基因工程概况2011.ppt

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张惠展,分子克隆,生物学期刊杂志,能发光的水母,不能发光的热带斑马鱼,请您欣赏,能否让热带鱼也能发光,?,设想,能发荧光的热带斑马鱼,普通热带斑马鱼是不发荧光的,请您欣赏,超级小鼠与超级鱼,胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、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。,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！大规模工业化生产不但解决了这种比黄金还贵的药品产量问题，还使其价格降低了,30%-50%!,从大肠杆菌说起干扰素,干扰素,一千克纯的干扰素价值可达,440,亿美元。,传统生产方法：,血液中提出白细胞，然后用病毒去感染它，这时会产生干扰素，,1,个细胞最多生产,1001000,个干扰素分子,基因工程：,改造的大肠杆菌发酵生产：一天内便可生产,20,万个干扰素分子。,1KG,培养物中可以得到,2040mg,干扰素,干扰素治疗病毒感染简直是,“,万能灵药,”,！过去从人血中提取，,300L,血才提取,1mg,！其,“,珍贵,”,程度自不用多说。,人造血液、白细胞介素、乙肝疫苗等通过基因工程实现工业化生产，均为解除人类的病苦，提高人类的健康水平发挥了重大的作用。,人造血液及其生产,思考：,1,、为什么能把一种生物的基因“嫁接”到另一种生物上？,2,、推测这种“嫁接”怎样能实现？,3,、这种“嫁接”对品种的改良有什么意义？,主要内容,1.,基因工程的基本概念,2.,基因工程的理论依据,3.,基因操作的基本步骤,4.,基因工程的发展历史,5.,基因工程研究内容,6,、转基因生物与转基因食品的安全性,1.,基因工程的基本概念,重组,DNA,技术,重组,DNA,技术是指将一种生物（供体）的基因与载体在体外进行拼接重组，然后转入另一种生物体（受体）内，使之按照人们的意愿稳定遗传并表达出新产物或新性状的,DNA,体外操作程序，也称为分子克隆技术。,因此，,供体、受体、载体,是重组,DNA,技术的三大基本元件,基因工程含义,基因工程（,Gene Engineering,）：,利用,DNA,体外重组或,PCR,扩增技术从某种生物基因组中分离靶基因,或是用人工合成的方法获取基因,然后经过一系列切割,加工修饰,连接反应形成重组,DNA,分子,再将其转入适当的受体细胞,以期获得基因表达的过程,.,基因工程,指重组,DNA,技术的产业化设计与应用，包括,上游技术,和,下游技术,两大组成部分。上游技术指的是基因重组、克隆和表达的设计与构建（即重组,DNA,技术）；而下游技术则涉及到基因工程菌或细胞的大规模培养以及基因产物的分离纯化过程。,二、基因工程的理论依据,不同的基因具有,相同的物质基础,基因是,可以切割,的,基因是,可以转移,的,多肽与基因间存在,对应关系,遗传密码是,通用,的,基因可以通过复制把遗传信息,传递,到下一代,四个基本步骤：,三基因操作的基本步骤,1,）,提取,目的基因,2,）目的基因,与运载体结合,3,）将目的基因,导入,受体细胞,4,）目的基因的,检测,和,表达,四 基因工程的发展历史,1,）准备阶段,19,世纪中 孟德尔 豌豆杂交试验,遗传因子,经典遗传学,20,世纪初 莫尔根 果蝇杂交试验,基因,基因学,1944,年 艾弗瑞 肺炎双球菌转化实验,遗传物质,DNA,1953,年 沃森克瑞克,DNA,双螺旋结构,搞清了遗传物质的分子机制,1958,年至,1971,年确立中心法则，破译,64,种遗传密码,使遗传学在分子水平上得到解释,。,1972,年美国,Berg,Jackson,等人将猿猴病基因组,SV40 DNA,噬菌体基因，大肠杆菌半乳糖操纵子，,体外重组,获得成功。,四 基因工程的发展历史,2,）,问世阶段,1973,年美国斯坦福大学,Cohen,Boyer,等，在体外构建含有 四环素，链霉素，两个抗性基因的重组质粒分子,导入大肠杆菌后稳定复制，赋予受体 细胞 相应 抗生素抗性。,同时与别人合作将非洲爪蟾含核糖体基因的,DNA,片段与质粒重组，转化大肠杆菌，转录出相应的,RNA,-,（宣告基因工程诞生）,四 基因工程的发展历史,3,）发展阶段,1978,年美国,Genentech,公司利用重组大肠杆菌合成,人胰島素,的先进生产工艺,-,（揭开基因工程产业化的序幕）,1983,年，携带有细菌新霉素抗性基因的,重组,Ti,质粒,转化 植物细胞获得成功。