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1、 活 動 1： 如 果 想 讓 某 一 個 生 物 的 性 狀 在另 外 一 個 生 物 的 身 上 表 達(dá) ， 常 用 的 方 法有 哪 些 ？ 基 因 工 程 成 果 豐 碩植物方面提高植物的抗蟲、抗病、抗逆性改良植物的品質(zhì)動物方面提高動物生長速度改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植的供體研制藥物基因治療 玉 米 中 賴 氨 酸 的 含 量 比 較 低 在 已 研 究 過 的 幾 千 種 酶 中 ， 只 有 極 少 數(shù) 可 以 應(yīng) 用于 工 業(yè) 生 產(chǎn) ， 絕 大 多 數(shù) 酶 都 不 能 應(yīng) 用 于 工 業(yè) 生 產(chǎn)， 這 些 酶 雖 然 在 自 然 狀 態(tài) 下 有 活

2、 性 ， 但 在 工 業(yè) 生產(chǎn) 中 沒 有 活 性 或 活 性 很 低 。 這 是 因 為 工 業(yè) 生 產(chǎn) 中每 一 步 的 反 應(yīng) 體 系 中 常 常 會 有 酸 、 堿 或 有 機(jī) 溶 劑存 在 ， 反 應(yīng) 溫 度 較 高 ， 在 這 種 條 件 下 ， 大 多 數(shù) 酶會 很 快 變 性 失 活 。 提 高 蛋 白 質(zhì) 的 穩(wěn) 定 性 是 工 業(yè) 生產(chǎn) 中 一 個 非 常 重 要 的 課 題 。 一 般 來 說 ， 提 高 蛋 白質(zhì) 的 穩(wěn) 定 性 包 括 ： 延 長 酶 的 半 衰 期 ， 提 高 酶 的 熱穩(wěn) 定 性 ， 延 長 藥 用 蛋 白 的 保 存 期 ， 抵 御 由 于 重

3、要氨 基 酸 氧 化 引 起 的 活 性 喪 失 等 。 科 目 一 考 試 網(wǎng) http:/ 科 目 一 模擬 考 試 2016金 手 指 駕 校 網(wǎng) http:/ 金 手 指 駕 駛 員 考 試2016 干 擾 素 是 一 種 抗 病 毒 、 抗 腫 瘤 的 藥 物 。 將 人 的 干擾 素 的 cDNA在 大 腸 桿 菌 中 進(jìn) 行 表 達(dá) ， 產(chǎn) 生 的 干擾 素 的 抗 病 毒 活 性 為 106 U/mg， 只 相 當(dāng) 于 天 然產(chǎn) 品 的 十 分 之 一 ， 雖 然 在 大 腸 桿 菌 中 合 成 的 -干擾 素 量 很 多 ， 但 多 數(shù) 是 以 無 活 性 的 二 聚 體 形

4、 式 存在 。 為 什 么 會 這 樣 ？ 如 何 改 變 這 種 狀 況 ？ 研 究 發(fā)現(xiàn) ， -干 擾 素 蛋 白 質(zhì) 中 有 3個 半 胱 氨 酸 （ 第 17位、 31位 和 141位 ） ， 推 測 可 能 是 有 一 個 或 幾 個 半胱 氨 酸 形 成 了 不 正 確 的 二 硫 鍵 。 研 究 人 員 將 第 17位 的 半 胱 氨 酸 ， 通 過 基 因 定 點(diǎn) 突 變 改 變 成 絲 氨 酸， 結(jié) 果 使 大 腸 桿 菌 中 生 產(chǎn) 的 -干 擾 素 的 抗 病 性 活性 提 高 到 108 U/mg， 并 且 比 天 然 -干 擾 素 的 貯存 穩(wěn) 定 性 高 很 多 。

5、 例 如 ： 改 造干 擾 素 （ 半 胱 氨 酸 ）體 外 很 難 保 存 干 擾 素 （ 絲 氨 酸 ）體 外 可 以 保 存 半 年玉 米 中 賴 氨 酸 含 量 比 較 低天 冬 氨 酸 激 酶（ 352位 的 蘇 氨 酸 ）二 氫 吡 啶 二 羧 酸 合 成 酶（ 104位 的 天 冬 酰 胺 ） 改 造 改 造 天 冬 氨 酸 激 酶 （ 異 亮 氨 酸 ）二 氫 吡 啶 二 羧 酸 合 成 酶（ 異 亮 氨 酸 ）玉 米 中 賴 氨 酸 含 量 可 提 高 數(shù) 倍 蛋 白 質(zhì) 工 程 的 概 念 蛋 白 質(zhì) 工 程 是 指 以 蛋 白 質(zhì) 分 子 的 結(jié) 構(gòu) 規(guī) 律及 其 與 生

