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第3节 基因工程的应用
第3章 基因工程
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、重组人干扰素、生产疫苗等。
从社会中来
一、基因工程在农牧业方面的应用
转基因作物
1996—2017年，全世界转基因作物种植面积变化
全世界转基因作物种植面积/（×106hm2）
189.8
1.7
全世界转基因作物种植面积呈增加趋势
100多倍
1996年 1.7×106hm2
2017年 1.898×108hm2
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。
转基因作物
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%。
转基因作物
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。
转基因作物
思考：通过以上资料说明转基因作物有哪些优点？
减少化学杀虫剂使用量（生物防治），减少环境污染
增加作物产量
增加经济收益
转基因作物
2015年11月，美国食品和药物管理局批准一种生长速度快的转基因三文鱼用于人类消费，这是全球第一种获准上市供人类食用的转基因动物。
转基因动物
1. 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。
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
（1）转基因抗虫植物
①原理：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，是目前防治作物虫害的一种发展趋势。
②实例：转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
2. 实例
普通
水稻
抗虫
水稻
转基因抗虫棉
非转基因棉
世界上每年因虫害而造成的农产品损失估计为13% 。
如果加上这些农产品在贮藏过程中因虫害而造成的经济损失，数额将达60～100 亿元。
在我国，水稻每年因虫害减产 10% 以上，小麦减产近 20% ，棉花产量损失在 30% 以上。
问题：如何解决以上问题？
问题：为什么培育转基因抗虫植物？
使用化学农药的弊端：污染环境，损害人类健康，增加生产成本。
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。抗虫棉的抗虫基因来自苏云金杆菌的Bt抗虫蛋白基因。
Bt抗虫蛋白质基因
Ti质粒
重组Ti
质粒
农杆菌
作物细胞
抗虫作物
苏云金杆菌
解决方法：转入外源抗虫基因
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，细胞裂解，害虫死亡。
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
拓展延伸：抗虫目的基因种类
Bt抗虫蛋白基因
淀粉酶抑制剂基因
蛋白酶抑制剂基因
植物凝集素基因
（2）转基因抗病植物
①原理：将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物。
②实例：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
2. 实例
普通木瓜 抗病毒木瓜
培育转基因抗病植物
原因：植物病害是多种多样的，从根茎叶到花和果实都有病害发生。许多栽培作物自身缺少抗病基因。
抗病基因
Ti质粒
重组Ti
质粒
病毒
真菌
农杆菌
作物细胞
抗病作物
抗病目的基因种类
方法
抗病毒基因：病毒外壳蛋白基因、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
（3）转基因抗除草剂植物
①原理：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。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。
②实例：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
2. 实例
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
我国自主培育出耐除草剂转基因大豆，除草更为彻底，除草剂残留量低。
（4）改良植物的品质
①改良植物的营养价值：例如，将某种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含量比对照提高30%。
转基因高赖氨酸玉米
2. 实例
2008年10月26日《星期日泰晤士报》报道，英国科学家成功培育出一种转基因“超级番茄”，这种番茄产生的抗氧化物质有助于改善饮食和健康。
抗癌抗衰老的深紫色超级番茄
②改良植物的观赏价值：我国科学家成功地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。
（4）改良植物的品质
2. 实例
转基因矮牵牛
普通矮牵牛
①原理：由于外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快。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。
②实例：转基因鲤鱼
（5）提高动物的生长速率
2. 实例
中国科学院水生生物所的朱作言团队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%。
（6）改善畜产品的品质
①原理：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。
2. 实例
在自然界中乳糖存在于哺乳动物的乳汁中，是由葡萄糖和半乳糖组成的二糖，在乳糖酶催化下乳糖水解成单糖后，易被肠道吸收。
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的成年人对乳糖不耐受。
乳糖耐受（有乳糖酶）
乳糖不耐受（无乳糖酶）
思考：为什么将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组能降低牛奶中的乳糖含量？
肠乳糖酶基因在奶牛乳腺细胞中表达出乳糖酶，可以分解乳汁中的乳糖，降低牛奶中的乳糖含量。
肠乳糖酶基因
牛受精卵
代孕母体
转基因奶牛
显微注射
胚胎移植
分娩
人
载体
早期胚胎
培养
二、基因工程在医药卫生领域的应用
（1）常见药物类型：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
1. 对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
（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均已投放市场。
①干扰素
Ⅰ. 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。
注意：抗生素（抗细菌药物）≠干扰素（抗病毒药物）
①干扰素
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。
Ⅱ.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。
思考：干扰素生产的操作流程？
不能直接利用转基因大肠杆菌生产干扰素/胰岛素。
因为大肠杆菌属于细菌，细菌中只有核糖体这一种细胞器，没有内质网和高尔基体等其他细胞器，不能加工形成有活性的干扰素/胰岛素。
干扰素基因
质粒
重组质粒
大肠杆菌或酵母菌
可大量生产干扰素的大肠杆菌或酵母菌
构建
导入
培养
思考：能直接利用转基因大肠杆菌生产干扰素/胰岛素吗？为什么？
思考：与大肠杆菌相比，用酵母菌生产人的干扰素有什么优势？
酵母菌为真核生物，有生物膜系统，可通过内质网和高尔基体对产生的干扰素进行加工和修饰，从而产生有活性的干扰素。
大肠杆菌
酵母菌
①干扰素
Ⅲ. 1993年，我国批准生产的重组人干扰素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、丙型肝炎等。
①生产过程：
Ⅰ. 将药用蛋白基因和乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起；
Ⅱ. 通过显微注射方法导入动物受精卵中，受精卵发育成转基因动物；
Ⅲ. 哺乳动物进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁来生产所需的药物，这称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。
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）乳腺生物反应器或乳房生物反应器
