酵技术 抗生素发酵 氨基 酸发酵等 l现代生物技术 生物技术的内容 l基因工程技术 l蛋白质工程技术 l细胞 组织 工程技术 l酶工程技术 l发酵工程技术 基因工程的概念 利用DNA体外重组或PCR扩增技术从 某种生物基因组中分离感兴趣的基因 或 是用人工合成的方法获取基因 然后经过 一系列切割 加工修饰 连接反应形成重 组DNA分子 再将其转入适当的受体细胞 以期获

3、得基因表达的过程 基因工程 gene engineering 常和以下名称混用 l遗传工程 genetic engineering l基因克隆 gene cloning l分子克隆 molecular cloning l基因操作 gene manipulation l重组DNA技术 recombination DNA technique l克隆 clone 作名词时指含有某目的DNA片段的重组 DNA分子或含有该重组分子的无性繁殖系 l作动词时是指基因的分离与重组过程 基因工程技术及其应用 基因本身也是一个产业 lRockfeller 大学将人肥胖基因出售0 2亿美 元 2019年3月 lAm

4、gen公司将FKBP神经免疫因子配体转 让达3 29亿美元 2019年 lMillennium公司以4 65亿美元向Bayer公司 转让225种基因的开发权 2019年9月 蛋白质工程的概念 在基因工程技术对编码蛋白质的基 因的了解基础上 对蛋白质的氨基酸 序列 结构和功能进行分析 进而通 过对蛋白质的结构 氨基酸序列和翻 译后的修饰等手段改变甚至创造出新 的和更有效的蛋白质 蛋白质工程主要内容 l主要目标 蛋白质氨基酸序列的分析 蛋白质晶体结构分析 蛋白质功能预测和分析 蛋白质组分析 细胞 组织 工程概念 利用工程学原理进行细胞生物学的基 础研究和制造使用活细胞的产品 如组 织工程和生物加工

5、工程 前者是利用移 植的细胞 骨架 DNA 蛋白质或蛋白 质片段替代或修复已受伤或损坏的组织 和器官 后者是 利用活细胞生产生物医 药产品 组织工程 人造器官 干细胞 2019年4月 美国的科研人员 首次成功地从成年人骨髓的干细胞在体 外培养分化出软骨 脂肪和骨骼细胞 标志着干细胞的研究取得了重大进展 以这项技术为代表的组织工程的 突破具有广阔的应用前景 在不远的将 来为实现人造 器官 成为可能 酶工程的概念 l是酶学与工程学的相互渗透和结合所发展起来以酶 为研究对象 改造并应用酶的特异催化功能 目标 就是通过工程化技术大规模生产和转化相应原料成 为有用物质的技术 l传统的酶工程主要是指天然酶

6、制剂在工业上的大规 模生产与应用 随着科学的发展 尤其是基因工程 技术的日趋完善 为酶工程赋予了新的内容 特别 是利用DNA操作技术 修饰改造酶分子的结构或活 性位点 酶与底物作用位点 重组酶的生产 模拟 酶的人工设计与合成等成为新的内容 酶工程的主要内容 l酶的分离纯化 l酶与细胞的固定化技术及反应器 l酶制剂的发酵生产 l酶分子化学修饰 遗传突变及结构改造 l酶抑制剂与激活剂开发与研究 l人工设计与合成模拟酶及酶分子 发酵工程概念 发酵工程属于生物技术的下游技 术 是工业化大规模培养细胞 生产 生物制品的一种技术 传统的发酵工程主要用于微生物 现代生物技术还包括动物 植物细 胞和工程菌的发

7、酵培养 发酵工程技术 l发酵对象 传统微生物发酵 基因工程菌发酵 动物 细胞培养 植物细胞培养 l发酵类型 液体发酵 固体发酵 固定化培养 流式 发酵 l发酵技术设备 生物技术的应用领域 l医药 生物制药 基因治疗 人工器官 l农业和畜牧业 转基因植物 抗病虫害新品种 抗逆新 品种 高品质新品种 转基因动物 生产有用蛋白质和高品质的 畜产品 生物反应器 利用动植物细胞或组织作为 生物反应器 直接生产有用蛋白质 生物技术的应用领域 l轻工与食品 新型食品 营养食品 保健食品 轻工用酶 l环境 污染治理 废物利用 污染物生物降解 生物技术产业化 生物技术产业术产业 利用细细胞和生物分子进进行药药