,1990,年，美国科学家对一名因腺苷脱氨酶基因缺陷患有重度联合免疫缺陷症的儿童进行,基因治疗,获得成功。,-,（分子医学新纪元）,四 基因工程的发展历史,1991,年，美国倡导在全球实施,人类基因组计划,，用,15,年时间斥资,30,亿美元，完成,12,万,5000,个人类基因的全部测序工作。,1997,年，英国科学家利用体细胞克隆技术复制出,“多利”绵羊,。,-,（人类可以在实验室进行复制自身的尝试）,2005,年，邓宏魁，丁明孝教授,克隆小白鼠,在中国属首例。,2006.12,美国允许将克隆,动物肉和奶制品,进入市场,可以不作标记,.,但受百姓质疑,.,克隆动物肉和奶制品将摆上百姓餐桌,五、基因工程研究内容,基础研究,基因工程克隆,载体,的研究,基因工程克隆,受体,的研究,目的,基因,的研究,基因工程,工具酶,的研究,基因工程,新技术,研究,应用研究,基因工程,药物,研究,转基因,植物,研究,转基因,动物,研究,其他方面,的应用研究,载体,概念,：,通过不同途径能将,承载的外源,DNA,片段,（基因）带入受体细胞，并在其中得以维持的,DNA,分子称为,DNA,克隆载体或基因克隆载体。,举例：,pET,系列载体,T,载体,pBR322,等,受体细胞,概念,：,受体细胞也称为宿主细胞或寄主细胞，从技术上讲是能摄取外源,DNA,并使其稳定维持的细胞；从实验目的上讲是有运用价值和理论研究价值的细胞。,举例,：,原核生物（,大肠杆菌,；蓝藻）,真核生物（,酵母菌,；植物；动物）,目的基因,基因是一种,资源,，且是一种,战略资源,基因工程研究的任务是开发人们特许需要的基因产物,基因组计划：从,1990,年开始，耗费,30,亿，由美国、英国、日本、德国、法国和中国一起完成，我国承担基因组,1,的测序任务。,2000,年,6,月,26,日,是人类历史上值得纪念的一天。人类基因组的工作草图已经绘制完毕并于这天向全世界公布。最终完成图要求测序所用的克隆能忠实地代表常染色体的基因组结构，,序列错误率低于万分之一,。,工具酶,概念：,体外进行,DNA,合成,、,切割、修饰和连接,等系列过程中所需要的酶，包括,DNA,聚合酶、限制性核酸内切酶、修饰酶和连接酶等。,举例,:,DNA,聚合酶（,Taq,酶，,pfu,酶）,限制性内切酶（,H,ind,III,、,S,al,I,、,K,pn,I,）,连接酶（,T4,连接酶）,修饰酶（碱性磷酸酶）,新技术,核酸凝胶电泳技术,核酸分子杂交技术,细菌转化转染技术,DNA,序列分析技术,寡核苷酸合成技术,基因定点突变技术,聚合酶链反应（,PCR,）技术,药物研究,1.,基因工程激素类药物（胰岛素；生长激素；促卵泡激素）,2.,基因工程细胞因子类药物（干扰素；集落刺激因子；白介素；肿瘤坏死因子；趋化因子等）,3.,基因工程抗体（抗肿瘤、抗感染、防止器官移植中的排斥反应等）,4.,基因工程受体（细胞因子受体；免疫球蛋白受体；补体受体；抗原受体）,5.,基因工程疫苗（细菌疫苗；病毒疫苗；核酸疫苗；其他疫苗）,我国生产的部分基因工程疫苗和药物,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。,微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。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。,基因工程人干扰素,-2b,（安达芬）,产品名称,菌株或细胞,应用,人胰岛素,大肠杆菌,人生长激素,大肠杆菌,表皮生长因子,大肠杆菌,白细胞介素,-2,大肠杆菌,a,干扰素,酵母菌,乙型肝炎疫苗,酵母菌,溶血栓剂,哺乳动物,细胞,治疗糖尿病,治疗生长缺陷症,治疗烫伤、胃溃疡,治疗某些癌症,治疗癌症或病毒感染,预防病毒性肝炎,治疗心血管病,（心脏病）,天竺葵香茅醛,转基因龙胆花色奇异,转基因植物研究,1983,年，转基因烟草和转基因马铃薯获得成功,转基因的目的：,提高植物抗性,改良作物品质,作为生物反应器生产有用化合物,举例：,1.,提高植物抗性,抗病毒方面，将病毒外壳蛋白基因转入植株中，是植物获得抗病毒的能力。,1986,年首先将,TMV,外壳蛋白导入烟草和番茄中。见图,抗,CMV,病毒转基因番茄,烟草,甜椒在栽培的过程中，容易受病毒的感染。我国科学工作者，采用转基因技术，培育出抗病毒的甜椒。,抗,CMV,病毒转基因甜椒,转基因植物研究,1.,提高植物抗性,抗,细菌和真菌,从抗病植物中克隆出抗病基因再导入易感病植物中，从而提高后者的抗病性。