基因技術(shù)與人類的關(guān)系.ppt

基因技術(shù)與人類的關(guān)系,深圳大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 鄭易之 教授,基因工程技術(shù)與人類關(guān)系密切 是20世紀(jì)末和21世紀(jì)初發(fā)展最為迅速的高新技術(shù)之一 使發(fā)酵、食品、輕工等傳統(tǒng)工業(yè)發(fā)生了深刻的革命 為解決人類的人口膨脹、食物短缺、能量匱乏、疾病防治 和環(huán)境污染等問題帶來了新的希望 將對(duì)人類生活和健康、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生巨大的影 響,從DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn) 基礎(chǔ)性研究階段（20世紀(jì)50年代開始）：遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，以及表達(dá)和調(diào)控有了全面的認(rèn)識(shí)，為通過對(duì)遺傳物質(zhì)的修飾和改造，定向的獲得人類所需要的成分打下了基礎(chǔ)。 商業(yè)化生產(chǎn)階段（20世紀(jì)80年代以來）：,一、轉(zhuǎn)基因植物與農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 二、基因技術(shù)與人類健康 三、生物技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用,轉(zhuǎn)基因植物與農(nóng)業(yè)生產(chǎn) （一）、轉(zhuǎn)基因植物技術(shù),1、植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)定義 將優(yōu)良性狀的目的基因?qū)胫参锛?xì)胞或組織，并在其中進(jìn)行表達(dá)，從而使植物獲得新的性狀。 2、轉(zhuǎn)基因方法介紹 原生質(zhì)體為受體的直接轉(zhuǎn)化法（簡稱原生質(zhì)體法） 農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法（1974年） 基因槍法（1987年）,基因槍,3. 轉(zhuǎn)基因植物研究發(fā)展 1983年，轉(zhuǎn)基因煙草、胡蘿卜問世 1987年，轉(zhuǎn)基因油菜、棉花產(chǎn)生 1988年，轉(zhuǎn)基因水稻、玉米誕生 1992年，培育出轉(zhuǎn)基因小麥 1994年，培育出轉(zhuǎn)基因大麥 20余種植物產(chǎn)品通過FDA認(rèn)證 13個(gè)國家種植轉(zhuǎn)基因植物 轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化：遍布6大洲 2000年商業(yè)化種植面積比1996年翻了幾倍 預(yù)測(cè)：2020年世界上80 -90的農(nóng)作物將是轉(zhuǎn)基因植物,4. 轉(zhuǎn)基因作物種植面積的發(fā)展：,1996年170萬公頃。 1997年1100萬公頃。 1998年2780萬公頃。 1999年3990萬公頃。 2000年4420萬公頃。 2001年全球轉(zhuǎn)基因植物種植面積首次突破5000萬公頃。 以轉(zhuǎn)基因性狀而言，2001年種植面積最大的仍然是抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物，其次是抗蟲轉(zhuǎn)基因作物。 種植面積最大的國家仍然是美國，2001年種植面積達(dá)3570萬公頃，其次為阿根廷1180萬公頃，加拿大320萬公頃，中國150萬公頃。,（二）轉(zhuǎn)基因植物研究現(xiàn)狀,提高作物抗性 抗蟲棉、抗蟲玉米、抗蟲水稻、抗蟲馬鈴薯、抗除草劑大豆、抗除草劑玉米、抗白葉枯水稻等。 改良品質(zhì) 高含油玉米， 使玉米含油量從3.5%升高至8.5%（美國杜邦公司投資17億美元） 改善大豆蛋白質(zhì)質(zhì)量,使其具有肌肉蛋白的營養(yǎng) 含-3不飽和脂肪酸的高含油大豆 含40%月桂酸的油菜籽 耐儲(chǔ)藏的延熟番茄 增加馬鈴薯的固形物含量，以減少炸薯?xiàng)l用油,保健型作物 把植物改造成重要的藥物(抗體)或工業(yè)原料的生產(chǎn)工廠-生物反應(yīng)器 （生產(chǎn)口服疫苗），利用香蕉、西紅柿生產(chǎn)口服疫苗 提高植物抗逆性 抗低溫、抗寒基因香蕉 抗鹽、抗旱植物， 抗病基因：抗霉菌的轉(zhuǎn)基因葡萄，提高德國雷司令葡萄酒的口味，保證了德國的葡萄酒的純正口味,(三)商業(yè)化生產(chǎn)步伐加快,2000年底，世界各國批準(zhǔn)的商業(yè)化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)基因作物有100多種，包括12種農(nóng)作物,涉及轉(zhuǎn)基因食品達(dá)4000余種 在美國市場(chǎng) 包裝食品中轉(zhuǎn)基因成分占60, 轉(zhuǎn)基因食品的總交易量: 1996年 2.35億美元 1998年 12-15億美元 2000年 30億美元以上 預(yù)計(jì) 2005年 60億美元 2010年 200億美元,基因作物產(chǎn)品的銷售額增長 1997年 40億美元 2002年 85億美元,轉(zhuǎn)基因技術(shù)帶來了育種方法的革命 傳統(tǒng)雜交育種：時(shí)間長，至少需要812年 突變育種：可加快育種速度，誘變的隨機(jī)性高， 篩選工作繁重 分子育種：時(shí)間短，目的性強(qiáng),分子育種程序：,標(biāo)記基因 啟動(dòng)子 外源目的基因 終止序列,DNA-mRNA-蛋白質(zhì)性狀,轉(zhuǎn)基因植物的生產(chǎn)(圖例),樣品比較（左為普通棉花，右為兔毛轉(zhuǎn)基因棉花）,抗除草劑大豆,抗除草劑作物,抗蟲棉花,抗CMV病毒轉(zhuǎn)基因番茄,抗CMV病毒轉(zhuǎn)基因甜椒,轉(zhuǎn)查爾酮合酶矮牽?