1、生物技术与人类生活课程,1,2018/10/30,生物技术与人类生活（四）,基因工程技术的应用李 云 海,生物技术与人类生活课程,2,2018/10/30,一、基因工程的发展动态,1、目的基因方面目的基因被用于基因重组、改变受体性状或获得预期表达产物，有广阔应用前景和较大经济效益及社会效益。获得目的基因的方法有：,（1）酶切法直接分离目的基因； （2）PCR扩增法（多聚酶链式反应法）； （3）化学合成法（可做到200个碱基对片段）。,生物技术与人类生活课程,3,2018/10/30,图示获得目的基因的方法,生物技术与人类生活课程,4,2018/10/30,生物技术与人类生活课程,5,2018/
2、10/30,目的基因的来源,（1）最初来源于较简单的原核生物；因其染色体比较简单，甚至就是一个含几百个至上千个基因的的DNA环，容易搞清楚核苷酸序列和便于切割。 （2）后来发展到从较复杂、高等的动植物和人体细胞中获得基因。 （3）现在，在搞清楚人类基因组和有特殊应用价值的动植物基因组如水稻基因组基础上（当然也有待于搞清楚各种性状或生理生化过程的分子表达机制），大量开展人工合成基因。,生物技术与人类生活课程,6,2018/10/30,2、表达载体和受体生物方面,（1）最初，主要在原核生物（如细菌、蓝绿藻和放线菌）及低等真核生物（如酵母菌）中进行；因其生长快，适于大规模发酵培养，生产成本低，便于所
3、需产物的提取和加工。特别是低等真核生物酵母菌，除了上述优点外，另有不产生毒素，产物理化性质及生物性能最接近高等动植物和人，便于人类利用等优点。,（2）后来，因植物细胞的全能性，开始在植物、特别是农作物中进行基因工程操作，如水稻、棉花、大豆、玉米、马铃薯、烟草、花卉等。动物中，最初只能用低等动物生殖细胞、受精卵或胚胎细胞，如蛙、鱼等。 （3）近年，由于干细胞研究和多种动物克隆取得成功，特别是动物体细胞克隆也获得成功，高等动物基因工程操作开展得也比较多，如猪、牛、羊、鼠、猴等。,生物技术与人类生活课程,7,2018/10/30,二、基因工程技术应用实例,1、疾病预防方面主要有疫苗和预防性药物（提高
4、肌体免疫能力和健康、强壮程度的药物、保健品等）。疫苗方面，正从“血源性疫苗” “基因工程疫苗”发展或过渡。,血源性疫苗存在的不足：（1）免疫效果不够理想；（2）疫苗生产者和被免疫者有被感染的风险；（3）数量少、价格昂贵、难于推广；（4）易受其他病毒如艾滋病病毒等的污染。 基因工程疫苗的优点（1）是病原体的核心抗原（某种蛋白质）而不是病原体本身，所以安全；（2）同一病原的不同抗原或不同病原的多个抗原，重组在一个基因上，制备多价疫苗（高效）；（3）核酸（DNA）疫苗。,生物技术与人类生活课程,8,2018/10/30,病原菌基因工程疫苗,（1）肝炎病毒疫苗 世界上已发现的肝炎病毒已达到6种（甲、乙
5、、丙、丁、戊、庚），另外2种即己、辛病毒，现在还不能确定与肝炎有关，但它们仍然是输血传播的病毒。目前，能用基因工程生产的肝炎病毒疫苗有甲、乙、丙肝，主要用酵母菌或仓鼠细胞生产。我国乙肝病毒导致肝硬化和肝癌的机率仅次于抽烟，所以我国目前主要采用乙肝病毒表面抗原基因的酵母表达系统生产基因疫苗。但是，我国人群中仍有10%的人对此疫苗无反应；因此，仍需构建新一代基因工程疫苗（如表面抗原和核心抗原的融合抗原等）。,甲肝基因工程疫苗，是用甲肝病毒的外壳蛋白基因插入到减毒的牛痘病毒基因组中，构建重组病毒，经它感染后人体可不断分泌甲肝抗原，达到长期免疫的目的。丙肝比乙肝危害大，但因其高突变性（至少存在6种不同
6、基因型的病毒），给丙肝疫苗的研制带来重重困难（目前仍未见丙肝疫苗上市）。只能用核酸疫苗。,生物技术与人类生活课程,9,2018/10/30,（2）艾滋病病毒疫苗,艾滋病（AIDS，人类获得性免疫缺陷综合症）由人类免疫缺陷病毒（HIV）的感染引起，之后不能抵抗其它任何病菌的侵染，持续炎症和生命机制的衰退，直至死亡。与癌症和心脑血管病一起被称为危害人类的三大病害，目前仍为不治之症。 艾滋病与丙肝病毒相类似，多型善变，目前虽有40多种艾滋病病毒基因工程疫苗正在研究中，但并不顺利，为国际上投入最大的基因工程疫苗项目。1998年前，主要是动物实验阶段，两只黑猩猩接种该疫苗后，连续100次注射HIV，7个
