选修3专题一第三节：基因工程的应用.ppt

.,*,1,、从,-,中获取目的基因,2,、利用,-,扩增,目的基因,3,、通过,DNA,合成仪用,-,直接人工合成,一、目的基因的获取,基因文库,PCR,技术,化学方法,基因工程的基本操作程序,复习,二、基因表达载体的构建,是基因工程的,-,核心,基因表达载体的基本组成元件,：,目的基因,+,启动子,+,终止子,+,标记基因,复习,三、将目的基因导入受体细胞,将目的基因导入,植物细胞,：采用最多的方法是（），其次还有（）和（）。,将目的基因导入,动物细胞,：最常用的方法是（）。此方法的受体细胞多是（）。,将目的基因导入,微生物细胞,：（）。,复习,农杆菌转化法,基因枪法,花粉管通道法,显微注射法,受精卵,Ca,处理法,一,、植物基因工程硕果累累,(p,17,),植物基因工程技术主要用于,提高农作物的,抗逆能力,（,如抗除草剂、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。,1,、抗虫转基因植物,2,、抗病转基因植物,3,、抗逆转基因植物,4,、利用转基因改良植物的品质,1,、,抗虫转基因植物,抗虫转基因植物原理：,从某些生物中分离出具有,杀虫活性的基因,，将其导入作物中，使其具有抗虫性，已成为防治作物虫害的发展趋势。,此项技术的最大好处：,减少化学农药对环境的污染且大大降低生产成本,抗虫水稻,抗虫棉,研究人员从草莓细胞线粒体中克隆了一种,酶基因,，并将该酶基因导入拟南芥菜并成功表达。使,转基因拟南芥菜,能产生两种吸引益虫的,类萜化合物,，从而吸引害虫的天敌而杀灭虫害。,研究人员指出，培育这种转基因植物可为植物病虫害防治提供了,新途径,。,思维启迪,用于杀虫的基因主要是：,(p,18,),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,例如我国拥有自主知识产权的,转基因抗虫棉,就是植入,Bt,毒蛋白基因培育而成的，它对棉铃虫有较强的抗性。,目前已问世的转基因抗虫植物主要有,:,水稻、棉、玉米、马铃薯、番茄、大豆、蚕豆、烟草、苹果、核桃、杨、菊花和白花三叶草,1,、抗虫转基因植物,抗虫害的玉米,抗虫棉的体细胞内含有的基因是（）,A,.,Bt,毒蛋白基因,B.Bt,毒蛋白基因和叶绿体基因,C.Bt,毒蛋白基因和棉花的部分基因,D.Bt,毒蛋白基因和棉花的全部基因,D,随堂练习,2,、抗病转基因植物,1986,年，美国,Beachy,研究小组首次将烟草花叶病毒的外壳蛋白基因导入烟草，培育出抗烟草花叶病毒的烟草植株，开创了抗病毒育种的新途径。,抗病转基因植物技术原理,:,从某些生物中分离,能抵抗某种病毒的基因,，将其导入作物中，使其能够抵抗某种病毒的感染。,通过导入植物,病毒的外壳蛋白基因,来提高植物的抗病毒能力的技术，已在多种植物病毒中进行了试验。,抗病黄瓜,抗病烟草,条锈病小麦（真菌感染）,2006,年度国家最高科技奖获得者遗传学家、小麦育种专家李振声 院士 （山东农业大学校友）,抗锈病小麦,2,、抗病转基因植物,成果,:,抗烟草花叶病毒的转基因烟草、,抗病的转基因小麦、甜椒、番茄等多种作物。,抗病基因种类,(P,18,):,(1),抗,病毒,基因,:,病毒外壳蛋白基因,病毒的复制酶基因,(2),抗,真菌,基因,:,几丁质酶基因,抗毒素合成基因,抗病番茄,抗病转基因植物成功表达后，以下说法正确的是,:,（）,A.,抗病毒转基因植物，可以抵抗所有病毒,B.,抗病毒转基因植物，对病毒的抗性具有局限性或特异性,C.,抗病毒转基因植物可以抗害虫,D.,抗病毒转基因植物可以稳定遗传，不会变异,B,随堂练习,抗逆转基因植物原理：,环境条件对农作物的生产有巨大的影响。例如,盐碱、干旱、低温、旱涝,等不利的环境，是造成低产、减产的常见因素。,从某些生物中分离出具有,抗逆性的基因,，将其导入作物中，使其具有抵抗,盐碱、干旱、低温、旱涝,等不利的环境，提高农作物的产量。