6、 物 功 能 的 關(guān) 系 作 為 基 礎(chǔ) ， 通 過 基因 修 飾 或 基 因 合 成 ， 對 現(xiàn) 有 蛋 白 質(zhì) 進(jìn) 行 改造 或 制 造 一 種 新 的 蛋 白 質(zhì) ， 以 滿 足 人 類 對生 產(chǎn) 和 生 活 的 需 求 。前 提 ： 了 解 蛋 白 質(zhì) 的 結(jié) 構(gòu) 和 功 能原 理 ： 改 造 基 因 （ 基 因 修 飾 或 基 因 合 成 ）目 的 ： 定 向 改 造 或 制 造 蛋 白 質(zhì) 蛋 白 質(zhì) 工 程 流 程 圖1.從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)2.設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)3.推測應(yīng)有的氨基酸序列4.找到相應(yīng)的脫氧核苷酸序列 討 論 ：1、 怎 樣 得 出 決 定 這 一 段 肽 鏈

7、的 脫 氧 核 苷 酸 序 列 ？ 請 把 相 應(yīng) 的 堿 基 序 列 寫 出 來 。 活 動 2 某 多 肽 鏈 的 一 段 氨 基 酸 序 列 是 ：-丙 氨 酸 -色 氨 酸 -賴 氨 酸 -甲 硫 氨 酸 -苯 丙 氨 酸 -丙 氨 酸 ： GCU、 GCC、 GCA、 GCG 色 氨 酸 ： UGG 賴 氨 酸 ： AAA、 AAG 甲 硫 氨 酸 ： AUG 苯 丙 氨 酸 ：UUU、 UUC 每 種 氨 基 酸 都 有 對 應(yīng) 的 三 聯(lián) 密 碼 子 ,只 要 查 一 下 遺 傳密 碼 子 表 ,就 可 以 將 上 述 氨 基 酸 序 列 的 編 碼 序 列 查 出來 。 但 是

8、 由 于 上 述 氨 基 酸 序 列 中 有 幾 個 氨 基 酸 是 由多 個 三 聯(lián) 密 碼 子 編 碼 ,因 此 其 堿 基 排 列 組 合 起 來 就 比較 復(fù) 雜 ,至 少 可 以 排 列 出 16種 。 同 學(xué) 們 可 以 根 據(jù) 學(xué) 過的 排 列 組 合 知 識 自 己 排 列 一 下 。 首 先 應(yīng) 該 根 據(jù) 三 聯(lián)密 碼 子 推 出 mRNA序 列 為 GCU（ 或 C或 A或 G）UGGAAA（ 或 G） AUGUUU（ 或 C） ， 再 根 據(jù) 堿 基互 補(bǔ) 配 對 規(guī) 律 推 出 脫 氧 核 苷 酸 序 列 ： CGA（ 或 G或 T或 C） ACCTTT（ 或 C）

9、TACAAA（ 或 G） 。 2、 確 定 目 的 基 因 的 堿 基 序 列 后 ， 怎 樣 才 能 合成 或 改 造 目 的 基 因 （ DNA） ？可 以 通 過 人 工 合 成 的 方 法 獲 取 或 基 因 的 定 點(diǎn) 誘 變 技術(shù) 來 改 變 。 基 因 會 發(fā) 生 突 變 ， 突 變 可 以 自 發(fā) ， 也 可 以 誘 發(fā) ， 這 是 每 個 稍有 生 物 學(xué) 知 識 的 人 都 知 道 的 常 識 。 但 在 加 拿 大 生 物 化 學(xué) 家M史 密 斯 （ 1932 2000） 發(fā) 明 定 點(diǎn) 突 變 法 之 前 ， 突 變 株 的產(chǎn) 生 必 須 經(jīng) 由 自 然 界 或 用 化

