第八章 基因工程的诞生与发展

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洪都拉斯
布基纳法索 捷克 罗马尼亚 葡萄牙
＜0.1
＜0.1 ＜0.1 ＜0.1 ＜0.1
玉米
棉花 玉米 玉米 玉米
资料来源： Clive James, ISSAAA, 2008
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23 24 25
德国
波兰 斯洛伐克 埃及
＜0.1
＜0.1 ＜0.1 ＜0.1
玉米
玉米 玉米 玉米
但事实是：无论世界上工 业化国家还是发展中国家的农 民，他们都是依靠自己的独立
决策在5年间将转基因作物的
种植面积增加了25倍之多。 从20世纪80 年代世界上 第一例转基因植物的诞生，到 目前全世界大约 1 亿多公顷的 转基因作物。
研究者还利用转基因动物大量生产医用蛋白，人类将最新的生物技术 应用于医药、食品、农业领域以摆脱自然对传统作业的限制。
创造性地实现了不同DNA分子的体外重组
这些工作为分子生物学的研究和遗传 改造展示了一个清晰而又美好的前景 具有与沃森和克里克发现DNA双螺旋 结构模型同样的开拓性价值！
• 1973 年 ， 加州大学旧金山分校的 赫伯特· 博耶 H.Boyer和斯坦福大学 的斯坦利· 科恩 S. Cohen 将外源基 因拼接在质粒中，在大肠杆菌中 表达，揭开基因工程的序幕。
我是一个实验主义者，我能告诉你的检验 它是否有效的唯一方法就是尝试它。 ——保罗· 伯格
保罗· 伯格
• 保罗· 伯格1926年生于美国。 在参加了第二次世界大战 后回到宾夕法尼亚州立大 学学习，1948年获生物化 学学士学位，
• 后在凯斯西部保留地大学 获生化博士学位，1959年 到斯坦福大学任教。
高新技术 生物技术
基因工程
基因克隆
如果说20世纪八九十年代是基因工程基础研 究趋向成熟，应用研究初露锋芒的阶段， 那么21世纪初将是基因工程应用研究的鼎盛 时期，农、林、牧、渔、医等的很多产品都会 打上基因工程的标记。
尽管基因工程出现后的一段时间内带给人们的 是猜疑和恐惧，
但实践表明，基因工程已经给人类带来了难以
DNA体外重组的创建成功，
是“遗传工程”的奠基之作。
EcoRI
＋
SV40 λDNA
1972. PNAS
David Jackson Robert Symons Paul Berg
Recombination DNA 虽然，没有任何一项技术具有原创性
NP 1980 Paul Berg
但是，利用已报道的多项技术，
估量的经济和社会效益。
特别是对人类所面临的能源、粮食、人口、环
境和疾病等日趋严重的社会问题，基因工程正在 并且将要发挥越来越大的作用。
基因工程与农业
•
•• •Biblioteka •光合作用 固氮作用 转基因植物 转基因动物 产生次生代谢产物
如日本科学家利用基因工程使家蚕丝心蛋白基因与 绿色荧光蛋白基因相互融合，得到的家蚕蚕丝可发出 绿色的光泽。 人们利用花卉的花色基因改变花的颜色、 利用花形基因改变花的形状、 利用香味基因改变花的香味等等，
因此，基因是企业家的聚宝盆。
基因工程的诞生
1. 随着遗传密码的破译诞生了一门新的学科――基因工程。
2. 20世纪70年代，内森、史密斯和阿尔伯发现了限制性内切 酶在分子遗传中的作用，为基因工程奠定了基础。 3. 1973年保罗· 伯格成功地实现了DNA的体外重组，人类开始 进入按需要设计并改造物种，创造自然界原先不存在的新 物种。 4. 由此兴起了以基因工程为主体的生物工程新学科。分子遗 传学和生物工程已成为最活跃最前沿的新领域。
在20世纪50年代，基因化学领域还笼罩 在一片迷雾之中，然而…….
