资源简介

(共32张PPT)
基因工程及其延伸技术应用广泛
目录
01
应用基因工程技术诊断、治疗、研究疾病
02
基因工程技术进行法医鉴定，保护受害者权益
03
应用基因工程培育具有优良性状的农牧业品种
04
基因工程可用于保护生态环境
学习目标
1.结合具体实例了解基因工程的应用
2.联系当地生产、生活中的具体实例，思考如何用基因工程的方法解决实际问题
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。
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。
你知道除了生产胰岛素，基因工程还有哪些应用吗？
01
应用基因工程技术诊断、治疗、研究疾病
1.运用核酸分子杂交、PCR 等技术进行基因诊断
（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，引起镰刀形贫血症的基因突变，使血红蛋白基因缺少一个限制性内切核酸酶 Mst II的识别序列，因为该识别序列5’-CCTGAGG-3’中的 A 突变成 T。检测时，先用 PCR 技术扩增待检者基因的相应片段，然后用 Mst II剪切扩增后的 DNA，经琼脂糖凝胶电泳分离酶切后的 DNA 片段，并结合 DNA 分子杂交技术，则可判断待检者的基因组成。
（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，设计特异扩增HIV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。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。
又如，在抗击新冠病毒感染疫情的过程中，我国生产的PCR法核酸检测试剂盒大大提高了新冠病毒的诊断速度和准确率，对及时救治患者、减少疫情播散、维护社会稳定发挥了重要作用。
目前，人们运用PCR并结合其他技术，不仅可以在患者未发病，甚至出生前就能确诊其是否患有镰刀形贫血症、血友病等疾病，还可以根据某些核苷酸序列的特异性差异来推测某人患阿尔茨海默病以及癌症等疾病的风险。随着基因测序技术进一步发展，有望研制出专门针对个人基因特点的药物。
2.向患者体内导入正常基因进行基因治疗
基因治疗是指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，从而达到治疗的目的。
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。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
1990年美国完成了世界首例重症免疫缺陷病的基因治疗。
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，我国国家药品监督管理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。
基因治疗技术的发展历程
基因治疗技术的面临的挑战
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。
小资料
RNA干扰（RNA interference，RNAi）技术通过向细胞或生物体内注入短的双链RNA分子诱导细胞内含有相同或相似序列的mRNA持续降解，从而阻断特定基因的表达，是一种快速、简单研究基因功能的方法。这些小RNA片段还会遗传到子代细胞中，造成可遗传的基因沉默。如图所示，科学家运用RNA干扰技术研究线虫某个基因的功能，发现RNA干扰后的线虫受精卵中的雌核和雄核无法迁移到一起融合，从而推断该基因与受精卵早期发育有关。
科学家正在尝试用RNA干扰技术在肿瘤发病的各个环节进行阻断来治疗肿瘤，部分实验已获得阶段性成果。
正常的线虫受精卵（A）和RNA干扰后的线虫受精卵（B）
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。
乳腺生物反应器：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。
优点：乳汁可以连续合成
频繁采集不会对动物产生危害
乳汁成分相对简单、明确，便于药物的提纯
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。
转入人抗凝血酶基因的山羊（A）和含有人抗凝血酶的羊奶（B）
4.转基因动物可为研究疾病机理提供模型
借助转基因技术，人们不仅可以获得基因、改造基因，还可以“敲除”某些基因。例如，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。因而转基因动物也成为研究致病机理和测试治疗方法的理想模型。
例如，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”。
02
应用基因工程技术进行法医鉴定，能保护受害者权益
1.法医鉴定包括个体识别、亲子鉴定等内容。
2.早期常通过血型或抗原—抗体杂交技术鉴定犯罪嫌疑人。
缺点： 需要有大量、新鲜的样品
结果的特异性不强
3. 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
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，因此，几滴血或者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。
