新人教版 高中生物选修3专题一1.3基因工程的应用原创

基因治疗曙光初照（重点 应用）
1 基因治疗： 是指是把健康的外源基因导入有基因缺 陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。（重要） 2 方法：
A体外基因治疗 先从病人体内获得某种细胞，进行培养，然 后，在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养， 最后重新输入患者体内。（效果较为可靠） B体内基因治疗 直接向人体组织细胞中转移基因的治病方法
用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保 存相当困难。如果将其分子上的一个半胱 氨酸变成丝氨酸，那么在-70℃的条件下， 可以保存半年。
一、蛋白质工程崛起的缘由
例如：
干扰素（半胱氨酸） 改造
满足人类生产 和生活的需要
干扰素（丝氨酸）
体外很难保存
体外可以保存半年
玉米中赖氨酸含量比较低
天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸）
某多肽链的一段氨基酸序列是： ……—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸— 苯丙氨酸—……
讨论：
1．怎样得出决定这一段肽链的脱氧核 苷酸序列?请把相应的碱基序列写出来。 2．确定目的基因的碱基序列后，怎样 才能合成或改造目的基因(DNA)?
蛋白质工程的进展与前景

蛋白质工程目前的现状：成功的例子不多， 主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于 正确的空间结构，而科学家目前对大多数 蛋白质的空间结构了解很少。
基因治疗曙光初照
重症联合免疫缺陷（SCID）
患者缺乏正常的人体免疫功
能，只要稍被细菌或者病毒 感染，就会发病死亡。这个 病的机理是细胞的一个常染 色体上编码腺苷酸脱氨酶
（简称ADA）的基因（ada）
发生了突变。可以通过基因
工程的方法治疗。
SCID患者生存在无菌环境中
基因治疗曙光初照
基因治疗曙光初照
植物基因工程硕果累累
3、抗逆转基因植物
A方法：将
抗逆基因
导入植物，获抗逆性作物。
B基因种类：抗除草剂基因、抗冻蛋白基因、调节细胞 渗透压基因。 C成果：抗除草剂玉米、耐寒番茄、抗盐抗旱烟草
植物基因工程硕果累累
4、利用转基因改良植物的品质
提高植物的光合作用效率 改造光合作用中起关键 作用的CO2固定酶，能 提高植物对CO2的固定效 率；还可以通过增强植物 对光能吸收与转化的功能 来提高光合作用效率，提 高作物的产量。
植物基因工程硕果累累
4、利用转基因改良植物的品质
延长果实的储藏期 乙烯是催熟果实的一 种激素，在其形成过程中 需要乙烯形成酶。通过基 因工程可以获得能抑制乙 烯形成酶基因表达的植物 新品种，这些转基因植物 的果实既保持了原有的品 质，又延长了储藏期。
植物基因工程硕果累累
4、利用转基因改良植物的品质
玉米中赖氨酸含量可提高数倍 改造
天冬氨酸激酶（异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶 （104位的天冬酰胺）
改造
二、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 白质的结构进行分子设计。 对天然蛋白质进行改造， 你认为应该直接对蛋白质分子 进行操作，还是通过对基因的 操作来实现？
注意：只有雌性转基因个体才能生产药物。
★为什么乳腺能成为基因药物最理想的表 达场所呢？
⑴乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会 影响转基因动物本身的生理代谢反应。
⑵从乳汁中获取目的基因产物，产量高，易提纯，表达 的蛋白质已经过充分的修饰加工，具有稳定的生物活性。
⑶从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同时，转基 因动物又可无限繁殖。
蛋白质工程与基因工程相比,合成的蛋 白质有何特点?
1、改造酶的结构
自然酶与工业用酶有什么区别?
