《基因工程》-第八章-基因工程应用实例
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第三代乙肝疫苗，乙肝病毒包膜的抗原性主要由S抗原和前S1、前S2抗 原组成组成，美国Medeva制药公司利用基因重组技术，在哺乳动物细 胞成功地表达了包含S抗原和前S1、前S2抗原的第三代重组疫苗，1998 年用于临床，能诱导更高的血清阳转率和抗体应答反应。
其它基因工程药物
人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等 通过基因工程实现工业化生产，均为解除 人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了 重大的作用。
Gene therapy
1990年9月14日，安德森对一例患ADA缺乏症的4岁女孩进行基因治疗。 这个4岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产ADA，先天性免疫功 能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们将这个女孩的白血球进行基 因改造，使有缺陷的基因被健康的基因替代，然后把含正常白血球的溶 液输入她左臂的一条静脉血管中。在以后的10个月内她又接受了7次这样 的治疗，同时也接受酶治疗。后来，她的免疫功能日趋健全，能够走出 隔离帐，过上了正常人的生活，并进入普通小学上学。
抗盐、抗冷 抑制光呼吸 氮素营养 耐储存 颜色、尺寸等基因
Benefit(s)
增加产量，增加农民收入 减少化学农药使用 ，对耕种者和食用者来讲 更健康 减少耕作和管理 增加产量，增加农民收入 增加产量，增加农民收入 增加产量 作物品质更优异
营养更丰富
Sample of GM Crops: Herbicide Resistant Corn
人 造 血 液 及 其 生 产
基因工程药物
干扰素生产车间
基因工程试剂的高回报
• 碱性成纤维细胞生长因子 231元/ug
• 红细胞生成素
1072元/ug
• 白细胞介素-2
410元/ug
• 巨细胞粒细胞集落刺激因子 1960元/ug
• 胰岛素
10.2元/mg
二、蛋白质工程的理论设计
指通过改造与蛋白质相应的基因中的碱基顺序， 或设计合成新的基因，将它克隆至受体细胞中，通过 基因表达而获得具有新的特性的蛋白质（酶）技术。
《Princple and Technology of Genetic Engineering》
《基因工程原理》
1
第八章 基因工程应用实例
教学目的与要求： 1）了解转基因作物应用现状 2）了解转基因动物研究状况 3）了解基因工程药物研究现状
2
第一节 全球转基因作物的推广应用
转基因作物 Target 抗虫抗逆基因
1st exoneration and conviction on forensic DNA evidence
（3）基因诊断探针 核酸分子探针是指特定的已知核酸片段，能与互补核酸序列退火杂交，用 于对待测核酸样品中特定基因顺序的探测。
也是满足：（1）必须是单链，（2）带有容易被检测出来的标记物。
（4）基因诊断—生物芯片技术 从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱；从 病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱
Humulin, recombinant DNA product, Eli Lilly Company in the late 1970s and early 1980s
A and B chains combined to give functional insulin
Diabetes mellitus (DM): PaLeabharlann Baiducreas failing to produce adequate amounts of the hormone insulin.
蛋白基因
新突变质粒
核苷酸片段
S
S Disulphide link
S
S
B-chain
A
B
Banting and Best Developed the use of insulin therapy in 1921
A-chain purified from Lactose-induced culture
B-chain purified from separate culture
取患者 骨髓
分离干 细胞
病毒
正常基因
注入患 者体内
导入正常基 因的干细胞
第四节 基因工程药物及应用
利用基因工程菌生产生化药物。目前已规模生 产的有：胰岛素、生长激素、干扰素、乙肝疫苗等。
生产1克 胰岛素
450头猪胰脏 基因工程菌 20L发酵液
1200L人血
干扰素 的量
1L发酵液
SS
A-chain
外源DNA
酶切割
限制性内切酶
限制性内切酶
受体细胞
新突变质粒
转化
蛋白基因
退火
目的基因
核苷酸片段
重组质粒
筛选
带重组体的细胞
表达 目的产物
⑶盒式突变 1985年Wells提出的一种基因修饰技术，
一次可以在一个位点上产生20种不同氨基酸 的突变体，可以对蛋白质分子中重要氨基酸 进行“饱和性”分析。
同时获得酶多切个割 突变体
Forensic diagnostics
Mid-1980s: The Colin Pitchfork Case
Two young women raped and murdered in Narborough, England 5,000 local men are asked to provide blood/saliva samples.
