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(共35张PPT)
第3章 基因工程
3.3 基因工程的应用
学习目标
基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用
干扰素、乳腺生物反应器
羊产出蜘蛛丝——动物转基因技术
基因工程的应用
抗病毒基因
鱼类的抗冻蛋白基因
萤火虫的荧光基因
乌龟的长寿基因
人类胰岛素的合成基因
富含赖氨酸的蛋白质合成基因
植物花青素（花色）代谢有关的基因
根据基因工程的原理我们可以利用下面这些基因培育什么样的个体呢？
受体细胞
导入
=
？
基因工程自20世纪70年代兴起后， 得到了飞速的发展， 展示出广阔的前景
基因工程的应用
01
02
农牧业方面
医药卫生领域
03
食品工业方面
基因工程自20世纪70年代兴起后， 得到了飞速的发展， 展示出广阔的前景
农牧业方面
课本P87
【情景一】1996—2017年，全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍
转基因作物的种植使化学杀虫剂施用量减少了8.2%，作物产量增加了6.6×108t，增加经济收益近1.3万亿元
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转基因鲑鱼缩短了其成长周期，因此它受到的污染和体内聚集的有毒物质残留比普通鲑鱼少得多
思考：转基因作物有哪些优点？
① 减少化学杀虫剂使用量
② 增加作物产量、增加经济效益
【情景二】转基因动物方面的成果正在进入实用化和商业化开发的阶段
转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排）
农牧业方面
课本P87-89
基因工程被广泛用于_______________、_________和_____________等方面
改良动植物品种
提高作物
农牧业方面的应用
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
改良畜产品的品质
抗逆性
畜产品的产量
农牧业方面
课本P87-89
目的基因 应用实例
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
自主学习：阅读P88-89，按照下面几个方面进行梳理
抗虫功能的基因
转基因抗虫棉、玉米、大豆、水稻和马铃薯等
抗病功能的基因
抗病毒转基因甜椒、番木瓜和烟草等
降解或抵抗某种除草剂的基因
转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等
与植物花青素代谢相关的基因
转基因矮牵牛
农牧业方面
课本P88-89
培育方法：从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，导入作物，使其具有抗虫性。
实例：转基因抗虫棉、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
1
转基因抗虫植物
非转基因抗虫棉（左）
转基因抗虫棉（右）
对照（被害虫侵害的黄绿色植株）
转基因抗虫水稻（绿色植株）
非转基因抗虫玉米（下）
转基因抗虫玉米（上）
主要杀虫基因：
植物凝集素基因等。
Bt抗虫蛋白基因；
蛋白酶抑制剂基因；
淀粉酶抑制剂基因；
补充在课本P88对应位置
1
转基因抗虫植物
主要杀虫基因：
植物凝集素基因等。
Bt抗虫蛋白基因；
蛋白酶抑制剂基因；
淀粉酶抑制剂基因；
2
转基因抗病植物
主要抗病基因
抗病毒基因
病毒外壳蛋白基因（CP基因）
病毒的复制酶基因
抗真菌基因
几丁质酶基因
抗毒素合成基因
补充在课本P90资料卡对应位置
抗生素 干扰素
①抗生素：抗细菌药物
②干扰素：抗病毒药物
≠
优点：
缺点：
产量高、质量好、成本低、易提取
容易受时间和性别的限制
乳腺生物反应器的优缺点？
补充在课本P90左下角
农牧业方面
课本P88-89
2
转基因抗病植物
培育方法：将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出转基因抗病植物。
实例：抗病毒转基因甜椒、番木瓜和烟草等。
抗病基因
抗病毒基因
病毒外壳蛋白基因（CP基因）
病毒的复制酶基因
抗真菌基因
几丁质酶基因
抗毒素合成基因
农牧业方面
课本P88-89
5
提高动物的生长速率
实 例：转基因鲤鱼、转基因小鼠
实 例：转基因牛(乳汁中乳糖的含量大大降低)
目的基因：外源生长激素基因
目的基因：肠乳糖酶基因
解决问题：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，称之为乳糖不耐受
6
改善畜产品的品质
医药卫生领域
课本P90
1.对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
细胞因子、抗体、疫苗和激素等
①常见药物类型：
②应用：
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；
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。
③实例：
医药卫生领域
课本P90
1.对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
(1)基因工程药品 —— 干扰素
　通过基因工程的方式创造了能合成人干扰素的大肠杆菌及酵母菌，每1Kg的培养物可提取20—40mg干扰素
干扰素治疗病毒感染是“万能灵药”！过去从人血提取，300L血才提取1mg！“珍贵”程度自不用多说
人干扰素α-2b（安达芬）
资料卡——干扰素
课本P90
1.干扰素的化学本质是什么？
糖蛋白
2.干扰素的作用机理是怎样的？
干扰病毒复制
