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1、1,第八章 基 因 工 程 的成果 和发展前景,第一节 基因工程与医药卫生 第二节 基因工程与农牧业、食品工业 第三节 基因工程与环境保护 第四节 基因工程的安全性问题,2,第一节基因工程与医药卫生,基因工程药品的生产,许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。 微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。,3,基因工程药物主要包括： 细胞因子、抗体、疫苗、激素和寡核苷酸药物等，主要用于预防和治疗人类的肿瘤、心血管疾病、遗传病、各种传染病、糖
2、尿病、类风湿疾病等。,4,基因工程药物,基因工程激素类药物基因工程细胞因子类药物基因工程抗体基因工程疫苗,5,基因工程激素类药物,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,6,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,7,生长激素,抑制和调节多种激素的作用,生长激素是一类由动物脑垂体前叶分泌的能促进生长的蛋白质类激素。在临床上主要用于治疗垂体
3、性侏儒症。,8,细胞因子（Cytokine）是由细胞分泌的能调节生物有机体生理功能，参与细胞的增殖、分化和凋亡的小分子多肽类物质。 根据细胞因子的功能可分为： 干扰素（interferon，IFN） 集落刺激因子（colony stimulating factor，CSF） 白细胞介素（interleukin，IL） 肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF） 生长因子（growth factor，GF）等,基因工程细胞因子类药物,9,基因工程细胞因子类药物,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1mg！其“珍贵”程度自不用多说。,干扰
4、素生产车间,干扰素分子结构,10,干扰素根据其结构和来源可分为： 干扰素、和三种。 干扰素的主要生理作用：抗病毒感染干扰素作用于细胞后能合成多种抗病毒蛋白，抑制病毒的复制。调控细胞的生长调节免疫细胞发挥生理效应 在临床上干扰素用于治疗白血病、乙型肝炎、丙型肝炎、多发性硬化症和类风湿关节炎等多种疾病。,11,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。,12,13,基因工程药品,14,基因工程抗体 (Ge
5、netic engineering antibody),概念：根据研究者的意图，采用基因工程方法，在基因水平，对免疫球蛋白基因进行切割、拼接或修饰后导入受体细胞进行表达，产生新型抗体。主要包括 嵌合抗体、单链抗体、人源化抗体、双价抗体和双特异性抗体。,15,16,17,18,1.死疫苗：用理化方法将免疫原性强的细菌杀死制成的。如百日咳、伤寒、霍乱、斑疹伤寒、流行性脑膜炎、钩端螺旋体病等 2.活疫苗：用减毒或无毒的病原体制成,如鼠疫和炭疽等的疫苗,基因工程疫苗,19,活疫苗与死疫苗的比较活疫苗 死疫苗接种次数 1次 2-3次 接种量 小 较大 接种反应 轻 重 免疫效果 较好,维持1-5年 差,
6、维持0.5-1年 毒力回升 有可能 不可能 安全性 有潜在危险性 安全性好 疫苗稳定性 相对不稳定 相对稳定 保存 不易保存 易保存,20,21,22,3.基因工程疫苗将编码有效抗原组分的目的基因插入适当载体,形成重组DNA, 再导入宿主细胞, 目的基因随重组DNA复制而复制, 随宿主细胞分裂而扩增, 使目的基因表达大量有效抗原成分, 由此制备的疫苗称为基因工程疫苗如把HBsAg基因插入酵母细胞中，成功表达并制备HBsAg疫苗,23,4.亚单位疫苗 利用带有细菌保护性免疫原的组分制成的疫苗。如肺炎链球菌荚膜多糖疫苗、钩端螺旋体外膜蛋白疫苗等。此种疫苗免疫原性弱，需加佐剂或与类毒素结合成偶联疫苗
7、，以加强免疫原性。,24,5.核酸疫苗或称DNA疫苗、基因疫苗 是将能编码引起保护性免疫应答的病原体免疫原基因片段和质粒载体直接注射入宿主体以表达目的免疫原，进而产生特异性体液免疫和细胞免疫的新型疫苗。,25,基因诊断与基因治疗,运用基因工程设计制造的“DNA探针”检测肝炎病毒等病毒感染及遗传缺陷，不但准确而且迅速。通过基因工程给患有遗传病的人体内导入正常基因可“一次性”解除病人的疾苦。,我国研究人员正在制备用于基因治疗的基因工程细胞,26,基因诊断,一、基因诊断的概念 基因诊断是在DNA水平上对基因进行分析从而对人体的状态和疾病作出诊断。 基因诊断的材料是人体的DNA，来源于淋巴细胞、羊水细
8、胞、绒毛细胞或其它组织的细胞。 基因诊断的方法有：寡核苷酸探针直接探测法，Southern印迹杂交法、RFLP法、PCR法等,27,二、应用前景 基因诊断是根据基因型来判断表型，固称为逆向诊断。对于迟发性遗传病和产前检查很有意义。基因诊断具有快速、方便、准确的优点。,28,1. 基因调控治疗 从基因水平调控缺陷基因的表达，以达到改善症状的目的。 镰型细胞贫血症是因珠蛋白的链基因突变，产生不正常的血红蛋白所致。用5氮胞苷抑制甲基化酶，使因甲基化而关闭的基因重新开放，产生HbF以代替HbA。 用具有抑制基因表达的反义RNA，或能切割RNA的核酶（ribozyme），阻断基因的表达。在肿瘤的治疗上，
