人教版生物选修三基因工程的应用

人教版生物选修三基因工程的应用

基因工程的应用 植物基因工程 动物基因工程 微生物基因工程 基因治疗 动物基因工程 微生物基因工程 基因治疗 植物基因工程 作物 大豆 玉米 棉花 油菜 比例 63% 19% 13% 5% 商业化应用阶段 大面积种植的国家 植物基因工程技术： 1. 提高农作物的抗逆能力 2. 改良农作物的品质 3. 利用植物生产药物 1. 抗虫转基因植物 抗虫棉叶子 正常棉叶子 使用化学农药的缺点： 造成环境污染 损害人类健康 增加生产成本 用于杀虫的基因主要是： Bt 毒蛋白基因 蛋白酶抑制剂基因 淀粉酶抑制剂基因 植物凝集素基因等 2. 抗病转基因植物 抗烟草花叶病毒转基因甜椒 抗病毒转基因西葫芦 抗病转基因植物所采用的基因： 病毒外壳蛋白基因 病毒的复制酶基因 抗真菌的基因： 几丁质酶基因 抗毒素合成基因 3. 其他抗逆转基因植物 耐寒、耐旱转基因水稻 4. 利用转基因改良植物的品质 含大量维生素的转基因玉米 抗癌抗衰老的紫色西红柿 转入维生素 A 合成酶基因的大米 黄金大米 ，又名“金色大米”，是一种 转基因大米 ，通过转基因技术将胡萝卜素转化酶系统转入到大米胚乳中可获得外表为金黄色的转基因大米，被称为“黄金大米”，英文为 Golden Rice 。富含维生素 A ，由美国先正达公司研发。其不同于正常大米的主要功能为帮助人体增加维生素 A 吸收。因为色泽发黄，该大米品种被称为“黄金大米”。 美国州立亚利桑那大学生物学家查尔斯 · 阿恩岑及其同事培育出了一种无需冷藏、可以食用的 乙肝疫苗 土豆，解决了这一问题。他们从 乙肝 病毒中取出一个 基因 ，将其植入土豆植株，使土豆中产生病毒抗原。人吃下这种土豆后，抗原 蛋白 会触发人体的 免疫反应 ，产生 乙肝 抗体抵抗乙肝病毒 。 科学前沿 转基因矮牵牛 转基因蓝玫瑰 延熟番茄 转入荧光酶的转基因烟草苗 趣味展望 项目 类型 外源基因类型及举例 成果举例 抗虫转 基因植物 抗虫（杀虫）基因： Bt 毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、植物凝集素基因等 抗虫水稻、抗虫棉、抗虫玉米 抗病转 基因植物 ① 抗病毒基因： 病毒外壳蛋白（ CP ）基因、病毒的复制酶基因等 ② 抗真菌基因： 几丁质酶基因、抗毒素合成基因等 抗病毒烟草、抗病毒小麦、抗病毒甜椒 抗逆转 基因植物 抗逆基因： 渗透压调节基因、抗冻蛋白基因、抗除草剂基因等 抗盐碱和抗干旱的烟草、抗寒番茄、抗除草剂的大豆和玉米 品质改 良的转 基因植物 优良性状基因： 提高必需氨基酸含量的蛋白质编码基因、控制番茄成熟的基因、与花青素代谢有关的基因等 高赖氨酸玉米、耐储存番茄、新花色矮牵牛 1. 用于提高动物生长速度 二 、动物基因工程前景广阔 转入外源生长激素基因的 “ 超级小鼠 ” 2. 用于改善畜产品的品质 “ 乳糖不耐症” 乳糖含量低的奶牛： 将 肠乳糖酶 基因导入奶牛基因组 3. 用转基因的动物生产药物 人治疗性抗体转基因奶牛 含有人凝血因子 Ⅸ 的转基因羊 乳腺生物反应器生产抗凝血酶 Ⅲ 蛋白 将 药物蛋白基因 与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过 显微注射 等方法，导入哺乳动物的受精卵中，将受精卵送入母体，使其发育成转基因动物。转基因动物进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁生产所需要的药品，称为 乳腺生物反应器或乳房生物反应器。 乳腺生物反应器 乳腺生物反应器的优点： ① 产量高； ② 质量好； ③ 成本低； ④ 易提取。 ① 获取目的基因（例如血清白蛋白基因） ② 构建基因表达载体（在血清白蛋白基因前加特异表达的启动子） ③ 显微注射导入哺乳动物受精卵中 ④ 形成胚胎 ⑤ 将胚胎送入母体动物 ⑥ 发育成转基因动物（只有在产下的雌性个体中，转入的基因才能表达）。 思考 : 用基因工程技术实现动物 乳腺生物反应器 的操作过程是怎样的？ 生产过程图解 ( 以转基因牛生产过程为例 ) ： （ 1 ）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。 （ 2 ）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。 （ 3 ）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。 设问 : 为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢？ 4. 用转基因的动物作器官移植的供体 导入人基因具特殊用途的猪和小鼠 用转基因动物作器官移植的供体 利用基因工程对猪的器官进行改造 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基因，再结合克隆技术，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官 科学前沿 趣味展望 三、基因工程药品异军突起 基因工程肝炎疫苗 基因工程药物发酵设备 胰岛素是 治疗糖尿病 的 特效药 。一般临床上使用的胰岛素主要从 猪、牛等家畜的胰腺 中提取，一名糖尿病患者每年需用的胰岛素需要从 40 头牛或 50 头猪的胰脏中才能提取到。 1978 年，科学家将动物体内的 胰岛素基因与大肠杆菌 DNA 分子重组 ，用 2000ml 大肠杆菌发酵液得到 100kg 胰岛素。 