第六章生物技术的应用

第六章生物技术的应用医药卫生（医药生物技术）生命科学农林牧渔（农业生物技术）环境保护（环境生物技术）生命科学直观影响的相关领域人类面临与生命科学相关的六大问题环境污染资源枯竭生态破坏能源危机气候反常人口爆炸以绿色环保和可持续发展为特征生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点二十世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化；近50年生命科学的发展超过了此前500年的总和建立在实验室研究基础上的生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财富。生物技术将是未来经济发展的新动力第一次技术革命工业革命解放人的双手第二次技术革命信息技术扩展人的大脑第三次技术革命生物技术改造生命本身“生命产业是一个朝阳、永恒的产业”生物技术的应用与评价人类基因组计划（HGP）动物克隆技术生物技术与医药生物技术与农业生物技术与工业生物技术与食品生物能源生物技术与环境第一节人类基因组研究HumanGenomicProject——揭开生命的奥秘人类的遗传信息以核苷酸顺序的形式贮存在DNA分子中，它们以功能单位(基因)在染色体上占据一定的位置基因组就是细胞内遗传信息的携带者——DNA的总体。人类基因组包含着决定人类生、老、病、死以及精神、行为等活动的全部遗传信息。人类基因组计划HGP简介人类基因组计划1990年正式启动。美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一价值达30亿美元的人类基因组计划。计划旨在为30多亿个碱基对构成的人类基因组作图、精确测序，基因鉴定和功能分析，破译人类全部遗传信息曼哈顿计划阿波罗计划20世纪科学史上3个里程碑HGP的意义了解生命的起源与进化认识种属之间和个体之间存在差异的起因五种“模式生物”基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠解码生命，认识自身了解生命体生长发育的规律认识疾病产生的机制，掌握生老病死规律疾病的诊断和治疗人类单倍体基因组含32亿碱基对(bp)的DNA序列编码序列约占3%，非编码序列约占97%。包括约3～4万个基因，分布于22条常染色体和X、Y性染色体。人类基因组计划人类基因组研究的技术原理一、人类基因组研究方案及技术人类基因组计划遗传图谱（连锁图谱，linkagemap)通过家谱分析和测量不同性状一起遗传（即连锁）的频率，将基因或其它DNA顺序标定在染色体上构建连锁图单位：厘摩（cM，即每次减数分裂的重组频率为1%）；Mb水平的标记作用确定基因或DNA片断在染色体的定位各基因或DNA片断的相对距离方法：家系分析1～22染色体：8个家系134个个体X染色体：12家系，170个个体1遗传图谱-孟德尔的“新生”人类基因组计划2物理图谱-路标与路轨是通过对DNA的化学测度而绘制的，反映的是DNA序列上两点之间的实际距离目的：把有关基因的遗传信息及其在每条染色体上的相对位置线性而系统地排列出来。以碱基对的数目为衡量单位，精度在100kb水平人类基因组计划第21号染色体的物理图谱3大片段外源DNA克隆体系人类基因组计划酵母人工染色体（YAC）克隆体系的构建重叠群组建（步移法）4DNA序列测定序列图谱-重中之重DNA序列分析技术是一个包括制备DNA片段化及碱基分析、DNA信息翻译的多阶段的过程通过测序得到基因组的序列图谱人类基因组计划大规模基因组测序Megabace测序仪3700测序仪人类基因组计划运用计算机软件进行序列拼接人类基因组计划现在，你能否设计较理想的人基因组计划？人类基因组测序完成2003年4月14日，美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯·柯林斯博士在华盛顿宣布基因组测序图已由美、英、日、德、法、中六国经13年努力完成5.