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第3节 基因工程的应用
第3章 基因工程
2024/4/14
2024/4/14
？
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。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、生产胰岛素等。
重组人胰岛素注射液
基因工程的应用
基因工程自20世纪70年代兴起后，得到飞速发展，展示出广阔前景。
医药卫生领域
食品工业方面
农牧业方面
基因工程的应用
2024/4/14
一、基因工程在农牧业方面的应用
【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1.7×106hm 发展到1.898×108hm2(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，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。
2024/4/14
【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”。
普通大米（左）和黄金大米（右）
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
一. 基因工程在农牧业方面的应用
2024/4/14
1.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，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）
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
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。
2024/4/14
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
种植转基因抗除草剂大豆的农田
2024/4/14
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。
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
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）
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。
转入外源生长激素基因的“超级小鼠”
低乳糖奶牛
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用草甘膦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、拓展应用书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？
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。
②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。
《金》P101 例1、例2
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
二. 基因工程在医药卫生领域的应用
2024/4/14
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。
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？
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？
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
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
思考讨论：
抗生素≠干扰素
抗生素：抗细菌药物
干扰素：抗病毒药物
阅读P90 资料卡片
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
2.让转基因哺乳动物批量生产药物
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
③应用：
注意：启动子具有物种和组织的特异性
胚胎移植
早期胚胎培养
早期胚胎
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？
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
不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物
思考
思考讨论：乳腺生物反应器的优缺点
受性别和年龄的限制,只有雌性动物哺乳期才能获得相应产物
优点
缺点
A.产量高,易获得目标产品
B.目标产品质量好
C.产品成本低
D.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。
《金》P103 例3、例4
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（成熟蛋白质）
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（未成熟蛋白质）
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
拓展比较
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
2024/4/14
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。
2.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。
（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。
2024/4/14
（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。
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。
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。
2024/4/14
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？
到社会中去
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。
1.我国转基因技术发展态势良好，农业部依法批准发放了转植酸酶基因玉米和转基因抗虫水稻的生产安全证书，下列关于转基因玉米和转基因水稻的叙述不正确的是（ ）
A.转植酸酶基因玉米的外源基因是植酸酶基因，其成功说明生物的性状是由基因控制的
B.转基因抗虫水稻减少了化学农药的使用，减少了环境污染
C.转基因抗虫水稻是否具有抗虫性，可通过饲养卷叶螟进行检测
D.转基因抗虫水稻不仅可以抗虫，还可以抵御病毒侵染
D
2024/4/14
课堂练习
2.利用乳腺生物反应器生产药用蛋白是动物基因工程的重要应用，目前科学家已在牛和山羊等动物乳腺生物反应器中获得了抗疑血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等医药产品。下列有关乳腺生物反应器的叙述中，错误的是（ ）
A.受体细胞可选用受精卵或胚胎干细胞
B.获得转基因动物需利用胚胎移植技术
C.鉴别药用蛋白基因是否导入受体细胞一般利用DNA分子杂交法
D.转基因动物产生的生殖细胞可能含有药用蛋白基因
A
2024/4/14
课堂练习

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