1、第第 3 节节 基因工程的应用及产业化前景基因工程的应用及产业化前景 目标导读 1.阅读教材 P8386 内容，了解动植物基因工程成果。2.分析教材 P8691 图 文，简述基因治疗和基因芯片。 重难点击 1.动植物基因工程成果。2.基因治疗和基因芯片。 方式一 基因工程自 20 世纪 70 年代兴起后，在短短的几十年间，得到了飞速的发展，目前 已经成为生物科学的核心技术。基因工程在实际应用领域农牧业、工业、环境、能源和 医疗卫生等方面，也展示出美好的前景。我们今天就一起来分享一下它的成果吧！ 方式二 胰岛素是治疗糖尿病的特效药。一般临床上使用的胰岛素主要从猪、牛等家畜的胰 腺中提取， 每 1
2、00 kg 胰腺只能提取 45 g 胰岛素。 用该方法生产的胰岛素产量低， 价格昂贵， 远不能满足社会需要。 1979 年， 科学家将动物体内的胰岛素基因与大肠杆菌 DNA 分子重组， 并在大肠杆菌内实现了表达。1982 年，美国一家基因公司用基因工程方法生产的胰岛素投入 市场，售价降低了 30%50%。可以看出利用转基因微生物生产药物与传统的制药相比的优 越性：无需大型装置和大面积厂房就可以生产出大量药品、降低生产成本，减少生产人员和 管理人员，而且可以解决传统制药中原料来源不足的问题。 基因工程取得了哪些丰硕成果，还有哪些进展，让我们一起来学习吧。 一、动植物基因工程成果 1.植物基因工程
3、成果 (1)突破了传统杂交育种的局限性 传统杂交育种的不足：育种周期长，易丢失优良基因。 转基因植物的实例 a.抗病植物：如抗病毒的烟草和马铃薯是导入了抗病毒基因。 b.抗虫植物：抗虫玉米和抗虫棉花是把苏云金杆菌体内的一种编码毒素蛋白的基因导入玉米 和棉花，减少了喷洒农药造成的污染。 c.优质植物：把编码赖氨酸的基因转入小麦基因组，培育出了富含赖氨酸的小麦。 转基因技术的优点：克服了远源种及种间杂交不育或不能杂交的障碍，使得生物界存在的 抗病虫害基因、优良的品质基因等都可以重组到植物染色体上，从而培育出优良的品种，同 时还缩短了育种周期。 (2)开辟了生产疫苗的新途径：科学家培育出一种可以生产
4、乙肝疫苗的转基因胡萝卜，通过生 吃或榨汁食用就可以达到接种疫苗的效果。 2.动物基因工程成果 (1)改良畜禽经济性状的新思路 快速生长动物：通过转基因技术，使受体动物合成某些必需的氨基酸，或改变动物的生长 调节系统，进而促进动物生长、提高饲料的利用效率。如把人的生长激素基因导入猪的受精 卵得到的转基因猪生长速度和饲料利用效率显著提高。 抗病动物：将抗病基因导入动物体内，提高动物的抗病能力。 (2)动物生物反应器为医药事业开辟了新途径 乳腺生物反应器的优势 a.乳腺是外分泌器官，乳汁不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。 b.从乳汁中获取的基因产物，不但产量高，易提纯，而且表达的蛋白质经过充分的
5、修饰加工， 具有稳定的生物活性。 动物生物反应器生产的药物 1抗胰蛋白酶、凝血因子、生长激素等。 归纳总结 基因工程育种和传统杂交育种的比较 项目 杂交育种 基因工程育种 原理 基因重组 异源 DNA(基因)重组 处理 方法 杂交自交筛选。 先通过两个 具有不同优良性状的纯种杂交 得到 F1，然后再将 F1自交，人 工筛选获取所需品种 提取重组导入筛选表达。即目的 基因的获得基因表达载体的构建目的 基因的导入目的基因的检测与表达产物 的测定 优点 操作简便 可以按照人的意愿改造生物，克服远缘杂 交不亲和的障碍，目的性强，科技含量高 缺点 育种时间长 技术复杂、操作繁琐 应用生物工程技术可获得人
6、们需要的生物新品种或新产品。请据图回答下列问题： 1.在培育转人生长激素基因牛的过程中，过程需要的工具酶有哪些？过程常用的方法是 什么？ 答案 限制性内切酶、DNA 连接酶；显微注射技术。 2.该转基因牛的所有细胞中都有人的生长激素基因吗？为什么？ 答案 都有。因为该转基因牛的所有细胞都来自受精卵的有丝分裂。 3.要使转人生长激素基因牛可通过分泌的乳汁来生产人生长激素，在基因表达载体中，应如 何设计？ 答案 在人生长激素基因的上游连接上专一在乳腺细胞中表达的蛋白质基因的启动子。 4.抗虫棉的培育过程中，受体细胞一定也是受精卵吗？ 答案 不一定。也可以是体细胞。 5.抗虫棉培育成功后，其效果会不
