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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，基因工程还有那些应用呢？
第二节 基因工程的应用价值
一、基因工程在农牧业中的应用价值
利用基因工程技术培育的、能稳定遗传外源基因所决定的性状的生物称为转基因生物。转基因生物可以是动物、植物或微生物。
转基因生物：
（一）植物基因工程硕果累累
（1）现状：番木瓜环斑病在全球的番木瓜产地都有发生，在中国南方的多个省份也广泛流行。番木瓜环斑病毒是一种变异性很强的RNA病毒，不同地区的毒株感染番木瓜的能力差异较大。
1、转基因抗病植物——番木瓜的实例
（2）成果：科学家利用番木瓜环斑病毒优势毒株——“黄点花叶”株，将这个毒株的复制酶基因转入番木瓜细胞内，培育出具有很强抗病性能的转基因品系——“华农1号”。
（3）其他实例：科学家利用基因工程技术，将一些特定的基因，如病毒的复制酶基因和衣壳蛋白基因以及几丁质酶基因、植物抗毒素基因导入小麦、甜椒或番茄等作物，获得了抗病的小麦、甜椒或番茄等新品种。
2、转基因抗虫植物——抗虫棉的实例
（1）现状：虫害给农作物造成的损失也十分巨大。
（2）成果：科学家将从苏云金杆菌中分离出来的编码苏云金杆菌Bt毒蛋白的基因导入棉细胞，培育出了转基因抗虫棉。转基因抗虫棉对棉铃虫等具有很强的抗性。
（3）其他实例：转基因抗虫水稻、玉米、大豆、
马铃薯、烟草、番茄、苹果、核桃、杨树和菊花等抗虫品种相继问世。
抗虫
水稻
普通
水稻
Bt毒蛋白基因
淀粉酶抑制剂基因
蛋白酶抑制剂基因
植物凝集素基因
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，细胞肿胀裂解；
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；
抗虫目的基因种类
3、转基因抗逆植物——抗冻番茄
（1）现状：几乎所有的植物在它们的生长过程中都会遇到冻害、盐碱、干旱、水涝等逆境条件。对于许多有经济价值植物而言，冻害是影响其产量和品质的重要因素。
（2）抗冻蛋白：在地球的南、北两极，环境温度常常达到零下几十度，生活在这些地区海洋里的鱼类血液中含有大量的抗冻蛋白。这些抗冻蛋白可以降低鱼类体液的冰点，使鱼类免于因体液冻结而死亡。
能不能利用基因工程手段将这些海洋鱼类细胞中编码抗冻蛋白的基因转入到植物细胞中去呢？
（3）成果：科学家成功将抗冻蛋白的基因转入番茄细胞，培育出转基因抗冻番茄。这类番茄由于具有抗冻性状，保鲜期和贮藏期都大为延长。
（4）其他实例：盐碱和干旱因影响细胞的渗透压和水分供应而危害作物，科学家已成功地向某些作物（如烟草）转入一些可以调节细胞渗透压的基因来提高作物的抗盐碱和抗干旱的能力。
转基因抗除草剂玉米
喷洒除草剂后，杂草全部除掉，转基因玉米生长正常；
未洒除草剂，杂草丛生；
优点：在喷洒除草剂时，田间杂草会被杀死而作物不会受到损伤。
4、 转基因除草剂植物
培育方法：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。
举例：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等
（二）动物基因工程显示出诱人的应用前景
1、改善畜牧产品的品质
（1）ω－3脂肪酸转基因猪
①基因：ω－3脂肪酸去饱和酶基因；
②成果：培育成可产生较多ω－3脂肪酸的转基因猪；
（2）肠乳糖酶转基因牛
②成果：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
①基因：肠乳糖酶基因
(2)提高动物的生长速度
①基因：外源生长激素基因。
②成果：转基因绵羊和转基因三文鱼。
运用基因工程改良动植物品种的优点：能打破常规育种难以突破的物种之间的界限。
二、基因工程在食品业中的应用价值
1、植物品质改良主要包括植物蛋白质、糖类、脂肪品质的改良以及维生素种类和含量的改良。
例如，将与淀粉合成有关的基因转入水稻，以改善其蒸煮品质和食味品质；将与脂质合成有关的基因转入大豆、
油菜，以改善油脂品质。还有科学家通过改变植物代谢过程，培育出富含β-胡萝卜素的水稻、高赖氨酸含量的玉米等作物。
2、基因工程在氨基酸、助鲜剂、甜味剂等食品添加剂的生产，以及广泛应用于食品制造业的淀粉酶、纤维素酶、脂肪酶、蛋白酶的大规模生产方面也大显身手。
三、基因工程在医药业中的应用价值
基因工程和人类健康的关系密切，主要表现在基因工程药物和基因治疗两方面。
（一）基因工程药物
1、利用转基因工程菌生产基因工程药物
（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。
小知识：干扰素
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。
2、利用生物反应器生产药物
（1）生物反应器的种类：乳腺生物反应器、膀胱生物反应器、输卵管生物反应器等。
（2）乳腺生物反应器：
科学家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，通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中，由这个受精卵发育成的转基因动物在进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁来生产所需要的药物，这称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。
（3）乳腺生物反应器培育过程
（3）实例
