第五章 遗传和变异——生命特征的延续与发展.ppt

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1、第五章 遗传和变异 基因 基因在遗传中的作用 生物的遗传变异与生物进化 遗传和优生 基因工程教学目的与要求教学目的与要求：了解遗传因子的发现过 程，掌握基因的本质。掌握基因在生物遗传中 的作用。了解生物的遗传变异在生物进化中的 作用。了解遗传病的种类、诊断和基因治疗的 一般知识。了解基因工程的原理、基本内容和 应用。教学重点与难点：基因的本质。基因在生 物遗传中的作用。遗传病基因工程 基因工程概述 基因工程的方法步骤 基因工程研究进展和应用前景 基因工程安全性 基因工程操作及其产 品安全性 基因工程安全性 基因工程操作及其产品安全性 1971年，MIT（美国麻省理工学院）有人提出了将猴肾病毒

2、SV40DNA同噬菌体DNA重组，然后导入大肠杆菌细胞的设想 。反对的理由：带有病毒DNA的重组分子有可能从实验室逸 出，并随着大肠杆菌感染人类的肠道，其后果将十分严重。 于是研究计划被搁置。 开始是从事DNA重组研究的科学工作者担心，后来波及到群 众团体。 1973年，美国的公众第一次公开表示，担心应用重组DNA技 术可能会培育出具有潜在危险性的新型微生物，而给人类带 来难以预料的后果。 1974年，美国成立重组DNA咨询委员会，担 心重组DNA在人类及其它的生物体内传播， 因而有可能造成或扩大癌症及其它疾病的发 生范围，要求暂停两类的实验： 第一类，涉及组合一种在自然界尚未 发现的，有产生

3、病毒能力或带有抗菌素抗性 基因的新型有机体。 第二类，涉及将肿瘤病毒或其它动物 病毒的DNA引入细菌的实验。 1975年，展开讨论：潜在危险的基因可能偶然逃出 实验室，或成功地寄生在实验工作者的肠道中，从 而导致某种灾难性的后果；过分担忧没有必要，有 危险可以防范，原核生物同真核生物接触，自然合 成重组体类型，没有在自然选择中取得优势。但在 如下三个问题上达成一致： 新发展的基因工程技术为解决生物、医学和社 会问题展开了乐观的前景。 新组成的重组DNA生物体的以外扩散，可能会出 现不同程度的潜在危险。采取防范措施，在严格控制 条件下进行必要的DNA重组实验。 目前进行的某些实验，即便在严格控制

4、的条件 下，其潜在的危险性仍然很大。 1976年，美国制定了“重组DNA研究准则”：禁止若 干类型的重组DNA实验，规定了实验的物理防护和生物 防护。物理防护，P1-P4（分别为普通、装备负压柜、全 负压实验室、专用试验楼）。生物防护EK1-EK3（分别为 大肠杆菌在自然环境中一般都是要死亡的、在自然环境 中无法生存） 1976年发展出来第一个安全菌株EK12，1776菌株，营 养缺陷突变体、细胞壁十分脆弱。 1977年，首家专门制造和生产医疗药品的基因工程公司 成立。 发展证实，危险并不象担心的。迄今尚未发现重组DNA 危险事例。 1979年，允许使用病毒DNA进行重组实验。 1984年，美

5、国公布了新条例，有所放宽。 1989年，批准了植物基因工程。 基因工程研究进展和应用前景 微生物基因工程 ，微生物生长繁殖快、容 易大规模培养 人胰岛素 胰岛素是治疗胰岛素依赖性 糖尿病的唯一有效的药物。胰岛素由A、B两 条链组成，分别有21和30个氨基酸。500多万 患者。以前获得500g胰岛素需要800-1000kg 的牛胰脏。1978年，美国Genentech公司成功 用大肠杆菌表达了人的胰岛素基因。1982年 美国FDA批准基因工程胰岛素在美国销售。 生长激素 缺乏导致侏儒症。191个氨基 酸的蛋白质。生长激素有物种特异性，所以只能 用人的生长激素来治疗侏儒症。以前大多从尸体 的脑垂体

