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1、3.3 3.3 基因工程的应用基因工程的应用低乳糖奶牛低乳糖奶牛低乳糖奶牛低乳糖奶牛基因工程肝炎疫苗基因工程肝炎疫苗基因工程肝炎疫苗基因工程肝炎疫苗19781978年，科学家将编码人胰岛素的基因导入大肠杆菌细胞中，使年，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物-重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。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？除了生产胰岛素，基因工程还有那些应用呢？重组人胰岛素注射液重组人胰岛素注射液从社会中来从社会中
2、来农农农农牧牧牧牧业业业业方方方方面面面面医医医医药药药药卫卫卫卫生生生生领领领领域域域域食品工业方面食品工业方面食品工业方面食品工业方面乳腺生物反应器乳腺生物反应器2016201620162016年全球转基因作物的种植面积年全球转基因作物的种植面积年全球转基因作物的种植面积年全球转基因作物的种植面积（单位：百万公顷）按国家划分（单位：百万公顷）按国家划分（单位：百万公顷）按国家划分（单位：百万公顷）按国家划分一、基因工程在农牧业方面的应用一、基因工程在农牧业方面的应用1.1996-20171.1996-2017年，全世界转基因作物种植面积增加了年，全世界转基因作物种植面积增加了100100多
3、多倍。倍。(一）一）一）一）基因工程在农牧业方面的应用概述基因工程在农牧业方面的应用概述基因工程在农牧业方面的应用概述基因工程在农牧业方面的应用概述2 2.转基因作物的种植使转基因作物的种植使化学农药化学农药的施用量的施用量减少了减少了8.28.2%，作物产作物产量增加了量增加了6.66.610108 8t,t,增加经济效益增加经济效益1.31.3万亿。万亿。1全球转基因作物的种植面积（全球转基因作物的种植面积（全球转基因作物的种植面积（全球转基因作物的种植面积（1996-20161996-20161996-20161996-2016）发达国家和发展中国家（百万公顷，百万英亩发达国家和发展中国
4、家（百万公顷，百万英亩发达国家和发展中国家（百万公顷，百万英亩发达国家和发展中国家（百万公顷，百万英亩）全球转基因作物的种植面积（全球转基因作物的种植面积（全球转基因作物的种植面积（全球转基因作物的种植面积（1996-1996-1996-1996-2016201620162016）按）按）按）按作物划分（百万公顷，百万英作物划分（百万公顷，百万英作物划分（百万公顷，百万英作物划分（百万公顷，百万英亩）亩）亩）亩）3 3.美国美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家。棉花、玉米、是世界上转基因作物种植面积最大的国家。棉花、玉米、大豆种植比例都超过大豆种植比例都超过9090%。4.20174.20
5、17年，我国年，我国转基因作物的种植面积转基因作物的种植面积居世界第居世界第八八位。商业化位。商业化种植的有棉花、番木瓜。种植的有棉花、番木瓜。转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排）5 5.在转基因动物方面，近些年几乎在转基因动物方面，近些年几乎每年每年都有令人瞩目的研究成都有令人瞩目的研究成果报道，果报道，有些成果正在进入有些成果正在进入实用化和商业化实用化和商业化开发的阶段开发的阶段。20152015年年1111月，月，第一种第一种用于用于食用食用的转基因动物的转基因动物转基因大西转基因大西
6、洋鲑洋鲑（俗称（俗称“三文鱼三文鱼”）在美国获得批准上市。）在美国获得批准上市。1 1、转基因抗虫植物、转基因抗虫植物从从某些生物中分离出某些生物中分离出抗虫基因抗虫基因导入作物，使之具有抗导入作物，使之具有抗虫性状。虫性状。主要杀虫基因：主要杀虫基因：方法：方法：BtBtBtBt毒蛋白基因毒蛋白基因毒蛋白基因毒蛋白基因淀粉酶抑制剂基因淀粉酶抑制剂基因淀粉酶抑制剂基因淀粉酶抑制剂基因蛋白酶抑制剂基因蛋白酶抑制剂基因蛋白酶抑制剂基因蛋白酶抑制剂基因植物凝集素基因植物凝集素基因植物凝集素基因植物凝集素基因阻断或降低蛋白酶的活性，阻断或降低蛋白酶的活性，阻断或降低蛋白酶的活性，阻断或降低蛋白酶的活性
