搜索
【本讲教育信息】一.教学内容：基因工程的应用二.学习内容：本讲学习基因工程的应用，了解基因工程在各方面的应用，理解基因工程的实质及其应用价值。三.学习重点、难点：重点——基因工程在农业和医学方面的应用难点——基因治疗四.学习过程：转基因生物与目的基因的关系目的基因目的基因从何来抗虫棉Bt毒蛋白基因苏云金芽孢杆菌抗真菌立枯丝核菌的烟草几丁质酶基因和抗毒素合成基因抗盐碱和干旱作物调节细胞渗透压的基因耐寒的番茄抗冻蛋白基因鱼抗除草剂大豆抗除草剂基因增强甜味的水果降低乳糖的奶牛甜味基因肠乳糖酶基因生产胰岛素的工程菌人胰岛素基因人植物基因工程主要用于提高农作物的抗逆能力（抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱、抗盐碱等），以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。转基因食品是通过遗传工程改变植物种子中的脱氧核糖核酸，然后把这些修改过的再复合基因转移到另一些植物种子内，从而获得在自然界中无法自动生长的植物物种。上世纪80年代末，科学家们开始把10多年分子研究的成果运用到转基因食品上，1995年成功地生产出抗杂草黄豆，并在市场上出售。又经过7年的努力，现在他们利用基因技术已批量生产出抗虫害、抗病毒、抗杂草的转基因玉米、黄豆、油菜、土豆、西葫芦等。目前，转基因食品的主要产地是美国、加拿大、欧盟、南非、阿根廷等。1.抗虫转基因植物：全世界因虫害损失约占总产量的13%数千亿美元农作物虫害防治主要手段：化学防治弊端：污染环境破坏生态损害健康增加成本转基因植物：水稻、玉米、棉、马铃薯、番茄、大豆、蚕豆、烟草、苹果等杀虫基因：Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制基因、淀粉酶抑制基因、植物凝集素基因2.抗病转基因植物在本世纪初科学家就发现病毒的交叉保护现象，即接种弱毒株系可以保护植物免受强每株系的浸染。1986年首次获得能够抗烟草花叶病毒的转基因烟草植株，对烟草花叶病毒的预防效果可达70％。目前利用基因工程不断获得了各种抗病毒植株，黄瓜花叶病毒、马铃薯X病毒和Y病毒，抗病虫害长颈南瓜和抗虫害转基因土豆。据统计，到1999年初，美国农业部已经批准生产的转基因农作物有七大类35种，其中晚熟西红柿5种、耐除萎剂的大豆2种、增加月桂酸脂的油菜籽1种、抗虫马铃薯2种、抗虫和抗除萎剂的玉米6种、抗病番木瓜2种。仅仅这两种番木瓜，就挽救了美国夏威夷番木瓜产业。我国已批准商业化生产4项，包括北京大学培育的转基因抗黄瓜花叶病毒（CMV）甜极“双丰收R”、抗黄瓜花叶病毒（CMV）的番茄“8805R”。DNA重组技术和细胞融合技术相结合，培育出高产、抗病、抗虫、生长快、抗逆、高蛋白的基因改良植物，对食品工业具有重要意义。转基因动物源食品转基因动物则尚未达到高等转基因植物的发展水平，但人们仍设法用它来表达高价值蛋白。转基因技术在家畜及鱼类育种上初见成效。3.抗虫转基因植物4.改良植物品种我国及菲律宾培育出“超级水稻”和“超超级水稻”，为人口日益增长、粮食日益短缺的世界带来一线光明。土豆原产地在南美，但由于气候和病虫害以及灌溉、肥料、农药等原因，其产量和美国相差很多，利用基因工程可以减少这种差距。在抗病毒转基因植物中，为什么使用病毒外壳蛋白基因可以抗病毒侵染？关于病毒外壳蛋白（coatprotein，CP）基因导入植物后的抗病毒机理，目前有几种假说。一种假说认为：CP基因在植物细胞内表达积累后，当入侵的病毒裸露核酸进入植物细胞后，会立即被这些外壳蛋白重新包裹，从而阻止病毒核酸分子的复制和翻译。另一种假说认为：植物细胞内积累的病毒外壳蛋白会抑制病毒脱除外壳，使病毒核酸分子不能释放出来。然而最近的研究表明，如果将病毒的外壳蛋白的AUG起始密码缺失，使之不能被翻译，或者将外壳蛋白基因变成反义RNA基因，整合到植物细胞染色体上，转基因植物则有很好的抗性。