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基因工程的應(yīng)用,專題１基因工程,一、植物基因工程碩果累累,哪些轉(zhuǎn)基因作物已進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用階段?,轉(zhuǎn)基因大豆、玉米、棉花和油菜,植物基因工程技術(shù)主要用于哪些方面?,提高農(nóng)作物的抗逆能力（如抗除草劑、抗蟲、抗病、抗干旱和抗鹽堿等）,以及改良農(nóng)作物的品質(zhì)和利用植物生產(chǎn)藥物等方面。,(一)抗蟲轉(zhuǎn)基因植物,1.傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)防治害蟲的措施及不足之處,2.抗蟲植物舉例,3.抗蟲基因,Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制劑基因、淀粉酶抑制劑基因、植物凝集素基因等,請(qǐng)閱讀P18生物資料技術(shù)卡,了解一些抗蟲基因的抗蟲機(jī)理。,4.抗蟲棉的目的基因是什么?目的基因從何而來?,（二）抗病轉(zhuǎn)基因植物,1.什么是病原微生物？有哪些種類？,引起生物生病的微生物，主要有病毒、真菌和細(xì)菌等,2.為什么說常規(guī)育種很難培育出抗病毒的新品種？,3.在抗病轉(zhuǎn)基因植物中使用最多的是什么基因？,病毒外殼蛋白（coatprotein，CP）基因和病毒的復(fù)制酶基因,自身缺少抗病毒的基因,拓展：在抗病毒轉(zhuǎn)基因植物中，為什么使用病毒外殼蛋白基因可以抗病毒侵染？,關(guān)于病毒外殼蛋白基因(CP基因)導(dǎo)入植物后的抗病毒機(jī)理，目前有幾種假說。一種假說認(rèn)為：CP基因在植物細(xì)胞內(nèi)表達(dá)積累后，當(dāng)入侵的病毒裸露核酸進(jìn)入植物細(xì)胞后，會(huì)立即被這些外殼蛋白重新包裹，從而阻止病毒核酸分子的復(fù)制和翻譯。另一種假說認(rèn)為：植物細(xì)胞內(nèi)積累的病毒外殼蛋白會(huì)抑制病毒脫除外殼，使病毒核酸分子不能釋放出來。然而最近的研究表明，如果將病毒的外殼蛋白的AUG起始密碼缺失，使之不能被翻譯，或者將外殼蛋白基因變成反義RNA基因，整合到植物細(xì)胞染色體上，轉(zhuǎn)基因植物則有很好的抗性。因此，有人認(rèn)為抗性機(jī)理不是外殼蛋白在起作用，而是CP基因轉(zhuǎn)錄出RNA后，與入侵病毒RNA之間的相互作用起到了抗性作用。,4.在抗真菌轉(zhuǎn)基因植物中使用什么基因？,幾丁質(zhì)酶基因和抗毒素合成基因,（三）其它抗逆轉(zhuǎn)基因植物,1.鹽堿和干旱對(duì)農(nóng)作物的危害與什么有關(guān)？,細(xì)胞內(nèi)的滲透壓調(diào)節(jié),在抗鹽堿和抗干旱作物中使用了什么基因？,調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓的基因,2.轉(zhuǎn)基因耐寒的煙草和番茄中哪種基因提高了其抗寒能力？,魚的抗凍蛋白基因,3.抗除草劑基因有何用途？,噴灑除草劑時(shí)，殺死田間的雜草而不損傷作物,（四）利用轉(zhuǎn)基因改良植物的品質(zhì),人體（或其它脊椎動(dòng)物）必不可少，而機(jī)體內(nèi)又不能合成的，必須從食物中補(bǔ)充的氨基酸，稱必需氨基酸。必需氨基酸共有８種：賴氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）、蘇氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸。如果飲食中經(jīng)常缺少必需氨基酸，可影響健康。另外12種氨基酸是人體細(xì)胞能夠合成的叫做非必需氨基酸。,很多食品中缺少必需氨基酸，如何用轉(zhuǎn)基因的方法加以改良？,將必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胫参锘蛘吒淖儽匦璋被岷铣赏緩街心撤N關(guān)鍵酶的活性，以提高氨基酸的含量。