資源簡介

(共26張PPT)
聚焦
學習目標：
1.舉例分別說出基因工程在農牧業、醫藥衛生和食品工業等方面的應用
2.認同基因工程的應用價值
第3 節 基因工程的應用
胰島素是治療糖尿病的特效藥物。傳統生產胰島素的方法是從豬、牛等動物的胰腺中提取。曾經生產供一位糖尿病病人使用一年的胰島素需要上千頭牛，生產的成本非常高。
1978年，科學家將編碼人胰島素的基因導入大腸桿菌細胞中，使大腸桿菌表達重組人胰島素。我國擁有自主知識產權的基因工程藥物——重組人胰島素已經研制成功并得到廣泛應用。
除了生產胰島素，基因工程還有哪些應用呢？
①1996-2017年，全世界轉基因作物種植面積增加了100多倍。轉基因作物的種植使化學農藥的施用量減少了8.2%，作物產量增加了6.6×108t，增加經濟效益1.3萬億。
②美國是世界上轉基因作物種植面積最大的國家
③世界轉基因作物種植面積最大的是大豆，其次是玉米、棉花；
④我國轉基因作物的種植面積位居世界第八位，商業化種植的轉基因作物有棉花和番木瓜；
植物方面
基因工程技術廣泛用于 等。
發展現狀
一、基因工程在農牧業方面的應用
改良動植物品種、提高作物和畜產品的產量
動物方面
轉基因鮭魚（后排）和正常鮭魚（前排）
①幾乎每年都有令人矚目的研究成果報道，有些成果正在進入實用化和商業化開發的階段；
②2015年11月，第一種用于食用的轉基因動物——轉基因大西洋鮭（俗稱“三文魚”）在美國獲得批準上市。
一、基因工程在農牧業方面的應用
發展現狀
轉基因大西洋鮭的優點
（1）縮短了生長周期
（2）都是雌性而且不育，避免了野生鮭魚雜交的風險。
基因工程在農牧業中的應用發展迅速。已被廣泛用于改良動植物品種、提高作物和畜產品產量等方面。
轉基因抗蟲植物
農牧業方面的應用
轉基因抗病植物
轉基因抗除草劑植物
改良植物的品質
提高動物的生長速率
改良畜產品的品質
抗逆性
一、基因工程在農牧業方面的應用
1.轉基因抗蟲植物
2.轉基因抗病植物
培育方法：從某些生物中分離出具有 的基因，導入作物，使其具有抗蟲性。
實例：轉基因抗蟲棉、玉米、大豆、水稻和馬鈴薯等。
培育方法：將來源于某些病毒、真菌等的 導入植物中，培育出轉基因抗病植物。
實例：抗病毒轉基因甜椒、番木瓜和煙草等。
一、基因工程在農牧業方面的應用
普通水稻 抗蟲水稻
普通木瓜 抗病毒木瓜
抗蟲功能
抗病基因
3.轉基因抗除草劑植物
培育方法：將 的基因導入作物，可培育出抗除草劑的作物品種。
實例：轉基因抗除草劑玉米、大豆、油菜和甜菜等。
4.改良植物的品質
培育方法：利用轉基因技術改良植物的 等。
實例：
將 含量多的蛋白質編碼基因導入植物中，提高氨基酸的含量，科學家培育的某種轉基因玉米中賴氨酸的含量比對照高30%。
將與植物 相關的基因導入矮牽牛中，使它呈現出自然界沒有的顏色變異，大大提高觀賞價值。
一、基因工程在農牧業方面的應用
降解或抵抗某種除草劑
營養價值、觀賞價值
必需氨基酸
花青素代謝
5.提高動物的生長速率
培育方法：將外源 導入動物體內，以提高動物的生長速率。
實例：轉基因鯉魚的生長速率比非轉基因鯉魚提高了42%～115%。
6.改善畜產品的品質
培育方法：將 導入奶牛基因組，使獲得的轉基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他營養成分不受影響。
實例：乳汁中乳糖的含量大大降低的轉基因牛
一、基因工程在農牧業方面的應用
優點：避免食物過敏、腹瀉、惡心等不適
生長激素基因
腸乳糖酶基因
(1)從蘇云金桿菌中分離出Bt基因導入棉花中，可培育出抗蟲棉。( )
(2)將與葉綠素代謝相關的基因導入矮牽牛，可培育出自然界沒有的顏色變異。( )
提示：將與花青素代謝相關的基因導入矮牽牛，可培育出自然界沒有的顏色變異。
(3)將植物生長素基因導入鯉魚，培育出的轉基因鯉魚生長速率大大提高。( )
提示：植物激素無法對動物起作用，應導入外源生長激素基因。
√
×
×
當堂練習
二
基因工程在醫藥衛生領域的應用
藥物類型 細胞因子、抗體、疫苗和激素等
用途 預防和治療人類腫瘤、心血管疾病、傳染病、糖尿病和類風濕關節炎等
成果 我國生產的重組人類干擾素、血小板生成素、促進紅細胞生成素和粒細胞擊落刺激等基因工程藥物均已投放市場
1、對微生物或動植物的細胞進行基因改造生產藥物
①干擾素的化學本質是什么？
②干擾素的作用機理是怎樣的？
③干擾素用于哪些疾病的治療？
④傳統生產干擾素的方法是什么？