基因的确定与分析基因转录图谱-生命的乐谱断裂基因人类基因组计划转录图谱是在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。确定特定基因的方法通过DNA全序列分析确定基因根据人类基因组DNA测序，利用计算机分析，找出ORF功能克隆根据基因的功能，分离并测定基因结构定位克隆：已知基因染色体定位然后进行的克隆已完成几十个疾病基因的克隆分离鉴定基因据基因编码蛋白质的氨基酸序列分析蛋白质的类型、功能人类基因组计划我国对人类基因组计划的贡献1994年，我国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明的倡导下启动最初由国家自然科学基金会和863高科技计划的支持下，先后启动了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构和功能研究”；1998年在上海成立了南方基因中心；1999年在北京成立了北方人类基因组中心；1999年7月在国际人类基因组注册，得到完成人类3号染色体短臂上一个约30Mb区域的测序任务，该区域约占人类整个基因组的1％。1999年11月12日：科技部、中科院、“863”计划生物领域专家委员会讨论决定“863”计划出资3000万元，中科院出资1000万元人类基因组计划国际人类基因组测序任务分配情况人类基因组计划遗传病基因克隆重大突破夏家辉教授实验室1998年克隆了高频耳聋疾病基因2001年上海和北京科学家发现遗传性乳光牙本质II型基因人类基因组计划后基因组时代结构基因组学向功能基因组学转变研究基因表达、调控，以及在生长发育、疾病发生、药物反应等方面的作用研究上：系统研究：不是针对单个基因或蛋白，而是对一个细胞或个体内整个基因或蛋白质的研究；组学研究：功能基因组、结构基因组、蛋白质组学……技术上：高通量基因、蛋白筛选与鉴定，基因敲除动物等在基因的功能与利用上有望突破第二节克隆技术与“多莉”克隆，是Clone的译音，意为生物体通过细胞进行的无性繁殖形成的基因型完全相同的后代个体组成的种群，简称为无性繁殖。从细胞到个体细胞分化：在个体发育中，细胞后代在形态结构和功能上发生差异的过程。细胞全能性：细胞具有形成完整个体的潜能称细胞全能性。克隆技术植物分化成熟的植物细胞体，仍有可能发育成完整植株。动物随着分化的演进，分化成熟细胞逐渐丧失其分化潜能,不能发育成为完整的动物个体。实验证明，囊胚阶段的细胞乃至成熟的体细胞，保持着全套基因组的细胞核仍具有全能性——可能发育成完整个体。细胞质中有着决定细胞分化全能性的物质，称为分化决定子。决定动物细胞全能性的关键在于细胞质。植物体细胞具有全能性克隆技术“多莉”羊实验的设计和实施——细胞工程材料多莉羊与生母,1997芬兰道塞特绵羊：提供细胞核苏格兰黑面母绵羊2只：提供卵细胞子宫:胚胎的发育环境——多莉的生母实验过程细胞核受体黑面母绵羊细胞核供体6岁道塞特母绵羊培养于0.5%胎牛血清培养基中，使从生长周期中出来停顿于G。34～36h取出核注射促性腺激素释激素经28-33h排卵乳腺细胞克隆技术移入苏格兰黑面母羊子宫分裂成长至桑椹期或囊胚期克隆技术多莉羊与寄母,19971998年,美国夏威夷大学的Yanagimachi等成功地用卵丘细胞进行了小鼠的克隆、克隆再克隆按供体细胞的类型不同分为三个阶段同种胚胎细胞克隆同种体细胞克隆异种体细胞克隆动物克隆的发展治疗性克隆动物模型器官移植濒危动物转基因动物乳腺生物反应器基础研究遗传育种克隆生产蛋白质药物克隆技术及其应用移植日期:2001.5.12流产日期:2001.7.15移植日期:2001.5.3流产日期:2001.8.4动物克隆研究中普遍存在的问题存在不分裂胚供体核受体卵细胞受胎率低（26.2%）流产率高(53.8%)克隆动物的存活率低（35.7%)克隆技术第三节生物技术在医药卫生领域的应用（P171)生物制药（基因工程制药）基因诊断（GeneDiagnosis）基因治疗（andGeneTherapy）干细胞工程一、生物医药行业的特点高技术（精细和密集的技术）产品来源于实验室科学家往往就是公司的领导人高投入尤其是前期科研投入,生物药品平均1～3亿美元长周期：一个新的生物药品需要6～8年时间高利润美Amgen公司，开发上市的EPO（促红细胞生长素）、细胞集落因子（G-SCF）到1997年的销售额达20亿美元高风险全世界不超过100家生物技术公司有自己的产品;其中真正盈利的公司很少。