7、月内未见发病或感染；1998年初美国开始进行人体实验，有7500名志愿者接受免疫接种，未见结果报道；1999年美国两家基因疫苗公司进行大规模人体实验，其中一家公司于2002年承诺可能在5年内正式推出疫苗。但在泰国的数千人临床实验结果中，目前的HIV基因疫苗保护效果并不明显。40多种基因工程疫苗只有20多种进入初期的临床实验，其中又只有8种进行过大规模的临床实验；目前仍没有进入实用阶段。我国已于2002年底完成动物实验，预计2006年左右完成全部临床实验。,生物技术与人类生活课程,10,2018/10/30,（3）其它病毒病基因工程疫苗 如狂犬病毒（急性中枢神经系统疾病）疫苗，流感病毒的高度保守
8、的基因序列（Npgene）疫苗，HIV的多抗原疫苗和多抗原的DNA疫苗，脊髓灰质炎病毒（小儿麻痹症），疱疹E-B病毒（引起淋巴瘤和鼻咽癌），流行性出血热病毒，轮状病毒（急性婴幼儿肠胃炎），黄热病毒（心脏、肾和肝脏病斑），风疹病毒，单纯疱疹病毒（生殖器官溃疡），麻疹病毒，多价病毒疫苗等。 （4）细菌性疾病的基因工程疫苗 霍乱弧菌疫苗，鼠伤寒沙门氏菌疫苗，麻风杆菌疫苗，幽门螺杆菌（导致慢性胃炎、消化道溃疡和胃癌）疫苗，大肠杆菌疫苗，痢疾疫苗，淋球菌（性传播淋病）疫苗，脑膜炎双球菌疫苗，破伤风杆菌（颈部和颌部肌肉痉挛）疫苗。 （5）寄生虫病基因工程疫苗 疟原虫（疟疾）疫苗，血吸虫（痢疾和肝脏损坏）疫
9、苗，盘尾丝虫（引起失明）疫苗，锥虫（昏睡病）疫苗等。,生物技术与人类生活课程,11,2018/10/30,2、生殖健康方面避孕疫苗 （1）精子避孕疫苗 利用精子的特异性蛋白质（如顶体蛋白）作为抗原，免疫男性或女性，诱发产生相应的中和抗体，达到减少精子或阻断受精过程，从而达到避孕的目的。动物实验情况，用P-20抗原疫苗注射雌性豚鼠，可以使雌性豚鼠100%产生不育，而且618个月后又可恢复育性。在用于人类前，还需解决哪些精子蛋白质作抗原在灵长类中最有效、副作用最小和最佳佐剂及最佳给药途径等问题。 （2）激素类避孕疫苗 精子和卵子的产生过程、受精过程及妊娠过程均需要多种激素的参与。人们设计以这些激素
10、中的一种或几种作为基因工程的抗原疫苗，免疫男性或女性以产生相应的中和抗体，降低机体内相应的激素水平，使得精子或卵子不能产生、不能受精或不能怀孕，从而达到避孕的目的。目前，人绒毛膜促性腺激素（女性用）、促性腺激素释放激素（男女共用）和促卵泡激素（男性用）已进入临床试验。,生物技术与人类生活课程,12,2018/10/30,3、疾病诊断方面 （1）ELASA（双抗体夹心检测技术）与单克隆抗体 灵敏度和准确度均较高；可用于鉴定微生物（细菌、病毒和寄生虫性传染病）病原体，检验食品、环境等可能污染物的病原体，确定激素水平，检测肿瘤相关蛋白质，检测血液中的药物含量，动植物病原体检疫，分离某些贵重的生物活性
11、物质等。 （2）基因诊断（DNA探针）技术 灵敏性和准确度更高；除了用于各种传染性疾病病原体的检测外，还用于胎儿的产前诊断（特别是对有遗传病家族的胎儿，在不影响胎儿的正常发育情况下，只需采集极微量的羊水、绒毛或脐带血进行怀孕早期的诊断，并对患病胎儿进行适当的处理，即可达到优生的目的）和法律所需的亲子鉴定等。如对a-地中海贫血的Bart综合症的胎儿诊断。 （3）生物（基因或DNA）芯片技术：对生物分子进行高通量的快速并行处理和分析的薄型固体器件（指甲盖大小）。,生物技术与人类生活课程,13,2018/10/30,4、疾病治疗（基因疗法及药物）方面 （1）基因治疗及四大策略 四大策略：基因置换、基