⑤目前大量生產干擾素的方法是什么？
⑥我國批準生產的第一個基因工程藥物的名稱叫什么？
用于治療哪些疾病？
糖蛋白
干擾病毒復制
病毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、
多發骨髓瘤和某些白血病等
從人血液中的白細胞內提取
用基因工程方法從大腸桿菌及酵母菌細胞內獲得
重組人干擾素α-1b
主要用于治療慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等
干擾素
資料卡
人干擾素α-2b（安達芬）
科研人員計劃通過培養大腸桿菌來生產干擾素，根據前面學過的基因工程的操作程序，設計可行方案。
重組
白細胞
mRNA
cDNA
逆轉錄
CaCl2處理
篩選后培養
干擾素
大腸桿菌
Ampr
Tetr
藥用蛋白基因
乳腺中特異表達的基因的啟動子等調控元件
基因表達載體
受精卵
泌乳期
分泌乳汁
轉基因動物
藥物蛋白
顯微注射
發育
注意：啟動子具有物種和組織的特異性
2、除基因工程外，主要技術手段還有 。
動物細胞培養、胚胎移植、早期胚胎培養等
3、受精卵的性染色體組成是_______。受體細胞選擇受精卵的理由： 。
XX
思考：
1、外源蛋白基因的表達需要與乳腺蛋白基因的啟動子等調控組件重組在一起，
其原因是_____________。
使外源蛋白基因在乳腺細胞中特異性表達，便于從乳汁中收集、分離外源蛋白
4、表達后的藥物蛋白經過純化，之后還需要與天然產品的 進行比較。
結構與功能（或活性）
二
基因工程在醫藥衛生領域的應用
2、讓轉基因哺乳動物批量生產藥物
①實例：
乳腺生物反應器或乳房生物反應器
②培育過程？
應用p90
人生長激素基因
提供受精卵
顯微注射
代孕
轉基因牛
生長激素
牛奶
載體含有乳腺細胞中特異表達基因的啟動子
利用哺乳動物生產藥物
蛋白質W是某種病毒的抗原。某研究小組擬仿照制備乳腺生物反應器的研究思路，制備一種膀胱生物反應器來獲得W，基本過程如圖所示。
(1)步驟①中需要選擇的啟動子是 使目的基因能在膀胱上皮細胞中特異性表達，分泌到尿液中，隨尿液排出體外。除此之外重組表達載體的組成還有 。
(2)④過程的生理學基礎是之一是受體對移入的外來胚胎基本 反應，這為外來胚胎在受體子宮中存活提供可能。
(3)從上述流程可知，轉基因動物發生的可遺傳變異是_______________。對從尿液中提取的蛋白質還要進行檢測以確定是否含有W，常采用的方法是______________。
(4)步驟④胚胎移植前是否需要對動物的性別進行鑒定_______（是/否），
原因是______________。
【課堂練習】
轉基因動物培育成功后，不管雌性還是雄性都能從尿液中獲取蛋白質W
膀胱上皮細胞蛋白基因的啟動子
不發生免疫排斥
基因重組
抗原-抗體雜交
否
終止子、W基因（目的基因）、標記基因、復制原點
1.與大腸桿菌相比，用酵母菌生產人的胰島素有什么優勢？
思考討論：
酵母菌為真核生物，有生物膜系統，可通過內質網和高爾基體對產生的胰島素進行加工和修飾，從而產生有活性的胰島素。
2.培育乳腺生物反應器時為什么要選用乳腺中特異表達的基因的啟動子等調控元件與藥用蛋白基因重組在一起？
目的是讓藥用蛋白基因只在乳腺細胞中表達。
3.與工廠化生產藥用蛋白相比，用動物乳腺生物反應器生產藥用蛋白的優勢有哪些？
(1)動物乳腺有完整的蛋白質翻譯后修飾系統，生產的蛋白質活性高，更穩定。
(2)產物直接經乳汁分泌，易提取。
工程菌的選擇及乳腺生物反應器的制備
比較項目 乳腺（房）生物反應器 基因工程菌生產藥物
基因結構
基因產物
受體細胞
導入方式
生產條件
產物提取
哺乳動物基因的結構與人類結構基本相同
細菌或酵母菌等生物的基因結構與人類基因結構有較大差異
與天然蛋白質完全相同
細菌細胞內缺少內質網、高爾基體等細胞器，合成的蛋白質可能不具有生物活性
哺乳動物的受精卵
微生物細胞
顯微注射法
Ca2+處理法（感受態細胞法）
不需要嚴格的滅菌，溫度等外界條件對其影響不大
需嚴格滅菌，嚴格控制工程菌所需的溫度、pH、營養物質濃度等外界條件
從動物乳汁中提取，相對簡單
（一般經過工業發酵后）從微生物細胞（或發酵液）中提取，相對復雜
核心歸納
乳腺生物反應器與工程菌生產藥物的區別(生產人的藥物蛋白方面)
目前已經在牛、山羊等動物的乳腺生物反應器中，獲得了抗凝血酶、血清白蛋白、生長激素和α-抗胰蛋白酶等重要醫藥產品
①實例：
