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(共42张PPT)
3.3 基因工程的应用
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？
从社会中来
基因工程自20世纪70年代兴起后，得到了飞速的发展，在农牧业、医药卫生、（工业、环境、能源）和食品工业等方面，展示出广阔的前景。
医药卫生领域
食品工业方面
农牧业方面
基因工程的应用
一、基因工程在农牧业方面的运用
1996-2017年，全世界转基因作物种植面积增加了100多倍。转基因作物的种植使化学农药的施用量减少了8.2%，作物产量增加了6.6×108t，增加经济效益1.3万亿。
植物方面
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。转基因鲑鱼缩短了其成长周期，因此它受到的污染和体内聚集的有毒物质残留比普通鲑鱼少得多
转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排）
动物方面
1. 方法：从某些生物中分离出抗虫基因导入作物，使之具有抗虫性状。
Bt毒蛋白基因；蛋白酶抑制剂基因；淀粉酶抑制剂基因；植物凝集素基因等。
2. 主要杀虫基因：
转基因抗虫棉
转基因抗虫水稻(绿色植株)与对照(被害虫侵害的黄色植株)
3. 成果：
转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
转基因抗虫植物
4. 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。
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
1. 方法：
3. 成果：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
2. 抗病基因
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。
转基因抗病植物
转基因抗病毒甜椒
1. 背景：
2. 方法：
3. 成果：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
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。
杂草常常危害农业生产，而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。
转基因抗除草剂植物
改良植物的品质
我国科学家培育出了赖氨酸含量提高30%的转基因玉米。
赖氨酸缺少对健康很不利。科学家们将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，导入植物，或改变这种氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。
提高植物的营养价值、观赏价值等。
将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色，大大提高了它的观赏价值。
1.目的:
2.成果：
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）
转入外源生长激素基因的“超级小鼠”
提高动物的生长速率
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，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. 成果：
乳糖耐受（有乳糖酶）
乳糖不耐受（无乳糖酶）
大肠
小肠
2. 优点：
避免食物过敏、腹泻、恶心等不适。
一、 基因工程在农牧业方面的应用
应用 外源基因类型 实例
转基因抗虫植物
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
改善畜产品的品质
抗虫基因
抗病毒基因、抗真菌基因
降解或抵抗某种除草剂的基因
优良性状基因：提高必需氨基酸含量的蛋白质编码基因、与植物花青素代谢相关的基因
生长激素基因
肠乳糖酶基因
抗虫棉花、玉米、大豆、马铃薯、水稻等
抗病毒烟草、番木瓜、甜椒等
抗除草剂的大豆、玉米、油菜和甜菜等
高赖氨酸玉米、新花色矮牵牛
转基因鲤鱼
转肠乳糖酶基因奶牛
【现学现用】
1.转基因抗虫植物含有Bt毒蛋白，对人体无毒，但是鳞翅目昆虫幼虫的肠道细胞含有Bt蛋白的受体，Bt蛋白与受体结合导致肠道壁穿孔，使幼虫死亡。下列叙述错误的是（ )
A.促进 Bt 蛋白的合成有助于提高植物的抗虫效果
B.通过 DNA 分子杂交技术可以检测Bt蛋白基因是否表达
C.将Bt蛋白基因导入植物细胞的方法可以使用花粉管通道法或农杆菌转化法
D.将植物材料和农杆菌共同培养之前，需要对植物材料进行消毒处理
B
检测是否导入受体细胞
2.下列有关目的基因的操作能够改善产品品质的是( )
A.将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内
B.将肠乳糖酶的基因导入奶牛的基因组
C.将降解或抵抗某种除草剂的基因导入玉米
D.将Bt抗虫蛋白基因整合到烟草或棉花的基因组并实现表达
提高生长速率
转基因抗除草剂植物
提高植物的抗虫能力
B
二、基因工程在医药卫生领域的运用
1.基因改造微生物或动植物的细胞生产药物：
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 激因子等基因工程药物均已投放市场。
细胞因子、抗体、疫苗和激素等
(1)常见药物类型：
(2)应用：
预防治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等
(3)实例：
资料卡——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。
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。
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。
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。
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
资料卡：干扰素
注意：抗生素（抗细菌药物）≠干扰素（抗病毒药物）
案例：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）
思考1：结合基因工程基本操作程序。尝试说出干扰素的生产的操作流程？
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
二、基因工程在医药卫生领域的应用
传统生产方法：从人血液中白细胞提取，每300L血液只能提取1mg干扰素。
干扰素基因
从1Kg培养物中可以得到20—40mg干扰素。
与大肠杆菌相比，用酵母菌生产人的胰岛素有什么优势？
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胰岛素进行加工和修饰，从而产生有活性的胰岛素。
大肠杆菌
酵母菌
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：
获取药用蛋白基因
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
发育
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
（3）应用：
①利用乳腺生物反应器生产药物：将_________________基因与乳腺中特异表达的基因的__________________等调控元件重组在一起，通过_____________________导入哺乳动物的受精卵中，培育出的转基因动物通过___________________生产所需要的药物。