12、因修正、基因修饰和基因失活。可治疗的疾病类型有：遗传性疾病、肿瘤和传染性疾病等。已有基因治疗方案的遗传性疾病：严重联合型免疫缺陷症（SCID，气泡儿童）、血友病B、家族性高血脂症、囊性纤维化、肌营养不良症、肺气肿和镰状细胞贫血病等。肿瘤的基因治疗的两种途径：瘤苗治疗策略；通过提高癌细胞的免疫原性或提高机体的免疫功能达到消灭癌细胞的目的。基因失活或基因修饰策略；通过对癌基因和抑癌基因进行失活、修饰等纠正，使癌细胞回到正常状态。 （2）基因工程药物： 侏儒症、糖尿病和血友病例 蛋白质、酶或激素是生命活动的重要物质基础，人类很多疾病与蛋白质的缺少、增多或改变密切相关。过去，这些药物主要从血液、尿液或
13、动物的组织和器官中提取，产率产量低、昂贵和供应有限，而且有被某些病原体污染的危险。,生物技术与人类生活课程,14,2018/10/30,基因工程技术生产蛋白质药物工艺流程应用基因工程技术 克隆所需蛋白质基因 导入细菌或酵母基因组中 发酵培养（生产）大量菌体或大量强化表达产物 破碎菌体及从培养液中提取所需蛋白质药物 纯化、无菌包装、上市使用。传统法：50万头绵羊脑 提取5mg生长激素释放抑制激素； DNA法：9L细菌发酵液 生产5mg生长激素释放抑制激素。,生物技术与人类生活课程,15,2018/10/30,现在，基因工程技术可以克服蛋白质药物传统生产方法的困难，如产量、成本、安全、有效和副作用
14、（抗原性、活性、稳定性）等等。由于基因工程技术在生产药物上的诱人前景，世界各国均十分重视这项技术的研究和开发。1982年10月世界上第一个基因工程药物治疗胰岛素依赖性糖尿病的人胰岛素在美国正式获准上市，至今已有100多种药物经过严格的动物药理、毒理试验及临床试验已获准大批量生产并上市(表95)。300多种处于临床阶段，近千种处于研发状态，形成一个巨大的高新技术产业，产生了不可估量的社会效益和经济效益。表9-5 主要国家基因制药产业化概况国家 发展策略 投入资金 临床试验 上市品种 2001年产值美国 支持基础，创新，主导领先 100亿美元年 350 110 200亿美元日本 合作，实用化，信息
15、化 两千亿日元年 50种以上 50 5千亿日元德国 创新，转让，加大投入 100 68中国 重视，优先、优惠 20余种 21 30亿人民币,生物技术与人类生活课程,16,2018/10/30,生物技术与人类生活课程,17,2018/10/30,生物技术与人类生活课程,18,2018/10/30,5、人类基因组计划（HGP）的进展 人类染色体基因组约有32亿个碱基对组成（印刷出来其篇幅相当于13套大英百科全书），约有34万个基因，但目前人们对大多数基因仍不了解；如对其生物学功能及与人类疾病、生长、衰老、死亡等之间的关系和分子机制仍不清楚，严重制约了疾病的基因治疗。因此，才要实施HGP计划。,生物
16、技术与人类生活课程,19,2018/10/30,HGP的最终任务：破译人体遗传物质DNA分子所携带的全部遗传信息；终极目标：阐明人类全部基因的位置、功能、结构、表达调控方式及与疾病有关的变异，读通、读懂“天书”。进展情况：2003年4月15日，序列图绘制成功，结果 （1）人类基因组有31.6亿个核苷酸，34万个结构基因，是酵母的4倍、果蝇的2倍，比线虫只多1万多个基因，数目少得惊人。 （2）基因在染色体上不是均匀分布；一些区域有很多基因，一些区域（约1/4）没有或有极少的基因（“荒漠地带”）。 （3）人与人之间有99.9%的基因密码是相同的，不同种族之间的差异并不比同一种族不同个体之间的差异大。HGP计划任务的完成和目标的实现（美、英、日、法、德、中等国），实际上仍然只是开了个头。艰巨的任务：是搞清楚各个基因的转录、表达、调控过程的分子机制及与致病有关的变异，达到为人类所用的终极目的。,生物技术与人类生活课程,20,2018/10/30,（4）人类和作物基因资源的保护 新基因及新基因功能的发现在国际上可以申请专利。因此，引发“基因争夺战”（知识产权之战）。,生物技术与人类生活课程,21,2018/10/30,