乳腺生物反應器或乳房生物反應器
②培育過程：
藥用蛋白基因
乳腺中特異表達的基因的啟動子等調控元件
基因表達載體
顯微注射
受精卵
泌乳期分泌乳汁
轉基因動物
藥物
發育
③應用：
二
基因工程在醫藥衛生領域的應用
2、讓轉基因哺乳動物批量生產藥物
涉及的技術有哪些？
人體器官移植的兩大難題：
A.世界性難題：人體移植器官短缺
a.豬的內臟構造、大小、血管分布與人極為相似
b.豬體內隱藏的、可導致人類疾病的病毒遠遠少于靈長類動物
B.最大難題：
免疫排斥
3、用轉基因動物作為器官移植的供體
人體移植器官短缺
尋求可代替的移植器官
豬的內臟與人相似
培育無免疫排斥的轉基因克隆豬器官
抑制抗原決定基因表達
或除去抗原決定基因
在器官供體基因組中導入某種調節因子
改造方法：
(1)干擾素是一種具有干擾病毒復制作用的糖蛋白，在臨床上廣泛用于病毒感染性疾病的治療，對于癌癥則沒有效果。( )
提示：干擾素對于治療乳腺癌、淋巴癌、多發骨髓瘤等也有一定的療效。
(2)將藥用蛋白基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調控元件重組在一起，通過顯微注射法導入哺乳動物的受精卵中制成乳腺生物反應器。( )
×
√
當堂練習
3
基因工程在食品工業方面的應用
用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達的菌類
產物 應用
阿斯巴甜 甜味劑，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，這兩種氨基酸就可以通過基因工程實現大規模生產
凝乳酶
淀粉酶、酯酶
(1)基因工程菌：
(2)利用基因工程菌可生產藥物，食品工業用酶、氨基酸和維生素等
制備方法：
將編碼牛凝乳酶的基因導入大腸桿菌、黑曲霉或酵母菌的基因組中，再通過工業發酵批量生產凝乳酶
應用：
奶酪生產中用來凝聚固化奶中的蛋白質
制備方法：
應用：
優點：
通過構建基因工程菌、然后用發酵技術大量生產
加工轉化糖漿需要淀粉酶，加工烘烤食物用脂酶
基因工程獲得的工業用酶的純度更高，生產成本顯著降低，
生產效率較高。
利用經過基因改造的微生物生產清潔能源
其他應用：環保領域的應用
4
培育可以降解多種污染物的“超級細菌”治理環境污染
課堂小結
轉基因抗蟲植物
基因工程的應用
農牧業方面
醫藥衛生方面
轉基因抗病植物
轉基因抗除草劑植物
改善畜產品的品質
提高動物的生長速率
改良植物的品質
讓哺乳動物批量生產藥物
建立移植器官工廠
食品工業方面
生產食品工業用酶
構建基因工程菌
1.將大腸桿菌的質粒連接上人生長激素的基因后，重新導入大腸桿菌的細胞內，再通過發酵工程就能大量生產人生長激素。下列相關敘述正確的是（ ）
A.轉錄生長激素基因需要解旋酶和DNA連接酶
B.發酵產生的生長激素屬于大腸桿菌的初生代謝物
C．大腸桿菌獲得的能產生人生長激素的變異可以遺傳
D.大腸桿菌質粒標記基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等
2.基因工程應用廣泛，成果豐碩。下列不屬于基因工程應用的是（ ）
A.培育青霉菌并從中提取青霉素
B. 利用乳腺生物反應器生產藥物
C.制造一種能降解石油的"超級細菌"
D.制造一種能產生干擾素的基因工程菌
C
A
練習與應用（P92）
最新醫訊，美國某醫學中心，一位中年男子成功接受了基因編輯豬的心臟移植手術。基因編輯的異種器官移植成功給人類器官移植帶來光。基因編輯技術(CRISPR/Cas9)可以按照人們的意愿精準剪切、改變任意靶基因的遺傳信息(如圖)。
(1)Cas9蛋白能準確切割并斷開目標DNA，因此Cas9蛋白相當于 。
(2)為了獲得目標DNA，需要設計 與Ca9蛋白結合，進行精準剪切。設計該物質需要依據 原則。
和免疫排斥是器官移植過程中存在的兩大世界性難題。
(4)研究發現豬體內的GGTA1基因會引發人體發生急性排斥反應。為了獲得無免疫排斥的克隆豬心臟，科學家需要依次用到以下哪些技術或操作？ 。
①早期胚胎培養技術 ②動物細胞核移植技術 ③胚胎移植技術 ④利用基因編輯技術敲除體細胞中GGTA1基因 ⑤測定GGTA1基因的堿基序列 ⑥手術獲取無免疫排斥的克隆豬心臟
限制酶
向導RNA
堿基互補配對
器官短缺
⑤④②①③⑥

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