,3,、抗逆转基因植物,抗旱抗倒伏晋谷,抗盐碱杨树,转鱼抗寒基因的番茄和草莓,3.,抗逆转基因植物,抗逆基因种类,:,调节细胞,基因使作物抗碱、抗旱；,鱼的抗冻蛋白基因使作物,、抗除草剂基因使作物抗,.,成果,:,转鱼抗冻蛋白基因的番茄、烟草，转基因抗除草剂玉米、大豆,渗透压,耐寒,除草剂,3,、抗逆转基因植物,耐盐抗旱玫瑰,我国在抗逆基因的分离、克隆和转化等方面的研究已取得一定进展，克隆了,耐盐碱相关基因,，通过遗传转化已获得了耐,1,NaCl,的苜蓿，耐,0.8,NaCl,的草莓，耐,2,NaCl,的烟草。,抗逆基因工程作物已进入田间试验阶段。我国科学家刘岩等获得了耐盐性明显提高的,转基因玉米,植株。我国科学家张荃等获得了耐盐性提高的,转基因番茄,。,3,、抗逆转基因植物,4,、利用转基因改良植物的品质,玫瑰花没有产生蓝色色素的基因，无法生长,蓝色花瓣。虽然玫瑰有,5000,多年的人工栽培历史，,迄今已培育出,2500,多个品种,但始终没有,蓝玫瑰,的,身影。,日本三得利公司耗资,30,亿日元培育成蓝玫瑰。,他们从,蓝三叶草,中提取,蓝色素基因,，将蓝花基因,植入玫瑰花，培植出蓝玫瑰。这株玫瑰的花瓣中,所含的色素为蓝色，纯度接近,100%,。,(1),提高花卉的观赏价值,原理：,将必需氨基酸含量多的,蛋白质编码基因,，导入植物中，或者改变这些氨基酸合成途径中某种酶的活性的相关基因，以提高氨基酸的含量。,（,2,）提高营养成分的含量,转基因水稻“金大米”,将水仙花的两个基因和一种细菌的一个基因一起植入一种名为,T309,的水稻中，获得一种水稻新品种。,这样获得的新水稻富含,铁元素、锌元素和可转化为维生素,A,的胡萝卜素,，能防止贫血和维生素,A,缺乏症。,这种,延熟番茄,不易腐烂，不仅便于运输、贮藏，还可使其留在植株成长更长时间，充分吸收阳光，完全成熟后再运到市场销售，能保存良久并仍然具有“夏日成熟的滋味”。,（,3,）培育耐储存植物果实,二、动物基因工程前景广阔,转基因荧光猪,把水母的,绿色荧光蛋白基因,转到猪上,2008,年,1,月,7,日，两头刚出生的“荧光猪崽”在紫外光源激发下发出绿色荧光。,1.,用于提高动物生长速度,外源,生长激素基因,的表达可以使转基因动物生长更快,转（草鱼生长激素基因）的鲤鱼,1982,年美国科学家将大鼠的,生长激素基因,注射到小白鼠受精卵中，得到第一只转基因动物“,超级小鼠,”。,2.,用于改善畜产品的品质,转,肠乳糖酶基因,牛的乳汁，乳糖含量大大降低，其他营养成分不受影响,3,、用转基因动物作器官移植的供体（,P,21,）,供体动物：,存在的难题：,解决方法：,猪,免疫排斥,将供体基因组导入某种基因,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。,?,获取目的基因,（例如血清蛋白基因）,（,1,）用动物乳腺作为反应器，生产高价值的蛋白质比工厂生产的优越之处：,（,2,）用基因工程技术实现动物乳腺生物反应器的操作过程：,产量高；质量好；成本低；易提取,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（只有在产下的雌性动物个体中，转入的基因才能表达）,4,、,用转基因的动物生产药物（,P,21,),重点,乳汁中含有,人生长激素,的转基因牛,(,阿根廷,),转基因牛,携带,人血清白蛋白基因,的转基因试管牛“滔滔”（中国）,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。,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。,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。,（,3,）为什么乳腺能成为基因药物最理想的表达场所呢？,思考,(4),膀胱生物反应器,膀胱生物反应器最显著的优势在于从尿中提取蛋白质比在乳汁中提取简便、高效。