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你见过用细菌画画吗？右图是用发出不同颜色荧光的细菌“画"的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。
思考：科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢
蛋白质工程的概念（教材93页）
以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。
是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。
3、目的：
改造现有基因或制造新蛋白质，满足人类的生产或生活的需要
基因
5、结果：
产生自然界原本不存在的蛋白质
4、直接操作对象：
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。
6.与基因工程的关系:
7.相关学科及技术：
分子生物学、晶体学和计算机技术
1、基础：
了解蛋白质的结构规律及其与生物功能的关系
2、途径：
改造或合成基因
一、蛋白质工程崛起的缘由　
(1)基因工程的实质：
(2)基因工程的不足：
(3)天然蛋白质的不足：
将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状
基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质
天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要
【实例】对天然酶的改造
一、蛋白质工程崛起的缘由　
玉米中赖氨酸的含量较低，原因是赖氨酸合成过程中的两种关键酶-----天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。
二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）
天冬氨酸激酶
（异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
玉米中赖氨酸含量比较低
天冬氨酸激酶
（352位的苏氨酸）
改造
改造
二、蛋白质工程的基本原理
某多肽链的一段氨基酸序列是：
1.怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列
2.确定目的基因的碱基序列后，怎样合成或改造目的基因？
思考·讨论
：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG) 色氨酸(UGG) 赖氨酸(AAA、AAG）
谷氨酸（GAA、GAG） 苯丙氨酸（UUU、UUC）
共___种可能序列
32
查密码子表
3. 如果让你设计一种蛋白质，你的思路或途径？
确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。
mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGG AAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）
DNA序列为：CGA（或G或T或C）ACC TTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）
GCT（或C或A或G）TGG AAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）
丙
色
赖
甲硫
苯丙
三、蛋白质工程的基本原理
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改造。
2、原理：
改造或合成基因（或修饰基因）
3、流程：
预期功能
生物功能
设计
折叠
改造或合成
翻译
转录
目的基因
DNA
蛋白质
结构
肽链的氨基酸序列
mRNA
推测
金版P154：13 、 11
11.下图为蛋白质工程操作的基本思路示意图,请据图回答下列问题。
(1)写出图中各序号代表的生物学过程的名称或内容。
①　　　　　　　,②　　　　　　　,
③　　　　　　　,④　　　　　　　,
⑤　　　　　　　。
(2)代表蛋白质工程操作思路的过程是　　　　,代表中心法则内容的是　　　　　。(均填图中序号)
(3)蛋白质工程的目的是　　 　 　　,通过　　　　　　实现。
(4)从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是　　　　的。
转录　 翻译　
折叠　 推测　
改造或合成
④⑤
①②
获得满足人类生产和生活需求的蛋白质
改造或合成基因
相反
项目蛋白质工程基因工程操作对象操作起点操作水平操作流程结果实质联系基因（产生新基因型和新基因）基因（产生新基因型，无新基因）DNA分子水平DNA分子水平预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定可生产自然界没有的蛋白质生产自然界已有的蛋白质通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程；②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程的基本操作。预期蛋白质功能目的基因蛋白质工程和基因工程的比较思考：
如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
是否合成新的基因
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
是
否
蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否为天然蛋白质
是
否
蛋白质工程
基因工程
（1）研发速效胰岛素类似物
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
预期功能
降低胰岛素的聚合作用
设计结构
改变B链第20～29位氨基酸组成
改造
新胰岛素基因
B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置
推测序列
转录
mRNA
翻译
多肽链
行使功能
速效胰岛素类似物
预期结构
折叠等
阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用
定点突变
三、蛋白质工程的应用
1.医药工业方面
（2）延长干扰素体外保存时间
天然干扰素不易保存
改造
新干扰素基因
预期功能
延长保存时间
设计结构
氨基酸替换
一个半胱氨酸变成丝氨酸
推测序列
预期结构
转录