政策风险产品潜在安全风险基本方法是：将目的基因用DNA重组的方法连接在载体上，然后将载体导入靶细胞，使目的基因在靶细胞中得到表达，最后将表达的目的蛋白质提纯及做成制剂，从而成为蛋白类药或疫苗。二、基因工程制药1976年第一家基因工程技术开发药物的公司建立；1982年第一个基因工程药物重组人胰岛素正式生产，推向市场2002年全球生物技术公司总数已达4284家，美国占34％。2004年基因重组生物技术药物的年销售额已经突破400亿美元；。2005年市场上的生物技术药物达到200种左右，而在研的药物为600种。全世界已有2.5亿人使用生物技术药物和疫苗。国外生物医药的发展生物技术与医药卫生§1989年我国批准了第一个在我国生产的基因工程药物--重组人干扰素α1b§近年来我国生物制药业销售收入以平均超过20%的速度增长。国内生物医药的发展——起步晚，起点低，但发展迅速许多药品的生产是从生物组织中提取的。受材料来源限制产量有限，其价格往往十分昂贵。如胰岛素长期以来只能依靠从猪、牛等动物的胰腺中提取。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！相当于1000Kg猪胰脏中提取的量。基因工程药品的生产生物技术与医药卫生生物反应器将外源基因在动、植物体内表达并生产出我们所需的营养（蛋白）或工业用原材料的动植物基因改良（操作）的个体称为生物反应器。动物乳腺生物反应器生产药用蛋白质技术原理与操作主要是依据转基因技术动物生物反应器：是指利用动物作为载体（平台）的反应器体系。生物技术与医药卫生动物生物反应器乳腺生物反应器:使外源基因在哺乳动物的乳腺组织（上皮细胞）中进行特异表达我们需要的蛋白产物；血液生物反应器细胞生物反应器已生产的药物：α2抗胰蛋白酶、抗凝血因子Ⅸ、TPA、蛋白质C、凝血因子Ⅷ、白细胞介素22等从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物tPA（组织型纤溶酶原激活物）血液、尿腺、乳腺、禽卵、昆虫目前已制作成功并产生重大社会、经济效益（应）的乳腺生物反应器（动物）有:•转基因牛(荷兰Phraming公司-人乳铁蛋白、EPO)•转基因羊（山羊、绵羊）(英PPL公司-抗胰蛋白酶;美GTC-人凝血酶原III)等生物技术与医药卫生治疗用转基因牛研究的时间与资金要求生物技术药物与化学药物和中药将形成三足鼎立的局面生物技术与医药卫生二、基因诊断（GeneDiagnosis）G到T一个碱基的改变，决定了一个人的命运小皓珩出生23个月就出现皮疹、便血等病状，患上了罕见的原发性免疫缺陷病。DNA序列分析，证实了小皓珩WAS蛋白基因的1388位核苷酸由G突变为T，使编码谷氨酸的密码GAG突变为终止密码TAGWAS蛋白突变为无功能的WAS蛋白，导致患儿血小板减少，淋巴细胞形态和功能异常希望：WAS目前已经可以用骨髓移植或干细胞移植根治通过从患者体内提取样本(DNA)用基因检测方法来判断患者是否有基因异常或携带病原微生物的方法，就是基因诊断。生物技术与医药卫生传统与基因诊断的比较传统的诊断望问听触——经验化验/检验——微生物、免疫学、生物化学、病理学等对细胞、组织、酶、代谢物等检测影像学—X线、B超、CT、核磁共振、内窥镜等特殊检查—肌电/脑电/心电、骨密度等基因诊断应用分子生物学方法：如PCR技术或PCR与分子杂交标记主要应用于先天遗传性疾患（苯丙酮尿症、血红蛋白病）后天基因突变引起的疾病（肿瘤、糖尿病）病原生物的侵入（流感、肝炎、艾滋病）个体识别、法医物证生物技术与医药卫生感染性疾病检测利用PCR技术或PCR与分子杂交标记相结合，可以快速准确地检测出