3.传统生产干扰素的方法是什么？
从人血液中的白细胞内提取
4.目前大量生产干扰素的方法是什么？
用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得
抗生素 干扰素
①抗生素：抗细菌药物
②干扰素：抗病毒药物
≠
根据基因工程的操作程序和发酵工程的相关内容，尝试说出生产重组人干扰素的过程。
1.目的基因的筛选与获取
2.基因表达载体的构建
3.将目的基因导入受体细胞
4.目的基因的检测与鉴定
①用PCR扩增干扰素基因
②将干扰素基因插入质粒，构建基因表达载体
③将该基因表达载体导入大肠杆菌（Ca2+处理法）
④检测并鉴定，筛选出成功转化的大肠杆菌，进行发酵培养，
分离并提纯产物，获得干扰素蛋白
干扰素基因
质粒
基因表达载体
大肠杆菌或酵母菌
大量可以生产干扰素的大肠杆菌或酵母菌
构建
导入
培养
资料卡——干扰素
课本P90
医药卫生领域
课本P90
1.对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
(2)基因工程药品 —— 胰岛素
　 将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每2000L培养液就能产生100g胰岛素！使其价格降低了30%-50%!
　　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
胰岛素是一种降低血糖的激素，是治疗糖尿病的特效药物。我国目前有1.164亿糖尿病患者，占全球糖尿病患者的1/4。
医药卫生领域
课本P90
1.对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
(2)基因工程药品 —— 胰岛素
思考：大肠杆菌生产的重组人胰岛素与人体细胞产生的胰岛素结构相同吗？
胰岛素是分泌蛋白，人体细胞产生的胰岛素会经过内质网和高尔基体的加工;
不相同
大肠杆菌是原核生物，没有内质网和高尔基体，所以在大肠杆菌体内无法对胰岛素进行进一步加工；需要在体外进行人工再加工。
医药卫生领域
课本P90
1.对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
(3)其他基因工程药品
生长激素、乙肝疫苗、人造血液等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用
基因工程肝炎疫苗
重组人生长激素
人造血液
医药卫生领域
课本P90
2.让转基因哺乳动物批量生产药物
①实例：
乳腺（房）生物反应器
②培育过程：
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：
药用蛋白基因
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
早期胚胎培养
胚胎移植
早期胚胎
目的基因？
启动子？
受体细胞？
药用蛋白基因
乳腺中特异表达的基因的启动子
受精卵
乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件
乳腺是理想的外源基因表达场所，因为乳腺属于外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影响动物自身的新陈代谢，因此不会损害转基因动物的健康。同时从转基因动物的乳汁中获取目的基因产物具有产量高、易提纯、生物活性较稳定等特点
为什么只让药物蛋白基因在转基因动物乳腺中表达？
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？
思考
几乎所有细胞
让药用蛋白基因只在乳腺细胞中特异性表达
3.药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？
1.乳腺生物反应器指的是转基因动物的乳腺吗？
不是，乳腺生物反应器指的就是整个转基因生物
喝这种牛奶可以代替打针吃药吗？
优点：
缺点：
产量高、质量好、成本低、易提取
容易受时间和性别的限制
4.乳腺生物反应器的优缺点？
拓展：膀胱生物反应器
构建膀胱生物反应器是将目的基因插入含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，从而指导目的基因表达产物分泌在尿液中。
具有周期短、不受性别和年龄的限制，易收集和提纯更高。
优点：
医药卫生领域
课本P91
3.用转基因动物作为器官移植的供体
(1)人体器官移植的世界性难题：
寻求可替代的移植器官,如用猪的器官来解决人类器官移植的来源问题
人体移植器官短缺
(2)解决途径：
猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似
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
猪的优点：
最大难题：
免疫排斥
医药卫生领域
课本P91
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：
②设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。
①在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达
转基因猪(转抗原抑制基因)
食品工业方面
课本P91
基因工程
外源基因
高效表达
基因工程菌
概念：
用___________的方法，使___________得到__________的菌类
应用：
利用基因工程菌，除了可以生产药物，还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等
阿斯巴甜
苯丙氨酸残基
天冬氨酸残基
