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第3章　基因工程
第3节
基因工程的应用
SW-PWF
胰岛素是治疗糖尿病的特效药物。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中获取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素需要上千头牛，生产的成本非常高。1978年，科学家将编码人胰岛素的基因导入大肠杆菌细胞中，使大肠杆菌表达重组人胰岛素。我国拥有自主知识产权的基因工程药物---重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。
除了生产胰岛素，基因工程还有那些应用呢？
从社会中来
胰腺
提取筛选
胰岛素mRNA
胰岛素cDNA
逆转录
重组
质粒
质粒
导入
大肠杆菌
mRNA
胰岛素原
胰岛素
加工
用原核生物生产胰岛素示意图
大肠杆菌合成的胰岛素有没有生物活性
没有，胰岛素是分泌蛋白，在人和哺乳动物中需要内质网和高尔基体进行加工才能具有生物活性，并从细胞中分泌出去。但是大肠杆菌是原核生物，只含有核糖体这种细胞器。
低乳糖奶牛
基因工程肝炎疫苗
乳汁中含有人生长激素的转基因牛
基因工程自20世纪70年代兴起后，得到了飞速的发展，在农牧业、医药卫生和食品工业等方面，展示出广阔的前景。
医药卫生领域
食品工业方面
农牧业方面
基因工程的应用
转基因抗虫植物
转基因抗病植物
转基因抗除草剂植物
改良植物的品质
提高动物的生长速率
改善产品的品质
细胞因子、抗体、疫苗、激素
食品工业用酶
食品工业用氨基酸
食品工业用维生素
一、基因工程在农牧业方面的应用
1.基因工程在农牧业方面的应用概述
1996-2017年，全世界转基因作物种植面积增加了一百多倍；
转基因作物的优点：
美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家，转基因棉花、大豆、玉米的种植面积占相关作物种植面积的比例超过90%。
2017年，我国转基因作物的种植面积位居世界第八位，商业化种植的转基因作物有棉花和番木瓜。
(1)植物方面
化学杀虫剂使用量减少（生物防治）
作物产量增加
增加经济收益
一、基因工程在农牧业方面的应用
1.基因工程在农牧业方面的应用概述
(2)动物方面
转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排）
有些成果正在进入实用化和商业化开发的阶段；
2015年11月，第一种用于食用的转基因动物——转基因大西洋鲑（俗称“三文鱼”）在美国获得批准上市。
生长周期缩短，体重增加;
无繁殖能力,不与野生三文鱼交配产生种群， 对环境不会产生影响。
转基因抗虫植物
农牧业方面的应用
转基因抗病植物
转基因抗除草剂植物
改良植物的品质
提高动物的生长速率
改良畜产品的品质
抗逆性
一、基因工程在农牧业方面的应用
（二）具体内容
基因工程技术已被广泛用于_____________、____________________等方面。
改良动植物品种
提高作物和畜产品的产量
1.转基因抗虫植物
从某些生物中分离出具有 的基因， 将它导入作物中培育出具有抗虫性作物。
(1)方法:
抗虫功能
①Bt毒蛋白基因：
③淀粉酶抑制剂基因：
②蛋白酶抑制剂基因：
④植物凝集素基因：
阻断或降低蛋白酶的活性，使害虫不能正常消化食物，还会引起厌食反应。
导致细胞膜穿孔，细胞肿胀裂解。
产生的抑制剂可与害虫消化道内的淀粉酶结合。
可与害虫肠道黏膜上的某种物质结合，影响害虫对营养物质的吸收和利用。
抗虫基因
为什么做
使用化学农药杀虫污染环境，损害人类健康，增加生产成本。
1.转基因抗虫植物
转基因抗虫棉、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
(2)成果：
(3)优点：
普通水稻 抗虫水稻
减少了化学农药的使用量， 降低了环境污染；降低生产成本。
将来源于某些病毒、真菌等的 导入作物，培育出抗病作物。
抗病毒基因
病毒外壳蛋白基因
病毒复制酶基因
抗真菌基因
几丁质酶基因
抗毒素合成基因
2.转基因抗病植物
(1)方法:
抗病基因
为什么做
许多栽培作物自身缺少抗病基因。
抗病基因
病毒外壳蛋白基因（CP）如何发挥作用？
在植物细胞中积累的外壳蛋白会将入侵的病毒核酸包裹，抑制核酸的复制和表达；
2、抑制病毒脱外壳；
3、外壳蛋白基因转录出的RNA和病毒RNA相互作用。
花叶病
？
转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等
2.转基因抗病植物
(2)成果：
3.转基因抗除草剂植物
为什么做
大多数除草剂会损伤作物，导致作物减产。杂草对除草剂产生抗性，残留除草剂对人体有危害。
(1)方法:
将 的基因导入作物， 可培育出抗除草剂的作物品种。
降解或抵抗某种除草剂
(3)优点：
在喷洒除草剂时，田间杂草会被杀死而作物不会受到损伤。
转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
