《生物工程技术》PPT课件.ppt

第二章 生物工程技术分论第一节 基因工程1.概论：基因工程的基础是基因结构的探明，什么是基因？它是DNA分子上的一个特定片段。不同基因的遗传信息，存在于各自片段上的碱基排列之中，基因的精确复制，保证了遗传信息的代代相传，基因通过转录出的信使RNA（mRNA)指导合成蛋白质。这个过程就是基因的表达所以基因是遗传之本，是控制生命活动的“蓝图”。如：家蚕吐丝是因为家蚕含有丝素蛋白的基因、豆科植物固N是因为与豆科植物的根部共生的微生物中含因N基因。,对人类有用的抗生素、氨基酸、核酸和酶制剂能通过微生物生产，因为这类微生物中含有合成这些物质的基因，但微生物不能生产人的胰岛素和干扰素这些医学极其珍贵的药物。因为这些微生物没有人的这些基因，禾本科的植物不能因N，是因为这些植物的体内没有因N基因。但多少世纪以来，人类通过人工选择、杂文育种等方法，培育出许多集父母本的优良性状于一身的新物种。但常规方法不能按照人的预定目的、定向地改变生物的遗传特征，特别是杂交育种在不同物种之间还存在不可愈越的鸿沟，人们一直渴望能有一种定向培育生物品种的新方法。,如果将一种生物的 DNA中的某个遗传密码片断连接到另外一种生物的DNA链上去，将DNA重新组织一下，就可以按照人类的愿望，设计出新的遗传物质并创造出新的生物类型，这与过去培育生物繁殖后代的传统做法完全不同。这种做法就像技术科学的工程设计，按照人类的需要把这种生物的这个“基因”与那种生物的那个“基因”重新“施工”，“组装”成新的基因组合，创造出新的生物。这种完全按照人的意愿，由重新组装基因到新生物产生的生物科学技术，就称为“基因工程”，或者说是“遗传工程”。,2.基因工程一般包括四个步骤：一是取得符合人们要求的DNA片段，这种DNA片段被称为“目的基因”；二是将目的基因与质粒或病毒DNA连接成重组 DNA；三是把重组DNA引入某种细胞；四是把目的基因能表达的受体细胞挑选出来。DNA 分子很小，其直径只有20埃，约相当于1/5,000,000cm，在它们身上进行“手术”是非常困难的，因此基因工程实际上是一种“超级显微工程”，对 DNA的切割、缝合与转运，必须有特殊的工具。,要把目的基因从供体 DNA长链中准确地剪切下来，可不是一件容易的事。1968年，沃纳阿尔伯博士、丹尼尔内森斯博士和汉密尔史密斯博士第一次从大肠杆菌中提取出了限制性内切酶，它能够在DNA上寻找特定的“切点”，认准后将DNA分子的双链交错地切断。人们把这种限制性内切酶称为“分子剪刀”。这种“分子剪刀”可以完整地切下个别基因。自70年代以来，人们已经分离提取了 400多种“分子剪刀”。有了形形色色的“分子剪刀”，人们就可以随心所欲地进行DNA分子长链的切割了。,DNA的分子链被切开后，还得缝接起来以完成基因的拼接。1976年，科学们在5个实验室里几乎同时发现并提取出一种酶，这种酶可以将两个DNA片段连接起来，修复好DNA链的断裂口。1984年以后，科学界正式肯定了这一发现，并把这种酶叫作DNA连接酶。从此，DNA连接酶就成了名符其实的“缝合”基因的“分子针线”。只要在用同一种“分子剪刀”剪切的两种 DNA碎片中加上“分子针线”，就会把两种DNA片段重新连接起来。,把“拼接”好的 DNA分子运送到受体细胞中去，必须寻找一种分子小、能自由进出细胞，而且在装载了外来的 DNA片段后仍能照样复制的运输工具，这就是载体。理想的载体是质粒，因为质粒能自由进出细菌细胞，当用“分子剪刀”把它切开，再给它安装上一段外来的 DNA片段后，它依然如故地能自我复制。有了限制性内切酶、连接酶及运载体，进行基因工程就可以如愿以偿了。