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第一节　体液调节是通过化学信号实现的调节
第一节　体液调节是通过化学信号实现的调节
第四章 基因工程
第二节　神经系统通过下丘脑控制内分泌系统
第二节　神经系统通过下丘脑控制内分泌系统
第二节　基因工程及其延伸技术应用广泛
目 录
基因工程改善了人类的生活品质
蛋白质工程是基因工程的延伸
以测序为基础建立的基因数据库是人类共有的财富
1982年，利用转基因大肠杆菌生产的人胰岛素，成为第一个被批准用于治疗人体疾病的基因工程药物。如今，基因工程及其延伸出的蛋白质工程已经影响到我们生活的方方面面。
那么，基因工程是如何影响我们生活的？什么是蛋白质工程？蛋白质工程又是如何进行的？
1．运用核酸分子杂交、PCR等技术进行基因诊断（探针）
(1)核酸分子杂交和PCR技术常用
来检测患者自身携带的缺陷基因。
例如，检测引起镰刀形贫血症的
基因突变。
一、基因工程改善了人类的生活品质
基因工程推动了医疗制药、法医鉴定、农牧业育种、环境保护等行业的发展。
首先，应用基因工程技术诊断、治疗、研究疾病
例如，设计特异扩增HIV病毒部分基因片段的PCR引物，使用PCR技术检测患者少量血液或细胞中的DNA，根据凝胶电泳结果就可以判断患者是否携带HIV病毒。甚至在感染的早期，就能从血液中直接检测到微量的病毒基因，如图4-35所示。
(2)灵敏度极高的PCR技术常用于诊断患者是否感染某种病原体。
例如，根据凝胶电泳结果就可以判断患者是否携带HIV病毒。
2．向患者体内导入正常基因进行基因治疗
(1)基因治疗：向有基因缺陷的细胞中引入正常功能的基因，以纠正或补偿基因的缺陷（并非修复），从而达到治疗的目的。
(2)基因治疗主要针对一些严重威胁人类健康的遗传病，如血友病、恶性肿瘤等。
(3)基因导入细胞的过程常以修饰过的病毒为载体，如腺病毒和逆转录病毒。
1990年美国完成了世界首例重症免疫缺陷病的基因治疗。
1990年9月14日，安德森对一例患腺甘脱氨酶缺乏症（ADA缺乏症）的4岁女孩进行基因治疗。这个4岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们将这个女孩的白血球进行基因改造，使有缺陷的基因被健康的基因替代，然后把含正常白血球的血液输入她左臂的一条静脉血管中。在以后的10个月内她又接受了7次这样的治疗，同时也接受酶治疗。后来，她的免疫功能日趋健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活，并进入普通小学上学。
ADA缺乏症：一种严重的免疫缺陷症,腺苷脱氨酶的缺乏可使T淋巴细胞因代谢产物的累积而死亡,从而导致严重的联合性免疫缺陷症(SCID)。通常导致婴儿出生几个月后死亡。

重度免疫缺陷症的基因治疗
1994年，美国科学家以修饰过的腺病毒为载体，首次对一位囊性纤维病（常隐，主要影响胃肠道和呼吸系统）患者进行了基因治疗。
1991年，我国进行了世界上首例B型血友病的基因治疗临床实验。
2003年，我国食品药品监督管理总局为世界首个癌症基因治疗药物颁发了新药证书——治疗恶性肿瘤的重组人p53腺病毒注射液。

1990年美国完成了世界首例重症免疫缺陷病的基因治疗。
基因治疗技术的发展历程
虽然已经有一些运用基因治疗成功的临床实验，但是基因治疗仍面临着很多挑战,很多技术不成熟。科学家要继续探索如何控制转入的基因在正确的时间和空间表达出适量的蛋白质产物，同时确保基因的插入不会影响其他基因的正常功能。
基因治疗技术的面临的挑战
3．利用转基因生物生产基因工程药物