我国的法医曾通过分析犯罪现场遗留的 DNA 成功拘捕了 20 余年前谋杀案的犯罪 嫌疑人。美国 1992 年启动的无罪工程 （the Innocence Project） 也通过 DNA 鉴定技术 帮助无辜的犯罪嫌疑人洗脱罪名。截止到 2016 年 9 月，无罪工程已成功帮助 344名无辜“犯罪嫌疑人”免罪，其中包括 20 名“死刑犯”，他们平均含冤入狱的时间为14 年。
03
应用基因工程培育具有优良性状的农牧业品种
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，导入作物，使其具有抗虫性。
（2）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
（3）举例：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）
转基因抗虫玉米
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，培育出转基因抗病植物。
（2）举例：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
转基因抗病毒甜椒
转基因抗病毒木瓜与对照
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
（1）原理：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。
（2）举例：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
4.改良植物品质
利用转基因技术改良植物的营养价值、观赏价值等。
（1）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%。
（2）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。
高赖氨酸玉米
转基因矮牵牛
5.提高动物的生长速率
（1）原理：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）举例：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”
6.改善畜产品的品质
（1）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。
（2）方法：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。
04
基因工程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。
课堂小结
基因工程的应用
疾病的诊断、治疗和研究
保护生态环境
培育具有优良性状的农牧业品种
法医鉴定
基因治疗
基因诊断
抗虫、抗病、抗除草剂
改良植物品质
提高动物生长速率
改善畜产品的品质
随堂练习
1.下列关于基因工程应用的叙述，错误的是( )
A.科学家利用转基因技术抑制乙烯形成酶的活性和乙烯的生成量，从而延长番茄的储藏时间
B.将某些抗病毒的基因导人动物体内，使获得的转基因动物能抵抗相应病毒
C.抗虫基因只要成功地插入到植物细胞的染色体DNA上就能正常表达
D.可利用基因工程菌大规模生产细胞因子、抗体、疫苗、激素等医药产品
解析：抗虫基因即使成功插入到植物细胞的染色体DNA上也不一定能成功表达，C错误。
C
解析：C项，“基因敲除”是指将目标基因从基因组中删除，这道题不涉及基因敲除，而是选取不含致癌基因的健康受精卵培养后植入妻子子宫，故C项表述错误。A项，要获得大量受精卵需要采取超数排卵和体外受精技术，故A项表述正确。B项，检测受精卵中是否含有致癌基因，可以用致癌基因制作成基因探针，如形成杂交带，则受精卵中存在致癌基因，故B项表述正确。D项，将受精卵培养到8~16个细胞阶段可移植入子宫，故D项表述正确。注意本题要选择的是表述错误的选项，故本题正确答案为C。
2.美国伦敦大学医学院通过生物技术,成功对一对丈夫家族有乳腺癌发病史的夫妇的后代进行胚胎筛选,并排除了后代携带致病基因的隐患。该“设计婴儿”的培育流程如下:通过人工方式得到15个受精卵→所有受精卵生长3天时,抽取一个细胞进行基因检测,剔除含致癌基因的胚胎→选取不含致癌基因的健康胚胎植入妻子子宫,一个健康的“设计婴儿”得以孕育。下列关于该项“设计婴儿”培育过程中所用技术的叙述,错误的是( )
A.通过人工方式得到15个受精卵,需要用到超数排卵和人工授精的手段
B.检测受精卵中是否含有致癌基因,可以用“基因探针”进行检测
C.需要利用基因工程技术对受精卵中的致癌基因进行“基因敲除”
D.将受精卵培养到8-16个细胞阶段可移植入子宫
C
3.人类乙型血友病属于伴X染色体隐性遗传病，患者血液中缺少凝血因子Ⅸ（一种蛋白质），导致凝血功能异常。下列关于对患者进行基因治疗的设计方案，正确的是( )
A.逆转录病毒的核酸可直接用作载体
B.需将凝血因子Ⅸ和载体连接起来
C.必须把目的基因插到X染色体上
D.用凝血因子Ⅸ的抗体可检测目的基因是否成功表达
解析：逆转录病毒的核酸是RNA，人类的遗传物质是DNA，因此逆转录病毒的核酸不可直接用作载体，A项错误；凝血因子Ⅸ是蛋白质，载体多数是DNA，不能将二者连接起来，B项错误；基因治疗是把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，不一定要把目的基因插到X染色体上，C项错误；利用抗原—抗体杂交技术，可检测目的基因是否成功表达，D项正确。
D

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