,新思维,膀胱反应器有着和乳腺反应器一样的优点：收集产物蛋白比较容易，不必对动物造成伤害。,该系统可从动物一出生就收集产物，不论动物的性别和是否正处于生殖期。,优点：,产量高、质量好、,成本低、易提取,方法：,乳腺生物反应器,膀胱生物反应器,注意：,乳腺生物反应器,雌性个体才能生产药物,（,5,）小结,侏儒症,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。,现在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。,生长激素,胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，,100Kg,胰腺只能提取,4-5g,的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知（比黄金贵四倍）。,20,世纪,80,年代将人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！使其价格降低了,30%-50%!,胰岛素,从人血中提取干扰素，,300L,血才提取,1mg,！,通过基因工程的方式创造了能合成人干扰素的大肠杆菌，每,1Kg,的培养液可提取,2040mg,干扰素,干扰素,在传统的药品生产中，某些药品如胰岛素、生长激素、干扰素等是直接从生物体的哪些结构中提取？,药品直接从生物的,组织,、,细胞,或,血液,中提取。,传统生产方法的缺点？,由于受原料来源的限制，,价格,十分,昂贵,。,可利用什么方法来解决上述问题？,利用,基因工程,方法制造“,工程菌,”，可,高效率,地生产出各种,高质量,、,低成本,的药品。,三、基因工程药品异军突起,（,P,21,),工程菌（,P,21,),：,用基因工程的方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系。,微生物繁殖快，多为单细胞，遗传物质相对较少，容易控制，适于大规模工业化生产。,为什么微生物适于做生产转基因药物的工程菌？,若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。,我国已生产的产品：,白细胞介素,-2,、干扰素、各种抗体、乙肝疫苗等,我国生产的部分基因工程疫苗和药物,人体基因的缺失，导致一些遗传疾病，应用基因工程技术使缺失的基因归还人体，达到治疗的目的，已成为基因工程在医学方面应用的又一重要内容。,基因治疗：具体是指把,正常基因,导入病人体内，使该基因的表达产物发挥作用，从而达到治疗疾病的目的。,四、基因治疗曙光初照,(P,23,),1,、体外基因治疗：,从病人体内获得某种细胞，例如,T,淋巴细胞，进行培养，然后，在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内。,四、基因治疗曙光初照,1990,年的,9,月,14,日，美国国立卫生研究院（,NIH,）的,W.French Anderson,博士等人获准实施,人类历史上第一例基因治疗的临床试验,（如图,17,）。这名,4,岁的小女孩,Ashanthi DeSilva,患有,重度联合免疫缺陷综合征,（,severe combined immunodeficiency,SCID,）。她体内先天性缺少腺苷脱氨酶（,Adenosine Deaminase,ADA,），致使细胞内脱氧腺苷大量积累，导致,T,淋巴细胞中毒死亡。由于缺乏正常人的免疫系统，她非常容易受到细菌和病毒的感染。患有这种遗传疾病的小孩通常最后都会因感染而死亡，很难活到成年,所以,Ashanthi,一直过着一种“与世隔绝”的生活,避免外出，静静地呆在,家里的无菌环境,中，无休止地使用大量抗生素来与细菌和病毒作斗争。,四、基因治疗曙光初照,四、基因治疗曙光初照,在这次基因治疗中，科学家从,Ashanthi,身上抽取血后并分离得到少量白细胞，进行体外培养扩增。