,轉(zhuǎn)基因延熟番茄的目的基因是什么？,控制番茄果實(shí)成熟的基因,轉(zhuǎn)基因矮牽牛的目的基因是什么？,與植物花青素代謝有關(guān)的基因,轉(zhuǎn)基因藍(lán)玫瑰,異想天開,能發(fā)熒光的熱帶斑馬魚,普通熱帶斑馬魚是不發(fā)熒光的,如何讓普通熱帶斑馬魚也發(fā)熒光?,總結(jié)：基因工程在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用,（1）高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和具優(yōu)良品質(zhì)的品種用基因工程的方法可以改善糧食作物的蛋白質(zhì)含量。如“向日葵豆”植株。（2）抗逆性品種將細(xì)菌的抗蟲、抗病毒、抗除草劑、抗鹽堿、抗干旱、抗高溫等抗性基因轉(zhuǎn)移到作物體內(nèi)，將從根本上改變作物的特性。如轉(zhuǎn)基因抗蟲棉。,二、動(dòng)物基因工程前景廣闊,（一）用于提高動(dòng)物生長(zhǎng)速度,——?jiǎng)游锲贩N改良、建立生物反應(yīng)器、器官移植等,導(dǎo)入外源生長(zhǎng)激素基因,（二）用于改善畜產(chǎn)品的品質(zhì),舉例說明,將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M，轉(zhuǎn)基因牛分泌的乳汁中乳糖的含量大大減低。,（三）用轉(zhuǎn)基因的動(dòng)物生產(chǎn)藥物,設(shè)問:就基因藥物而言，最理想的表達(dá)場(chǎng)所是哪里？,轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的乳腺。,（1）乳腺是一個(gè)外分泌器官，乳汁不進(jìn)入體內(nèi)循環(huán)，不會(huì)影響轉(zhuǎn)基因動(dòng)物本身的生理代謝反應(yīng)。（2）從乳汁中獲取目的基因產(chǎn)物，產(chǎn)量高，易提純，表達(dá)的蛋白質(zhì)已經(jīng)過充分的修飾加工，具有穩(wěn)定的生物活性。（3）從乳汁中源源不斷獲得目的基因的產(chǎn)物的同時(shí)，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物又可不斷地繁殖。,設(shè)問:為什么乳腺能成為基因藥物最理想的表達(dá)場(chǎng)所呢？,將藥物蛋白基因與乳腺蛋白基因的啟動(dòng)子等調(diào)控組件重組在一起，通過顯微注射等方法，導(dǎo)入哺乳動(dòng)物的受精卵中，將受精卵送入母體，使其發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物進(jìn)入泌乳期后，可以通過分泌乳汁生產(chǎn)所需要的藥品，稱為乳腺生物反應(yīng)器或乳房生物反應(yīng)器。,乳腺生物反應(yīng)器,乳腺生物反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)：①產(chǎn)量高；②質(zhì)量好；③成本低；④易提取。,①獲取目的基因（例如血清白蛋白基因）②構(gòu)建基因表達(dá)載體（在血清白蛋白基因前加特異表達(dá)的啟動(dòng)子）③顯微注射導(dǎo)入哺乳動(dòng)物受精卵中④形成胚胎⑤將胚胎送入母體動(dòng)物⑥發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動(dòng)物（只有在產(chǎn)下的雌性個(gè)體中，轉(zhuǎn)入的基因才能表達(dá)）。,思考:用基因工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)物乳腺生物反應(yīng)器的操作過程是怎樣的？