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第3章 基因工程
第3节 基因工程的应用
基因工程的应用有哪些？
怎样理性地看待基因工程在生产和生活中的应用？
本节聚焦
1
2
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？
重组人胰岛素注射液
【从社会中来】
提高产量
提高品质
基因工程制药
异种器官移植
疾病动物模型
生产添加剂
制造食物
生产清洁能源
治理环境污染
基因工程的应用
基因工程在农牧业中的应用发展迅速。已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品产量等方面。
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
01
基因工程在农牧业方面的应用
转基因抗虫植物
从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中培育出具有抗虫性的作物，我国已批准的商业化品种有转基因抗虫棉（水稻未获审批）。
转基因抗病毒植物
将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物，培育出转基因抗病毒植物，我国已批准的商业化品种有转基因抗病毒番木瓜、辣椒。
转基因抗除草剂植物
将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可以培育出抗除草剂的品种。我国的抗除草剂大豆品种已于2019年打开了阿根廷市场。
01
基因工程在农牧业方面的应用
普通棉花 抗虫棉花
苏云金芽孢杆菌（Bt）
Bt作用机理
转基因抗虫植物：抗虫棉
转基因抗虫植物
从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中培育出具有抗虫性的作物，我国已批准的商业化品种有转基因抗虫棉（水稻未获审批）。
改良植物的品质
转基因玉米、水稻（提高赖氨酸等必需氨基酸的含量）。
科学家最早希望通过转入花青素基因获得花色更深的矮牵牛，却因为RNA干扰，获得了许多变色矮牵牛。
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，如朱作言等育成了转基因鲤鱼（冠鲤）。但冠鲤至今并未获得审批。
改良畜产品的品质
内蒙古农业大学育成了世界上第一例转基因低乳糖牛（将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组获得），其所产牛奶中乳糖含量低，是众多乳糖不耐受患者的福音。
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
对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
医药卫生领域的应用
02
基因工程在医药卫生领域的应用
药物类型 细胞因子、抗体、疫苗和激素等
用途 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
成果 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
利用微生物或动植物生产药物
02
基因工程在医药卫生领域的应用
利用微生物或动植物生产药物
激素
细胞因子
抗体
疫苗
02
基因工程在医药卫生领域的应用
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白细胞内提取，每300L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。
侯云德（右）（2017年全国最高科学技术成就奖获得者）等成功研制了我国第一个基因工程药物——重组人干扰素α-1b
资料卡
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。
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
发育
③应用：
02
基因工程在医药卫生领域的应用
利用哺乳动物生产药物
利用哺乳动物生产药物
人生长激素基因
提供受精卵
显微注射
代孕
转基因羊
生长激素
牛奶
载体含有乳腺细胞中特异性表达基因的启动子
02
基因工程在医药卫生领域的应用
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
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：
a.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远远少于灵长类动物
A.猪的优点：
B.最大难题：
免疫排斥
02
基因工程在医药卫生领域的应用
建立移植器官工厂
建立移植器官工厂
2021年底在美国纽约，科学家通过基因编辑，敲除了猪体内会导致人体免疫反应的基因，然后将基因编辑猪的肾脏移植入人体（已脑死亡并发肾衰竭，家属知情同意），病人的肾脏又继续工作了2个月。（注：人类胚胎的基因编辑仍不属于法律许可范畴）
基因编辑胚胎
代孕母猪
基因编辑猪
胸腺
肾脏
02
基因工程在医药卫生领域的应用
抗体恒定区（C区）在不同物种中存在差异，因此鼠源单抗会被人体免疫系统识别为抗原。科学家设法将鼠源抗体的恒定区（C区）替换成人的，或者只保留鼠源抗体中对抗原识别起决定性作用的部分（CDRs）。这两类的抗体都可以通过设计嵌合基因通过基因工程来实现工业化生产。不过，最安全的还是全人源化抗体。
补充了解：
胚胎干细胞
基因编辑敲除抗体生成基因
人的抗体
生成基因
免疫系统的“自我”识别是胚胎发育阶段发展出来的。在小鼠免疫系统发展出自我识别之前替换成人的抗体生成基因，就可以产生出全人源化抗体（并被小鼠识别为自我）。
发育
植入囊胚腔
互交
补充了解：
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
1.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一般称为基因工程菌。
2.利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等
产物 应用
阿斯巴甜 主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸就可以通过基因工程实现大规模生产
凝乳酶 科学家将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶
淀粉酶、酯酶 通过构建基因工程菌、然后用发酵技术大量生产
03
基因工程在食品工业方面的应用
阿斯巴甜
苯丙氨酸残基
天冬氨酸残基
细菌拟核
质粒
质粒
重组质粒
核酸切割
送入细胞
重组细菌
插入质粒
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一般称为基因工程菌。
03
基因工程在食品工业方面的应用
归纳总结
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
Ca2+处理法（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……
04
其他方面的应用
科学、客观、理性看待转基因技术
对转基因持两种极端的观点都不合适
关键在于转入什么基因、表达产物是什么和如何监管
转基因技术本身是中性的，应该趋利避害
农牧业领域
食品领域
医药领域
环保领域
硕果累累
课堂小结
本节相关视频资料
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
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
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。
（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。
提示：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。
提示：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。
二、拓展应用

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