；?Two tomato plants artificially inoculated with bacterial speck disease. Plant on left has been genetically engineered with a gene for resistance to the disease, and plant on right is a susceptible, non-engineered variety.,Swiss researchers have produced rice capable of synthesizing beta-carotene, the precursor of Vitamin A (Ye et al., 2000). This rice variety is now being crossed into adapted varieties, with field tests possible in a year or two.,Grape vines are susceptible to several diseases that reduce the amount and the quality of wine grapes and table grapes or even kill the vine. Genes that confer resistance to particular diseases would reduce the cost of battling diseases in the vineyard. Researchers at the University of Florida have patented a method for producing grape vines that carry a silkworm gene to provide protection from Pierces disease, a fatal bacterial disease that affects grapes and several other plants.,Improved nutritional content and delayed ripening are transgenic traits of interest in tomatoes. Source: USDA,Canola is a major oilseed crop. Transgenic research has focused on improving the nutritional quality of canola oil by enhancing the Vitamin E content or by modifying the balance of fatty acids.,Nicotine-free tobacco is now being grown for a projected introduction of nicotine-free cigarettes,Decaffeinated coffee is now made by treating coffee beans to remove the caffeine. Other methods are criticized for removing some of the desirable, flavor-producing components along with the undesirable caffeine.,Papaya is a tropical fruit rich in Vitamins A and C, but susceptible to a number of serious pests and diseases. The transgenic variety UH Rainbow, resistant to the papaya ringspot virus, is currently in production in Hawaii.,Improved Turfgrass for Lawns and Recreational Areas There are a number of environmental concerns associated with the current use of turfgrass. These include the amount of chemicals applied (fertilizers, herbicides, fungicides, and even green dyes); the large quantity of water required to keep lawns healthy, especially in the West; the energy required to mow lawns,Food crops engineered to produce edible vaccines against infectious diseases would make vaccination more readily available to children around the world.,White mold (Sclerotinia) is a serious problem for sunflower producers in some areas. Resistance to this disease would expand the area in which sunflowers can be grown and might improve yields in areas of current cultivation. A commercially available cultivar is not expected before 2005.,轉(zhuǎn)基因植物種植面積增長速度,(三) 轉(zhuǎn)基因植物的發(fā)展趨勢(shì),1. 抗逆基因及抗逆分子育種 2. 提高作物品質(zhì)：高含油、低飽和脂肪酸、高必需氨基酸、高營養(yǎng)（營養(yǎng)功能基因，維生素E ） 3. 生物反應(yīng)器含疫苗的農(nóng)作物 4. 清除重金屬作物等,基因工程與人類健康,一、人類基因組計(jì)劃概述,（一）人類基因組計(jì)劃,1、人類基因組計(jì)劃的提出,1986年，美國生物學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Renato Dulbecco首次提出人類基因組計(jì)劃（簡稱 HGP）的設(shè)想。 1988年，國際人類基因組織成立。 1987年，中國開始在“863計(jì)劃”中設(shè)立人類基因組研究課 題。 