减毒疫苗是通过适当方法，以降低毒性或无毒的全病 原体为抗原的疫苗。
天然微生物的某些成分的亚单位作为疫苗的，称为亚 单位疫苗。
基因工程疫苗还包括基因亚单位疫苗、基因 工程载体疫苗、核酸疫苗、基因缺失活疫苗、合 成肽疫苗和抗独特型抗体疫苗。根据它们的基本 特征，也可分为活疫苗和灭活疫苗两大类。
利用基因工程技术制成的疫苗称为基因工程 亚单位疫苗，可归为灭活疫苗。例如，乙型肝炎 抗体疫苗，就是将乙肝抗原基因转入酵母或动物 细胞，通过细胞培养大量生产乙肝抗原，该抗原 作为基因工程疫苗用于乙型肝炎预防。人们甚至 将乙肝抗原基因转到西红柿中，经栽培，获得转 乙肝抗原基因西红柿，食用后可预防乙肝。
weeds
第二节 转基因动物的应用
一、 为什么要做转基因动物
1 改造动物的品质 2 用动物生产人类需要的药品及人类器官 3 给实验提供模式动物
二、如何生产转基因动物 particular monoclonal antibodies (including one that is effective against a particular colon cancer). Animals mostly used for this work are pigs, cows, sheep, and goats. Transgenic animal
通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。 基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特 点，将成为一项现代化诊断新技术。
Gene chip
Microarray technology
二、基因治疗
1．定义
基因治疗即利用基因工程技术治疗人类遗传性疾病。正常的人类基因可以克隆 并引入遗传病患者的体细胞，以替代、修复或纠正有缺陷的基因。通常使用一 种反转录病毒作为基因治疗的转移系统，重组载体可以感染人的组织和细胞， 但不自我复制。
2.“基因病”概念：
1．定义 基因相关论：所有疾病都与人类基因有关； 基因修饰论：所有药物都是通过修饰基因本身结构、改变基因的表达调 控、影响基因产物的功能而起作用的； 基因的外调性； 基因的多态性。 人类疾病相关的基因是人类基因组中结构和功能完整性至关重要的信息。 单基因病："定位克隆"和"定位候选克隆"的全新思路，导致了亨廷顿舞 蹈病、遗传性结肠癌和乳腺癌等一大批单基因遗传病致病基因的发现， 为这些疾病的基因诊断和基因治疗奠定了基础。 多基因疾病：心血管疾病、肿瘤、糖尿病、神经精神类疾病（老年性痴 呆、精神分裂症）、自身免疫性疾病，是目前疾病基因研究的重点。 健康相关研究是人类基因组计划的重要组成部分，并于1997年相继提出 了： "肿瘤基因组解剖计划"、 “环境基因组学计划"。
不同动物胰岛素在A链中的差异
羧基端
⑴基因的全化学合成 按照所需蛋白质的氨基酸顺序，先后合成结构基因、转录的起始信号
及终止信号、限制酶切位点等核酸片段，然后用连接酶将各片段连接起来， 通过基因工程转移到细菌中进行目标蛋白质的表达。
目前用此法已合成了：人血细胞干扰素、胰岛素、生长激素释放抑制激 素等基因。
recombinant vaccine
传统疫苗的种类有哪些？ 传统疫苗包括灭活疫苗、减毒疫苗和亚单位疫苗。
灭活疫苗是用致病的微生物或其代谢产物，接种到动 物、鸡胚、组织或细胞培养物中，经生长繁殖后，用化学 （丙酮、甲醛、酚等）或物理（加热、紫外线照射）等方 法将病原体杀死的疫苗，因此，又称为“死”疫苗。
完整基因
连接酶
调节基因 启动基因
结构基因
终止基因
⑵基因直接修饰法 将连接于质粒上的某一蛋白质的基因用酶法去除一小段，然后用合成的核
苷酸片段接上，从而获得新的突变体。 已修饰过的酶有： 内酰胺酶、酪氨酰tRNA合成酶、二氢叶酸还原酶等酶蛋白。
利用修饰基因实现表达目的产物（胰岛素）的蛋白质工程示意图
质粒
第三节 基因诊断与基因治疗
Medical and forensic applications of gene anipulation
一、基因诊断（Medical diagnostics (as DNA probes and PCR for detect HIV of AIDS)
1．基因诊断概念 是用已知序列的DNA或RNA片段作为探针与待测样品的DNA或RNA序列 进行核酸分子杂交，用于对待测核酸样品中特定基因顺序的探测，是基 因诊断最基本的技术之一。
这是一门从改变基因入手，定做新的蛋白质的技 术。故有人将其称为“第二代基因工程”。
1983年，美国生物学家额尔默首先提出了“蛋白 质工程”的概念。