自然酶 在常温常压中性环 境下起催化作用 工业用酶 在高温、酸或碱性 环境下起催化作用
2、生物工程制药
鼠源杂交瘤抗体 导致机体 高度过敏 鼠-人嵌合抗体 副作用 明显减小
蛋白质的一级结构
蛋白质的二级结构
动物基因工程前景广阔
5、各式各样的转基因动物
基因工程药品异军突起（重点 理解）
1方式：利用转基因工程菌来生产药品。 2成果：利用工程菌可生产细胞因子、抗体、疫 苗、激素等。
基因工程药品 —— 胰岛素
胰岛素从猪、牛等动物的胰 腺中提取，100Kg胰腺只能提取 4-5g的胰岛素，其产量之低和价 格之高可想而知。
A 将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，导入植物中， 提高氨基酸的含量。富含赖氨酸的转基因玉米 B 将控制番茄果实成熟的基因导入番茄，获得转基因延 熟番茄。
C 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 变异。
动物基因工程前景广阔
1、用于提高动物的生长速度
天然蛋白质的合成过程
复制
复制 转录 逆转录 折叠 等
DNA
RNA
翻译
肽链
表达生物特有 的功能或性状
具有空间结 构的蛋白质
遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变
2、蛋白质工程的原理：基因改造 3、基本途径：
预期蛋白 质功能 蛋白质三 维结构
分子 设计
氨基酸序列 多肽链
DNA 合成
基因 DNA
转 录
生物 功能
蛋白质三 维结构
折叠
氨基酸序列 多肽链
翻译
mRNA
4、概念： 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律 及其生物功能的关系作为基础，通过基因修饰 或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造 一种新的蛋白质，以满足人类的生生产和生活 的需求。
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。
A 基因：外援生长激素基因
（重点 理解）
B成果: 转基因鲤鱼、 转基因绵羊。
转基因鲤鱼（上）和同龄的鲤鱼（下）
动物基因工程前景广阔
2、用于改善畜产品的品质
A病症：有些人对牛奶中的乳糖不能完全消化 或食用后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状 B优良基因：肠乳糖酶基因 C方法：肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，获得转 基因牛分泌的乳汁，其中乳糖的含量大大减低。 乳糖
★优点：
产量高、质量好、成本低、易提取
动物基因工程前景广阔
4、用转基因动物作器官移植的供体
可长人耳的裸鼠
动物基因工程前景广阔
4、用转基因动物作器官移植的供体
A供体：抑制或除去抗原决定基因 B成果（预期）：结合克隆技术培育出没有免疫排斥 的转基因克隆猪器官 C方法：将器官供体基因组导入某种调节因子，以抑 制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定因， 再结合克隆技术，培育畜没有免疫排斥反应的转基 因克隆猪器官。
3 例如：患半乳糖血症的患者，由于细胞内半乳糖苷转 移酶基因缺陷而缺少半乳糖苷转移酶，使过多的半乳糖 在体内积聚，引起肝、脑等功能受损。
1971年，美国科学家在体外做了试验，用带有半乳 糖苷转移酶基因的噬菌体侵染患者的离体组织细胞，结 果发现这些组织细胞能够利用半乳糖了。这表明，用基 因替换的方法治疗这种遗传病是可能的。
棉花、玉米、马铃薯、番茄、大 豆、蚕豆、烟草、苹果、核桃、 杨、菊花等。
用于杀虫的基因主要有：
★Bt毒蛋白基因(重点)、蛋白酶 抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、 植物凝聚素基因
植物基因工程硕果累累
1、抗虫转基因植物
A 方法：从某些生物中分离出具 有杀虫活性的基 因，将其导入作物中，使其具有抗虫性。
B 杀虫基因种类：Bt毒蛋白基因
通过基因工程 的方式创造了能合 成人干扰素的大肠 杆菌，每1Kg的培 养液可提取20— 40mg干扰素
利用微生物生产药物的优越性何在?
所谓利用微生物生产蛋白质类药物，是指将 人们需要的某种蛋白质的编码基因，构建成表达载 体后导入微生物，然后利用微生物发酵来生产蛋白 质类药物。与传统的制药相比有以下优越性： （1）利用活细胞作为表达系统，表达效率高。 （2）可以解决传统制药中原料来源的不足。 （3）降低生产成本，减少生产人员和管理人员。
将合成的胰岛素 基因导入大肠杆菌， 每2000L培养液就能产 生100g胰岛素！使其 价格降低了30%-50%!
DNA
胰岛素基因
限制酶
1
人体细胞
胰岛素 DNA 质粒 2 限制酶
细菌细胞
利用生物工程获得胰岛素
基因工程药品 —— 干扰素 从人血中提取干扰素， 300L血才提取1mg！ 人 造 血 液 及 其 生 产
C 成果：抗虫棉、抗虫水稻等。 D 意义：少农药、低成本、少污染.
植物基因工程硕果累累
2、抗病转基因植物 转基因抗病植物：
小麦、甜椒、番茄。
杀虫的基因主要：
★病毒外壳蛋白质基因（最常 用）、病毒复制酶（这些基因的
转化植物表现出对同种病毒或相近病 毒或病毒RNA侵染的高水平抗性 ）
抗CMV甜椒
几丁质酶基因、抗毒素合成基 因
乳糖酶
半乳糖
动物基因工程前景广阔
3、用转基因动物生产药物
A基因来源：药用蛋白 基因＋乳腺蛋白基因 的启动子 B成果:乳腺生物反应器
动物乳腺生物反应器技术基本成熟
动物基因工程前景广阔
3、用转基因动物生产药物 C操作过程： 1、构建基因表达载体（在血清白蛋白基因前 加乳腺蛋白基因的启动子） 2、用显微注射法导入到受精卵 3、将受精卵送入母体生长发育 4、转基因动物进入泌乳期后，提取乳汁
基因工程的应用
基因工程自20世纪70年代兴起后， 在短短的30年间，得到了飞速的发展， 目前已成为生物科学的核心技术。 应用领域——农牧业、工业、环境、能 源和医药卫生等。
基因工程的应用
植物基因工程硕果累累
动物基因工程前景广阔 基因工程药物异军突起
基因治疗曙光初照
植物基因工程硕果累累
1、因治疗的基因种类
1。用正常基因代替缺陷基因，或依靠其表达 产物来弥补病变基因带来的缺陷。如血友病、 地中海贫血病的治疗。 2。反义基因。用mRNA分子与病变的 mRNA分子进行互补，阻断蛋白质的合成。 3。自杀基因。编码可杀死癌变细胞的蛋白酶 基因。