1982 年，美国一家基因公司用基因工程方法生产的胰岛素投入市场，售价降低了 30%~50% 。 基因工程药品 —— 胰岛素 治疗侏儒症 的 唯一方法 ，是向人体注射生长激素。而生长激素的获得很困难。治疗一名侏儒症患者每年需要从 80 具尸体的脑下 垂体 中提取生长激素。 现可利用基因工程方法，将人的 生长激素基因导入大肠杆菌 中，使其生产生长激素。人们从 450 L 大肠杆菌培养液中提取的生长激素，相当于 6 万具尸体的全部产量。 基因工程药品 —— 生长激素 干扰素是 病毒侵入细胞后产生 的一种 糖蛋白 。干扰素几乎能 抵抗所有 病毒引起的 感染 ，是一种 抗病毒 的 特效药 。此外干扰素对 治疗 某些 癌症 和 白血病 也有一定疗效。 传统的干扰素生产方法是从人血液中的 白细胞内提取 ，每 300L 血液只能提取出 1mg 干扰素。 1980~1982 年，科学家用基因工程方法在 大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素 ，是传统的生产量的 12 万倍。 1987 年上述干扰素大量投放市场。 基因工程药品 —— 干扰素 基因工程干扰素 传统疫苗存在许多缺点：生产过程需 大量繁殖病原体 ，对工作人员 健康造成很大威胁 ；病原体的减毒、灭活有可能 不够彻底 ，导致接种者 直接感染 。 基因工程疫苗 ：将起关键作用的、序列保守的蛋白质基因重组到细菌或真核细胞内，生产蛋白质，制作成疫苗。它不使用病原体本身，所以 安全 ，还可以把不同病原体的抗原基因重组到同一受体细胞，生产 多价疫苗 。 基因工程药品 —— 基因工程疫苗 基因工程艾滋病疫苗 基因工程乙肝疫苗 基因诊断： 也称为 DNA 诊断 或 基因探针技术 ，即在 DNA 水平分析检测某一基因，从而对特定的疾病进行诊断。 探针制备： 放射性同位素 ( 如 32 P) 、荧光分子 等标记的 DNA 分子； 原 理：利用 DNA 分子杂交原理 ； 四 、基因治疗曙光初照 基因探针： 基因探针就是一段与目的基因或 DNA 互补的 特异核苷酸序列 。它包括整个基因，或基因的一部分；可以是 DNA 本身，也可以是由之转录而来的 RNA 。 DNA 分子杂交原理： DNA 分子杂交是基因诊断最基本的方法之一。其基本原理是： 互补的 DNA 单链 能够在一定条件下 结合成双链 ，即能够进行杂交。这种结合是 特异 的，即严格按照碱基互补配对进行。因此，当用一段 已知基因的核苷酸序列作为探针 ，与被测基因进行接触，若两者的碱基完全配对成双链，则表明被测基因中含有已知的基因序列。 首例基因治疗的 受益者 （ 美国 1990 年 ） 到 1998 年底，世界范围内累计 3134 人接受了基因转移试验 1990 年美国国立卫生 研究院 治愈一位“重症联合免疫缺陷综合症”的 4 岁女孩 基因治疗：用一个正常的基因来代替缺陷基因 ADA 基因缺陷 ADA ：腺苷酸脱氨酶 基因治疗：把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，这是治疗遗传病的最有效的手段 。 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。 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。 项目 类型 外源基因 类型及举例 过程 特点 成果 举例 体外基 因治疗 腺苷酸脱氨 酶基因 ① 从病人体内获得某种细胞 ② 细胞培养 ③ 体外完成基因转移 ④ 筛选并扩增培养 ⑤ 重新输入患者体内 操作复 杂，但成 功率高 治疗复合型 免疫缺陷症 体内基 因治疗 治疗遗传性 囊性纤维化 病的基因 外源基因 → 载体携带 体内相 应组织细胞 操作简 单，成功 率低 治疗遗传性 囊性纤维 化病 基因治疗 基因诊断技术在什么方面发展迅速？ 在 诊断遗传性疾病 方面发展迅速。目前已经可以对几十种遗传病进行 产前诊断 。 1 ） β — 珠蛋白的 DNA 探针 → 镰刀状细胞贫血症 2 ）苯丙氨酸羧化酶基因探针 → 苯丙酮尿症 3 ）白血病患者细胞中分离出的癌基因制备的 DNA 探针 → 白血病 举例 基因工程与食品业 基因工程为人类开辟 新的食物来源 。 1 ） 鸡蛋白基因 在大肠杆菌和酵母菌中表达获得成功。这表明，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 卵清蛋白 。 2 ）用基因工程的方法 从微生物中获得 人们所需要的 糖类 、 脂肪 和 维生素 等产品。 基因工程为食品工业中提供了什么前景？ 基因工程与环境保护 1 ）用于 环境监测 。 2 ）用于被污染 环境的净化 。 基因工程在环保方面有什么应用？ 例如：用 DNA 探针 可以检测 饮用水中病毒 的含量。此方法的特点是 快速 、 灵敏 ， 1 吨水中有 10 个病毒也能检测出来。 通过基因工程方法怎样进行环境监测？ 1 ）用基因工程产物 ——“ 超级细菌 ”分解石油，可以大大提高细菌分解石油的效率。具体方法：将能分解三种烃类的 假单孢杆菌 的基因都转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的“超级细菌”。 2 ）用基因工程培养出 “吞噬”汞和降解土壤 中 DDT 的 细菌 ，以及能够 净化镉污染 的 植物 。 3 ）通过基因重组构建新的 杀虫剂 ，取代生产过程中耗能多、易造成环境污染的农药，并试图通过基因工程 回收和利用工业废物 。 通过基因工程方法怎样净化被污染的环境？