蛋白质工程的理论设计： 包括活性设计、专一性设计、框架（构象）设计等。 由于对蛋白质的结构与功能之间的关系认识还不系统，目前的蛋白质设计仅仅 是对天然蛋白质的修饰。如：异常血红蛋白的氨基酸取代，去羧基端胰岛素等。
乙肝疫苗
第一代乙肝疫苗，属血源疫苗，由无症状乙型肝炎表面抗原阳性者的 血浆制备而得。血源疫苗曾对防止乙肝流行发挥了重要作用，但是， 疫苗的成本高、生产周期长(65周)，还存在传播艾滋病和肝炎的潜在危 险。
第二代乙肝疫苗，将编码乙型肝炎表面抗原的基因在哺乳动物细胞或 酵母菌中高效表达，得到乙肝基因工程疫苗，接种者中约有10%不产生 应答反应；另有5%～15%接种者属低应答者，低应答者不能获得完全 保护作用。
条件：（1）必须是单链；（2）带有容易被检测出来的标记物。
2、基因诊断的技术方法 （1）基因诊断的核酸分子杂交技术 实质上是用已知序列的DNA或RNA片段作为探针与待测样品的DNA或 RNA序列进行核酸分子杂交。是基因诊断最基本的技术之一。
（2）基因诊断的PCR法
Medical diagnostics (as DNA probes and PCR for detect HIV of AIDS)
其它基因工程药物
人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等 通过基因工程实现工业化生产，均为解除 人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了 重大的作用。
Gene therapy
1990年9月14日，安德森对一例患ADA缺乏症的4岁女孩进行基因治疗。 这个4岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产ADA，先天性免疫功 能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们将这个女孩的白血球进行基 因改造，使有缺陷的基因被健康的基因替代，然后把含正常白血球的溶 液输入她左臂的一条静脉血管中。在以后的10个月内她又接受了7次这样 的治疗，同时也接受酶治疗。后来，她的免疫功能日趋健全，能够走出 隔离帐，过上了正常人的生活，并进入普通小学上学。
抗盐、抗冷 抑制光呼吸 氮素营养 耐储存 颜色、尺寸等基因
Benefit(s)
增加产量，增加农民收入 减少化学农药使用 ，对耕种者和食用者来讲 更健康 减少耕作和管理 增加产量，增加农民收入 增加产量，增加农民收入 增加产量 作物品质更优异
营养更丰富
Sample of GM Crops: Herbicide Resistant Corn
人 造 血 液 及 其 生 产
基因工程药物
干扰素生产车间
基因工程试剂的高回报
• 碱性成纤维细胞生长因子 231元/ug
• 红细胞生成素
1072元/ug
• 白细胞介素-2
410元/ug
• 巨细胞粒细胞集落刺激因子 1960元/ug
• 胰岛素
10.2元/mg
二、蛋白质工程的理论设计
指通过改造与蛋白质相应的基因中的碱基顺序， 或设计合成新的基因，将它克隆至受体细胞中，通过 基因表达而获得具有新的特性的蛋白质（酶）技术。
《Princple and Technology of Genetic Engineering》
《基因工程原理》
1
第八章 基因工程应用实例
教学目的与要求： 1）了解转基因作物应用现状 2）了解转基因动物研究状况 3）了解基因工程药物研究现状
2
第一节 全球转基因作物的推广应用
转基因作物 Target 抗虫抗逆基因
1st exoneration and conviction on forensic DNA evidence
（3）基因诊断探针 核酸分子探针是指特定的已知核酸片段，能与互补核酸序列退火杂交，用 于对待测核酸样品中特定基因顺序的探测。
也是满足：（1）必须是单链，（2）带有容易被检测出来的标记物。
（4）基因诊断—生物芯片技术 从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱；从 病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱
Humulin, recombinant DNA product, Eli Lilly Company in the late 1970s and early 1980s
A and B chains combined to give functional insulin
Diabetes mellitus (DM): PaLeabharlann Baiducreas failing to produce adequate amounts of the hormone insulin.
