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(共48张PPT)
第3节 基因工程的应用
转入外源生长激素基因的“超级小鼠”
教学目标
本节聚焦
1. 基因工程的应用有哪些？
2. 怎样理性地看待基因工程在生产和生活中的应用？
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
动物的胰腺中提取。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，基因工程还有哪些应用呢？
抗虫棉、转基因大豆、转基因甜椒等。
脑洞大开
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
？
【资料1】基因工程在农牧业中的应用发展迅速。1996—2017年，全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍，从1.7×106 hm 发展到1.898 × 108 hm2(如图)。据2016年世界范围的统计数据表明，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，
一、基因工程在农牧业方面的应用
增加经济收益近1.3万亿元。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都超过了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。
一、基因工程在农牧业方面的应用
【资料2】在转基因动物方面，近些年几乎每年都有令人瞩目的研究成果报道，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。
转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排）
【资料3】黄金大米
普通水稻不含维生素A，以稻米为 主食的一些发展中国家，就可能由于维 生素A的缺乏导致严重的健康问题。人 们将有关酶的基因导入水稻中，并诱导 它们在水稻细胞中得以表达，使水稻中 的双香叶素－二磷酸能转化成β-胡萝卜 素。含有β-胡萝卜素的大米颜色金黄， 被形象地称为“金米”（右图）。人 们食用这种“金米”后，其中的β-胡 萝卜素会在人体内转化成维生素A，为深受维生素A缺乏症之苦的人们带来了 “金色希望”。
一、基因工程在农牧业方面的应用
普通大米（左）和黄金大米（右）
【资料3】黄金大米
普通水稻不含维生素A，以稻米为 主食的一些发展中国家，就可能由于维 生素A的缺乏导致严重的健康问题。人 们将有关酶的基因导入水稻中，并诱导 它们在水稻细胞中得以表达，使水稻中 的双香叶素－二磷酸能转化成β-胡萝卜 素。含有β-胡萝卜素的大米颜色金黄， 被形象地称为“金米”（右图）。人 们食用这种“金米”后，其中的β-胡 萝卜素会在人体内转化成维生素A，为深受维生素A缺乏症之苦的人们带来了 “金色希望”。
一、基因工程在农牧业方面的应用
双香叶素-二磷酸
黄金大米形成原理
八氢番茄红素
酶-1
番茄红素
酶-2
β-胡萝卜素
酶-3
阅读P87-P89，找出各种应用的相关基因、实例、原因、作用和解决的问题。
1.抗虫转基因植物
从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因（相关基因），导入作物，使其具有抗虫性，是目前防治作物虫害的一种发展趋势。已问世的的转基因抗虫植物有转基因抗虫棉花、玉米、水稻、大豆、马铃薯等。
转基因抗虫水稻（绿色植株）与
对照（被害虫侵害的黄色植株）
一、基因工程在农牧业方面的应用
2.转基因抗病植物
科学家将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出转基因抗病植物。如转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
一、基因工程在农牧业方面的应用
3.转基因抗除草剂植物
大多数除草剂不仅能杀死田间杂草，还会损伤作物，导致作物减产。将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可培育出抗除草剂的作物品种。这样在喷洒除草剂时，田间杂草会被杀死而作物不会受到损伤。目前已经获得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
一、基因工程在农牧业方面的应用
（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
抗逆转基因植物
鱼的抗冻蛋白基因
一、基因工程在农牧业方面的应用
思考：
我国西北地区的主要气候特点是年降雨量小，从而影响粮食的产量，如果从基因工程的角度考虑，如何避免粮食减产？
可以用基因工程技术培育抗旱作物（筛选获取抗旱基因）
4.改良植物的品质
利用转基因技术改良植物的营养价值、观赏价值等。例如，将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量，科学家培育的某种转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。我国科学家将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高了它的观赏价值。
一、基因工程在农牧业方面的应用
高赖氨酸玉米
含大量维生素的转基因玉米
转基因大豆，改善粮食作物的营养成分（必须氨基酸）含量高。
抗癌抗衰老的紫色西红柿
改善粮食作物的营养成分含量，如氨基酸、蛋白质
4.改良植物的品质
一、基因工程在农牧业方面的应用
5.提高动物的生长速率
科学家将外源生长激素基因导入动物体内，以提高动物的生长速率。例如,我国科学家将外源生长激素基因导入鲤鱼，在同等养殖条件下，转基因鲤鱼的生长速率比非转基因鲤鱼提高了42%～115%。
转生长激素基因鲤鱼（下）
与非转基因鲤鱼（上）
一、基因工程在农牧业方面的应用
转入外源生长激素基因的“超级小鼠”
6.改善畜产品的品质
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。我国约有1/3的成年人乳糖不耐受。科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他营养成分不受影响。
一、基因工程在农牧业方面的应用
低乳糖奶牛
1.基因改造微生物或动植物的细胞生产药物
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；
③实例
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。
细胞因子、抗体、疫苗和激素等
二、基因工程在医药卫生领域的应用
乳汁中含有人生长激素
的转基因牛
含人凝血因子基因的
转基因羊（治血友病）
1、用转基因动物生产药物
二、基因工程在医药卫生领域的应用
干扰素
干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。此外，干扰素对于治疗乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等也有一定的疗效。
传统生产干扰素的方法是从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取1mg干扰素。
1980-1982年，科学家用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌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年我国批准生产重组人干扰素α-1b，它是我国批准生产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。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
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？
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。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