,载体将目的基因运到受体细胞是基因工程的最后一步，目的基因的导入过程是肉眼看不到的。因此，要知道导入是否成功，事先应找到特定的标志。例如我们用一种经过改造的抗四环素质粒PSC100作载体，将一种基因移入自身无抗性的大肠杆菌时，如果基因移入后大肠杆菌不能被四环素杀死，就说明转入获得成功了。常见的受体细胞有：大肠杆菌、枯草杆菌、酵母菌、动、植物细胞等。,因此，基因工程牵涉到五个方面：目的基因，限制性内切酶，DNA连接酶，载体，受体细胞。由于它们的繁殖力极强，生长速度极快，短期就可产生大量的后代，所以把目的基因转入这些细菌，就能在短时间里得到大量的基因拷贝，从而产生大量的目的物。世界上1973年美国斯坦福大学科恩等第一次将两种不同的DNA分子进行体外重组，并且在大肠杆菌中表达，创立了定向改造生物的新科学基因工程。,1972年美国斯坦福大学的P.Berg首先实现了DNA的体外重组，构建了第一个重组DNA分子，这标志着基因重组技术的开始，他和DNA序列高效测定法的创建人W.吉尔伯特（美国，1977），F.桑格（英国）分享了1980年的诺贝尔化学奖。F.桑格1955年首先弄清了胰岛素的全部51个氨基酸序列，并建立了桑格测定法，于1958已获得过一次诺贝尔奖。,1973年美国斯坦福大学的科恩研究小组把两个不同的质粒（抗四环素质粒和抗青霉素质粒）拼合在一起，构成嵌合质粒，导入到大肠杆菌后复制并表达出双亲的遗传信息，这标志着基因工程的诞生。为此，科恩与其他两名科学家分享了1986年的诺贝尔生理学及医学奖。,基因工程的基本程序,质粒：环状DNA分子，它的分子量较小，可以自由地进入细菌细胞，还能独立自主地复制，具有一套与细胞核染色体相对独立的遗传信息。,基因工程的基本程序是：（1）获得目的基因（外源DNA片段）（2）将目的基因连接到载体上，得杂化载体；（3）将杂化载体（环状的DNA）引入宿主细胞（受体细胞），使目的基因及载体上其它基因得以转录和翻译。,载体质粒,外源DNA片段,外源DNA插入,剪切,引入宿主细胞,选出含有重组DNA的细胞扩增,a,b,b,A,A,b,3、基因工程在医学中的应用,1.基因工程用于生产蛋白质类药物治疗糖尿病的胰岛素，是一种 51 个氨基酸残基组成的蛋白质1982 年美国 EliLilly 公司推出基因工程制造的人胰岛素，商品名为(Humulin)。干扰素用于治疗肝炎等病毒感染性疾病，有良好疗效。1 升发酵液中所得的干扰素相当于过去从 1000 升人血中所得。生产成本也大为降低。目前用基因工程生产的蛋白质药物已达数十种，许多以前本不可能大量生产的生长因子，凝血因子等蛋白质药物，现在用基因工程办法便可能大量生产。,正在开发的350种生物技术药物中，1/3以上用于肿瘤，其中有30种用于黑素瘤，20种用于结直肠癌，13种用于乳腺癌，13种用于前列腺癌。正在开发的疫苗有77种，用于预防或治疗HIV感染、AIDS、结直肠癌、胰腺癌、乳腺癌、肺癌、结肠癌、前列腺癌、多发性硬化、中风。正在开发的生物技术药物中，有29种用于HIV感染、AIDS和AIDS相关疾病；19种用于自身免疫性疾病，其中11种用于类风湿性关节炎、3种用于狼疮；8种用于血液疾病，其中4种用于血友病，一种用于镰形细胞性贫血。,4、基因工程用于疫苗生产,常用的制备疫苗的方法，一种是弱毒活疫苗，一种是死疫苗。两种疫苗各有自身的弱点。活疫苗隐含着感染的危险性。死疫苗免疫活性不高，需加大注射量或多次接种。利用基因工程制备重组亚基疫苗，可以克服上述缺点，亚基疫苗指只含有病原物的一个或几个抗原成分，不含病原物遗传信息。