有关基因工程技术发明获得 Nobel奖
基因工程概念
在分子水平上，用人工方法提取或合成不同生物的
DNA片段，在体外切割，拼接形成重组DNA，然后将
重组DNA与载体的遗传物质重新组合，
再将其引入到没有该DNA的受体细胞中，进行复制 和表达，生产出符合人类需要的产品或创造出生物的新 性状，并使之稳定地遗传给下一代。
对转基因农产品的评估和 放行。 但是在过去的十几年， 一直到现在，人们对于转 基因食品的争论一直没有 停止过。
为什么要进行转基因生物安全评价
转基因生物是人类有史以来发展最快的技术， 也是争论最大的技术。争论的科学问题包括：
GMO“转基因生物 (genetically modified organism) ”会不会变成病原物？（生物武器） 基因漂移、基因污染（野生资源） “超级杂草”的可能性
基因工程理论依据
•
不同基因具有相同的物质基础
•
• • • •
基因是可以切割的
基因是可以转移的 多肽与基因之间存在对应关系 基因通过复制把遗传信息传给下代 遗传密码是通用的
基因工程与生物工程的关系
生物工程分为六类：即基因工程、蛋白质工程、 细胞工程、发酵工程、酶工程、生化工程。
基因工程的地位：
现代科技革命
• 这时，保罗· 伯格却想到了基因重组的安全性问题。 • 他与其他10位研究者联名给《科学》杂志写了一封信，希 望科学家深入了解基因重组技术的安全性，先暂停有关试 验，并敦促美国NIH对基因重组技术的使用进行管制。 • 这封信引发了广泛的研究和讨论，1975年，上百位科学家 在Asilomar会议上对不同物种之间基因重组的安全性进行 了讨论。 • 1976年，NIH出台了关于基因重组的一系列指导方针。
• 2000年全球转基因作物种植面积4,420万公顷
• 2006年全球转基因作物种植面积1.02亿公顷
顺序
国家
美国* 阿根廷* 巴西* 印度* 加拿大* 中国* 巴拉圭* 南非* 乌拉圭* 玻利维亚* 菲律宾* 澳大利亚* 墨西哥* 西班牙* 智利 哥伦比亚
面积（百万公顷）
62.5 21.0 15.8 7.6 7.6 3.8 2.7 1.8 0.7 0.6 0.4 0.2 0.1 0.1 ＜0.1 ＜0.1 大豆、玉米、棉花 大豆、玉米、棉花 棉花
时候就采摘下来。因为西红柿成熟后，皮也软了，运输过
程中容易破。 没有成熟的西红柿被运送到商店后，喷上乙烯将它们 催熟，变成红色再摆出去卖。这种人工催熟的西红柿没有 自然成熟的西红柿好吃。 西红柿的皮变软，是因为 多聚半乳糖醛酸酶 把细胞 壁中的胶质给分解了。
生物学家们把编码 多聚半乳糖醛酸酶 的基因克隆出 来，测定了它的序列。然后合成一个和它相反的“反义基
基因是企业家的聚宝盆
目前生产基因药物的技术已较成熟，基因药物已率 先进入市场。
美国已有40多种基因药物投放市场，主要用于治疗 癌症、血液病、艾滋病、乙型肝炎、丙型肝炎、细菌 感染、代谢病等疑难病症。
美国投放市场的基因药物， 1997 年超过 60 亿美 元，且每年以20%的速度增长。 我国也有10多种基因药物投放市场，但大部分基 因药物仍需进口。
对非靶标生物的影响（生物多样性）
病毒的重组与异源包装 食品安全性：毒性、过敏性
44 44
近年来，欧美关于转基因是否 安全的争论又闹得沸沸扬扬。
转基因食品生产和输出大户美 国，从其自身利益出发，主张只 要科学上无法证明它有害，就不 应该限制。 而转基因食品输入最多的欧洲 国家，公众对转基因食品普遍感 到恐慌： 他们认为，动物实验显示某些 转基因食品对动物有害，而对人 类如何由于时间短还不清楚； 但只要不能否定其危险性，就 应该加以限制。
以使我们的生活环境更加色彩斑斓。
转入无冰晶细菌的抗冻基因帮助草莓抗霜冻
近20年转基因植物发展的 几个重要里程碑
• 1983年首例转基因作物(Genetically Modified Crops， GMC)烟草培育成功 • 1986年转基因植物获准进入田间试验 • 1994年转基因番茄在美国批准上市
• 可以说，DNA重组试验是分子生物学与生物化学研究的里 程碑，该技术与基因快速测序以及定位技术，使基因工程 成为生物技术快速发展的基础。 • 基因工程的产生并不是偶然的，它是分子生物学发展到一 定的阶段或时期的一种历史的必然。
基因工程引发了一场分子生物学革命
