1、基因工程的应用,专题基因工程,1.培育转基因抗虫棉的主要步骤需要哪些工具？,2.简述培育转基因抗虫棉的基本过程？,思考：,基因工程自20世纪70年代兴起后,在短短的30年间,得到了飞速的发展，目前已成为生物科学的核心技术。基因工程在实际应用领域-农牧业、工业、环境、能源和医药卫生等方面，也展示出美好的前景。,植物基因工程硕果累累,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.如何获得抗虫植
2、物？现在有哪些抗虫植物问世?,3. 抗虫基因有哪些？,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,1.抗虫转基因植物,（二）抗病转基因植物,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,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？,病毒外壳蛋白基因； 病毒的复制酶基因,2.抗病转基因植物,4.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,抗病转基因植物所采用的基因，使用最多的是病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因；抗真菌转基因植物中可使用的基因有几丁质酶基因和抗
3、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,3.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,盐碱和干旱对农作物的危害与细胞内渗透压调节有关,目前科学家正在利用一些可以调节细胞渗透压的基因，来提高农作物的抗盐碱和抗干旱的能力。,3.其他抗逆转基因植物,（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
4、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？试举例说明？,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),4.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,5.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,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,总结：基因工程在
5、农业上的应用,（1）改良农作物的品质 （培育高产、稳产和具优良品质的品种） （2）培育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。,转基因生物与目的基因的关系,Bt毒蛋白基因,苏云金芽孢杆菌,病毒外壳基因和病毒复制酶基因,几丁质酶基因和抗毒素合成基因,调节细胞渗透压的基因,抗冻蛋白基因,鱼,抗除草剂基因,富含赖氨酸的蛋白质编码基因,控制番茄果实成熟的基因,植物花青素代谢有关的基因,乳糖酶基因,人胰岛素基因,人,请阅读P18生物资料技术卡,了解一些抗虫基因的抗虫机理。,1.抗虫棉的目的基因是什么?目的基因从何
6、而来?对哺乳动物有害吗？ 2.将抗虫基因导入植物细胞中用的最多的方法是什么？我国的科学家将抗虫基因导入棉花用了什么独创的方法?,思考： 1.细菌的基因之所以能“嫁接”到棉花细胞内，原因是 。,组成细菌和棉花的DNA分子的空间结构和化学组成相同,2.利用基因工程培育抗虫棉，与诱变育种和杂交育种相比，有什么优点？是属于哪种变异？ 3.抗虫棉能抗病吗？,科学家将菜豆储存蛋白的基因转移到向日葵中，培育出了“向日葵豆”植物。这一过程不涉及 A.DNA按照碱基互补配对原则自我复制 B.DNA以其一条链为模板合成RNA C.RNA以自身为模板自我复制 D.按照RNA密码子的排列顺序合成蛋白质,C,二、动物基
7、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。,上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带白蛋白的转基因牛，他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使 转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍，转基因动物（ A提供基因的动物 B基因组中增加外源基因的动物C能产生白蛋白的动物 D能表达基因信息的动物,B）,（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？,转基因动物的乳腺。,（1）乳腺是一个外分
8、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，转基因动物又可无限繁殖。,设问:为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢？,将 基因与 等调控组件重组在一起，通过 等方法，导入哺乳动物的 中，将 其 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,乳腺生物反应器的优点：产量高；质量好；成本低；易提取。,药物蛋白,乳腺蛋白基因的启动子