施用除草剂后的转基因抗除草剂玉米田
种植转基因抗除草剂大豆的农田
(2)成果：
3.转基因抗除草剂植物
抗盐碱、抗干旱
其它抗逆性基因：
调节细胞渗透压的基因（提高作物抗盐碱、抗干旱）；
鱼的抗冻蛋白基因(提高抗寒能力)；
鱼的抗冻蛋白基因
4.改良植物的品质
为什么做
利用转基因技术可以改良植物的营养价值、观赏价值等。
(1)方法:
优良基因 成果
　　　　　　　　的蛋白质编码基因 富含赖氨酸的转基因玉米
与植物花青素代谢相关的基因 ____________
必需氨基酸含量多
转基因矮牵牛
①使食品的营养成分均衡。
(2)成果:
(3)优点:
②丰富花品颜色，提高观赏价值。
4.改良植物的品质
5.提高动物生长速度
为什么做
外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得很快。
将 导入动物体内，以提高动物的生长速率。
转基因鲤鱼的生长速率比非转基因鲤鱼提高了42%～115%。
(1)方法:
外源生长激素基因
转生长激素基因鲤鱼（下）
与非转基因鲤鱼（上）
(2)成果:
转入外源生长激素基因的“超级小鼠”
6.改善畜产品的品质
为什么做
有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后会出现腹泻等不适症状，这称为乳糖不耐受。
(1)方法:
将 导入奶牛基因组，使获得转基因牛分泌的 中，乳糖的含量大大降低，而其他营养成分不受影响。
肠乳糖酶基因
乳汁
我国约有 的成年人
6.改善畜产品的品质
(2)成果:
避免食物过敏、腹泻、恶心等不适。
转基因牛（分泌的乳汁中乳糖的含量大大降低）
(3)优点:
二、基因工程在医药卫生领域的应用
让转基因哺乳动物批量生产药物
用转基因动物作为器官移植的供体
基因改造微生物或动植物的细胞生产药物
医药卫生领域的应用
在传统的蛋白质类药物生产中，是直接从生物的组织、细胞或血液中提取而来的，因为受到原料来源的限制，产量低，价格贵，远不能满足患者的需求。
为什么做
我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物均已投放市场。
1. 基因工程改造微生物或动植物的细胞生产药物
等
(3)成果：
可以用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等；
(1)常见药物类型：
(2)应用：
细胞因子（干扰素、白细胞介素等）、抗体、疫苗和激素
干扰素是一种具有干扰 复制作用的 ，在临床上被广泛用于治疗 疾病。此外，干扰素对治疗乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等也有一定的疗效。传统产生干扰素的方法是从人血液中的 内提取，每300mL血液只能提取出1mg干扰素。1980～1982年，科学家用基因工程方法从 细胞内获得了干扰素，从1kg培养物中可以得到20～40mg干扰素。1993年，我国批准生产 ，它是我国批准的第一个基因工程药物，目前主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等。
资料卡-干扰素
病毒
糖蛋白
病毒感染性
白细胞
大肠杆菌及酵母菌
重组人干扰素α-1b
抗生素≠干扰素
①抗生素：抗细菌药物
②干扰素：抗病毒药物
思考：
1.干扰素的化学本质是什么？
2.干扰素的作用机理是怎样的？
3.干扰素用于哪些疾病的治疗？
4.传统生产干扰素的方法是什么？
5.目前大量生产干扰素的方法是什么？
6.我国批准生产的第一个基因工程药物的名称叫什么？用于治疗哪些疾病？
糖蛋白
干扰病毒复制
病毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等。
从人血液中的白细胞内提取
用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得
重组人干扰素α-1b；
主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等。
思考：根据前面学过的基因工程的操作程序，说出通过基因工程方法用酵母菌生产乙肝疫苗的过程是怎样的？（提示：乙肝病毒抗原蛋白基因）
①用PCR扩增乙肝病毒抗原蛋白基因；
②将乙肝病毒抗原蛋白基因插入质粒，构建基因表达载体；
③将该基因表达载体导入酵母菌(该过程也是将酵母菌制备成感受态细胞，但是并不是用Ca2+处理，而是用醋酸锂处理）；
④检测并鉴定，筛选出成功转化的酵母菌，进行发酵培养，分离并提纯产物，获得乙肝病毒抗原蛋白。
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”
2.利用转基因哺乳动物批量生产药物
(1)实例：
乳腺生物反应器或乳房生物反应器
(2)培育过程：
药用蛋白基因
乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件
基因表达载体
显微注射
受精卵
泌乳期分泌乳汁
转基因动物
药物