蛋白基因
新突变质粒
核苷酸片段
S
S Disulphide link
S
S
B-chain
A
B
Banting and Best Developed the use of insulin therapy in 1921
A-chain purified from Lactose-induced culture
B-chain purified from separate culture
取患者 骨髓
分离干 细胞
病毒
正常基因
注入患 者体内
导入正常基 因的干细胞
第四节 基因工程药物及应用
利用基因工程菌生产生化药物。目前已规模生 产的有：胰岛素、生长激素、干扰素、乙肝疫苗等。
生产1克 胰岛素
450头猪胰脏 基因工程菌 20L发酵液
1200L人血
干扰素 的量
1L发酵液
SS
A-chain
外源DNA
酶切割
限制性内切酶
限制性内切酶
受体细胞
新突变质粒
转化
蛋白基因
退火
目的基因
核苷酸片段
重组质粒
筛选
带重组体的细胞
表达 目的产物
⑶盒式突变 1985年Wells提出的一种基因修饰技术，
一次可以在一个位点上产生20种不同氨基酸 的突变体，可以对蛋白质分子中重要氨基酸 进行“饱和性”分析。
同时获得酶多切个割 突变体
Forensic diagnostics
Mid-1980s: The Colin Pitchfork Case
Two young women raped and murdered in Narborough, England 5,000 local men are asked to provide blood/saliva samples.
减毒疫苗是通过适当方法，以降低毒性或无毒的全病 原体为抗原的疫苗。
天然微生物的某些成分的亚单位作为疫苗的，称为亚 单位疫苗。
基因工程疫苗还包括基因亚单位疫苗、基因 工程载体疫苗、核酸疫苗、基因缺失活疫苗、合 成肽疫苗和抗独特型抗体疫苗。根据它们的基本 特征，也可分为活疫苗和灭活疫苗两大类。
利用基因工程技术制成的疫苗称为基因工程 亚单位疫苗，可归为灭活疫苗。例如，乙型肝炎 抗体疫苗，就是将乙肝抗原基因转入酵母或动物 细胞，通过细胞培养大量生产乙肝抗原，该抗原 作为基因工程疫苗用于乙型肝炎预防。人们甚至 将乙肝抗原基因转到西红柿中，经栽培，获得转 乙肝抗原基因西红柿，食用后可预防乙肝。
weeds
第二节 转基因动物的应用
一、 为什么要做转基因动物
1 改造动物的品质 2 用动物生产人类需要的药品及人类器官 3 给实验提供模式动物
二、如何生产转基因动物 particular monoclonal antibodies (including one that is effective against a particular colon cancer). Animals mostly used for this work are pigs, cows, sheep, and goats. Transgenic animal
通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。 基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特 点，将成为一项现代化诊断新技术。
Gene chip
Microarray technology
二、基因治疗
1．定义
基因治疗即利用基因工程技术治疗人类遗传性疾病。正常的人类基因可以克隆 并引入遗传病患者的体细胞，以替代、修复或纠正有缺陷的基因。通常使用一 种反转录病毒作为基因治疗的转移系统，重组载体可以感染人的组织和细胞， 但不自我复制。
2.“基因病”概念：