mRNA
折叠
翻译
多肽链
行使功能
在-70℃下可以保存半年
定点突变
三、蛋白质工程的应用
1.医药工业方面
三、蛋白质工程的应用
1.医药工业方面
（3）降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应
基因融合
通过 ，将小鼠抗体上 的区域（即 ）
“嫁接”到_______（即_____）上，
经过这样改造的抗体______________________；
改造基因
结合抗原
可变区
人的抗体
恒定区
诱发免疫反应的强度就会降低很多
思考：基因定点诱变技术与基因突变的比较
比较 基因定点诱变 基因突变
相同点 发生的过程 结果 不同点 场所
手段
方向
DNA复制过程中
产生新基因，从而产生新性状
生物体外
生物体内
定向改造
不定向性
PCR技术
物理化学方法
基因定点突变：是在体外特异性地取代、插入或缺失DNA序列中任何一个或几个特定碱基的技术,包括盒式取代诱变、寡核苷酸引物诱变及PCR定点诱变等。
　项目 　　　　　　内容
条件 原料
酶
引物
能量
操作方法
结果
适应范围
后代中半数为诱变的ＤＮＡ分子
脱氧核苷酸
ＤＮＡ聚合酶和ＤＮＡ连接酶
含突变顺序的ＤＮＡ分子片段
空间结构完全清楚的蛋白质
dNTP
ＰＣＲ技术
补充：基因的定点突变技术3
基因定点诱变技术的示意图
蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶。如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。
3.农业方面
改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。
利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。
三、蛋白质工程的应用
2.其他工业方面
4.面临的困难：
蛋白质工程是一项难度很大的工程；
主要原因：
蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
5.前景展望：
科学家要设计出更加符合人类需要的蛋白质，还需要不断地攻坚克难。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。
课堂练习
一、概念检测
1.蛋白质工程可以说是基因工程的延伸。判断下列相关表述是否正确。
（1）基因工程需要在分子水平对基因进行操作，蛋白质工程不需要对基因进行操作。（ ）
（2）蛋白质工程需要改变蛋白质分子的所有氨基酸序列。（ ）
（3）蛋白质工程可以改造酶，提高酶的热稳定性。（ ）
2.蛋白质工程是在深入了解蛋白质分子的结构与功能关系的基础上进行的，它最终要达到的目的是（ ）
A.分析蛋白质的三维结构
B. 研究蛋白质的氨基酸组成
C.获取编码蛋白质的基因序列信息
D.改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类的需求
×
×
√
D
3.水蛭素是一种蛋白质，可用于预防和治疗血栓。研究人员发现，用赖氨酸替换水蛭素第47位的天冬酰胺可以提高它的抗凝血活性。在这项替换研究中，目前可行的直接操作对象是（ ）
A.基因
B. 氨基酸
C.多肽链
D.蛋白质
A
课堂练习
4.某动物体内含有研究者感兴趣的目的基因，研究者欲将该基因导入大肠杆菌的质粒中保存。该质粒含有氨苄青霉素抗性基因(AmpR)、LacZ基因及一些酶切位点，其结构和简单的操作步骤如下图所示。
请根据以上信息回答下列问题。
⑴在第②步中，应怎样选择限制酶？
应选择用相同的限制酶或切割能产生相同末端的限制酶切割质粒和含有目的基因的DNA 片段，并且注意限制酶的切割位点不能位于目的基因的内部，以防破坏目的基因，限制酶也不能破坏质粒的启动子、终止子、标记基因、复制原点等结构。
⑵在第③步中，为了使质粒DNA与目的基因能连接，还需要在混合物中加入哪种物质？
加入DNA连接酶。
课堂练习
⑶选用含有AmpR和LacZ基因的质粒进行实验有哪些优势？
⑷含有重组质粒的大肠杆菌菌落将呈现什么颜色？为什么？
该质粒便于进行双重筛选。标记基因 AmpR 基因可用于检测质粒是否导入了大肠杆菌，一般只有导入了质粒的大肠杆菌才能在添加了青霉素的培养基上生长。而由于 LacZ 基因的效应，这些生长的菌落可能出现两种颜色：含有空质粒(没有连接目的基因的质粒)的大肠杆菌菌落呈蓝色；含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。
含有重组质粒的大肠杆菌菌落呈白色。因为目的基因的插入破坏了 LacZ基因的结构，使其不能正常表达，形成 B-半乳糖苷酶，底物 X-gal也就不会被分解。
5.科学家将 Oct3/4、Sox2、c-Myc 和Klf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2 3周后，这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。
⑴在这个实验过程中，逆转录病毒的作用是什么？
⑵如何证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用？
逆转录病毒是载体，能将外源基因Oct3/4、Sox2、c-Myc和KIf4送入小鼠成纤维细胞。
可以设置对照组。将转入外源基因和没有转入外源基因的细胞分别培养在相同的培养基中，并确保其他培养条件相同。如果只有转入外源基因的细胞转化成了iPS细胞，就可以证明iPS细胞的产生不是由于培养基的作用。
课堂练习
6.科学家将 Oct3/4、Sox2、c-Myc 和Klf4基因通过逆转录病毒转入小鼠成纤维细胞中，然后在培养ES细胞的培养基上培养这些细胞。2 3周后，这些细胞显示出ES细胞的形态、具有活跃的分裂能力，它们就是iPS细胞。请回答下列问题。
⑶如果要了解 Oct3/4、Sox2、c-Myc 和Klf4基因在诱导iPS细胞时，每个基因作用的相对大小，该如何进行实验？请你给出实验设计的思路。
⑷若将病人的皮肤成纤维细胞诱导成iPS 细胞，再使它转化为需要的细胞，用这些细胞给该病人治病，这是否会引起免疫排斥反应？为什么？iPS细胞具有分裂活性，用它进行治疗时可能存在什么风险？
可以依次去掉1个基因，将其他3个基因转入小鼠成纤维细胞中，然后通过与转入4个基因的小鼠成纤维细胞的诱导情况进行比较，来推测缺失的那个基因对诱导iPS细胞的影响，进而判断每个基因作用的相对大小。（其他合理答案均可）
不会引起免疫排斥反应，因为在诱导转化的过程中细胞的遗传物质没有发生变化，理论上产生的还是“自体”细胞。iPS细胞拥有分化为各种细胞的潜能，因此存在分化成肿瘤细胞的风险
谢谢观看
Thank you

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