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？
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。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
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。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
2.让转基因哺乳动物批量生产药物
①实例
____________________________________
②相关基因
____________________________________________________
③过程
乳腺（乳房）生物反应器（牛、山羊）
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
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
早期胚胎培养
胚胎移植
早期胚胎
二、基因工程在医药卫生领域的应用
2.让转基因哺乳动物批量生产药物
④应用
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-抗胰蛋白酶等重要的医药产品。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
喝牛奶可以代替打针吃药吗？
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？
思考
二、基因工程在医药卫生领域的应用
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
不局限于性别与生长期（乳腺生物反应器必须是雌性，且泌乳期才会分泌）
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
产物容易提取
不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物
3.用转基因动物作为器官移植的供体
（1）.原因
人体移植器官短缺是一个世界性难题。为此，人们不得不把目光移向寻求可替代的器官移植。
利用基因工程对猪的器官进行改造。
（2）.以猪作为器官移植供体的原因
a. 由于猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似；b.猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒要远远少于灵长类动物。
科学家将目光集中在小型猪身上，是否可以用猪的器官来解决人类器官的来源问题呢？
实现这一目标的最大难题是免疫排斥。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
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
转基因克隆猪器官
产品名称 受体细胞 临床应用
重组人胰岛素 大肠杆菌 治疗糖尿病
重组人红细胞生成素 哺乳动物细胞 治疗贫血
重组人生长激素 大肠杆菌 治疗生长缺陷
重组人表皮生长因子 大肠杆菌 治疗烫伤、溃疡等
重组人肿瘤坏死因子 大肠杆菌 治疗肿瘤
重组人干扰素（多种） 酵母菌等 治疗病毒感染、肿瘤等
重组人白细胞介素 大肠杆菌 治疗肿瘤
重组尿激酶原 大肠杆菌 治疗心脏病等
重组人集落刺激因子 哺乳动物细胞 辅助治疗血友病、艾滋病等
重组人抗血友病因子 哺乳动物细胞 治疗血友病
重组人组织型纤溶酶原激活物 哺乳动物细胞 溶解血栓
部分利用基因工程技术生产的医用多肽和蛋白质类产品
假如某位心脏病病人换上经过改造的猪心脏后，过上健康人的生活，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。
异想天开
（一）基因工程菌
用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。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。
（二）实例
1.阿斯巴甜
一种普遍使用的甜味剂，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。
三、基因工程在食品工业方面的应用
2.凝乳酶
（二）实例
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。
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。
三、基因工程在食品工业方面的应用
（二）实例
3.淀粉酶、脂酶
加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食物要用到的脂酶等也可通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。
三、基因工程在食品工业方面的应用
基因工程获得的工业用酶的纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高。
（三）优点
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……
三、基因工程在食品工业方面的应用
基因工程的其他应用
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
导入细胞
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
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？
1、 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。
四、小结
练习与应用
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
C
练习与应用
一、概念检测
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
A
二、拓展应用
1.除草剂的有效成分草甘麟能够专一地抑制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。草甘腾没有选择性，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麟的作物。
（1）下面是探究“转入外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘腾”的流程，请补充完整。
①用_____________________________等处理含有目的基因的DNA片段和T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用草甘瞬同时喷酒转基因植株和对照组植株。
限制酶和DNA连接酶
矮牵牛
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：________________________________________
转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性。
二、拓展应用
（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腾的抗性是否会增加？
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。
练习与应用
二、拓展应用
2.下图是某同学画的两幅基因T程卡通图。
一副是一头能进行光合作用的奶牛，一幅是一株能同时结出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出来。
谢谢
让课堂绽放魅力 让教育更加美好

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