重组亚基疫苗就是用基因工程方法，把编码抗原蛋白质的基因重组到载体上去，再送入细菌细胞或其他细胞中区大量生产。这样得到的亚基疫苗往往效价很高，但决无感染毒性等危险。在酵母中表达乙型肝炎表面抗原 HBsAg 产量可达每升 2.5mg，已于 1984 年问世。基因工程生产疫苗有良好的发展前景。,5.基因工程用于基因治疗,人体基因的缺失，导致一些遗传疾病，应用基因工程技术使缺失的基因归还人体，达到治疗的目的，已成为基因工程在医学方面应用的又一重要内容。基因治疗是将人的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞以纠正基因的缺陷或者发挥治疗作用，从而达到治疗疾病目的的生物医学高技术。基因治疗与常规治疗方法不同：一般意义上疾病的治疗针对的是因基因异常而导致的各种症状，而基因治疗针对的是疾病的根源-异常的基因本身。,基因治疗有二种形式：一是体细胞基因治疗，正在广泛使用；二是生殖细胞基因治疗，因能引起遗传改变而受到限制。基因治疗按基因操作方式分为两类，一类为基因修正（gene correction）和基因置换（gene replacement），即将缺陷基因的异常序列进行矫正，对缺陷基因精确地原位修复，不涉及基因组的其他任何改变。通过同源重组（homologous recombination）即基因打靶（gene targetting）技术将外源正常的基因在特定的部位进行重组，从而使缺陷基因在原位特异性修复。另一类为基因增强（gene augmentation）和基因失活（gene inactivation），是不去除异常基因，而通过导入外源基因使其表达正常产物，从而补偿缺陷基因等的功能；或特异封闭某些基因的翻译或转录，以达到抑制某些异常基因表达。按靶细胞类型又可分为生殖细胞（germ-line cell）基因治疗和体细胞（somatic cell）基因治疗。广义的生殖细胞基因治疗以精子，卵子和早期胚胎细胞作为治疗对象。由于当前基因治疗技术还不成熟，以及涉及一系列伦理学问题，生殖细胞基因治疗仍属禁区。在现有的条件下，基因治疗仅限于体细胞。,6、基因工程的负面效应,1、伦理2、不可预见性危害,7.什么是“转基因食品”？转基因食品，就是指科学家在实验室中，把动植物的基因加以改变，通过修改基因，科学家们能再制造出具备新特征的食品种类。不过，到目前为止，这种技术仍然处于起步阶段，并且没有一种含有从其它动植物移植基因的食物，实现了大规模的经济培植。同时许多人坚持认为，这种技术培育出来的食物是“不自然的”。,世界上第一种基因移植作物是一种含有抗生素药类抗体的烟草，1983年得以培植出来。又过了十年，第一种市场化的基因食物才在美国出现，它就是可以延迟成熟的番茄作物。一直到1996年，由这种番茄食品制造的番茄饼，才得以允许在超市出售。为什么一些人认为转基因技术或许对人类健康有害呢？批评者认为，目前我们对基因的活动方式了解还不够透彻。我们没有十足的把握控制基因调整后的结果。批评者担心突然的改变会导致有毒物体的产生，或激发过敏现象。,另外还有人批评科学家所使用的 DNA会取自一些携带病毒和细菌的动植物，这可能引发许多不知名的疾病。我们应该相信我们所吃的食物吗？为了确保消费者的安全和维持信心，所有食品都必须经过一系列的检测管理程序。检测程序的目的是在食品上市前就发现问题。如果消费者不幸因为所吃的食品而得病，这往往是因为食品生产线存在问题。,英国前首相布莱尔曾表示对转基因食品的安全性充满信心，他在星期日独立报上发表文章：毫无疑问，转基因食品对人类安全和生态多样性方面具有潜在危害，因此，政府要将保护公众和环境作为优先考虑的首要问题。