思考：药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？培育乳腺生物反应器时为什么要选用乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件与药用蛋白基因重组在一起？
药用蛋白基因几乎存在于转基因动物的所有细胞中。
目的是让药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达。
思考：乳腺生物反应器生产药物的操作流程？
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
胚胎移植
早期胚胎培养
早期胚胎
②实例：目前，在牛、山羊等动物乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α－抗胰蛋白酶等医药产品。
2. 让转基因哺乳动物批量生产药物
（1）乳腺生物反应器或乳房生物反应器
③四大优点
（1）乳腺生物反应器或乳房生物反应器
Ⅰ. 产量高，易收获目标产品，随着乳汁分泌排出体外。
Ⅱ. 目标产品质量好，乳腺组织不仅具有合成蛋白质的能力，而且具有全面的蛋白质修饰和加工能力。
Ⅲ. 生产成本低。
Ⅳ. 提取产品操作比较简单。
④缺点：
Ⅰ. 必须选择雌性个体
Ⅱ. 动物泌乳期有间隔
Ⅲ. 有些蛋白不能在乳腺里表达
Ⅳ. 某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同
（1）乳腺生物反应器
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
羊奶
载体含有乳腺细胞中特异表达基因的启动子
构建膀胱生物反应器是将药用蛋白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，其原理是根据膀胱尿乳头顶端表面可表达一组称之为尿血小板溶素的膜蛋白。
膀胱生物反应器
优点：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（性别、年龄）。
从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
从生产的角度考虑，生物反应器选择的组织或器官要方便产物的获得，例如，乳腺、膀胱、血液等，由此发展了动物乳腺生物反应器、动物血液生物反应器和动物膀胱生物反应器等。研制膀胱生物反应器时，应如何处理目的基因？
将目的基因与膀胱上皮细胞中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起。
药用蛋白基因
膀胱上皮细胞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
转基因动物
药物
早期胚胎培养
早期胚胎
显微注射
胚胎移植
培育过程
膀胱生物反应器哪些方面优于乳腺生物反应器？
药用蛋白基因
膀胱上皮细胞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
转基因动物
药物
早期胚胎培养
早期胚胎
显微注射
胚胎移植
培育过程
(1)正常尿液中蛋白质含量很少，所以从尿液中更容易提取分离产物。
(2)不受性别限制，受体来源更广泛。
(3)不受年龄限制。
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）选用猪作为器官移植供体的原因
①猪的内脏构造、大小、血管分布与人的极为相似。
②与灵长类动物相比，猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒要少得多。
3. 用转基因动物作为器官移植的供体（建立移植器官工厂）
（2）最大难题是免疫排斥。
（3）器官改造方法：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，或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。
3. 用转基因动物作为器官移植的供体（建立移植器官工厂）
器官改造方法：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，或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。
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
2022年1月7日，马里兰大学医学院进行了世界首例活人成功植入基因编辑猪心脏的手术，57岁的心脏病患者大卫·贝内特（David Bennett）接受了一颗经过基因编辑的猪心脏以挽救生命。
医生用一只1岁大、240磅重的小猪心脏替换了Dave原本的心脏。而这只小猪，是Revivicor公司专门为异种移植进行基因编辑和培育的。
2022年3月8日，大卫·贝内特因病情恶化而不幸去世，这颗猪心脏让他延长了2个月寿命。他的家人表示：感谢每一个创新时刻，每一个疯狂的梦想，每一个不眠之夜，感谢每一分努力。希望这个故事成为希望的开始，而不是结束。
异种器官移植之路道阻且长
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。
（1）氨基酸：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。
2. 应用：利用基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等。
三、基因工程在食品工业方面的应用
3. 实例
3. 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。
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。
（3）淀粉酶、脂肪酶：加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品用到的脂肪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。
3. 实例
4. 基因工程技术生产的工业用酶的优点：
相比从天然产物中提取的酶，用基因工程技术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。
1. 培育出可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染。
四、基因工程在其他方面的应用
嗜油菌：降解石油
2. 利用经过基因改造的微生物来生产能源。
四、基因工程在其他方面的应用
生物乙醇
生物柴油
植物
淀粉/纤维素
提取
可发酵糖
糖化
微生物
乙醇
发酵
微生物
淀粉酶
基因工程改造思路：
①改造植物
②改造微生物
生物乙醇的生产流程：
3种淀粉酶基因
组成的复合基因
海底热泉古生菌
玉米
乙醇单位产量的利润提高了8%~15%
不与人争粮
植物
淀粉/纤维素
提取
可发酵糖
糖化
微生物
乙醇
发酵
微生物
技术难点
生物乙醇的生产流程：
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（P92）
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
练习与应用（P92）
一、概念检测
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“转入外源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 等处理含有目的基因的DNA片段和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
练习与应用（P92）
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“转入外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘膦”的流程，请补充完整。
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（P92）
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？
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。
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，比较它们对草甘膦抗性的差异。
练习与应用（P92）
二、拓展应用
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。
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。
练习与应用（P92）
二、拓展应用
本节结束！

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