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第3节 基因工程的应用
第3章 基因工程
从社会中来
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。
一、基因工程在农牧业方面的应用
(一）基因工程在农牧业方面的应用概述
1996—2017年，全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍，从1.7×106 hm 发展到1.898 × 108 hm2。
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，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
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。
转基因大西洋鲑的优点：
（1）缩短了生长周期
（2）都是雌性而且不育，避免了野生鲑鱼杂交的风险。
(一）基因工程在农牧业方面的应用概述
转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排）
一、基因工程在农牧业方面的应用
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
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。
一、基因工程在农牧业方面的应用
(二）基因工程在农牧业方面的应用
1.转基因抗虫植物
（1）方法：从某些生物中分离出抗虫基因导入作物，使之具有抗虫性状。
（4）优点：减少因化学农药的使用而造成的环境污染和对人类健康的损害、降低生产成本、提高产量。
Bt毒蛋白基因；蛋白酶抑制剂基因；淀粉酶抑制剂基因；植物凝集素基因等。
（2）主要杀虫基因：
（3）成果：转基因抗虫棉花、玉米、水稻、大豆、马铃薯等。
对照（被害虫侵害的黄绿色植株）
转基因抗虫水稻（绿色植株）
一、基因工程在农牧业方面的应用
(二）基因工程在农牧业方面的应用
病毒外壳蛋白基因（CP基因）
病毒的复制酶基因
抗病毒基因
几丁质酶基因
抗毒素合成基因
抗真菌基因
2.转基因抗病植物
（1）方法：
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。
（3）成果：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
（2）抗病基因：
一、基因工程在农牧业方面的应用
(二）基因工程在农牧业方面的应用
3.转基因抗除草剂植物
（1）背景：杂草常常危害农业生产，而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。
（2）方法：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作物品种。
（3）成果：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
一、基因工程在农牧业方面的应用
(二）基因工程在农牧业方面的应用
（2）成果：我国科学家培育出了赖氨酸含量提高30%的转基因玉米。
赖氨酸缺少对健康很不利。科学家们将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，导入植物，或改变这种氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。
4.利用转基因改良植物品质
（1）目的：提高植物的营养价值、观赏价值等。
将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色，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
(二）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）
转入外源生长激素基因的“超级小鼠”
一、基因工程在农牧业方面的应用
(二）基因工程在农牧业方面的应用
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。
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
（1）常见药物类型：细胞因子、抗体、疫苗和激素等。
（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。
二、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。
抗生素≠干扰素 抗生素：抗细菌药物 干扰素：抗病毒药物
二、基因工程在医药卫生领域的应用
（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
受精卵
泌乳期分泌乳汁
转基因动物
药物
2.让转基因哺乳动物批量生产药物
早期胚胎培养
早期胚胎
显微注射
胚胎移植
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：
二、基因工程在医药卫生领域的应用
思考讨论：关于乳腺生物反应器
动物泌乳期有间隔
有些蛋白不能在乳腺里表达
某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同
优点
缺点
适合于表达高等动物体内的复杂蛋白
制备乳腺反应器的方法成熟
乳腺是天然的高效合成蛋白质的器官
乳汁中重组蛋白的提取和纯化相对容易
补充：膀胱生物反应器
①可以从动物一出生就收集产物，不论动物的性别和是否处于生殖期。
②从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
优点：产量高；成本低；产品质量好，易提取。
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？
让药用蛋白基因只在乳腺细胞中特异性表达。
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。
不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物。
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.膀胱生物反应器哪些方面优于乳腺生物反应器？
5.研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因？
思考讨论：关于乳腺生物反应器
几乎所有细胞。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
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
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
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，建立移植器官工厂
①人体器官移植的难题：
人体移植器官短缺是一个世界性难题。
②解决途径：
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。
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。
最大难题：
免疫排斥
二、基因工程在医药卫生领域的应用
③改造方法：
a.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；
b.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。
④优点：
解决人体移植器官短缺问题；避免免疫排斥反应。
3.用转基因动物作为器官移植的供体，建立移植器官工厂
三、基因工程在食品工业方面的应用
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。
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。
①概念：
②应用：
2.实例：
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。
阿斯巴甜
三、基因工程在食品工业方面的应用
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。
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。
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。
【优点】
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。
2.实例：
三、基因工程在食品工业方面的应用
3.其他方面的应用
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……
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：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？
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。
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
练习与应用
二、拓展应用
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。
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。
二、拓展应用

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