6、中获得，来源非常有限。现在用大肠杆 菌生产。我国正在试产。 干扰素 一类抗病毒、抗肿瘤、同时具有 免疫调节功能的蛋白质。根据来源不同可分为 、三个亚型。过去靠体外培养的人细胞来 生产，产量低，成本高。现用大肠杆菌生产治疗 病毒感染和某些肿瘤。 乙型肝炎疫苗 HBV通过血液传播。我国 HBV携带者至少有1亿人。HBV不能在组织培养细 胞中生长，以前乙肝抗原只能从病毒携带者的血 清中分离加热处理后制成疫苗，成本高，数量少 。现用大肠杆菌生产乙肝病毒的基因工程疫苗。 我国已普及。 植物基因工程 ，培育优良品种，增加粮食产量、改 进粮食品质、减少化肥和农药的使用。 抗虫作物 抗虫棉和抗虫玉米 抗旱植物

7、 抗旱的烟草和番茄 改进农产品的品质 提高植物油中的不饱和脂 肪酸含量，增加谷类和豆类种子中的赖氨酸含量。兔 毛棉花在我国培育成功，棉花纤维的质量很好，具有 兔毛般的光泽。 利用植物生产疫苗和抗体 表达动物蛋白的转 基因植物，生产小鼠抗体的烟草、生产人血清白蛋白 的马铃薯和生产人干扰素的萝卜。目前的热点是用植 物来生产疫苗。也许有一天，人们可以通过吃香蕉而 不是打预防针来进行爱滋病疫苗的接种。 动物基因工程，使动物获得人类所需的某些性 状；使动物具有可遗传的免疫力，对某些疾病 和不良环境产生抗性；生产对人类有价值的产 品当前动物基因工程的主要方向。 特异表达系统：乳腺表达系统，奶容易收 集；奶

8、中的蛋白种类少，容易从中纯化所需的外 源蛋白；饲养的家畜奶的产量都不低。血液表达 系统，血液采集方便。 基因动物生产的药有：人血红蛋白、人乳 铁蛋白等。 基因工程的方法步骤 包括以下5个步骤 目的基因的获得，人工合成、PCR法、利用 基因杂交从基因文库中筛选。 目的基因与载体DNA片段的体外连接，形成 重组DNA分子 。基因工程载体：目的基因的扩增 需要一种能在细胞中自主复制的载体。质粒（人 工改造）、噬菌体。 将重组DNA分子转移到受体细胞内，并令其 增殖 筛选获得了重组DNA分子的细胞。基因克隆 ，目的基因得到大量扩增，而且来源于无性繁殖 的同一个细胞。 外源基因（目的基因）表达的检测 基

9、因工程概述 基因工程，又叫重组DNA技术。在体外将外源DNA 分子经切割和连接，插入到病毒、质粒或其它载 体分子中，形成重组DNA分子，倒入受体细胞中 ，使外源基因在受体细胞中表达的过程。 重组DNA技术是现代生物技术的核心手段，它使 在基因水平上改造生物遗传特性成为可能。 遗传和优生 遗传病 ,指细胞中遗传物质发生异常改 变而导致的疾病。 遗传病的一般特征 遗传病的分类 遗传病的预防 遗传病的治疗 优生学遗传病的治疗 遗传病的发病过程从四个水平来分析：基因 水平、酶水平、代谢水平、临床水平。 环境工程：酶水平和代谢水平。要求对患者 在出生后即、或患者出现典型症状予确诊， 采取措施。 遗传工程

10、：基因治疗 体外原位治疗，从患者体内取出带有基因缺陷的细胞 基因修正培养修正后的细胞通过细胞融合或移植转 入患者体内。 体内基因治疗，将具有治疗功能的基因直接转入病人的 某一特定的组织中。自杀基因治疗法治疗肿瘤或癌症（ 自杀基因转入癌细胞，这种基因编码的蛋白能把无害的 药物前体转变为有毒物质，从而将癌变的细胞杀死。美 国已在临床上进行应用）；肿瘤抑制基因。 反义疗法，阻遏或降低目的基因的表达。 DNAmRNApro 积累致病。引入反义RNA和mRNA配对， 降低mRNA、蛋白质产物量降低。 通过核酶的基因治疗，具有酶活性的RNA分子可裂解RNA 。核酶可以切割HIV基因组RNA，并阻断其复制。

11、美国FDA 已批准将核酶倒入细胞的试验。 基因治疗尚待克服的困难、潜在的风险和 应用前景 尚待克服的困难：进入临床实验的最大障碍是，重 组病毒载体带入的目的基因是否能发挥正常的功能 （表达）。 目的基因产生的酶太少。 潜在的风险：主要问题是“插入突变”，随即插入 会影响其它基因的表达；基因治疗所用的病毒可能 从细胞中逃脱而感染其它病人，甚至出现象爱滋病 之类的新疾病。 几乎不可能，因为用缺陷型。 应用前景：可以用于基因治疗的遗传病，半乳糖症 、精氨酸症、血友病。 优生学 优生学：使用遗传学的原理和方法，改善 人类的遗传素质，防止出生缺陷，提高人 口质量的一门科学。 预防性优生学：降低不利基因频