注意：启动子具有物种和组织的特异性
早期胚胎培养
胚胎移植
早期胚胎
代孕母体
分娩
2.利用转基因哺乳动物批量生产药物
含有人凝血因子Ⅸ的转基因羊
人治疗性抗体转基因奶牛
目前已经在牛、山羊等动物的乳腺生物反应器中， 获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要医药产品。
(3)应用：
(4)优缺点：
2.利用转基因哺乳动物批量生产药物
优点
A.适合于表达高等动物体内的复杂蛋白
B.制备乳腺反应器的方法成熟
C.乳腺是天然的高效合成蛋白质的器官
D.乳汁中重组蛋白的提取和纯化相对容易
不足
A.动物泌乳期有间隔
B.有些蛋白不能在乳腺里表达
C.某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同
思考：
1.乳腺生物反应器指的是转基因动物的乳腺吗？
2.为什么将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起？
3.药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？
4.生物反应器除了用乳腺，还可以用什么器官？
5.膀胱生物反应器哪些方面优于乳腺生物反应器？
6.研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因？
7.用生物反应器生产药物的优点？
让药用蛋白基因只在乳腺细胞中特异性表达
几乎所有细胞
膀胱
不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物
不局限于性别与生长期（雌性，泌乳期才会分泌）
将目的基因与膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子重组
(1)动物乳腺有完整的蛋白质翻译后修饰系统， 生产的蛋白质活性高， 更稳定。
(2)产物直接经乳汁分泌， 易提取。
3.用转基因动物作为器官移植的供体
(1)人体器官移植的难题：
人体移植器官短缺是世界性难题
(2)解决途径：
②猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物。
免疫排斥
寻求可替代的移植器官，如利用基因工程对猪的器官进行改造，来解决人类器官移植的来源问题。
猪的优点：
①猪的内脏构造、大小、血管分布与人相似；
最大的难题：
3.用转基因动物作为器官移植的供体
(3)对猪的器官进行改造的方法：
在器官供体的_______中导入某种_________，以_____________________，
或设法______________，然后再结合_____技术，培育出___________________
的________________。
基因组
调节因子
抑制抗原决定基因的表达
除去抗原决定基因
克隆
不会引起免疫排斥反应
转基因克隆助器官
调节因子
载体
重组载体
猪成纤维细胞
卵母细胞
细胞核
去核卵母细胞
重组胚
代孕母猪
转基因克隆猪
假如某位心脏病病人换上经过改造的猪心脏后，过上了健康人的生活。在生活中，他会遭到歧视吗 对此你怎么看？
生命和健康是人最宝贵的东西,如果一个病人换上了经过改造的猪心脏后重获了健康,我们不仅不能歧视他,还应该从他身上看到现代生物技术在维持人体健康、治疗疾病等方面的应用价值。
三、基因工程在食品工业方面的应用
利用基因工程菌， 除了可以生产药物， 还能生产
等。
1.基因工程菌：
(1)概念：
(2)应用：
用_________的方法，使_________得到________的菌类。
基因工程
外源基因
高效表达
食品工业用酶、氨基酸和维生素
基因工程构建基因工程菌
工业发酵批量生产
(3)步骤：
三、基因工程在食品工业方面的应用
一种普遍使用的 ， 主要由 形成， 这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产。
2.实例：
(1)阿斯巴甜：
阿斯巴甜
苯丙氨酸残基
天冬氨酸残基
甜味剂
天冬氨酸和苯丙氨酸
(2)凝乳酶：
①传统制备方法：杀死未断奶的小牛，将其第四胃的黏膜取出来提取。
②基因工程技术：将 导入
的基因组中， 再通过工业发酵批量生产凝乳酶。
大多数奶酪的生产需要使用凝乳酶来凝聚固化奶中的蛋白质。
编码牛凝乳酶的基因
大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌
三、基因工程在食品工业方面的应用
2.实例：
(3)淀粉酶、脂酶：
纯度更高、生产成本显著降低、生产效率较高
①具体操作：
②基因工程获得的工业用酶的优点：
构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产
加工转化糖浆需要淀粉酶， 加工烘烤食物要用到脂酶
比较项目 乳腺（房）生物反应器 基因工程菌生产药物
基因结构
基因产物
受体细胞
目的基因导入方式
生产条件
产物提取
哺乳动物基因的结构与人类结构基本相同
细菌或酵母菌等生物的基因结构与人类基因结构有较大差异
与天然蛋白质完全相同