1．定义 基因相关论：所有疾病都与人类基因有关； 基因修饰论：所有药物都是通过修饰基因本身结构、改变基因的表达调 控、影响基因产物的功能而起作用的； 基因的外调性； 基因的多态性。 人类疾病相关的基因是人类基因组中结构和功能完整性至关重要的信息。 单基因病："定位克隆"和"定位候选克隆"的全新思路，导致了亨廷顿舞 蹈病、遗传性结肠癌和乳腺癌等一大批单基因遗传病致病基因的发现， 为这些疾病的基因诊断和基因治疗奠定了基础。 多基因疾病：心血管疾病、肿瘤、糖尿病、神经精神类疾病（老年性痴 呆、精神分裂症）、自身免疫性疾病，是目前疾病基因研究的重点。 健康相关研究是人类基因组计划的重要组成部分，并于1997年相继提出 了： "肿瘤基因组解剖计划"、 “环境基因组学计划"。
不同动物胰岛素在A链中的差异
羧基端
⑴基因的全化学合成 按照所需蛋白质的氨基酸顺序，先后合成结构基因、转录的起始信号
及终止信号、限制酶切位点等核酸片段，然后用连接酶将各片段连接起来， 通过基因工程转移到细菌中进行目标蛋白质的表达。
目前用此法已合成了：人血细胞干扰素、胰岛素、生长激素释放抑制激 素等基因。
recombinant vaccine
传统疫苗的种类有哪些？ 传统疫苗包括灭活疫苗、减毒疫苗和亚单位疫苗。
灭活疫苗是用致病的微生物或其代谢产物，接种到动 物、鸡胚、组织或细胞培养物中，经生长繁殖后，用化学 （丙酮、甲醛、酚等）或物理（加热、紫外线照射）等方 法将病原体杀死的疫苗，因此，又称为“死”疫苗。
完整基因
连接酶
调节基因 启动基因
结构基因
终止基因
⑵基因直接修饰法 将连接于质粒上的某一蛋白质的基因用酶法去除一小段，然后用合成的核
苷酸片段接上，从而获得新的突变体。 已修饰过的酶有： 内酰胺酶、酪氨酰tRNA合成酶、二氢叶酸还原酶等酶蛋白。
利用修饰基因实现表达目的产物（胰岛素）的蛋白质工程示意图
质粒
第三节 基因诊断与基因治疗
Medical and forensic applications of gene anipulation
一、基因诊断（Medical diagnostics (as DNA probes and PCR for detect HIV of AIDS)
1．基因诊断概念 是用已知序列的DNA或RNA片段作为探针与待测样品的DNA或RNA序列 进行核酸分子杂交，用于对待测核酸样品中特定基因顺序的探测，是基 因诊断最基本的技术之一。
这是一门从改变基因入手，定做新的蛋白质的技 术。故有人将其称为“第二代基因工程”。
1983年，美国生物学家额尔默首先提出了“蛋白 质工程”的概念。
蛋白质工程的理论设计： 包括活性设计、专一性设计、框架（构象）设计等。 由于对蛋白质的结构与功能之间的关系认识还不系统，目前的蛋白质设计仅仅 是对天然蛋白质的修饰。如：异常血红蛋白的氨基酸取代，去羧基端胰岛素等。
乙肝疫苗
第一代乙肝疫苗，属血源疫苗，由无症状乙型肝炎表面抗原阳性者的 血浆制备而得。血源疫苗曾对防止乙肝流行发挥了重要作用，但是， 疫苗的成本高、生产周期长(65周)，还存在传播艾滋病和肝炎的潜在危 险。
第二代乙肝疫苗，将编码乙型肝炎表面抗原的基因在哺乳动物细胞或 酵母菌中高效表达，得到乙肝基因工程疫苗，接种者中约有10%不产生 应答反应；另有5%～15%接种者属低应答者，低应答者不能获得完全 保护作用。
条件：（1）必须是单链；（2）带有容易被检测出来的标记物。
2、基因诊断的技术方法 （1）基因诊断的核酸分子杂交技术 实质上是用已知序列的DNA或RNA片段作为探针与待测样品的DNA或 RNA序列进行核酸分子杂交。是基因诊断最基本的技术之一。
（2）基因诊断的PCR法
Medical diagnostics (as DNA probes and PCR for detect HIV of AIDS)