7、，使害虫不能正常消化食物，使害虫不能正常消化食物，使害虫不能正常消化食物，使害虫不能正常消化食物，还会引起厌食反应。还会引起厌食反应。还会引起厌食反应。还会引起厌食反应。导致细胞膜穿孔，细胞导致细胞膜穿孔，细胞导致细胞膜穿孔，细胞导致细胞膜穿孔，细胞肿胀裂解。肿胀裂解。肿胀裂解。肿胀裂解。产生的抑制剂可与害虫产生的抑制剂可与害虫产生的抑制剂可与害虫产生的抑制剂可与害虫消化道内的淀粉酶结合。消化道内的淀粉酶结合。消化道内的淀粉酶结合。消化道内的淀粉酶结合。可与可与可与可与害虫肠道黏膜上的某害虫肠道黏膜上的某害虫肠道黏膜上的某害虫肠道黏膜上的某种物质结合，影响害虫对种物质结合，影响害虫对种物质结合
8、，影响害虫对种物质结合，影响害虫对营养物质的吸收和利用。营养物质的吸收和利用。营养物质的吸收和利用。营养物质的吸收和利用。抗虫目的基因抗虫目的基因抗虫目的基因抗虫目的基因种类种类种类种类棉棉棉棉铃铃铃铃虫虫虫虫转基因抗虫水稻（绿色植株）与对照（被害虫侵害的黄色植株）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害、降低生产成本、提高产量。降低生产成本、提高产量。转基因抗虫棉花转基因抗虫棉花、玉米、水稻、大豆、马铃薯等。、玉米、水稻、大豆、马铃薯等。成果：成果：优点：优点：2 2、转基因抗病植物、转基因抗病植物科学家将科学家将来源于某些
9、病毒来源于某些病毒、真菌等的抗病基因、真菌等的抗病基因导入植物导入植物中，中，培育出转基因抗病植物培育出转基因抗病植物。方法：方法：抗病基因：抗病基因：抗病毒基因抗病毒基因抗真菌基因抗真菌基因病毒外壳蛋白基因（病毒外壳蛋白基因（CPCP基因）基因）病毒的复制酶基因病毒的复制酶基因几丁质酶基因几丁质酶基因抗毒素合成基因抗毒素合成基因转基因抗病毒甜椒转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。、番木瓜和烟草等。成果成果：3 3、转基因抗除草剂植物、转基因抗除草剂植物杂草常常危害农业生产，而大多数除草剂不仅能杀死田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，导致作物减产间杂草，还会损
10、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，可以培育出抗除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草剂的作物品种。转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。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种植转基因抗除草剂大豆的农田背景：背景：方法：方法：成果：成果：我国科学家培育出了赖氨酸含量提高我国科学家培育出了赖氨酸含量提高30%30%的转基因玉米。的转基因玉米。赖氨酸赖氨酸缺少对健康很不利。缺少对健康很不利。科学家们科学家们将必需氨基酸含量多的将必需氨基酸含量多
11、的蛋白质编码基因，导入植物蛋白质编码基因，导入植物，或，或改变这种氨基酸合成途径中改变这种氨基酸合成途径中某种关键酶的活性某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。，以提高氨基酸的含量。4 4、利用转基因改良植物品质、利用转基因改良植物品质提高植物的提高植物的营养价值、观赏价值营养价值、观赏价值等。等。将将与植物花青素代谢有关的基因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矮牵牛呈现出自然界没有的颜色，大大提高大大提高了它的了它的观赏价值。观赏价值。目的目的:成果：成果：科学家们科学家们将将外源生长激素基因，导入动物体内外源生长激
12、素基因，导入动物体内，以提以提高动物生长速率。高动物生长速率。例如例如,我国科学家我国科学家将外源将外源生长激素基生长激素基因因导入导入鲤鱼，鲤鱼，在在同等养殖条件下，同等养殖条件下，转基因鲤鱼的转基因鲤鱼的生长生长速率比非转基因鲤鱼提高了速率比非转基因鲤鱼提高了42%42%115%115%。5 5、利用转基因提高动物的生长速率、利用转基因提高动物的生长速率转生长激素基因鲤鱼（下）转生长激素基因鲤鱼（下）与非转基因鲤鱼（上）与非转基因鲤鱼（上）成果成果：有些有些人由于人由于乳糖酶乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖乳糖，食，食用牛奶后会出现用牛奶后会出现腹泻腹泻等