(1)转基因植物可用于生产药物蛋白，如人血红蛋白、小儿麻痹症疫苗等。 (2)转基因鼠、兔、羊、猪、牛的乳腺可以生产多种转基因产品，如人凝血因子Ⅷ、人白细胞介素?2、牛乳清蛋白等。
转基因羊
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原件重组。获得转基因动物。
转基因动物进入泌乳期后，可通过分泌乳汁来生产所需要的药品。称为“乳腺生物反应器”。
目前，已在牛和山羊等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。
乳腺生物反应器优点：乳汁可以连续合成；频繁采集不会危害动物；乳汁成分简单、明确，便于药物的提纯
乳腺生物反应器
动物基因工程前景广阔,最令人兴奋的是利用基因工程技术将哺乳动物改造成乳腺生物反应器,以生产所需要的药品,如利用转基因动物生产人α-抗胰蛋白酶。下图是科学家将转基因动物改造成为乳腺生物反应器的示意图,分析回答下列问题。
乳腺生物反应器
1.将药用蛋白基因导入受体细胞之前,需要构建重组DNA分子。如何构建含有药用蛋白基因的重组DNA分子?
答案： 将药用蛋白基因和在乳腺中特异性表达的蛋白质编码基因的启动子等调控元件重组在一起,构建出重组DNA分子。
2.重组DNA分子的受体细胞一般是受精卵,为什么?
答案： 受精卵具有全能性,发育成完整个体后才可以获得转基因动物。
3.导入牛的受精卵后,还需要借助哪些技术手段,才能尽可能多地制造出乳腺生物反应器?
答案： 早期胚胎培养技术、胚胎分割技术、胚胎移植技术等。
4.乳腺细胞中存在外源药用蛋白基因,其他体细胞中是否存在?
答案： 存在。但药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达,因为药用蛋白基因和乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起。
乳腺生物反应器与基因工程菌生产药物的区别
比较内容
乳腺生物反应器
基因工程菌
基因
结构
动物的基因结构与人类的基因结构基本相同
细菌和酵母菌的基因结构与人类有较大差异
基因
表达
合成的药物蛋白与天然蛋白质相同
细菌合成的药物蛋白可能没有活性
生产
条件
不需严格灭菌;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
药物
提取
从动物乳汁中提取
从微生物细胞或其培养液中提取
4．转基因动物可为研究疾病机理提供模型。可以获得基因、改造基因，还可以“敲除”某些基因。
(1)通过在基因中插入DNA片段使该基因永久失活，再通过观察转基因生物性状变化，可以推测该基因的功能。
(2)实例：科学家发现敲除肠碱性磷酸酶基因的小鼠更容易发胖，从而推测该基因有“保持身材”的作用，也许不久的将来肥胖会被“根治”。
(1)法医鉴定包括个体识别、亲子鉴定等内容。
(2)DNA 指纹：除了同卵双胞胎外，我们每个人都拥有自己独特的DNA。经过限制酶剪切、电泳、与标记的探针进行核酸分子杂交，得到的图谱也是特异的，就像人的指纹一样，科学家称之为DNA指纹。
(3)随着PCR技术的引入，20个细胞的DNA
经过扩增就足够用于鉴定，一根头发上的
毛囊细胞都可以成为指证犯罪嫌疑人或者
亲子鉴定的重要证据
其次，应用基因工程技术进行法医鉴定，能保护受害者权益
植物：在抗虫、抗病、抗逆、产品的品质不断被改良
动物：获得生长快、体型大、性状优良

