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1、,基因工程的应用,基因工程的基本操作程序,获取目的基因 从基因文库 利用PCR 化学方法人工合成 构建基因表达载体 目的基因、启动子、终止子、标记基因 将目的基因导入受体细胞 农杆菌转化法、显微注射法、Ca2+处理法 目的基因的检测与鉴定 检测：是否插入、转录、翻译 鉴定：个体生物学水平的鉴定,一、植物基因工程硕果累累,据国际农业生物技术应用服务组织（ISAAA）的统计，2011年全球共有29个国家的1670万名农民种植了1.6亿公顷的转基因作物，占全球耕地的10。这面积相当于中国可耕地面积的1.3倍，约等于美国的可耕地面积。,报告显示，2011年转基因作物种植面积最大的国家是美国，达到690
2、0万公顷，主要为玉米、大豆、棉花、油菜等；巴西、阿根廷分列第二和第三位，种植面积分别为3030万公顷和2370万公顷。其余名列前位的国家是印度、加拿大、中国、巴拉圭、巴基斯坦、南非和乌拉圭，种植面积均超过百万公顷。,美国是世界上可以耕地面积最大的国家，也是转基因作物种植面积最大的国家。2011年，美国有6900万公顷的农田上种植了转基因作物，占美国可耕地面积的43%，转基因作物包括玉米、大豆、棉花、油菜、甜菜、苜蓿、番木瓜和南瓜等，其中93%的大豆、93%的棉花、86%的玉米和90%油菜都是转基因品种。此外，80%的包装食品都使用转基因作物作为原料。而且美国和加拿大都没有强制要求食品公司在产品
3、上注明“转基因”标识。,植物基因工程技术主要用于哪些方面?,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.,(一)抗虫转基因植物,1.虫害给农作物带来了哪些影响? 传统农业如何防治害虫? 有哪些不足?,2.现在已有哪些抗虫植物问世?,3. 抗虫基因,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,请阅读P18生物资料技术卡,了解一些抗虫基因的抗虫机理。,4.抗虫棉的目的基因是什么?目的基因从何而来? 5.我国的转基因抗虫棉取得了哪些进展?,转基因双价抗虫棉是我国科学家将杀虫机理不同的两种抗虫基因(Bt杀虫
4、基因和修饰的豇豆胰蛋白酶抑制剂基因)同时导入棉花，研制成功的一种抗虫棉花。由于这两种杀虫蛋白功能互补且协同增效，使双价抗虫棉不但可以有效延缓棉铃虫对单价抗虫棉产生抗性，还可增强抗虫性。预计将对控制棉铃虫对抗虫棉的抗性发展起到关键作用。,双价抗虫棉的核心技术于1998年申请国家发明专利，2002年正式授权，使我国在抗虫棉的研究及应用领域达到了国际先进水平。目前，国产抗虫棉技术正在走出国门，出口到印度等国家。 现在，我国已审定抗虫棉品种14个，其中单价棉11个 ,双价棉3个 .这些抗虫棉品种均高抗棉铃虫，具有较好的品质性状及丰产性。此外，还有许多抗虫棉优良品系正在试验过程中。 抗虫棉的推广应用可大
5、幅度减少植棉的用工投入，但想获得高产仍须注意施肥、化控以及种植密度等配套栽培技术的应用。,（二）抗病转基因植物,1.什么是病原微生物？有哪些种类？,引起植物生病的微生物，主要有病毒、真菌和细菌等,2.为什么说常规育种很难培育出抗病毒的新品种？,3.在抗病转基因植物中使用最多的是什么基因？,病毒外壳蛋白（coat protein，CP）基因； 病毒的复制酶基因,拓展：在抗病毒转基因植物中，为什么使用病毒外壳蛋白基因可以抗病毒侵染？,关于病毒外壳蛋白基因(CP基因)导入植物后的抗病毒机理，目前有几种假说。一种假说认为：CP基因在植物细胞内表达积累后，当入侵的病毒裸露核酸进入植物细胞后，会立即被这些
6、外壳蛋白重新包裹，从而阻止病毒核酸分子的复制和翻译。另一种假说认为：植物细胞内积累的病毒外壳蛋白会抑制病毒脱除外壳，使病毒核酸分子不能释放出来。然而最近的研究表明，如果将病毒的外壳蛋白的AUG起始密码缺失，使之不能被翻译，或者将外壳蛋白基因变成反义RNA基因，整合到植物细胞染色体上，转基因植物则有很好的抗性。因此，有人认为抗性机理不是外壳蛋白在起作用，而是CP基因转录出RNA后，与入侵病毒RNA之间的相互作用起到了抗性作用。,3.在抗真菌转基因植物中使用什么基因？,几丁质酶基因和抗毒素合成基因,（三）其他抗逆转基因植物,1.哪些环境条件会造成农作物低产、减产？,盐碱、干旱、低温和涝害等,2.盐
7、碱和干旱对农作物的危害与什么有关？,细胞内的渗透压调节,在抗盐碱和抗干旱作物中使用了什么基因？,调节细胞渗透压的基因,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？,鱼的抗冻蛋白基因,4.抗除草剂基因有何用途？,喷洒除草剂时，杀死田间的杂草而不损伤作物,（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
8、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,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,转基因矮牵牛的目的基因是什么？,与植物花青素代谢有关的基因,异想天开,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,（二）用于改善畜产品的品质,举例说明,将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，转基因牛分泌的乳汁中乳糖的含量大大减低。,（三）用转基因的动物生产药物,设问:就基因药物而言，最理想的表达场所是哪里？,转基
9、因动物的乳腺。,（1）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。 （2）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。 （3）从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同时，转基因动物又可正常繁殖。,设问:为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢？,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
10、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物乳腺生物反应器的操作过程是怎样的？,（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,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
11、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？,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,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
12、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年上述干扰素大量投放市场。,基因工程药品 干扰素,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
13、,治疗侏儒症的有效方法，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，无需大型装置和大面积厂房就可以生产出大量药品。（2
14、）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。,1、基因治疗概念：,四、基因治疗曙光初照,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。 （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,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，
15、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。,3、基因治疗的类型,4、基因治疗的发展现状：处于初期的临床试验阶段,5、用于基因治疗的基因种类：正常基因、反义基因和自杀基因,补充：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。 探针制备：放射性同位素(如32P)、荧光分子等标记
16、的DNA分子； 原 理：利用DNA分子杂交原理；,基因探针： 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。,DNA分子杂交原理： DNA分子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。,基因诊断技术在什么方面发展迅速？ 在诊断遗传性疾病方面发展迅速。目前已经可以对几十种遗传病进行产前诊断。 举例 珠蛋白的DNA探针 镰刀状细胞贫血症 苯丙氨酸羧化酶基因探针 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,五、基因工程与食品业,基因工程为食品工业中提供了什么前景？ 基因工程为人类开辟新的食物来源。 鸡蛋白基因在大肠杆菌和酵母菌中表达获得成功。这表明，未来能用发酵罐