12、率， 减少患病性。消极优生学 演进性优生学：提高优秀个体，增 加有利基因组合。积极优生学 优生学措施 婚前检查 避免近亲结婚 适龄生育 遗传咨询 产前诊断 妊娠早期避免接触致癌剂：电离辐 射、抗生素、化学物质、病毒。 饮食控制疗法，当代谢发生异常造成机体必需的物 质缺乏时，则加以补充；造成某些代谢物质大量积 累时，则限制此代谢物的前身物质的摄入，以维持 代谢平衡。如，半乳糖血症给予无乳糖饮食、苯丙 酮尿症给予低苯丙氨酸饮食、维生素缺乏补充维生 素。 药物疗法，原则是补缺、去余。先天性免疫球蛋白 血症患者可给免疫球蛋白制剂；糖尿病给予胰岛素 。用正常的酶代替先天性代谢病患者所缺陷的酶， 脑苷脂患

13、者注射-葡萄糖苷酶，可使患者肝和血液 中的脑苷脂含量降低。 手术治疗，唇裂、腭裂、并指、多指、青光眼、白 内障可用手术矫正。 遗传病的预防 遗传咨询 ，由医生或其他专业人员对遗传病患 者或其亲属提出的有关该病的病因、遗传方式、 诊断、预后和防治等问题进行解答。 婚姻和生育指导，避免近亲结婚，提倡远缘（亲 缘关系、地理上）。生育指导（适龄生育）。 产前诊断，又叫宫内诊断。在出生前检出遗传病 和先天畸形儿，随即终止妊娠，既可预防患；儿 的出生，从而减轻患儿的家庭负担和痛苦，也为 控制遗传病在社会上的继续播散做出贡献。 遗传病的一般特征 遗传性：上代传至下代的特征。 终生性：经治疗可以改变疾病的表型

14、特征或改善症 状，修复或纠正患者机体细胞中发生突变的遗传物 质从而根治遗传病困难。 先天性：先天性疾病指个体出生后即表现出来的疾 病。由于许多遗传病在出生后即可见到，故大多数 先天性疾病实际上是遗传病。 家族性：表现出家族聚集现象的疾病，在同一家庭 中有两个以上患者。有的遗传病有，有的没有。有 些非遗传性疾病，由于家庭成员处于相同的环境条 件而同患某种疾病，如缺乏某种物质引起的疾病。 遗传病的分类 按遗传物质的突变方式，分为基因病（又可分为单基 因病和多基因病）和染色体病。 单基因的遗传病：与一对基因有关。主要 由基因突变引起。白化病、血友病、色盲。 多基因的遗传病：由几对基因的变化引起 的疾

15、病，不仅与遗传有关而且与环境有关。高血 压、糖尿病、神经分裂症。人类最常见的遗传病 ，但发病率低 1%-10% 。 染色体病：染色体畸变造成。500多种。 75%为性染色体异常， 25% 为常染色体异常。 用遗传率表示遗传因素对发病作用的大小 ，遗传率大于70% 的有兔唇、支气管哮喘、神经 分裂症。遗传率在50%-60%有高血压、冠心病。 遗传率小于40% 的有消化性溃疡、成年型糖尿病 。 生物的遗传变异与生物进化 表型变异：环境影响，不能遗传。如营养条件的 差异造成个体间的差异。 遗传的变异，可以遗传。 基因重组：用自由组合定律和连锁交 换定律解释。 突变：遗传物质的改变， 包括染色体畸变：结构改变；数 目改变 基因突变：基因分子结构的改变 生物进化染色体畸变 染色体结构变异 ，见图 缺失：染色体断裂而丢失一段，造成基因丢失 。 儿童中的猫叫综合症。患儿哭声象猫叫，两眼距 离较远，智力低下，生活力差。儿童视网膜肿瘤。13号染色 体长臂上14、11区缺失。肾脏肿瘤，11号染色体短臂上13区 缺失。 重复：染色体增加片段，可执行新的功能，利 于进化。 神经紊乱，15号染色体上长臂部分缺失、部分重 复。 倒位：180度颠倒，染色体上基因的排列顺序改 变。 人与黑猩猩发生6次倒