但他同时强调，转基因技术也可为人类带来益处。生物技术为人类带来的益处在一些相关领域，如生产拯救人类生命的药品等方面已为人们所认识；转基因作物同样对人类具有益处，如可提高作物产量，帮助人们解决饥饿问题、培育出能在恶劣环境下生长并可抗御病虫害的作物新品种等。,他说，正因为转基因食品对人们具有潜在的好处，所以，英国才不关闭对其进一步研究的大门；也正因为它对人类具有潜在危害，所以政府在处理这一问题时才十分慎重。他指出，政府已意识到人们对转基因作物可能对环境和野生动植物产生的影响表示担忧，因此对转基因食品实行了严格的检验。只有在对它们的安全性作出正确判断后，转基因作物才有可能在英国投入商业种植。但公众对转基因食品表示强烈抗议。,2006年，深圳华生元基因工程发展有限公司开发的外用重组人表皮生长因子衍生物喷剂“依济复”获得国家一类新药证书。这种喷剂将显著促进创伤愈合，大大提高临床治疗水平，是中国基因工程制药领域取得的又一项新成果。医学研究表明，人表皮生长因子(hEGF)是一种广泛存在于体内的小分子多肽，以自分泌和旁分泌方式分布于体内，多类表皮细胞群的生长对 EGF的刺激能作出灵敏反应。实验证明，极微量的hEGF可刺激上皮细胞、成纤维细胞和角化细胞的增殖，促进核酸、蛋白质和羟脯氨酸等的合成等。,外用重组人表皮生长因子衍生物喷剂(rhEGF)采用DNA重组技术，构建与完善了hEGF大肠杆菌分泌表达细统，在结构和生物学活性等方面与内源性hEGF高度一致。它通过与细胞膜上的受体结合而产生生物学效应，激活核内重要基因，调控细胞增殖和激活蛋白质合成。专家认为，rhEGF可显著促进创面愈合，在普通外科、胃肠道溃疡防治、角膜损伤修复等方面有广阔的应用前景。,中国是世界上第一个在生产上使用杂交稻的国家。杭州的中国水稻研究所是中国唯一的国家级水稻专业性研究所。经过多年的研究，中国在水稻的遗传育种和高产栽培的实践及理论研究被世界公认。一九九六年，中国水稻研究所以黄大年研究员为首的课题组，在世界上首次研究出了抗除草剂转基因杂交稻，为解决长期以来困扰杂交稻制种纯度问题提供了新方法。之后，课题组又成功配制出抗除草剂转基因直播水稻，可省工省时除尽稻田杂草。,2004年，中国水稻所与浙江钱江生物化学股份有限公司联合组建了浙江金穗农业基因工程有限公司，正式拉开了将转基因水稻推向产业化的序幕。目前，黄大年等人已选育出一批优良的转基因水稻组合和新品系，经农业部基因产品安全委员会的安全审定和批准，这些新品种已开始在浙江的富阳、临安、丽水等地，进行继实验室研究和中试后的大田释放和试种示范。并正在向有关部门申请商品化生产。,8.关于转基因植物和转基因动物 上述基因工程的基本过程都是以细胞为受体，这对扩增目的基因、获得目的基因的产物十分有效，但人们希望能以高等生物即动物和植物的个体为受体，培育出转基因动物和转基因植物，这是基因工程的又一条崭新的技术路线。人们把那些已有外源基因转入并得到表达的动物和植物分别称：转基因动物和转基因植物。现以转基因小鼠为例说明基本过程：1982年帕米特用重组DNA技术将大鼠分离得到的生长激素基因转入到小鼠的受精卵核内,结果，分娩出21只小鼠中有7只带大鼠的生长激素基因，6只生长迅速，超过同窝小鼠的1.8倍，成为巨型小鼠。巨型小鼠的实验主要意义在于证明外源基因可转入动物或植物的受精卵基因组中，使新个体具有新的性状。巨型小鼠的实验首先给人的启发是可以通过类似的途径培育出养殖业、种植业等行为的高产品种，其产量提高的幅度是常规育种无法比拟的，因而含人、牛、猪、羊、大鼠等生长激素基因的转基因鱼、转基因兔、转基因羊、转基因猪的研究十分活跃。