9、,显微注射,受精卵,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？,继哺乳动物乳腺发生器研发成功后，膀胱生物发生器的研究也取得了一定进展。最近，科学家培养出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。请回答： （1）将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞，常用方法是_。 （2）进行基因转移时，通常要将外源基因转入_中，原因是_。（3）通常采用_
10、技术检测外源基因是否插入了小鼠的基因组 （4）在研制膀胱生物反应器时，应使外源基因在小鼠的_细胞中特异表达。 （5）膀胱生物发生器比乳腺生物反应器有什么优点？,显微注射法,受精卵,具全能性，可使外源基因在相应的组织细胞中表达,DNA杂交,膀胱上皮细胞,（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 ， 以抑制的 表达或设法除去 ，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,某种调节因子,抗原决定基因,抗原决定基因,小结： 基因工程的应用 植物基因工程：抗虫、抗病、抗逆转基因植物，利用转基因改良植物的品质。 动物基因工程：提高动物生长
11、速度、改善畜产品品质、用转基因动物生产药物。,基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的。在基因操作的基本步骤中，不进行碱基互补配对的步骤是 A、人工合成目的基因 B、目的基因与运载体结合C、将目的基因导入受体细胞 D、目的基因的检测和表达,C,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。,三、基因工程药品异军突起,胰岛素从猪、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。,将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000
12、L培养液就能产生100g胰岛素！使其价格降低了30%-50%!,通过基因工程的方式创造了能合成人干扰素的大肠杆菌，每1Kg的培养液可提取204mg干扰素。,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。,基因工程人干扰素-2b（安达芬） ，是我国第一个全国产业化基因工程。安达芬具有抗病毒，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。,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、
13、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,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,治疗侏儒症的唯一方法，是向人体注射生长激素。而生长激
14、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菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，是传统的
15、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,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）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。,其它基因工程药物,人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水
16、平发挥了重大的作用。,人造血液及其生产,基因诊断与基因治疗,诊断：用放射性同位素等标记的“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。,基因诊断DNA探针,概念：是用已知序列的DNA或RNA片段作为探针与待测样品的DNA或RNA序列进行核酸分子杂交，用于对待测核酸样品中特定基因顺序的探测，是基因诊断最基本的技术之一。条件： （1）必须是单链； （2）带有容易被检测出来的标记物。,基因诊断的技术和方法 1.核酸分子杂交实质上是用已知序列的DNA或RNA片段作为探针与待测样品的DNA或RNA序列进行核酸分子杂交。是基因诊断最基本的技术之一。 2.PCR法 3.分子探针：核酸分子
17、探针是指特定的已知核酸片段，能与互补核酸序列退火杂交，用于对待测核酸样品中特定基因顺序的探测。满足：（1）必须是单链，（2）带有容易被检测出来的标记物。,基因诊断生物芯片,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，将成为一项现代化诊断新技术。,1、基因治疗概念：,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
18、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，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