,如：抗白粉病、赤霉病和黄矮病的小麦或将抗菌肽转入植株,转基因植物研究,1.,提高植物抗性,抗虫方面,将抗虫基因导入易感植物中提高植物的抗虫性,苏云金杆菌的,Bt,杀虫蛋白基因；胰蛋白酶抑制基因；凝集素基因,抗虫棉花,由中国农科院生物工程中心开发的,Bt,棉对棉铃虫有显著的抗性。与对照相比减少农药用量,80,，并减少用工,150,个,/hm2,，以上两者可使每公顷节省,1500,元，,Bt,转基因棉种深受棉农的欢迎。,如今中国北部地区的棉花有,95%,都已经是转基因的了，只有新疆北部地区还在种植非转基因棉花。,.,我国大豆食用油近七成是,“,转基因,”,产品,转基因植物研究,1.,提高植物抗性,抗除草剂,改变除草剂靶物的敏感性或导入编码除草剂的解毒酶基因,如：将除草剂草甘膦的靶酶（,EPSPS,）的,cDNA,转入油菜，使油菜对草甘膦的抗性提高,4,倍；,将,bar,基因、,bxn,基因、,tfdA,基因导入作物提高抗性,抗除草剂大豆,抗除草剂作物,转基因植物研究,1.,提高植物抗性,抗旱、抗寒、抗热和抗盐,转基因番茄,1994,年，美国政府批准了他们研制成功抗干旱、早熟、保鲜的转基因番茄商品化之后，我国也相继成功培育出优良品种的转基因番茄，以满足人们的需求。,转鱼抗寒基因的番茄,转基因植物研究,2.,改善植物品质,通过转基因技术改变植物中氨基酸组成和含量，提高植物的品质,我国科学工作者，用转基因技术，可以转变矮牵牛花的花色，使矮牵牛花的花色更加丰富多彩。,样品比较（左为普通棉花，右为兔毛转基因棉花）,转基因小麦,从植物体中分离出合成赖氨酸的基因，把这基因转入小麦植株中，培育出转基因小麦。用这种转基因小麦制造出来的面粉，更适合用来烤面包，而且面粉中,赖氨酸含量高，这种面包的营养价值高。,转基因玉米,玉米是主要粮食之一，又可以提炼油脂，也可以用作食品和工业的原料以及作饲料，浑身是宝。人们称它是含金的植物。如今培育出转基因玉米，品质更好，产量更高。,转基因油菜,油菜是人们食用油的主要来源之一。一般油菜籽的含油量约为,40,左右。通过转基因技术，培育出来的油菜籽，可以大大地提高它的出油率。而且油的纯度质量更好。,转基因水稻,转基因动物,改良家畜、家禽和鱼的经济性状，或通过转基因动物生产某些药物和蛋白质等。,如：将牛的基因导入猪体内,美国弗吉尼亚技术制药工程研究院培育转基因猪，其体内含有人类的基因，产乳后其乳汁含有人体蛋白,fator,。据估计，只需,300,600,只这样的母猪就能满足全世界对这种蛋白的需求。,导入人基因具特殊用途的猪和小鼠,特殊动物,图为,2001,年,12,月底出生的,5,只可爱的转基因克隆小猪。据培育者英国,PPL,医疗公司称，这些转基因小猪将为研究和,“,生产,”,适用于人体移植手术使用的动物器官提供巨大的帮助。,世界上第一只转基因动物,通过转基因技术可以使绵羊产生更多更好的毛，甚至可以使绵羊产出不同色彩的羊毛,其他方面的应用,1.,酶制剂工业,传统来源：动植物或微生物,基因工程：将基因导入大肠杆菌，发酵获得,2.,环境污染的检测与治理,工业生产导致环境污染，将降解有机污染物的基因导入大肠杆菌中，分解有机物，净化环境。,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,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。,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,。,其他方面的应用,3.,食品工业,通过基因重组使各种转基因生物提高生产谷氨酸、调味剂、酒类等有机物的产率或提高利用价值。,4.,化学工业方面,构建工程菌株，发酵过程提高丙酮、醋酸、丙烯酸、酒精等有机物的转化效率，达到提高产量，降低成本等目的。,2006,年,3,月,14,日,绿色和平组织发布消息,称亨氏营养米粉含有转,Bt,基因抗虫水稻成分。,那么转基因食品到底安全吗？什么样的转基因食品才能上市？如何面对市场上的转基因食品呢？,六、转基因生物与转基因食品的安全性,两种观点,不安全：证据,安全：证据,你们的观点？,安全观点：,1,、转基因食品与非转基因食品的构成是一样的；,2,、减少农药使用、减少环境污染；,3,、节省生产成本，降低粮食售价；,4,、增加食品营养、提高食品产量等。,不安全观点：,1,、可能产生抗除草剂的超级杂草；,2,、可能使疾病的散播跨越物种障碍；,3,、可能损害农作物的生物多样性；,4,、认为创造新物种，可能干扰生态系统的稳定性；,5,、可能产生新毒素和新过敏源。,谢谢！,