9、可以在基因水平上抑制肿瘤细胞基因的恶性表达和引导肿瘤细胞逆转。,基因治疗,一、基因治疗的类型,29,基因治疗类型（续）,2. 基因矫正治疗 基因增补将正常基因导入患者的体内，补偿缺陷基因的功能。 基因替换以正常基因取代变异的基因。 基因修复对异常基因进行原位的特异性修复。 按矫正基因的类型分为两种基因治疗： 生殖细胞基因治疗对生殖细胞或早期胚胎细胞进行基因矫正。1987年，成功治疗小鼠颤抖症、免疫缺陷症、地中海贫血症等。 体细胞基因治疗以体细胞为受体细胞，不影响下一代。常用的是细胞介导法：选择靶细胞在体外进行基因修饰，再将其输入体内。,30,二、基因治疗的条件, 对导入的基因及其产物有详尽的了
10、解； 外源基因有效导入受体细胞、稳定整合、适量表达； 不能使受治细胞基因组及表达调控受影响； 导入基因方法安全，载体对靶细胞无害； 三、基因治疗的原则 对象是病情严重、预后极差、别无他法的患者； 无需高水平的表达和精确定量控制就有治疗效果； 靶细胞获取或回输安全；转移基因的表达对细胞微环境无严格的特异性要求。,31,四、基因疗法的步骤,目的基因的选择： 根据基因治疗的类型选择相应的目的基因（增补、替换、添加）。基因载体的构建：使目的基因在受体细胞内高效、可控、稳定地表达。受体细胞的选择：容易分离获取，在体外增殖存活，大量扩增。如成纤维细胞、淋巴细胞、骨髓造血干细胞等。,32,五、基因治疗的应用
11、,治疗恶性肿瘤 例如，将已导入IL2基因的TIL细胞回输给病人，启动自身免疫，治疗黑色素瘤。美国已批准8种基因治疗方案。 治疗艾滋病 用射线照射已导入HIV 基因的成纤维细胞，细胞停止分化，但能产生g p160，将细胞回输给病人，能激活免疫系统，杀伤HIV 感染细胞。 治疗家族性高胆固醇血症（FH） 这是肝细胞低密度脂蛋白（LDL）受体基因混乱造成的遗传病，将LDL基因导入病人离体培养的肝细胞中，然后经导管注入门脉循环的血液中，进入肝细胞后表达相应的功能蛋白。,33,基因治疗的应用（续）,治疗先天性免疫缺陷综合症 病人因缺少腺苷脱氨酶基因（ADA）导致T、B淋巴细胞发育不完全，功能障碍，造成严
12、重免疫缺陷。将正常ADA 基因经转录病毒转染进入白细胞，回输患者体内，ADA基因表达正常，患者ADA达正常值的25%。 治疗B型血友病： 将人凝血因子的cDNA经逆转录病毒转染到患者的成纤维细胞，再植入患者腹腔中。患者的凝血因子从7.1ng/ml上升到24.5ng/ml，其活性从2.9%上升到6.3%。病情明显好转，不需要输血治疗。,34,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
13、在无菌环境中,35,基因治疗SCID的过程,36,37,运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动、植物。,第二节 基因工程与农牧业、食品工业,38,一、转基因动物 二、转基因植物,第二节 基因工程与农牧业、食品工业,39,一、转基因动物转基因超级鼠 1982年，英国的自然杂志发表了一篇文章：有两个美国实验小组利用转基因技术，将大鼠生长激素重组基因导入到小鼠受精卵中,培育出具快速生长效应的“转基因超级鼠”。转基因鼠比与它同胎所生的小鼠生长速度快23倍，体积大一倍。,40,（一）概 念 转基因技术： （1）将人工分离和修饰过的基因导入到生
14、物体基因组中，由于导入基因的表达，引起生物体的性状的可遗传的修饰，称之为转基因技术。 （2）转基因技术就是指利用分子生物学技术，将某些生物的基因转移到其它物种中，改造生物的遗传物质，使遗传物质得到改造的生物在性状、营养和消费品质等方面向人类需要的目标转变。 转基因动物： 所谓转基因动物就是指以实验方法将外源基因导入动物染色体基因组内稳定整合并能遗传给后代的一类动物。,41,（二）转基因的方法 1.显微注射法：将DNA注射到胚胎的细胞核内，再把注射过DNA的胚胎移植到动物体内，使之发育成正常的幼仔。 2.体细胞核移植方法：先在体外培养的体细胞中进行基因导入并筛选。然后将带转基因体细胞移植到去掉细
15、胞核的卵细胞中，生产重构胚胎。,42,3.逆转录病毒感染法：最早用来得到转基因小鼠的方法，利用逆转录载体将遗传信息以RNA分子的形式，在逆转录整合酶和逆转录基因组末端的特异性核酸序列的作用下，反转录并整合到宿主基因组中去，最终得到转基因小鼠。4.胚胎干细胞法：将转染的胚胎干细胞注射入受体囊胚腔，可参与嵌合体的形成，将来出生的动物的生殖系统就有可能整合上外源基因，通过杂交繁育得到纯合目的基因的个体，即为转基因动物。,43,（三）转基因动物技术的主要步骤,获取外源目的基因 外源目的基因导入生殖细胞或胚胎干细胞 选择携带目的基因的细胞，选择体外培养系统和宿主动物 转基因胚胎的发育及鉴定 筛选所得的转基因动物,44,（四） 转基因动物的技术路线,经典的技术路线 目的基因 显微注射 已交配的 取出 移植 受体动物 妊娠 供体动物 受精卵 输卵管 转基因动物 缺点：注入目的基因的命中率低，目的基因的整合率低，受精卵移植的受孕率低。,