19、，并进入普通小学上学。,患半乳糖血症的患者，由于细胞内半乳糖苷转移酶基因缺陷而缺少半乳糖苷转移酶，使过多的半乳糖在体内积聚，引起肝、脑等功能受损。1971年，美国科学家在体外做了试验，用带有半乳糖苷转移酶基因的噬菌体侵染患者的离体组织细胞，结果发现这些组织细胞能够利用半乳糖了。这表明，用基因替换的方法治疗这种遗传病是可能的。,(2)半乳糖血症,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,、基因工程与农牧业、食品工业,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
20、动、植物。,乳汁中含有人生长激素的转基因牛(阿根廷),生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼(中国),转黄瓜抗青枯病基因的甜椒,转黄瓜抗青枯病基因的马铃薯,不会引起过敏的转基因大豆,导入贮藏蛋白基因的超级羊和超级小鼠,导入人基因具特殊用途的猪和小鼠,超级动物,特殊动物,转基因抗虫棉花,转入苏云金杆菌的一个抗虫基因，是中国目前最主要的转基因作物,转 基 因 番 茄,用细菌的基因与番茄的DNA重组， 延长了果实的抗软化、抗腐烂、耐贮藏。,3、基因工程与环境保护, 环境监测： 基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。,1t水中只有10个病毒也能被DNA探针检测出来,利用基因
21、工程培育的“指示生物”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。, 环境污染治理： 基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。,通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等毒害物质。,生产基因工程药品,基因工程成果与发展前景,基因工程与医药卫生,基因诊断,基因治疗,如胰岛素、干扰素,如用基因探针检测肝类病毒、诊断遗传病,把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的,农业上,基因工程与农牧业、食品工业,畜牧养殖业上,食品
22、业,获得高产、稳产和具有优良品质的农作物,培养具有各种抗逆性的作物新品种,获得人们所需要的和具优良品质的转基因动物,利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内表达,为人类开辟新的食物来源,基因工程与环境保护,用DNA探针检测水中病毒的含量,获得分解四种烃类的“超级菌”，吞噬汞和降解土壤中DDT的细菌,环境监测,环境净化,转基因生物有利的一面:改变传统的育种方式，缩短育种时间。培育出高产优质、抗病虫害、抗旱、抗盐碱，抗除草剂等特性的作物新品种。 克服远源杂交不亲和障碍。如可以把动物的基因，甚至人的基因组合到植物里去。 生产有利于健康和抗病的食品。 培育出符合人们意愿的动植物新品种。,有些转基因食物含的
23、一些物质，可能会影响人体健康。 大量的转基因生物进入自然界后很可能会与野生物种进行杂交，产生一些超级生物，从而造成基因污染。如有些作物插入抗虫基因，杀死环境中有益的生物。,基因工程的弊端,1基因治疗是指 （ ） A、把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的 B. 对有缺陷的细胞进行修复，从而使其恢复正常，达到治疗疾病的目的 C. 运用人工诱变的方法，使有基因缺陷的细胞发生基因突变恢复正常 D. 运用基因工程技术，把有缺陷的基因切除，达到治疗疾病的目的,练习,A,2在人类染色体DNA不表达的碱基对中，有一部分是串联重复的短序列，它们在个体之间有显著的差异性，这种短序列可用于(
24、)A生产基因工程药物 B侦查罪犯 C遗传病的产前诊断 D基因治疗,B,3基因探针的组成不可能是( ),A整个基因，或基因的一部分； B可以是DNA本身， C也可以是由之转录而来的RNA。 D一条多肽,D,4我国科学家成功地将人的抗病毒干扰素基因转移到烟草DNA分子上，从而使烟草获得了抗病毒的能力。这项技术所依据的遗传学原理主要是( )A碱基的互补配对原则 B中心法则 C基因分离定律 D基因自由组合定律,B,5下图示一项重要生物技术的关键步骤，字母X可能代表( ) A不能合成胰岛素的细菌细胞； B能合成抗体的人类细胞； C能合成胰岛素的细菌细胞； D不能合成抗生素的人类细胞,C,6上海医学遗传研
25、究所成功培育出第一头携带白蛋白的转基因牛，他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍，转基因动物是指（ ） A.提供基因的动物 B.基因组中增加外源基因的动物 C.能产生白蛋白的动物 D.能表达基因信息的动物,B,7下列属于利用基因工程技术培育的新品种的是（ ） 、耐寒的小黑麦 、抗棉铃虫的转基因抗虫棉 、太空椒 、试管牛,B,8下列不属于利用基因工程技术制取的药物是（ ）A、从大肠杆菌体内制取白细胞介素 B、在酵母菌体内获得的干扰素 C、在青霉菌体内提取青霉素 D、在肠杆菌体内获得胰岛素,C,思考题,以动物乳房作为生产药物的反应器称为乳房(腺)生物反应器,用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系称为“工程菌”,把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥作用，从而达到治疗疾病的目的，这是治疗遗传病的最有效的方法,1、什么是乳房（腺）发生器？,2、什么是工程菌？,3、什么是基因治疗？,4、器官移植时遇到的医疗水平无法解决的难题是什么?能否利用基因工程解决这一问题?,器官来源短缺,科学家正在用基因工程技术设法解决人类器官的来源短缺问题。,