,另外，转基因鼠的医学价值前景巨大。近来，荷兰和美国科学家们培育出了易患黑色素瘤的转基因鼠，这将有助于人们寻求治疗这种恶性皮肤瘤的方法。两个科研小组分别在有关黑色素瘤的研究报告中说，他们通过转基因手段使实验鼠体内的P16基因不发生作用，但P19基因保持正常。结果发现，这些转基因鼠对致癌化学物质的伤害更加敏感、更易患黑色素瘤，与单独去掉P19基因后的情况类似。这表明，在用转基因实验鼠治疗黑色素瘤的过程中，P16基因确实具有抑制癌症的作用。荷兰科学家还对一批实验鼠的P19基因进行改造，使它产生一个导致人类遗传性黑色素瘤的变异。,这些易患黑色素瘤科学家的转基因鼠可以作用模型动物，帮助寻找治疗黑色素瘤的方法，并研究香烟、紫外线等致癌因素的作用。而印度科学家用转基因技术培育出一只供医学研究用的老鼠近日获得美国专利。这只老鼠是由设在新德里的国际基因工程与生物技术研究中心研究员库马尔率领的一个专家小组在国家免疫研究所的协作下培育出来的。其独特之处在于，这只转基因老鼠感染肝癌的机率大，感染周期也比普通老鼠短，只需到个星期。这一研究成果有助于医学研究人员加快攻克肝癌的进程。,科学家认为，乙肝病毒是肝癌的主要诱因，其中的蛋白在诱发癌症的过程中发挥着关键性作用，但乙肝病毒现在还无法进行人工培植，人为地在动物身上诱发肝癌需要很长的时间。因此，科学家们只能通过患病的人或动物进行研究。印度科学家希望，这只转基因老鼠能为人类早日找到治疗肝癌的药物作出贡献。而转基因植物同样可以做到。北京市科协组织的讨论会上，专家们就提出了利用转基因植物预防SARS的建议。只需要吃一些西红柿、土豆等蔬菜，就可抵抗非典。,李怀方、裘季燕两位植物病毒学专家提出，现代分子生物学技术已使人自身产生免疫原(SARS病毒抗体)成为可能。利用分子“剪刀”和分子“浆糊”，把SARS病毒的一段基因，移植到西红柿的基因中，这样西红柿就成了非典“疑似患者”，它能生产出可以刺激人体产生SARS抗体的免疫原。当人们吃下这种转基因西红柿后，这些免疫原就可以调动人体抗SARS的免疫能力。据介绍，这种转基因植物疫苗技术在乙型肝炎防治方面已经获得成功。专家们将尽快向有关职能部门提交利用转基因植物预防SARS的建议。,为科学家提供了对基因的功能进行基础研究的崭新手段，生产上，显示的巨大潜在效益将更会使人兴奋不已。在研究中发现，这种方法不仅可提高产品质量，而且可提高产品的品质，例：在种植业中用转基因植物的手段调整产品中蛋白质的组成和含量提高赖氨酸的比例，通过转基因手段培育瘦肉型猪等。转基因动物和转基因植物最诱人的应用前景是利用它们生产药物。如：培养能生产胰岛素和干扰素的转基因植物；用转基因动物制造人体细胞中含量少的蛋白质能使人感兴趣，产品从乳中或血液中分离提取。,新华网消息：据德新社报道，德国科学家通过培育转基因植物的方式，在研制治疗癌症等疾病的药物方面取得一定进展。科学家认为，转基因植物有希望在未来成为获得多种疫苗及特种药物的新途径。来自弗莱堡大学医院的专家胡伯特布鲁门介绍说，他们在培育转基因植物方面已取得一定成果。他们已从培育的转基因植物中获得了一些可在癌症检测中起作用的复杂抗体。此外，诸如干扰素等一些治疗癌症的特殊药物也可通过转基因植物获得。,据悉，目前不少科学家正在尝试培育转基因土豆、西红柿等常见蔬菜，使这些植物含针对诸如狂犬病、流感或者肝炎等疾病的免疫物质，从而使人们通过普通食用方式，吸收这些免疫物质进而达到免疫目的。与现有的疫苗注射方式相比，这种方法在经济上具有很大优势，特别适合贫困国家针对大面积人群使用。布鲁门同时表示：“根据现有科研水平，预计在2010年前后即可通过转基因植物开发出新型疫苗与药物”。,