7、会持久不变？ 答案 不会，棉铃虫也会对其产生抗性。 1.科学家们对一位缺乏腺苷酸脱氨酶基因而患先天性体液免疫缺陷症的美国女孩进行基因治 疗，其方法是首先将患者的白细胞取出做体外培养，然后用反转录病毒将正常腺苷酸脱氨酶 基因转入人工培养的白细胞中，再将这些转基因白细胞回输到患者体内，经过多次治疗，患 者的免疫功能趋于正常。 (1)基因治疗是把健康的_导入有_ 的细胞中，以达到治疗疾病的目的。 (2)在基因治疗过程中，反转录病毒的作用相当于基因工程操作工具中的 _。 此基因工程中的目的基因是_ _， 目的基因的受体细胞是_ _。 (3)将转基因细胞多次回输到患者体内后，免疫能力趋于正常是由于白细胞
8、中能合成 _。 (4)人的腺苷酸脱氨酶基因与胰岛素基因相比，其主要差别是_ _。 答案 (1)外源基因 基因缺陷 (2)载体(或基因的运载工具) 腺苷酸脱氨酶基因 白细胞 (3)腺苷酸脱氨酶 (4)脱氧核苷酸的排列顺序不同 解析 基因治疗就是把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。反 转录病毒的作用是作为载体，将目的基因(腺苷酸脱氨酶基因)导入白细胞中，目的基因在受 体细胞中经过转录和翻译，表达产生腺苷酸脱氨酶。人的不同基因所含有的脱氧核苷酸的排 列顺序是不同的。 二、基因治疗和基因芯片 1.基因治疗 (1)基本原理：将健康和正常的基因通过某种载体导入人体细胞中有缺损或有变
9、异基因的部 位，并使目的基因在机体内有效表达，达到防治疾病的目的。 (2)操作程序：目的基因的选择和制备运载体的选择靶细胞的选择目的基因进入靶细胞 的方式外源基因表达的检测。 (3)治疗对象：血友病、严重贫血、关节炎、心血管病、癌症、甚至艾滋病等疑难顽症。 (4)存在的问题 目的基因的安全性问题 a.应确认目的基因进入人体后不会产生有害的遗传变异。 b.目的基因的表达应有一定的可控性。 运载体问题 运载体 优点 不足 脂质体 导入效率低，无靶向性 病 毒 逆转录病毒 安全；针对增殖的细胞 导入效率非常低 腺病毒 导入效率高；可以对生殖细胞进行 导入，便于治疗遗传疾病与代谢病 引起严重的免疫反应
10、 致病多基因问题：对多基因遗传病难以收到较好的疗效。 2.基因芯片 (1)制作过程： 将多个 DNA 片段粘在玻璃上， 将每一个 DNA 片段的序列信息和所粘贴的位置 贮存到计算机里。 (2)工作原理：分子杂交技术。 待测 DNA 样品荧光标记与基因芯片进行分子杂交信号输入计算机统计分析检测出 待测样品的 DNA 序列。 (3)优点：一次可以检测大量的基因。 (4)基因芯片的用途 监测基因表达的变化、分析基因序列、寻找新的基因和新的药物分子。 研究基因的功能以及生物体在进化、发育、遗传等过程中的规律。 复合型免疫缺陷症是一种遗传疾病，患者由于腺苷脱氨酶基因出现缺陷，造成体内缺乏腺苷 脱氨酶，而
11、腺苷脱氨酶是人体免疫系统发挥正常功能作用所必需的，因此，患者不能抵抗病 原微生物的威胁。下图是用基因治疗的方法治疗该病的过程图，请分析下列问题： 1.治疗该病可不可以将正常人的免疫细胞直接输入患者体内？ 答案 不可以。会发生排斥反应，输入的细胞无法存活。 2.研究人员将腺苷脱氨酶基因转入患者的什么细胞？为什么不能转入其他的体细胞？ 答案 淋巴细胞。腺苷脱氨酶是人体免疫系统发挥正常功能所必需的，淋巴细胞中具有这种 酶才能产生免疫物质。 3.经基因治疗的患者体内是否还存在缺陷基因？ 答案 存在。基因治疗只是导入正常基因，并没有去除缺陷基因。 4.怎样鉴定该患者是否治疗成功？ 答案 鉴定患者产生抗体
12、的能力是否明显改善，免疫能力是否明显提高。 知识拓展 体外基因治疗和体内基因治疗的比较 途径 比较 体外基因治疗 体内基因治疗 不同 点 方法 从患者体内获得某种细胞细胞 培养体外完成基因转移筛选、 细胞扩增输入体内 外源基因载体携带 转移 体内 相应组织细胞 特点 操作复杂，但效果可靠 方法较简单，但效果难以控制 相同点 都是将外源基因导入靶细胞，以纠正缺陷基因，目前两种方法都处 于临床试验阶段 2.人类基因治疗报道，在美国佛罗里达大学基因治疗中心接受基因治疗的三名遗传性失 明患者都重新获得了一定的视力，并且没有严重的副作用。基因治疗是指( ) A.把健康外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到