10、 學(xué) 等 方 法 誘 使 基 因 體 突 變 。 這 類方 法 屬 于 隨 機(jī) 突 變 ， 突 變 株 必 須 在 生 物 性 狀 上 有 所 改 變 ， 才能 確 定 有 突 變 發(fā) 生 ， 但 除 非 用 分 子 生 物 方 法 或 遺 傳 方 法 找 到此 突 變 處 ， 否 則 無 法 確 定 突 變 位 置 。 也 就 是 說 ， 這 種 突 變 是盲 目 的 。 而 史 密 斯 發(fā) 明 的 定 點(diǎn) 突 變 法 卻 是 有 目 的 的 ， 該 法 可經(jīng) 由 設(shè) 計(jì) 好 的 寡 核 苷 酸 ， 在 任 何 一 個 基 因 片 段 上 進(jìn) 行 隨 意 或設(shè) 計(jì) 好 的 突 變 ， 也 就

11、 是 說 ， 這 種 突 變 是 預(yù) 先 設(shè) 定 好 的 ， 所 以也 有 人 將 該 法 稱 為 “ 反 遺 傳 法 ” 。 有 意 思 的 是 這 一 給 生 命 科 學(xué) 研 究 及 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 帶 來 革 命 性突 破 的 方 法 竟 然 是 史 密 斯 和 其 同 事 在 喝 咖 啡 時 閑 聊 出 來 的 。現(xiàn) 在 ， 幾 乎 每 個 生 物 實(shí) 驗(yàn) 室 都 會 用 定 點(diǎn) 突 變 法 來 研 究 基 因 或蛋 白 質(zhì) 的 功 能 。 （1）從生物體中分離純化目的蛋白；（2）測定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和X射線晶體衍射等手段，盡可能地了解蛋白質(zhì)的二維重組和三維晶體結(jié)構(gòu);（

12、4）設(shè)計(jì)各種處理?xiàng)l件，了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，包括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響；（5）設(shè)計(jì)編碼該蛋白的基因改造方案，如定點(diǎn)突變；（6）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實(shí)際使用。 （ 二 ） 蛋 白 質(zhì) 改 造 工 程 舉 例1 水 蛭 素 改 造水 蛭 素 是 水 蛭 唾 液 腺 分 泌 的 凝 血 酶 特 異 抑 制 劑 ， 它 有多 種 變 異 體 ， 由 65或 66個 氨 基 酸 殘 基 組 成 。 水 蛭 素 在臨 床 上 可 作 為 抗 栓 藥 物 用 于 治 療 血 栓 疾 病 。 為 提 高 水 蛭素 活 性 ， 在 綜 合 各 變 異 體 結(jié) 構(gòu) 特 點(diǎn) 的 基 礎(chǔ) 上

13、提 出 改 造 水蛭 素 主 要 變 異 體 HV2的 設(shè) 計(jì) 方 案 ， 將 47位 的 Asn（ 天 冬酰 胺 ） 變 成 Lys（ 賴 氨 酸 ） ， 使 其 與 分 子 內(nèi) 第 4或 第 5位Thr（ 蘇 氨 酸 ） 間 形 成 氫 鍵 來 幫 助 水 蛭 素 N端 肽 段 的 正確 取 向 ， 從 而 提 高 凝 血 效 率 ， 試 管 試 驗(yàn) 活 性 提 高 4倍 ，在 動 物 模 型 上 檢 驗(yàn) 抗 血 栓 形 成 的 效 果 ， 提 高 20倍 。 2 生 長 激 素 改 造生 長 激 素 通 過 對 它 特 異 受 體 的 作 用 促 進(jìn) 細(xì) 胞 和 機(jī) 體的 生 長 發(fā) 育

14、 ， 然 而 它 不 僅 可 以 結(jié) 合 生 長 激 素 受 體 ， 還可 以 結(jié) 合 許 多 種 不 同 類 型 細(xì) 胞 的 催 乳 激 素 受 體 ， 引 發(fā)其 他 生 理 過 程 。 在 治 療 過 程 中 為 減 少 副 作 用 ， 需 使 人的 重 組 生 長 激 素 只 與 生 長 激 素 受 體 結(jié) 合 ， 盡 可 能 減 少與 其 他 激 素 受 體 的 結(jié) 合 。 經(jīng) 研 究 發(fā) 現(xiàn) ， 二 者 受 體 結(jié) 合區(qū) 有 一 部 分 重 疊 ， 但 并 不 完 全 相 同 ， 有 可 能 通 過 改 造加 以 區(qū) 別 。 由 于 人 的 生 長 激 素 和 催 乳 激 素 受 體