此外，应用基因工程可培育具有优良性状的农牧业品种
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，是目前防治作物虫害的发展趋势。
转基因抗虫水稻（绿色植株）与
对照（被害虫侵害的黄色植株）
1、转基因抗虫植物
1）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
2）典例：转基因抗虫棉、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
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。
2.转基因抗病植物
转基因抗病毒甜椒
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：
典例：抗病毒转基因甜椒、番木瓜和烟草等
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。
施用除草剂后的转基因抗除草剂玉米田
3.转基因抗除草剂植物
例：目前已经获得转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
转基因矮牵牛
利用转基因技术改良植物的营养价值、观赏价值等。
学科网原创
4.改良植物的品质
例如，将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，提高氨基酸的含量，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，大大提高观赏价值。
含大量维生素的转基因玉米
高赖氨酸玉米
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
转生长激素基因鲤鱼（下）
与非转基因鲤鱼（上）
例如,我国科学家培育的转生长激素基因鲤鱼，同等养殖条件下，生长速率比非转基因鲤鱼提高了42%-115%。
5、用于提高动物生长速度
原因：外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长更快
转入外源生长激素基因的“超级小鼠”
我国约1/3的成年人乳糖不耐受。
将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖含量大大降低，其他营养成分不受影响。
6、用于改善畜产品的品质
最后，基因工程技术可用于保护生态环境
1975年美籍印度人查克拉搏特等科学家依据似单胞杆菌对石油中有毒成分具有很强分解力这一特性，把4种能吃浮油的假单胞杆菌的基因拼接起来，合并成一种假单胞菌种，组成了所谓的“超级菌”，它能分解各种石油烃，消除浮油的效率高、速度快，只需几小时就能除掉自然菌种需几年才能消除的原油污染。
(3)有的工程菌能够降解氯化烃和其他有毒的化合物，处理石油泄漏污染问题。超级细菌
(2)有的工程菌能够摄取环境中的铜、铅等重金属，并在体内转化为硫酸铜、硫酸铅等易于提取的化合物，在矿产日益枯竭的今天意义重大。
(1)有些微生物具有采矿或分解有毒污染物的宝贵能力，科学家将这些微生物的基因进行改造，获得了拥有珍贵性状并易于培养的转基因工程菌。
运用基因工程技术将外源目的基因导入受体细胞后，目的基因的表达结果有时并不理想，合成的蛋白质不能很好地行使功能，无法满足人们的需求。
二、蛋白质工程是基因工程的延伸
基因工程的局限：
蛋白质工程的诞生
阅读教材，以小组为单位，讨论改造胰岛素分子的思路。
【提示】
天然胰岛素制剂往往以二聚体或六聚体的形式存在，需要经历较长时间解离为单体，见效慢。科学研究发现，胰岛素B链第20~29位的氨基酸是胰岛素分子形成多聚体的关键区域，若将第28位的脯氨酸替换为天冬氨酸，可以有效抑制岛素的聚合。
预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列→合成新基因→获得所需要的蛋白质
蛋白质工程可以合成自然界中不存在的蛋白质
1、目标：
根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行设计和改造
2、途径：
改造基因（基因修饰或基因合成）
3、流程：
从预期的蛋白质功能出发
设计预期的蛋白质空间结构
推测应有的氨基酸序列
找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）
根据“中心法则”
“二看法”判断基因工程和蛋白质工程
基因工程与蛋白质工程的比较
比较项目
蛋白质工程
基因工程
区
别
操作起点
预期的蛋白质功能
目的基因
过程
预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质
目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
操作方法
基因的修饰、合成
基因剪切、拼接、导入
实质
定向改造或生产人类所需的蛋白质
定向改造生物的遗传特性,以获得人类所需的生物类型或生物产品
结果
可生产自然界中没有的蛋白质
只能生产自然界中已有的蛋白质
联
系
①都在生物体外对基因进行操作
②蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程
③蛋白质工程获得目的基因后,需要进行基因工程的操作来获得预期蛋白质
提示 (1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的,改造了基因即对蛋白质进行了改造,而且可以遗传下去。如果对蛋白质直接进行改造,即使改造成功,被改造的蛋白质也是无法遗传的。
(2)对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造更容易操作,难度要小得多。
蛋白质工程需直接改造基因,为什么不直接改造蛋白质?
思考：
1．2003年人类基因组计划测序完成，我国也参与其中并做出很大的贡献。
2．基因测序技术不断发展，不仅速度越来越快，而且成本也越来越低。
3．多个国家和机构建立了庞大的生物信息数据库（基因数据库）。
(1)数据库信息不仅通过互联网共享，还定期交换数据进行更新。
(2)现在通过访问互联网，任何人都可以方便地检索出需要的信息。
(3)科学家也能通过比对核酸或蛋白质的序列重新审视生命进化的历程，深度解码个人的遗传信息。
三、以测序为基础建立的基因数据库是人类共有的财富
应用
疾病的诊断、治疗和研究
延伸
蛋白质工程
基因数据库
基
因
工
程
的
应
用
法医鉴定
培育具有优良性状的农牧业品种
保护生态环境
设计流程
课后习题
D
课后习题
王氏：甲
李氏：乙
张氏：丙

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