13、不适症状，称之为等不适症状，称之为乳糖不耐受乳糖不耐受。6 6、用来改善畜产品的品质、用来改善畜产品的品质避免避免食物过敏、腹泻、恶心等不适。食物过敏、腹泻、恶心等不适。成果成果：科学家们将科学家们将肠肠乳糖酶基因，导入奶牛基因组乳糖酶基因，导入奶牛基因组，获得的，获得的转基因奶牛分泌的乳汁中，乳糖含量大大降低，而其转基因奶牛分泌的乳汁中，乳糖含量大大降低，而其他营养成分不受影响。他营养成分不受影响。优点：优点：1 1、基因基因工程工程改造微生物或动植物的细胞生产药物改造微生物或动植物的细胞生产药物常见药物类型常见药物类型：应用应用：实例实例：二、基因工程在医药卫生领域的应用二、基因工程在医药
14、卫生领域的应用细胞因子、抗体、疫苗和激素等。细胞因子、抗体、疫苗和激素等。可可以以用用来来预预防防和和治治疗疗人人类类肿肿瘤瘤、心心血血管管疾疾病病、传传染染病病、糖尿病和类风湿关节炎等。糖尿病和类风湿关节炎等。我我国国生生产产的的重重组组人人干干扰扰素素、血血小小板板生生成成素素、促促红红细细胞胞生成素和粒细胞集落刺激因子等生成素和粒细胞集落刺激因子等。2中国干扰素之父中国干扰素之父-侯云德院士侯云德院士思考思考：1.1.干扰素干扰素的化学本质是什么？的化学本质是什么？糖蛋白糖蛋白干扰病毒复制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毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、多发
15、骨髓瘤和某些白血病等病等从人血液中的白细胞内提取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重组人干扰素-1b-1b主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等2.2.干扰素干扰素的作用机理是怎样的？的作用机理是怎样的？3.3.干扰素干扰素用于哪些疾病的治疗？用于哪些疾病的治疗？4.4.传统传统生产干扰素的方法是什么生产干扰素的方法是什么？5.5.目前目前大量生产干扰素的方法是什么？大量生产干扰素的方法是什么？6.6.我国我国批准生产的第一个基因工程药物的名称叫什么批准生产的第一个基
16、因工程药物的名称叫什么？用于？用于治疗哪些疾病？治疗哪些疾病？思考：根据前面学过的基因工程的操作程序，说出通过基因工程思考：根据前面学过的基因工程的操作程序，说出通过基因工程方法用酵母菌生产乙肝疫苗的过程是怎样的？（提示：乙肝病毒方法用酵母菌生产乙肝疫苗的过程是怎样的？（提示：乙肝病毒抗原蛋白基因）抗原蛋白基因）用用PCRPCR扩增扩增乙肝病毒抗原蛋白基因；乙肝病毒抗原蛋白基因；将乙肝病毒抗原蛋白基因插入质粒，将乙肝病毒抗原蛋白基因插入质粒，构建基因表达载体构建基因表达载体；将该基因表达载体将该基因表达载体导入酵母菌导入酵母菌(该过程也是将酵母菌制备成感该过程也是将酵母菌制备成感受态细胞，但是
17、并不是用受态细胞，但是并不是用CaCa2+2+处理，而是用醋酸锂处理）；处理，而是用醋酸锂处理）；检测并鉴定检测并鉴定，筛选出成功转化的酵母菌，进行，筛选出成功转化的酵母菌，进行发酵培养发酵培养，分离分离并提纯产物并提纯产物，获得乙肝病毒抗原蛋白。，获得乙肝病毒抗原蛋白。2 2、让转基因哺乳动物批量生产药物让转基因哺乳动物批量生产药物实例：实例：转基因动物进入泌乳期后，可以通过转基因动物进入泌乳期后，可以通过分泌分泌的的乳汁乳汁来来生产生产所所需需药品。药品。乳腺生物反应器乳腺生物反应器或或乳房生物反应器乳房生物反应器目前已经在牛、山羊等动物的乳腺生物反应器中，获得目前已经在牛、山羊等动物的乳