因此，有人认为抗性机理不是外壳蛋白在起作用，而是CP基因转录出RNA后，与入侵病毒RNA之间的相互作用起到了抗性作用。利用CP介导的抗病毒性还存在一些问题：①转基因植物对病毒的抗性有局限性，仅限于特定的病毒（被使用CP基因的病毒）或密切相关的病毒；②转基因植物大多数只是发病延缓，一般为两周，并非根治；③潜在着植物表达的外壳蛋白包被与另一种病毒形成新的杂合病毒的危险。动物基因工程繁殖具有抗病能力、高产仔率、高产奶率和高质量的皮毛等优良品质的转基因动物。该过程的重要步骤是通过感染或显微注射技术将重组DNA转移到动物受精卵中。1.提高动物生长速度将人的生长激素基因和牛的生长素基因分别注射到小白鼠受精卵中，得到的“超级小鼠”。中科院水生生物研究所在世界上率先进行转基因鱼的研究，成功地将人生长激素基因和鱼生长的激素基因导入鲤鱼，育成当代转基因鱼，其生长速度比对照快并从子代测得生长激素基因的表达。中国农大生物学院瘦肉型猪基因工程育种取得初步成果，获得第二、三、四代转基因猪215头。我国已生产出生产速度快。节约饵料的转基因鱼上万尾，为转基因鱼的实用化打下基础。2.改善动物产品的品质1997年9月上海医学遗传研究所与复旦大学合作的转基因羊的乳汁中含有人的凝血因子，既可以食用，又可以药用，为通过动物廉价生产人类的珍贵药物迈出了重大的一步。1999年2月19日下午2时15分诞生的我国首例转基因试管牛“陶陶”，产奶量可望高达10000kg，比山羊高20多倍。3.转基因动物生产药物转基因动物：是指把人或哺乳动物的某种基因导入到哺乳动物（如鼠、兔、羊和猪）的受精卵里，目的基因若与受精卵染色体DNA整合，细胞分裂时，该基因随染色体的倍增而倍增，使每个细胞中都带有目的基因，使性状得以表达，并稳定地遗传给后代，从而获得基因产品。这样一种新的个体，称为转基因动物。基因工程药物不断成功问世。基因工程药物包括各类激素、酶、酶的激活剂和抑制剂、受体和配体、细胞因子和调节肽、抗原和抗体等。1978年胰岛素原在大肠杆菌中表达成功。1979年人生长激素基因在大肠杆菌中直接表达。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。以前，要获得生长激素，需解剖尸体，从大脑的底部摘取垂体，并从中提取生长激素。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450L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。1980年人白细胞干扰素基因获得克隆和表达。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。1981年抗口蹄疫的基因工程抗原研制成功。1982年乙肝抗原在酵母菌中表达成功。同年转基因植物和转基因动物也分别获得成功。利用转基因动物—乳腺生物反应器来生产基因药物是一种全新的生产模式。（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。为了将目标产品在奶中形成，需要使用乳腺组织中特异表达的启动子，要在编码目的蛋白质的基因序列前加上乳腺组织中特异表达的启动子构建成表达载体。操作过程大致归纳为：获取目的基因（例如血清白蛋白基因）→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）→显微注射导入哺乳动物受精卵中→形成胚胎→将胚胎送入母体动物→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）。与以往的制药技术相比，具有不可比拟的优越性。哺乳动物乳腺生物反应器好比在动物身上建“药厂”。我们可以从动物的乳汁中源源不断获得目的基因的产品。它的优越性还表现在产量高，易提纯，表达产物已经过充分修饰和加工，具有稳定的生物活性。