13、治疗疾病的目的 B.对有缺陷的细胞进行修复，从而使其恢复正常，达到治疗疾病的目的 C.运用人工诱变方法，使有基因缺陷的细胞发生基因突变，从而恢复正常 D.运用基因工程技术，把有缺陷的基因切除，达到治疗疾病的目的 答案 A 解析 基因治疗只是将正常的基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到 治疗疾病的目的，细胞中的缺陷基因并未修复，而是和正常基因同时存在，基因治疗也不是 切除病变基因或诱导其突变，因而 B、C、D 项的说法都不符合基因治疗的概念。 3.下列关于基因芯片的应用的叙述，错误的是( ) A.对药物进行基因芯片检测 B.只能对细胞分化的基因表达情况进行分析 C.通过对正常和
14、疾病状态下基因表达情况的研究可以寻找和发现新基因 D.研究生物体在进化、发育和遗传过程中的规律 答案 B 解析 基因芯片可以用于监测基因表达的变化、分析基因序列、寻找新的基因和新的药物分 子，还可以用来研究基因的功能以及生物体在进化、发育、遗传等过程中的规律。 1.下列转基因植物与所选用的目的基因对应错误的是( ) A.抗虫棉Bt 毒蛋白基因 B.抗病毒转基因烟草几丁质酶基因 C.抗盐碱和抗旱植物调节细胞渗透压的基因 D.耐寒的番茄抗冻基因 答案 B 解析 抗病毒转基因植物常使用病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因作为目的基因；几丁 质酶基因及抗毒素合成基因一般是抗真菌转基因植物的目的基因。 2
15、.抗病毒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 答案 B 解析 抗病毒转基因植物只能抵抗某些病毒，不可以抗虫，抗病毒基因和植物体其他基因一 样存在基因突变的可能。 3.利用细菌大量生产人类干扰素，下列叙述错误的是( ) A.用适当的酶对运载体与人类干扰素基因进行切割与黏合 B.用适当的化学物质处理受体细菌表面，将重组 DNA 导入受体细菌 C.通常通过检测目的基因产物来检测重组 DNA 是否已导入受体细菌 D.受体细菌能合成
16、人类干扰素说明目的基因完成了表达 答案 C 解析 用适当限制性内切酶切割人类干扰素基因和运载体， 产生相同的黏性末端， 再用 DNA 连接酶将其连接， A 项正确； 用氯化钙处理细菌细胞， 使细胞处于一种能吸收周围环境中 DNA 分子的感受态状态，B 项正确；通常用抗性标记和测序来确定重组 DNA 是否已导入受体细 胞，C 项错误；目的基因导入受体细胞后，可以合成相应的蛋白质产物，说明其已完成表达， D 项正确。 4.治疗复合型免疫缺陷症、白化病、囊性纤维化病等人类遗传病的根本途径是( ) A.口服化学药物 B.注射化学药物 C.利用辐射或药物诱发致病基因突变 D.采用基因治疗法纠正或弥补缺陷
17、基因带来的影响 答案 D 解析 治疗遗传病的根本途径是基因治疗。 5.如图所示为人体正常红细胞和镰刀型细胞贫血症患者红细胞形态及镰刀型细胞贫血症的基 因治疗过程，请回答以下问题： (1)_图细胞为镰刀型细胞贫血症的红细胞，这种病是由于_造成 的。 (2)写出以下结构或物质的名称： A._；D._。 (3)写出以下过程的操作内容： _； 用携带正常基因的运载体(病毒)侵染造血干细胞； _； _。 (4)该方法属于_(填“体内”或“体外”)基因治疗， 其特点是_ _。 答案 (1)乙 基因突变 (2)合成血红蛋白的正常基因(目的基因) 造血干细胞 (3)将正常基因导入到运载体中 将基因表达载体(携带正常基因)导入到造血干细胞染色体上 将经过改造的造血干细胞输入到患者骨髓中产生正常的血细胞 (4)体外 操作复杂但效果较为可靠 解析 (1)由于基因突变使红细胞在形态上呈镰刀状而易破碎，如图乙。 (2)在基因治疗过程中，A 为目的基因，可以与运载体结合后导入受体细胞中，D 作为受体细 胞，应为具有持续分裂能力的造血干细胞。 (3)基因治疗过程应有四个步骤。 其中为将基因表达载体导入受体细胞 D 的染色体上， 为 将具有正常功能的造血干细胞转移至体内，由此可知，此过程为体外基因治疗。