18、腺生物反应器中，获得了了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和-抗胰蛋白酶抗胰蛋白酶等等重要医药产品。重要医药产品。应用：应用：我我 的的 奶奶不不 是是 一一般的奶！般的奶！药用蛋白基因药用蛋白基因乳腺中特异表达的基因乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件的启动子等调控元件基基因因表表达达载载体体显微显微注射注射受受精精卵卵泌乳期泌乳期分泌乳分泌乳汁汁转转基基因因动动物物药药物物胚胎胚胎移植移植早早期期胚胚胎胎培培养养早早期期胚胚胎胎培育培育过程：过程：(1)(1)动动物物乳乳腺腺有有完完整整的的蛋蛋白白质质翻翻译译后后修修饰饰系系统统，生生产产的的蛋蛋白白质质活活
19、性性高高，更稳定更稳定。(2)2)产物直接经乳汁分泌，易提取。产物直接经乳汁分泌，易提取。优点：优点：【易错点拨】【易错点拨】1.1.利用乳腺生物反应器的动物性别是利用乳腺生物反应器的动物性别是 。2 2.利用乳腺生物反应器生产药物时受体细胞是利用乳腺生物反应器生产药物时受体细胞是 _ ，原因原因是是_。受精卵的性染色体组成是受精卵的性染色体组成是_。3 3.目的基因可在乳腺细胞中表达，其他组织细胞中含有该目的基目的基因可在乳腺细胞中表达，其他组织细胞中含有该目的基因吗？因吗？。理由理由是是：。4.4.要使目的基因在乳腺组织中特异性表达，在构建基因表达载体要使目的基因在乳腺组织中特异性表达，在
20、构建基因表达载体时要在目的基因序列前加上乳腺组织中特异表达时要在目的基因序列前加上乳腺组织中特异表达的启动子：的启动子：。雌性雌性受精卵受精卵受精卵具有全能性，可受精卵具有全能性，可受精卵具有全能性，可受精卵具有全能性，可使使使使外源基因在相外源基因在相外源基因在相外源基因在相应的组织细胞中应的组织细胞中应的组织细胞中应的组织细胞中表达表达表达表达含有含有因为它们都是由同一个受精卵分裂、分化而来的因为它们都是由同一个受精卵分裂、分化而来的乳腺蛋白基因的启动子乳腺蛋白基因的启动子继哺乳动物乳腺发生器研发成功后，膀胱生物发生器的研究也取得继哺乳动物乳腺发生器研发成功后，膀胱生物发生器的研究也取得了
21、一定进展。最近，科学家培养出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细了一定进展。最近，科学家培养出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。请回答胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。请回答:（1 1）将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞，常用方法是）将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞，常用方法是 。（2 2）通常采用）通常采用 技术检测外源基因是否插入技术检测外源基因是否插入了小鼠的基因组了小鼠的基因组。（3 3）在研制膀胱生物反应器时，应使外源基因在小鼠）在研制膀胱生物反应器时，应使外源基因在小鼠的的_细胞细胞中特异表达。中特异表达。（4 4）膀胱生物发生器比乳腺生物反应器有什么
22、优点？）膀胱生物发生器比乳腺生物反应器有什么优点？显微注射技术显微注射技术PCRPCR或或DNADNA分子杂交分子杂交 膀胱上皮膀胱上皮 不受不受性别性别和和发育时期发育时期的限制的限制3.3.用转基因动物作为器官移植的供体用转基因动物作为器官移植的供体人体移植器官短缺人体移植器官短缺是世界性难题是世界性难题寻找可代替的寻找可代替的移植器官移植器官猪的内脏构造、大小、血管分布与人相似；猪的内脏构造、大小、血管分布与人相似；猪体内隐藏的致病基因远远少于灵长类动物。猪体内隐藏的致病基因远远少于灵长类动物。最大的难题：存在最大的难题：存在免疫排斥免疫排斥反应。反应。猪的猪的优点优点：问题：问题：解决
23、：解决：设设法法除除去去抗抗原原决决定定基基因因，然然后后再再结结合合克克隆隆技技术术，培培育育出出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。在器官供体的在器官供体的基因组中导入某种调节因子基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原以抑制抗原决定基因的表达；决定基因的表达；改造方法：改造方法：思考：假如某位心脏病病人换上经过改造的猪心脏后，过上健康人的生思考：假如某位心脏病病人换上经过改造的猪心脏后，过上健康人的生活，在生活中，他会遭到歧视吗？对此你怎么看？活，在生活中，他会遭到歧视吗？对此你怎么看？生命和健康是人最宝贵的东西，如果一个病人换上了经过改造的猪心脏