另外，作为生物反应器的转基因动物又可无限繁殖，故具有投资成本低，药物开发周期短和经济效益高的优点。因此转基因动物—乳腺生物反应器技术来制造基因药物是一种可以获取巨额经济利润的新型产业。如荷兰金发马（GenPharm）公司用转基因牛生产乳铁蛋白，英国罗斯林研究所研制成功的转基因羊乳汁中含有（1—抗胰蛋白酶1—antitrypsin）可治疗肺气肿（一种因体内缺乏抗胰蛋白酶而导致的遗传病）。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。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，无需大型装置和大面积厂房就可以生产出大量药品。（2）可以解决传统制药中原料来源的不足。例如，胰岛素是治疗糖尿病患者的药物，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年科学家用2000L大肠杆菌发酵液得到100g胰岛素，相当于从1000kg猪胰脏中提取的量。又如，生长素是治疗侏儒症患者的药物，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素。利用基因工程菌发酵生产就不需要从动物或人体上获取原料。1977年ItakuraK和BoyerH利用当时刚趋成熟的基因工程技术，在大肠杆菌中产生了下丘脑激素14肽生长激素释放抑制激素。该激素可治疗儿童发育时期因生长激素分泌过多而导致的肢端肥大症。从1L工程发酵液中可得到50mg的基因表达产物，相当于50万头羊下丘脑提取的该激素量，由此可以了解到基因工程产业化的意义。（3）降低生产成本，减少生产人员和管理人员。4.转基因动物作器官移植的供体基因治疗基因治疗是指向受体细胞中引入具有正常功能的基因，以纠正或补偿基因的缺陷，也可以利用引入基因以杀死体内的病原体或恶性细胞。基因工程的兴起，使得基因治疗成为可能。一些目前尚无有效治疗手段的疾病，如遗传病、肿瘤、心脑血管疾病、老年痴呆及爱滋病等，可望通过基因治疗来达到防治的目的。下面是基因治疗的几个例子。1.复合免疫缺陷综合征的基因治疗：1991年美国批准了人类第一个对遗传病进行体细胞基因治疗的方案，即将腺苷脱氨酶（ADA）导入一个4岁患有严重复合免疫缺陷综合征（SCID）的女孩。采用的是反转录病毒介导的间接法，即用含有正常人腺苷脱氨酶基因的反转录病毒载体培养患儿的白细胞，并用白细胞介素2（IL－2）刺激其增殖，经10天左右再经静泳输入患儿。大约1－2月治疗一次，8个月后，患儿体内ADA水平达到正常值的25％，未见明显副作用。此后又进行第2例治疗获得类似的效果。2.黑色素瘤的基因治疗：对肿瘤进行基因治疗是人们早已期望的事，在进行了多方面探索的基础上，发现了肿瘤浸润淋巴细胞（TIL，即能在肿瘤部位持续存在而无副作用的一种淋巴细胞）在肿瘤治疗中的作用。于1992年实施了TNF／肿瘤细胞和IL－2／肿瘤细胞方案，即分别将IL－2基因肿瘤坏死因子（TNF）基因导入取自患者自身并经培养的肿瘤细胞，再将这些培养后的肿瘤细胞注射至病人臀部，3周后切除注射部位与其引流的淋巴结，在适合条件下培养T细胞，将扩增的T细胞与IL－2合并用于病人，结果5名黑色素瘤病人中1名肿瘤完全消退，2名90％的肿瘤消退，另2人在治疗后9个月死亡。由于携有TNF的TIL可积于肿瘤处，因而TIL的应用提高了对肿瘤的杀伤作用。3.其它遗传病的基因治疗：其它遗传病诸如白种人中常见的囊性纤维化的进展很快。对于DMD的基因治疗，由于有小鼠动物模型，也取得一定进展。例如1993年法国将Ad-RSVmDys（腺病毒－罗斯病毒小肌营养不良蛋白基因重组体）注入小鼠肌内成功。即用腺病毒为载体，与小肌营养不良蛋白（minidystrophin）基因的cDNA重组，在RSV启动子启动下，作肌肉注射，证明可在mdy小鼠肌肉表达，此外，对一些遗传病如血友病，