不仅能将目标基因定向引入到其他物种中去 而且可以利用细菌对目的DNA分子进行克隆 基于“遗传重组”技术的生物学的理论不断创新 基于“遗传工程”技术的生物遗传改良成效明显
玉 米, 25
大 豆, 57
2006年
38
转基因西红柿
1994年5月，美国食品和药品 管理局（FDA）批准首个转基因
食物——西红柿FLAVRSVER进
入消费市场。 FDA相信该转基因西红柿与普 通育种生长的西红柿同样安全。
转乙烯形成酶反义基因、储存期延长40－50天的番茄
以前，农民要趁西红柿还没有成熟，果实还是绿色的
基因工程又称重组DNA 技术. (切、接、转、增、检）
基因枪、农杆菌介导的植物转基因
基因枪法
农杆菌法
按目的基因的克隆和表达系统，分类为： • • • • • 原核生物基因工程 酵母基因工程 植物基因工程 医学基因工程 动物基因工程
•
基因工程最突出的优点:
就是打破了常规情况下难以突破的物 种之间界限，可在： 原核生物与真核生物之间、 动物与植物之间、 甚至人与其他生物之间、 将遗传信息进行重组和转移。
转基因作物
大豆、玉米、棉花、油菜、南瓜、木瓜、紫苜蓿、甜菜
2008年
全球种 植转基 因作物 的国家 和面积
1* 2* 3* 4* 5* 6* 7* 8* 9* 10* 11* 12* 13* 14* 15 16
油菜、玉米、大豆、甜菜 棉花、番茄、白杨、矮牵牛、木瓜、甜椒 大豆 玉米、大豆、棉花 大豆、玉米 大豆 玉米 棉花、油菜、康乃馨 棉花、大豆 玉米 玉米、大豆、油菜 棉花、康乃馨
抗虫转基因棉花获大面积推广
转基因作物使发达国家和发展中国家的农民受益
25个国家的>1330万 农户 种上了转基因作物 其中90% 为发展中国家的 小农户
转基因水稻在基本不打农药的情况下大幅度提高产量
Photos by Zhen Zhu and Jumin Tu
转基因作物种植比例
油 菜, 5 棉 花, 13
第八章 基因工程的诞生与发展
基因——生命的真谛
1909年，丹麦的遗传学家W. Johanssen根据希腊 语“给予生命”之义，创造了“gene”一词。
基因是生物遗传信息的载体，它是由核苷酸序列( 通常为DNA)组成的生物大分子，决定着生物的所有 性状、行为和疾病 的发生。
基因是福音，发现了某疾病基因，就可以对患者进 行基因水平上的治疗，从根本上根除疾病的危害。 基因就是铁的证据，基因分析在重大犯罪案件、历 史案件的侦破中是最终确定罪犯的有力工具，当事人 的头发、血、皮屑的基因分析都将作为确凿证据。
因”。
把“反义基因”转入西红柿细胞中，会干扰原来基因 的活动，让它再也没有办法合成多聚半乳糖醛酸酶，细胞
壁中的胶质不会被分解掉。
于是，西红柿即使成熟了，皮也不会变软。我们就可 以等到它自然成熟了再采摘，不用担心不好运输。 FLAVRSAVR西红柿就是这样。
转基因西红柿获准上
市，标志着FDA首次完成
Paul Berg
主要成就
1972年，伯格首次证明可以用两种不同物种的基因人
工合成DNA分子。
伯格选择了名为SV40的猴病毒和λ噬菌体，这两种病毒 的DNA都是闭合的环状结构。
他设计试验，首先用限制性内切酶切开SV40和λ噬菌体 的DNA环，然后再用连接酶把这两种DNA连接成环，最 后让含有这种DNA的噬菌体在大肠杆菌中繁殖。 因此，他开发了在酶的作用下在试管内将的噬菌体基 因与SV40基因结合在一起的技术。
• 1998 年8 月，英国阿伯丁的罗威特研究所教授普兹泰发现 老鼠食用转基因土豆之后免疫系统受到破坏，普兹泰进一 步推论，很多消费者也象被用于试验的老鼠一样食用没有 经过严格鉴定的转基因食品。 • 该消息的发布，使世界各国如日中天的转基因热潮蒙上了 一层阴影......
• 科学家们开始担心，由转基因技术创造出来的新型基因和生物 可能会有害于人类。 • 它们可能对生态环境造成新的污染，即基因污染，而这种新的 污染源很难消除。 • 转基因农作物和以此为原料制造的转基因食品对人体的影响也 尚未定论。 • 目前，转基因农作物的安全性问题在比美、欧等地已经成了一 个社会问题，消费者掀起了相当规模的反对转基因农作物和食 品的运动。 • 总部设在荷兰首都阿姆斯特丹的国际非政府组织绿色和平 （Green-peace）是全球反转基因运动的一面旗帜。