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-抗胰蛋白酶等重要的医药产品。
我国第一头转基因牛——滔滔
思考：
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
注：比较乳腺生物反应器与基因工程生产药物的区别
比较项目 乳腺生物反应器 基因工程菌生产药物
基因结构 哺乳动物基因的结构与人类基因结构基本相同 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
基因产物 与天然蛋白质完全相同 细菌缺少内质网、高尔基体等，合成的蛋白质可能不具有生物活性
受体细胞
导入目的基因的方式
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，控制工程菌生长繁殖所需的温度、pH、营养等外界条件
产物提取
哺乳动物的受精卵
微生物细胞
显微注射法
Ca2+处理法
从哺乳动物乳汁中提取，相对简单
从微生物细胞（或发酵液）中提取，相对复杂。
（4）构建膀胱生物反应器是将目的基因插入含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，从而指导目的基因表达产物分泌在尿中，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。
膀胱生物反应器具有周期短、不受性别和年龄的限制，易收集和提纯。膀胱生物反应器最显著的优势在于从尿中提取蛋白质比在乳汁中提取简便、高效。
（二）基因治疗
1、基因治疗是指利用正常基因置换或弥补缺陷基因的治疗方法，包括基因诊断、基因分离、载体构建、目的基因导入等多项技术。
2、基因诊断是采用多种方法确定和定位病变基因的过程。
例如，利用探针（一段已知基因的核苷酸序列）和分子杂交情况，来判断患者是否出现了基因异常（如遗传病患者的基因缺陷)等。
3、基因治疗有体内和体外两种途径
（1）体内途径：将分离出来的带有治疗作用的基因通过载体转入患者体内的某些细胞，直接纠正或弥补缺陷基因的功能。
（2）体外途径：采用转基因技术将带有治疗作用的基因导入病毒基因组，再用病毒感染受体细胞（患者细胞），治疗基因整合到受体基因组后，受体细胞经体外培养、增殖后导入患者体内
例如，1990年，美国国立卫生研究院采用体外途径，用腺苷脱氨酶基因有效治疗了一名患有腺苷脱氨酶基因缺陷症的女孩。
腺苷脱氨酶基因缺陷症是一种罕见的遗传性免疫缺陷疾病，是由于缺少腺苷脱氨酶而引起的。 腺苷脱氨酶缺乏者有反复受感染的危险，其中许多人在出生后几个月内就会死亡。
1.目前人类利用基因工程的方法成功培育出转基因抗虫棉，以下说法正确的是
A.苏云金杆菌的Bt毒蛋白基因与质粒结合后直接进入棉花的叶肉细胞表达
B.抗虫基因导入棉花叶肉细胞后，可通过传粉、受精的方法，使抗虫性状遗传下去
C.标记基因的作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因
D.转基因抗虫棉经过种植，棉铃虫不会产生抗性，这样可以有效消灭棉铃虫
C
习题巩固：
2.上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带人白蛋白基因的转基因牛。他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高了30多倍，以下与此有关的叙述中，正确的是
A.“转基因动物”是指体细胞中出现了新基因的动物
B.“提高基因的表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白基因
C.只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白，是因为人白蛋白基因只在牛乳腺细胞中是纯合的
D.转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因，但不发生转录、翻译，故不能合成人白蛋白
D
3.从转基因牛、羊乳汁中提取药物工艺简单，甚至可直接用于治病。如果将药用蛋白基因转入动物如牛、羊的膀胱上皮细胞中，从转基因牛、羊尿液中提取药物比从乳汁中提取药物的更大优越性在于
A.技术简单
B.膀胱上皮细胞容易表达药用蛋白
C.无论是雌性还是雄性个体，在任何发育时期都可以产生所需药物
D.膀胱上皮细胞全能性较高
C
4.动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺代替传统的生物发酵，进行大规模生产可供治疗人类疾病或用于保健的活性蛋白质的现代生物技术。科学家已在牛和羊等动物的乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要药品，其大致过程如图所示。下列有关说法错误的是
A.通过③形成的重组质粒具有人的药用蛋白基因、启动子、终止子和标记基因即可
B.④通常采用显微注射法
C.在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达，因此可以从乳汁中提取药物
D.该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取
A
5．基因治疗是人类疾病治疗的一种崭新手段，下列有关叙述正确的是
A．与体外基因治疗相比，体内基因治疗的效果较为可靠
B．基因治疗的靶细胞若是体细胞，则获得的性状不会遗传给下一代
C．基因治疗可以治愈所有的单基因遗传病
D．基因治疗是把缺陷基因诱变成正常基因
B

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