细菌细胞内缺少内质网、高尔基体等细胞器，合成的蛋白质可能不具有生物活性
哺乳动物的受精卵
微生物细胞
显微注射法
感受态细胞法
不需要严格的灭菌，温度等外界条件对其影响不大
需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
从动物乳汁中提取，相对简单
（一般经过工业发酵后）从微生物细胞（或发酵液）中提取，相对复杂
乳腺生物反应器与基因工程菌生产药物比较
基因工程的其他应用
基因工程使人们更容易培育出具有优良性状的动植物品种，获得很多过去难以得到的生物制品，甚至还能培育出可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染，利用经过基因改造的微生物来生产能源。
利用经过基因改造的微生物生产清洁能源
培育可以降解多种污染物的“超级细菌”治理环境污染
基因工程的其他应用
到社会中去
转基因技术自诞生以来，发展迅速，研发对象已涵盖至少35科、200多种的植物，涉及大豆、玉米和棉花等重要作物，以及牧草、花卉和林木等。请调查：
1. 目前我国批准发放了哪些转基因作物的生产应用安全证书和进口安全证书？
2. 你或你的亲朋好友在日常生活中使用的生物产品，哪些在生产过程中用到了转基因技术？
截至2019年年底，我国批准发放过转基因耐储藏番茄、转基因抗虫棉、改变花色的转基因矮牵牛、转基因抗病辣椒、转基因抗病番木瓜、转基因抗虫水稻、转植酸酶基因玉米以及转基因耐除草剂大豆的生产应用安全证书；批准了转基因棉花、大豆、玉米、油菜、甜菜和番木瓜的进口安全证书，但我国进口的基本上是转基因棉花的纤维，其他进口转基因作物的用途仅限于用作加工原料；我国没有批准任何一种转基因粮食作物种子进口到我国境内商业化种植。
提示：根据实际情况回答
一、基因工程在农牧业方面的应用
2.让转基因哺乳动物批量生产药物
1.基因工程在农牧业方面的应用概述
2.目前，基因工程技术已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
1.基因工程改造微生物或动植物的细胞生产药物
3.用转基因动物作为器官移植的供体
三、基因工程在食品工业方面的应用
1.基因工程菌
2.实例
课堂总结
1.将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导入大肠杆菌的细胞内，再通过发酵工程就能大量生产人生长激素。下列相关叙述正确的是 ( )
A.转录生长激素基因需要解旋酶和DNA连接酶
B.发酵产生的生长激素属于大肠杆菌的初生代谢物
C.大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传
D.大肠杆菌质粒标记基因中腺瞟吟和尿囉曉的含量相等
2.基因工程应用广泛，成果丰硕。下列不属于基因工程应用的是 ( )
A.培育青霉菌并从中提取青霉素
B.利用乳腺生物反应器生产药物
C.制造一种能降解石油的“超级细菌”
D.制造一种能产生干扰素的基因工程菌
C
A
一、概念检测
练习与应用
二、拓展应用
1.除草剂的有效成分草甘膦能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘膦没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘膦的作物。
(1)下面是探究“转人外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘膦”的流程，请补充完整。
①用 等处理目的基因和Ti质粒，构建重组Ti质粒;
②将重组Ti质粒转入农杆菌中;
限制酶和DNA连接酶
③利用含有重组Ti质粒的农杆菌侵染_______细胞，再通过培育得到转基因植株；
④用草甘膦同时喷洒转基因植株和对照组植株。
结果:对照组植株死亡，转基因植株存活，但也受到了影响。
结论： 。
矮牵牛
转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性
练习与应用
练习与应用
（2）请思考并回答下列问题。
①在该实验中，对照组是怎样设计的？
②如果增加转入的外源 EPSP 合酶基因的数量，转基因矮牵牛对草甘膦的抗性是否会增加？
请你给出进一步探究的思路。
①对照组为非转基因矮牵牛。理论上增加转入的外源EPSP合酶基因的数量，矮牵牛体内EPSP合酶的表达水平会升高，它对草甘膦的抗性会增强。
②将不同拷贝数的EPSP合酶基因分别转入矮牵牛细胞中，培育转基因植株，比较它们对草甘辟抗性的差异。
探究思路：将不同拷贝数的EPSP合酶基因分别转入矮牵牛细胞中，培育转基因植株，比较它们对草甘辟抗性的差异。
2. 下图是某同学画的两幅基因工程卡通图。一幅是一头能进行光合作用的奶牛，一幅是一株能同时结岀多种蔬菜和水果的植物。请你像这位同学一样，展开想象的翅膀，畅想基因工程的未来，并用图画、文字或用音乐创作等表达岀来。
【答案】略
二、拓展应用
练习与应用
观
谢
看
谢

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