8、品 农产农产 品生产产开发发和环环境治理的产业产业 该产业该产业 技术术由医药药生物技术术 农业农业 生物技 术术和环环境生物技术术共同组组成 l医药药生物技术术重点攻克癌症 艾滋病 老年 痴呆症 帕金森病 心脏脏病 糖尿病等危害 人类类的顽顽疾 l农业农业 生物技术术着眼于提高农产农产 品的产产量和 质质量 l环环境生物技术术重点用于清除危险废险废 弃物 美国生物技术工业组织 生物制药产业化特点 l高技术 高层次人才 高新技术手段 多学科渗透 l高投入 在国外 一个生物药品平均要投入1 3亿美 元 并随着开发难度的增大 有逐步增高的趋势 l长周期 国际上 一个新的生物药品需要6 8年时间 l

9、高风险 一个新药品的开发 经过一系列的程序 研 发 中试 动物实验 I III期临床实验 上市和严 格的药政监督管理 每一步都可能失败 而前功尽 弃 l高回报 开发成功一个新的生物药品 回报很高 如美国Amgen公司 首次开发上市的EPO G SCF 到2019年的销售额分别接近和达到20亿美元 基因工程试剂的高回报 l碱性成纤维细胞生长因子 231元 ug l红细胞生成素 1072元 ug l白细胞介素 2 410元 ug l巨细胞粒细胞集落刺激因子 1960元 ug l胰岛素 10 2元 mg 全球生物科技公司前10名 2019年 公司名称市值值 亿亿美元 98年收入 亿亿美元 Amgen

10、 41627 遗传遗传 技术术研究公司18510 生物遗传遗传 研究公司1185 Elan 894 Immunex 712 Medimmune 562 希龙龙506 Alza 436 Centocor 423 Genzyme 387 美国生物技术产业发展情况 世界主要生物药品年销售额 亿美元 EPO 16 5 葡萄糖脑苷酯酶 2 15 抗CD3MAb 0 8 人白细胞介素2 0 40 凝血因子VIII 2 5 干扰素 7 00 G CSF 9 36 干扰素 2 55 GM CSF 0 41 干扰素 0 04 tPA 3 0 人生长激素 4 50 B型肝炎疫苗 10 0 人胰岛素 7 00 美国

11、生物制药产品种类及数量 PHRAM 疾病种类 产品数量 疾病种类 产品数量 感染性疾病 39 心脏病 26 神经系统疾病 28 呼吸系统疾病 22 艾滋病及相关疾病 19 自主免疫系统疾病 19 皮肤病 19 移植 13 消化系统疾病 11 遗传疾病 11 血液疾病 9 糖尿病及并发症 7 不育症 5 眼病 3 生长发育不良症 3 骨质疏松 2 妊娠预防 2 肿瘤疾病 175 基因治疗人数情况 中国基因工程制药 l200多家生物技术公司 l生物技术药品产值 2019 18亿元 2019 30亿元 2000 72亿元 l可生产药物品种 约20种 国内产业化生物药品概况 产品种类 临床I 临床II

12、 临床III 批准上市 凝血因子 VII IX VIII 细胞刺激因子 SCF TPO G CSF M CSF EPO 生长因子 骨形成因子 肌营养因子 FGF GM CSF 胰岛素类似物 血小板衍生因子 HGH EGF 干扰素 IFN 1b 1b 2a n3 1b 1b 白介素 1 1 3 6 2 4 12 11 激素 人促卵泡素 甲状旁腺素 胰高血糖素 胰岛素 心钠素 降钙素 促黄体生成素 IGF 1 甲状腺刺激素 酶 羧肽酶 尿酸氧化酶 葡萄脑苷酯酶 脱氧核糖核酸酶 链激酶 疫苗 CEA HSV 流感病毒 Lyme HBV HCV 其他 水蛭素 松弛素 HB SOD TNF tPA 白蛋