药用蛋白
启动子
显微注射
分泌乳汁
2.让转基因哺乳动物批量生产药物
注意：启动子具有物种和组织的特异性
思考讨论：
1.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。
2.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
尿液
思考讨论：乳腺生物反应器的优缺点
A.动物泌乳期有间隔，且受年龄、性别等的限制
B.有些蛋白不能在乳腺里表达
C.某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同
优点
缺点
A.适合于表达高等动物体内的复杂蛋白
B.制备乳腺反应器的方法成熟
C.乳腺是天然的高效合成蛋白质的器官
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
A.可从动物一出生就收集产物，不论动物的年龄、性别和是否处于生殖期。
B.从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
3.用转基因动物作为器官移植的供体
人体移植器官短缺是世界性难题
寻找可代替的移植器官
①猪的内脏构造、大小、血管分布与人相似；
②猪体内隐藏的致病基因远远少于灵长类动物。
（4）最大的难题：
（3）猪的优点：
（1）问题：
（2）解决：
存在免疫排斥反应。
②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。
①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；
（5）改造方法：
世界首例活人成功植入基因编辑猪心脏的手术，在2022年1月7日马里兰大学医学院进行，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。
3.用转基因动物作为器官移植的供体
1.下列关于用转基因动物作器官移植供体的研究的叙述，不正确的是（ ）
A.人体移植器官短缺和免疫排斥是目前制约人体器官移植的两大难题
B.猪的内脏构造、大小和血管分布与人的极为相似
C.灵长类动物体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒少于猪
D.无论以哪种动物作为供体，都需要在其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
C
远远多于猪
【现学现用】
2.利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反应器，以生产所需要的药品，如转基因动物生产人的生长激素。科学家培养转基因动物成为乳腺生物反应器时，下列说法错误的是（ ）
A．利用显微注射法将人的生长激素基因导入受体哺乳动物体内
B．需要将乳腺中特异表达的基因的启动子与目的基因重组在一起
C．动物必须是雌性才能满足要求
D．动物需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂”
受精卵
A
3.采用基因工程技术可培育出含人凝血因子基因的转基因羊，但是人凝血因子只存在于该转基因羊的乳汁中。下列有关叙述正确的是(　　)
A．人体细胞中凝血因子基因碱基对数目小于凝血因子氨基酸数目的3倍
B．在该转基因羊中，人凝血因子基因也会存在于成熟的红细胞中
C．人凝血因子基因开始转录后，在DNA连接酶的作用下合成mRNA
D．科学家将目的基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，制成乳腺生物反应器
D
三、基因工程在食品工业方面的运用
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。
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：
（3）实例：
（1）概念：
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
①阿斯巴甜：
传统制作
杀死未断奶的小牛，然后将它的第四胃的黏膜取出来提取凝乳酶来固化奶中的蛋白质。
将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。
基因工程制作
奶酪的制作
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。
③淀粉酶、脂酶
加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品用到的脂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。
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。
比较内容 乳腺生物反应器
工程菌
基因结构
基因表达
生产条件
药物提取
乳腺生物反应器与基因工程菌生产药物比较
三、基因工程在食品工业方面的运用
动物基因结构与人类的
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
不需严格灭菌；温度等
外界条件对其影响不大
从动物乳汁中提取
细菌合成的药物蛋白可能没有活性
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
从微生物细胞或其培养液中提取
合成的药物蛋白与天然
蛋白质相同
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
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
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
分析比较：
四、基因工程在环保领域的应用
利用经过基因改造的微生物生产清洁能源
培育可以降解多种污染物的“超级细菌”治理环境污染
课堂小结
基因工程在农牧业方面的应用
基因工程的应用
1.转基因抗虫植物
2.转基因抗病植物
3.转基因抗除草剂植物
4.改良植物的品质
5.提高动物的生长速率
6.改善畜产品的品质
基因工程在医药卫生领域的应用
基因工程在食品工业方面的应用
1.对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能
够生产药物。
2.利用基因工程技术，可以让哺乳动物批量生产药物，
如乳腺生物反应器。
3.用转基因动物作器官移植的供体等。
构建基因工程菌生产食品工业用酶、氨基酸、维生素
【练习与应用】
一、概念检测
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
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
C
A
练习与应用
二、拓展应用
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T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
二、拓展应用
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。
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。
练习与应用
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。
感谢您的观看！

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