,（四）用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作器官移植的供體,利用基因工程對(duì)豬的器官進(jìn)行改造,方法：將器官供體基因組導(dǎo)入某種調(diào)節(jié)因子，以抑制抗原決定基因的表達(dá)或設(shè)法除去抗原決定基因，再結(jié)合克隆技術(shù)，培育出沒有免疫排斥反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因克隆豬器官。,將目的基因?qū)氲絼?dòng)物的受精卵里，目的基因若與受精卵染色體DNA整合，細(xì)胞分裂時(shí)，該基因隨染色體的倍增而倍增，使每個(gè)細(xì)胞中都帶有目的基因，使性狀得以表達(dá)，并穩(wěn)定地遺傳給后代，從而獲得基因產(chǎn)品。這樣一種新的個(gè)體，稱為轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。,總結(jié)：什么叫轉(zhuǎn)基因動(dòng)物？,基因工程在畜牧養(yǎng)殖業(yè)上的應(yīng)用主要是什么？,繁殖具有抗病能力、高產(chǎn)仔率、高產(chǎn)奶率和高質(zhì)量的皮毛等優(yōu)良品質(zhì)的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。該過程的重要步驟是通過感染或顯微注射技術(shù)將重組DNA轉(zhuǎn)移到動(dòng)物受精卵中。,1.在傳統(tǒng)的藥品生產(chǎn)中，某些藥品如胰島素、干擾素等直接從生物體的哪些結(jié)構(gòu)中提取？,從生物的組織、細(xì)胞或血液中提取。,2.傳統(tǒng)生產(chǎn)方法的缺點(diǎn):,由于受原料來源的限制，價(jià)格十分昂貴。,三、基因工程藥品異軍突起,3.可利用什么方法來解決上述問題？,利用基因工程方法制造轉(zhuǎn)基因的工程菌，可高效率地生產(chǎn)出各種高質(zhì)量、低成本的藥品。,工程菌:用基因工程方法，使外源基因得到高效率表達(dá)的菌類細(xì)胞株系。,基因工程藥品包括：細(xì)胞因子（即淋巴因子如白細(xì)胞介素—2、干擾素）、抗體、疫苗、激素等。,利用微生物生產(chǎn)藥物的優(yōu)越性何在?,利用微生物生產(chǎn)蛋白質(zhì)類藥物，是指將人們需要的某種蛋白質(zhì)的編碼基因，構(gòu)建成表達(dá)載體后導(dǎo)入微生物，然后利用微生物發(fā)酵來生產(chǎn)蛋白質(zhì)類藥物。有以下優(yōu)越性：（1）利用活細(xì)胞作為表達(dá)系統(tǒng)，表達(dá)效率高，無需大型裝置和大面積廠房就可以生產(chǎn)出大量藥品。（2）可以解決傳統(tǒng)制藥中原料來源的不足。利用基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)就不需要從動(dòng)物或人體上獲取原料。（3）降低生產(chǎn)成本，減少生產(chǎn)人員和管理人員。,胰島素是治療糖尿病的特效藥。一般臨床上使用的胰島素主要從豬、牛等家畜的胰腺中提取，每100kg胰腺只能提取4－5g胰島素。用該方法生產(chǎn)的胰島素產(chǎn)量低，價(jià)格昂貴，遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)需要。1979年，科學(xué)家將動(dòng)物體內(nèi)的胰島素基因與大腸桿菌DNA分子重組，并在大腸桿菌內(nèi)實(shí)現(xiàn)了表達(dá)。1982年，美國(guó)一家基因公司用基因工程方法生產(chǎn)的胰島素投入市場(chǎng)，售價(jià)降低了30%－50%。,基因工程藥品——胰島素,治療侏儒癥的唯一方法，是向人體注射生長(zhǎng)激素。而生長(zhǎng)激素的獲得很困難。以前，要獲得生長(zhǎng)激素，需解剖尸體，從大腦的底部摘取垂體，并從中提取生長(zhǎng)激素。現(xiàn)可利用基因工程方法，將人的生長(zhǎng)激素基因?qū)氪竽c桿菌中，使其生產(chǎn)生長(zhǎng)激素。人們從450L大腸桿菌培養(yǎng)液中提取的生長(zhǎng)激素，相當(dāng)于6萬具尸體的全部產(chǎn)量。