13、白 杀菌蛋白 单克隆抗体 可溶性补体受体I型 中国生物医药产业化问题 l缺乏创新 仿制产品 l重复过多 水平不高 l投入不足 少而分散 l产权保护意识淡薄 l质量管理落后 l支持技术落后 l药政管理滞后 生物技术产业化 农业领域 l已有35个科120多种植物获得转基因植物 一 些重要的农作物获得商品化的转基因品种 l种植面积迅猛发展 l采用的基因正在从抗除草剂 抗菌素 抗病 虫害基因到抗逆境 高品质方向发展 l由单个质量性状基因向多基因数量性状转变 l植物反应器生产稀有蛋白 世界转基因作物大田释放情况 1987 1 2019 4 转转基因作物特性批准项项数所占比例 抗除草剂剂129729 6

14、抗虫104623 8 提高产产品质质量88620 2 抗病毒4369 9 改善农农学性状2114 8 抗真菌病2084 7 其他3036 9 总计总计4387100 中国已获准进入大田的转基因植物 2019 3 转转基因植物总项总项 数48 转转基因植物种类类15 抗除草剂剂3 抗虫16 抗病16 提高品质质2 改善农农学性状1 其他10 转基因作物种植面积 生物技术与传统中药 l中药现代化 核心是建立与现代基因学说相应的现代中药 理论 l现代中药理论的建立 确立中药与基因表达的关系 中药药靶 基因 或作用位点基因的寻找 中药化学组 中药有效成分包括较单一的成分和多种成分 中药临床药效的科学评

15、价与分析方法 l生物技术的应用 中药基因组 利用现代生物技术研究分析中药对人体 细 胞 基因表达 蛋白质 的影响 技术平台 大规模基因表 达分析 基因芯片 SAGE 蛋白质组等技术 以及相关信 息数据库的建立 中药化学组 利用现代仪器分析技术分析有效成分及其药 物代谢 动力学 技术平台 色谱及色谱 质谱 色谱 波谱 波谱 波谱联用等分析技术与层析 临界萃取等分离技术 中药新剂型 单击此处编辑母版标题样式 单击此处编辑母版副标题样式 39 一 基因工程原理的授课内容 单击此处编辑母版标题样式 单击此处编辑母版副标题样式 40 基因工程流程图 第一章 分子克隆工具酶及其应用 l限制性内切酶 主要用

16、于DNA分子的特异切割 lDNA甲基化酶 用于DNA分子的甲基化 l核酸酶 用于DNA和RNA的非特异性切割 l核酸聚合酶 用于DNA和RNA的合成 l核酸连接酶 用于DNA和RNA的连接 l核酸末端修饰酶 用于DNA和RNA的末端修饰 l其它酶类 用于生物细胞的破壁 转化 核酸纯化 检测等 第二章 分子克隆载体 l 分子克隆载体特点 l 分子克隆载体种类 l 细菌克隆载体 E coli克隆载体 质粒型 噬菌体型 COS质粒型 噬粒型 phagemid G 菌克隆载体 G 菌 克隆载体 链霉菌克隆载体 l 酵母菌克隆载体 l 丝状真菌克隆载体 l 植物克隆载体 l 动物克隆载体 l 克隆载体的选择 l 克隆载体的构建 第三章 核酸技术 l核酸分离纯化技术 DNA 供体 载体 片段 RNA 总RNA mRNA 多聚核糖体RNA l核酸电泳技术 DNA和RNA 常规电泳 脉冲场凝 胶电泳 毛细管电泳 lDNA限制酶切和限制酶图谱绘制技术 lDNA分子的连接技术 lDNA聚合酶链式反应 PCR技术 l核酸杂交技术 原位 斑点 Southern Northern Western SSH技术 l