24、重获了健康，我们不仅不能歧视他，还应该从他身上看到现代生物技术在维持人体健康、治疗疾病等方面的应用价值；用用基因工程基因工程的方法，使的方法，使外源基因外源基因得到得到高效表达高效表达的菌类。的菌类。基因工程构建基因工程菌基因工程构建基因工程菌工业发酵批量生产工业发酵批量生产1 1、基因工程菌基因工程菌三、基因工程在食品工业方面的应用三、基因工程在食品工业方面的应用步骤：步骤：利用基因工程菌，除了可以生产利用基因工程菌，除了可以生产药物药物，还能生产，还能生产食品食品工业用酶、氨基酸和维生素工业用酶、氨基酸和维生素等。如：等。如：一种普遍使用的一种普遍使用的甜味剂（甜味剂（阿斯巴甜）阿斯巴甜）
25、，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成成，这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产。，这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产。概念概念:应用：应用：（1 1）凝乳酶凝乳酶：大多数奶酪的生产需要使用凝乳酶来凝聚固：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。化奶中的蛋白质。传统制备方法：传统制备方法：杀死未断奶的小牛，将其第四胃的杀死未断奶的小牛，将其第四胃的黏黏膜取出来膜取出来提取。提取。基因工程技术：基因工程技术：将将编码牛凝乳酶的基因编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉、导入大肠杆菌、黑曲霉、酵母菌的基因组中酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。，
26、再通过工业发酵批量生产凝乳酶。2 2、实例实例（2 2）淀粉酶、脂酶）淀粉酶、脂酶加工加工转化糖浆需要的转化糖浆需要的淀粉酶淀粉酶，加工烘烤食品用到的，加工烘烤食品用到的脂酶脂酶等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。也都可以通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。相比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从天然产物中提取的酶，用基因工程技术获得的工业用酶酶纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高。优点：优点：鸡蛋鸡蛋白基因白基因在大肠杆菌和酵母菌中表达获得成功。这表明，在大肠杆菌和酵母菌中表达获得成功。这表明，未来能用
27、发酵罐培养的大肠杆菌或酵母菌来生产人类所需未来能用发酵罐培养的大肠杆菌或酵母菌来生产人类所需要的要的卵清蛋白。卵清蛋白。用基因工程的方法用基因工程的方法从微生物中获得从微生物中获得人们所需要的人们所需要的糖类、糖类、脂肪和维生素脂肪和维生素等产品。等产品。（4 4）其他：）其他：基因工程使人们更容易培育出具有优良性状的动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植物品种，获得很多过去难以得到的生物制品。生物制品。基因工程为人类开辟基因工程为人类开辟新的食物来源。新的食物来源。（4 4）其他：）其他：培育出可以培育出可以降解多种污染物降解多种污染物的的“超级细菌超级细菌”来来处处理环境污染理环境污染，利用，利用经过基因改造的微生物经过基因改造的微生物来来生产能源生产能源。（4 4）其他：）其他：利用利用经过基因改造的微生物经过基因改造的微生物来来生产能源生产能源。3 3 3 3种淀粉酶基因种淀粉酶基因种淀粉酶基因种淀粉酶基因组成的复合基因组成的复合基因组成的复合基因组成的复合基因海底热泉古生菌海底热泉古生菌海底热泉古生菌海底热泉古生菌玉米玉米玉米玉米乙醇单位产量的利润提高了乙醇单位产量的利润提高了乙醇单位产量的利润提高了乙醇单位产量的利润提高了8%15%8%15%8%15%8%15%