,基因工程藥品——生長(zhǎng)激素,干擾素是動(dòng)物或人體細(xì)胞受到病毒侵染后產(chǎn)生的一種糖蛋白。干擾素幾乎能抵抗所有病毒引起的感染，是一種抗病毒的特效藥。此外干擾素對(duì)治療癌癥和某些白血病也有一定療效。傳統(tǒng)的干擾素生產(chǎn)方法是從人血液中的白細(xì)胞內(nèi)提取，每300L血液只能提取出1mg干擾素。1980－1982年，科學(xué)家用基因工程方法在大腸桿菌及酵母菌細(xì)胞內(nèi)獲得了干擾素，是傳統(tǒng)的生產(chǎn)量的12萬倍。1987年上述干擾素大量投放市場(chǎng)。,基因工程藥品——干擾素,1、基因治療概念：,四、基因治療曙光初照,把正常基因?qū)氩∪梭w內(nèi)，使該基因的表達(dá)產(chǎn)物發(fā)揮功能，從而達(dá)到治療疾病的目的，是治療遺傳病的最有效的手段。,2、實(shí)例：,將腺苷酸脫氨酶基因轉(zhuǎn)入取自患者的淋巴細(xì)胞中，再將這種淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)入患者體內(nèi)。,對(duì)嚴(yán)重復(fù)合型免疫缺陷癥的治療,1990年9月14日，安德森對(duì)一例患ADA缺乏癥的4歲女孩進(jìn)行基因治療。這個(gè)4歲女孩由于遺傳基因有缺陷，自身不能生產(chǎn)ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在無菌的隔離帳里。他們將這個(gè)女孩的白血球進(jìn)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輸入她左臂的一條靜脈血管中。在以后的10個(gè)月內(nèi)她又接受了7次這樣的治療，同時(shí)也接受酶治療。后來，她的免疫功能日趨健全，能夠走出隔離帳，過上正常人的生活，并進(jìn)入普通小學(xué)上學(xué)。,3、基因治療的原理（實(shí)質(zhì)）：在基因治療的過程中，正?；?、病變基因都可以表達(dá)，由于正?；虻谋磉_(dá)掩蓋了病變基因的表達(dá)，使病人表現(xiàn)正常，最終達(dá)到治療疾病的目的。,4、基因治療的類型,5、基因治療的發(fā)展現(xiàn)狀：處于初期的臨床試驗(yàn)階段,6、用于基因治療的基因種類：替代基因、反義基因和自殺基因,DNA分子雜交是基因診斷最基本的方法之一。當(dāng)用一段已知基因的核苷酸序列作為探針，與被測(cè)基因進(jìn)行接觸，若兩者的堿基完全配對(duì)成雙鏈，則表明被測(cè)基因中含有已知的基因序列。,知識(shí)回顧：基因診斷,五、基因芯片（DNA芯片）,可用于基因檢測(cè)、基因測(cè)序、疾病診斷等方面從正常人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出標(biāo)準(zhǔn)圖譜；從病人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出病變圖譜。通過比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的DNA信息?；蛐酒\斷技術(shù)以其快速、高效、敏感、經(jīng)濟(jì)、平行化、自動(dòng)化等特點(diǎn)，將成為一項(xiàng)現(xiàn)代化診斷新技術(shù)。,思考與探究:根據(jù)所學(xué)內(nèi)容，試概括寫出基因工程解決了哪些生活、生產(chǎn)中難以解決的問題。,基因工程可以生產(chǎn)人類需要的藥物，如胰島素、干擾素等。我們吃的某些食品如番茄、大豆等也可以是基因工程產(chǎn)品。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的抗蟲棉、抗病毒煙草、抗除草劑大豆等都已進(jìn)入商品化生產(chǎn)，上述產(chǎn)品有些是常規(guī)方法難以生產(chǎn)的或者生產(chǎn)成本過高。,完,