然后，他们利用改造后的逆转录病毒将正常的人,ADA,基因转移到靶细胞里，使白细胞代偿性地表达了,ADA,蛋白。十天以后，这种经过“修饰”的白细胞通过静脉缓缓地输回到女孩体中。通过这种治疗方式，,Ashanthi,的免疫系统功能提高了,40%,以上。她不再反复受到,感冒,的困扰，对白日咳等疾病也有了一定的免疫，甚至可以开始上学。但是，这并没有完全治愈,Ashanthi,，那些经过遗传改造的细胞只能正常工作几个月，然后必须要再次重复这个治疗过程，才能保证免疫系统继续工作。至今，,Ashanthi,的健康状态一直保持良好，她甚至开始读大学了。小女孩彻底告别了与世隔绝的无菌病房，走进了阳光灿烂的新生活,17,岁,2,、体内基因治疗：,直接向人体组织细胞中转移基因的治病方法。,四、基因治疗曙光初照,1994,年美国科学家利用经过修饰的,腺病毒为载体,，成功地将治疗遗传性囊性纤维化病的,正常基因,cfdr,转入患者肺组织中,去年,9,月份，一位,18,岁美国青年,Jesse Gelsinger,因一种在医学上称为鸟氨酸转氨甲酰酶不足症的罕见遗传性疾病而在美国宾夕法尼亚州大学人类基因治疗中心接受基因治疗时不幸死亡，成为被报道的首例死于基因治疗中的患者。,值得提出的是，无论哪一种基因治疗目前都处于,初期的临床试验阶段,，均没有稳定的疗效和完全的安全性，这是当前基因治疗的研究现状。,可以说，在没有完全解释人类基因组的运转机制，充分了解基因调控机制和疾病的分子机理之前进行基因治疗是十分困难的。,四、基因治疗曙光初照,21世纪将是基因工程迅速发展并完善,的世纪，也是它产生巨大效益的世纪！,基因工程将在医疗卫生、食品工业、农,牧业、环保等许多方面发挥重大的作用！,小 结,基因工程的应用,植物基,因工程,抗虫转基因植物,抗病转基因植物,抗逆转基因植物,改良植物品质,动物基,因工程,提高动物生长速度,改善畜产品质量,生产药物,用转基因动物做器官移植供体,基因治疗,基因工程药物异军突起,谢谢,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,。,知识拓展,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；,知识拓展,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,）,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,知识拓展,环境监测：,基因工程做成的,DNA,探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。,1t,水中只有,10,个病毒也能被,DNA,探针检测出来,知识拓展,环境污染治理：,基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解多种污染环境的物质。,通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的“超级细菌”却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解,DDT,等毒害物质。,知识拓展,利用基因工程培育的“,指示生物,”能十分灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物,。,知识拓展,转基因生物与目的基因的关系,转基因生物,目的基因,目的基因来源,抗虫棉,抗真菌烟草,抗盐碱和干旱作物,耐寒番茄,抗除草剂大豆,高赖氨酸玉米,延熟番茄,高甜味水果,降低乳糖的奶牛,产胰岛素的工程菌,Bt,毒蛋白基因,几丁质酶基因和抗毒素合成基因,调节细胞渗透压的基因,抗冻蛋白基因,抗除草剂基因,富含赖氨酸的蛋白质编码基因,控制番茄成熟的基因,甜味基因,肠乳糖酶基因,人胰岛素基因,苏云金芽孢杆菌,鱼,人,谢谢,