一种普遍使用的甜味剂（阿斯巴甜），主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产
实例1：
食品工业方面
课本P91
基因工程技术：将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉、酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶
实例2：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
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
加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品用到的脂酶等也都可以通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产
优点：相比从天然产物中提取的酶，用基因工程获得的工业用酶纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高
实例3：淀粉酶、脂酶
其他应用
课本P91
1.培育出可以 的“超级细菌”来处理环境污染；
2.利用经过基因改造的微生物来生产能源。
降解多种污染物
生物乙醇
总结
基因工程在农牧业方面的应用
基因工程的应用
1.转基因抗虫植物
2.转基因抗病植物
3.转基因抗除草剂植物
4.改良植物的品质
5.提高动物的生长速率
6.改善畜产品的品质
基因工程在医药卫生领域的应用
基因工程在食品工业方面的应用
1.对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物
2.利用基因工程技术，可以让哺乳动物批量生产药物,如乳腺生物反应器
3.用转基因动物作器官移植的供体等
构建基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸、维生素
一、概念检测
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嘌呤和尿嘧啶的含量相等
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
练习
课本P92
练习
课本P92
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;
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： 。
(2)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麟的抗性是否会增加？请你给出进一步探究的思路。
限制酶和DNA连接酶
矮牵牛
转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性
非转基因矮牵牛植株
理论上会增加，因为EPSP合酶的表达水平会提高；
可以用草甘膦同时喷洒对照组植株、转基因植株和增加转入的外源EPSP合酶基因数量的转基因植株，观察三者的存活情况
乳腺生物反应器与基因工程菌生产药物的比较
【情境】利用基因工程生产人胰岛素有两种方法:
方法一:将胰岛素基因转入细菌细胞,进行微生物培养,提取胰岛素;
方法二:将胰岛素基因转入高等哺乳动物的受精卵,培养成转基因动物并从其乳汁中提取胰岛素。
(1)方法一中，为使胰岛素基因能顺利进入细菌细胞，应用　　　　处理细菌细胞,目的是使细胞处于一种　　　　　　　　　　　　　　　　　。
能吸收周围环境中DNA分子的生理状态
Ca2+
(2)方法二中，将目的基因导入受体细胞常用的方法是　　　　　　。要确保人胰岛素基因只在牛的乳腺细胞中表达，应该采取的措施是在人胰岛素基因的首端加上_________________________________等调控组件。
(3)上述两种方法中，哪种方法得到的胰岛素需要进一步加工和修饰以使其获得生物活性？试解释其原因。
方法一。方法一中的受体细胞是细菌，其细胞内无内质网和高尔基体，无法对胰岛素进行加工和修饰。
显微注射法
在乳腺中特异表达的基因的启动子
乳腺生物反应器与基因工程菌生产药物的比较
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
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
Ca2+处理法
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
大本P66
练习
下列有关乳腺生物反应器与大肠杆菌生产药物的叙述错误的是 （ ）
A.前者在乳汁中提取药物，后者在细胞中或细胞产物中提取
B.前者生产药物的过程不需要严格灭菌，后者需要严格灭菌
C.前者合成的蛋白质可加工成熟，后者合成的蛋白质一般不可加工成熟
D.两者的基因与人体基因结构均相同
D
练习
动物基因工程可利用基因工程技术使部动物成为乳腺生物反应器，以生产所需要的药品，如利用转基因动物生产人的生长激素，科学家培养转基因动物成为乳腺生物反应器时，下列说法正确的是( )
A.仅仅利用了基因工程一项现代生物技术
B.需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂“
C.利用农杆菌转化法将人的生长激素基因导入受精卵中
D.构建基因表达载体时可以用血清蛋白基因的启动子
B
练习
利用基因工程技术将外源生长激素基因导入绵羊体内,获得的转基因绵羊生长速率比一般的绵羊提高30%,体型大50%。在基因操作过程中,生长激素基因的受体细胞最好采用(　　)
A.乳腺细胞 B.体细胞 C.受精卵 D.精巢
C

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