15、 結(jié) 合 需要 鋅 離 子 參 與 作 用 ， 而 它 與 生 長 激 素 受 體 結(jié) 合 則 無 需鋅 離 子 參 與 ， 于 是 考 慮 取 代 充 當(dāng) 鋅 離 子 配 基 的 氨 基 酸側(cè) 鏈 ， 如 第 18和 第 21位 His（ 組 氨 酸 ） 和 第 17位 Glu（ 谷 氨 酸 ） 。 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 與 預(yù) 先 設(shè) 想 一 致 ， 但 要 開 發(fā) 作為 臨 床 用 藥 還 有 大 量 的 工 作 要 做 。 3 胰 島 素 改 造天 然 胰 島 素 制 劑 在 儲 存 中 易 形 成 二 聚 體 和 六 聚 體 ，延 緩 胰 島 素 從 注 射 部 位 進(jìn) 入 血 液 ， 從

16、 而 延 緩 了 其 降 血糖 作 用 ， 也 增 加 了 抗 原 性 ， 這 是 胰 島 素 B23-B28氨 基酸 殘 基 結(jié) 構(gòu) 所 致 。 利 用 蛋 白 質(zhì) 工 程 技 術(shù) 改 變 這 些 殘 基 ，則 可 降 低 其 聚 合 作 用 ， 使 胰 島 素 快 速 起 作 用 。 該 速 效胰 島 素 已 通 過 臨 床 實(shí) 驗(yàn) 。 4 治 癌 酶 的 改 造 癌 癥 的 基 因 治 療 分 二 個 方 面 ： 藥 物 作 用 于 癌 細(xì) 胞 ，特 異 性 地 抑 制 或 殺 死 癌 細(xì) 胞 ； 藥 物 保 護(hù) 正 常 細(xì) 胞 免 受 化學(xué) 藥 物 的 侵 害 ， 可 以 提 高 化

17、學(xué) 治 療 的 劑 量 。 皰 疹 病 毒（ HSV） 胸 腺 嘧 啶 激 酶 （ TK） 可 以 催 化 胸 腺 嘧 啶 和 其 它結(jié) 構(gòu) 類 似 物 磷 酸 化 而 使 這 些 堿 基 3-OH缺 乏 ,從 而 阻 斷DNA的 合 成 ， 殺 死 癌 細(xì) 胞 。 HSVTK催 化 能 力 可 以 通 過基 因 突 變 來 提 高 。 從 大 量 的 隨 機(jī) 突 變 中 進(jìn) 行 篩 選 出 一 種酶 ,在 酶 活 性 部 位 附 近 有 6個 氨 基 酸 被 替 換 ， 催 化 能 力 20倍 以 上 。 蛋 白 質(zhì) 工 程 除 了 用 于 改 造 天 然 蛋 白 質(zhì) 或 設(shè) 計(jì) 制 造 新

18、 的蛋 白 質(zhì) 外 ， 其 本 身 還 是 研 究 蛋 白 質(zhì) 結(jié) 構(gòu) 功 能 的 一 種 強(qiáng) 有力 的 工 具 ， 它 在 解 決 生 物 理 論 方 面 所 起 的 作 用 ， 可 以 和任 何 重 大 的 生 物 研 究 方 法 相 提 并 論 。 蛋 白 質(zhì) 工 程 的 進(jìn) 展 與 前 景 蛋 白 質(zhì) 工 程 目 前 的 現(xiàn) 狀 ： 成 功 的 例 子 不 多， 主 要 是 因 為 蛋 白 質(zhì) 發(fā) 揮 其 功 能 需 要 依 賴于 正 確 的 空 間 結(jié) 構(gòu) ， 而 科 學(xué) 家 目 前 對 大 多數(shù) 蛋 白 質(zhì) 的 空 間 結(jié) 構(gòu) 了 解 很 少 。 活 動 3 比 較 基 因 工 程 和 蛋 白 質(zhì) 工 程基因工程蛋白質(zhì)工程相同點(diǎn)都要改造基因，都屬于分子水平產(chǎn)生新的基因型，無新基因基因（型）產(chǎn)生的蛋白質(zhì)原有的新的聯(lián)系蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ)，是基因工程的應(yīng)用和延伸