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1、第二节 基因工程的应用,【知识链接】,基因工程是一项涉及多种技术操作的系统工程。其过程主要包括哪些步骤？,获取目的基因、制备重组DNA分子、转化受体 细胞、筛选获得目的基因的受体细胞、培养受 体细胞并实现目的基因的功能表达等五大步骤,或四部曲即目的基因的获取、基因表达载体 的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因 的检测与鉴定,思考与讨论1：将目的基因导入动物体内， 一般采用什么方法？常选择什么细胞作为受体细胞？,【自主探究一】动物基因工程的应用,显微注射技术 动物的受精卵,思考与讨论2：请阅读教材p21 图1-10动物基因工程应用举例， 总结其应用,1.提高抗病能力 提高动物对疾病的抗性，是
2、动物品种改良的一个重要方面。如抗猪瘟病毒的转基因猪和抗口蹄疫病毒的转基因兔。,2.提高产品产量,如转生长激素基因动物的成功培育,转基因鲑鱼（上）明显大于野生鲑鱼（下）,3.用于改善产品品质,举例说明:有些人对乳糖过敏或消化不良,如转乳糖酶基因的奶牛，转基因牛分泌的乳汁中乳糖的含量大大减低。,4.生产药用蛋白,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。,（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，质量好，成本低，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
3、源不断获得目的基因的产物的同时，转基因动物又可无限繁殖。,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+乳腺蛋白基因+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,缺点：只能是雌性个体在泌乳期时才行,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
4、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？,5.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,【自主探究二】 植物基因工程应用,思考与讨论3：请阅读教材p22 图1-11植物基因工程应用举例， 总结其应用,1.提高光合作用的效率,改造光合作用中起关键作用的CO2固定酶， 能提高植物对CO2的固定效率；还能增强植 物对光能的吸收与转化效率来提高光合作用 效率，提高作物的产量。,2.延长果实的储藏期,
5、问：促进果实成熟的物质是什么？该物质的 合成需要什么酶？该酶的化学本质是什么？ 该酶的合成受什么基因控制？,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。,乙烯 乙烯形成酶 蛋白质 乙烯形成酶基因,3.提高植物次生代谢产物的产率,例如，将产碱杆菌的有关基因转入拟南芥，转基因拟南芥会产生大量的用于生产 可降解塑料的物质，对消除白色污染有重大意义。,4.提高植物的抗性,提高农作物的抗逆能力（如抗除草剂、抗虫、抗旱和抗盐碱等）,(1)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
6、已有哪些抗虫植物问世?,资料：可用于转基因植物的抗虫基因,1.Bt毒蛋白基因 是从苏云金芽孢杆菌中分离出来的抗虫基因。当害虫 食用含有转基因的植物时，Bt基因编码的蛋白质会进入 害虫的肠道，在消化酶的作用下，蛋白质能够降解成相 对分子质量比较小的有毒的多肽。多肽结合在肠上皮细 胞的特异性受体上，会导致细胞膜穿孔，细胞肿胀裂解 ，最后造成害虫死亡。由于Bt毒蛋白对哺乳动物无毒害 作用，因而广泛用抗虫转基因植物。如棉花、大豆、水 稻、烟草以及林业树种。,2.蛋白质酶抑制剂基因,蛋白酶抑制剂基因广泛存在于植物中，它产生的抑制剂可与害虫消化道中的蛋白酶结合形成复合物，从而阻断或降低蛋白酶的活性，使昆虫
7、不能正常消化食物中的蛋白质，这种复合物还能刺激昆虫分泌过量的消化酶，引起害虫的厌食反应。,3.淀粉酶抑制剂基因 产生的淀粉酶抑制剂可以抑制昆虫消化道中的淀粉酶活性。使害虫不能消化所提取的淀粉，从而阻断害虫的能量来源。 4.植物凝集素基因 控制植物合成一种糖蛋白，这种糖蛋白可与昆虫肠道粘膜上的某种物质结合，从而影响害虫对营养物质的吸收和利用。,（2）抗病转基因植物,问题1：什么是病原微生物？有哪些种类？,引起生物生病的微生物，主要有病毒、真菌和细菌等,问题2：为什么说常规育种很难培育出抗病毒的新品种？,问题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
8、）基因； 病毒的复制酶基因,因为植物自身缺乏抗病毒的基因,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
9、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,（3）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,5.改良植物的
10、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,转基因矮牵牛的目的基因 是什么？,与植物花青素代谢有关的基因,转基因蓝玫瑰,异想天开,能发荧光的热带斑马鱼,普通热带斑马鱼是不发荧光的,如何让普通热
11、带斑马鱼也发荧光?,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。,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。,【自主探究三】微生物基因工程的应用 生产药用蛋白,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工程菌，可
12、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。,4.成果：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
13、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,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
14、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,5.优越性,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。,【自主探究四】转基因生物,1.概念：是指利用基因工程技术导入外源基因培育出的、能够将新性状稳定地遗
15、传给、 后代的基因工程生物 2.优点 打破常规育种难以突破的不同物种间的生殖隔离。 3.转基因食品的优点： 生产成本低、产量高,1.基因诊断 概念 优点：,【自主探究五】基因诊断和基因治疗,2、基因治疗概念：,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
16、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,DNA分子杂交是基因诊断最基本的方法之一。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。,知识回顾：基因诊断,五、基因芯片,从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱；从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱。 通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。 基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化