1990年，美國國會(huì)批準(zhǔn)正式啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃。 1999年，中國正式加入國際研究計(jì)劃，完成1，成為參 與這一研究的唯一的一個(gè)發(fā)展中國家。3號(hào)染色 體上的三千萬個(gè)堿基對(duì)。,2、人類基因組的概念,整個(gè)基因組：DNA全部序列，10萬個(gè)基因 基因定位 基因作圖 基因克隆,生物物種間的差異,人的個(gè)體差異,人染色體及其標(biāo)準(zhǔn)帶紋 （常染色體和性染色體）,差異差生的原因： 染色體DNA氨基酸,DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（遺傳物質(zhì)）,決定形狀的氨基酸序列（由DNA決定）,人染色體上的30億個(gè)堿基對(duì),一個(gè)堿基突變氨基酸變異蛋白質(zhì)變異人類疾病 （鐮刀性貧血?。汗劝彼崂i氨酸）,由于染色體、核基因突變導(dǎo)致的遺傳性疾?。?染色體病: 先天愚型或稱唐氏綜合癥，也稱21三體綜合征 單因子遺傳?。河蓡我灰蜃右鸬倪z傳性疾病。 常染色體顯性遺傳病-多指（趾）癥； 常染色體隱性遺傳白化病，先天性聾啞等； 性連鎖顯性遺傳遺傳性慢性肝炎； 性連鎖隱性遺傳血友病，色盲等 溶酶體貯積癥，如苯丙酮尿癥，半乳糖血癥，粘多糖癥 合成酶缺陷，如血球蛋白缺乏癥、白化病；肝豆?fàn)詈俗冃裕╓ilson?。┑?血液病，如地中海貧血、鐮狀細(xì)胞貧血、血友病 先天性腎上腺增生癥、脊髓性肌肉萎縮癥 3. 多因子遺傳病: 由兩對(duì)以上微效基因共同作用造成的. 唇裂、腭裂、高血壓、糖尿病、狂躁抑郁癥、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎及先天性心臟病等，均有多基因遺傳基礎(chǔ)，并各自有其遺傳度。 -“易感人群”。環(huán)境因素影響越大，遺傳度越低。,3、人類基因組計(jì)劃的目標(biāo),人類基因組計(jì)劃的起因解決包括腫瘤在內(nèi)的人類疾病的分子遺傳學(xué)問題，疾病基因的克隆是HGP的核心之一 用15年時(shí)間，闡明人類基因組全部DNA序列,定位10萬個(gè)基因：基因定位，基因作圖，基因克隆 建立儲(chǔ)存這些信息的數(shù)據(jù)庫； 開發(fā)數(shù)據(jù)分析工具； 研究HGP實(shí)施所帶來的倫理、法律和社會(huì)問題,人類基因組計(jì)劃的意義： 闡明基因結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 細(xì)胞生長、發(fā)育、分化的分子機(jī)制 疾病發(fā)生的分子機(jī)制 為人類診斷和治療疾病提供依據(jù)，為醫(yī)療產(chǎn)業(yè)帶來新的革命 生命科學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合，衍生出新的學(xué)科生物信息學(xué) 帶動(dòng)新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)、技術(shù)、數(shù)據(jù)庫和生物學(xué)資源 推動(dòng)農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、能源、環(huán)境相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,（二）人類基因組計(jì)劃的研究現(xiàn)狀,1、人類基因組測(cè)序 2、某些疾病基因的定位克隆 3、部分多基因病的研究 4、中國的人類基因組研究：人類基因組的多樣性的比較研究，腫瘤易感基因,（三）人類基因組計(jì)劃的應(yīng)用,1、人類基因組計(jì)劃在基礎(chǔ)理論研究方面的應(yīng)用 （1）基因的結(jié)構(gòu)與功能 （2）基因組結(jié)構(gòu)特征 （3）新基因與蛋白質(zhì),2、人類基因組計(jì)劃在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用,（1）基因時(shí)代：戰(zhàn)勝特定疾病 心腦血管疾病，糖尿病，癌癥等疾病與基因序列的突變有關(guān) 易感疾病與易感基因 （2）基因診斷：金睛火眼 產(chǎn)前診斷，胎兒期疾病預(yù)測(cè)：憂郁癥、心臟病,二、醫(yī)藥生物技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r,（一）基因工程藥物的發(fā)展現(xiàn)狀 1、基因工程藥物：蛋白質(zhì)類藥物、疫苗 2、基因工程藥物發(fā)展現(xiàn)況,國外基因工程藥物,中文名稱 英文名或縮寫 適應(yīng)癥 胰島素 Humulin Novolin Humalog 糖尿病 腫瘤壞死因子 TNF 各種腫瘤 集落刺激因子 Neupogen 人生長激素 Protropin Humatrope NutropinAQ 矮小病 人干擾素 rhuIFN2b rhuIFN2a rhuIFNB 抗癌 rhuIFNrlb HCV, 抗癌 HBV,HVC等 抗癌，多發(fā)硬化癥腎癌，慢性肉芽腫 白細(xì)胞介素 rhuIL 化療，抗癌 組織溶纖原激活劑 RhuTpA 腦栓塞，心梗,我國基因工程藥物 （批準(zhǔn)上市的藥物和疫苗：12種；批準(zhǔn)進(jìn)入臨床的：10種；進(jìn)入臨床研究的：10種）,中文名稱 英文名或縮寫 適應(yīng)癥 重組人干擾素a1b rhuIFNaIb 治療病毒性角膜炎 上皮生長因子 (EGF) 燒傷或創(chuàng)傷治療外用藥物 粒細(xì)胞集落刺激因子 (GCSF) 癌癥 粒細(xì)胞巨噬細(xì)胞集落刺激因子 (GM-CSF) 癌癥治療引起的白細(xì)胞減少癥 紅細(xì)胞生成素 (EPO) 治療慢性腎功能衰竭引起的貧血 溶栓藥物鏈激酶 (SK) 治療慢性腎功能衰竭引起的貧血 重組人胰島素 Humulin Novolin Humalog 糖尿病 白細(xì)胞介素-2 rhuIL-2 類風(fēng)濕,（二）基因工程疫苗、診斷試劑、 診斷技術(shù)的發(fā)展,1、基因工程疫苗 2、診斷試劑、診斷技術(shù)的產(chǎn)生 3、法醫(yī)、犯罪鑒定,三、納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,1、納米生物技術(shù):1nm=10-9m,用納米技術(shù)制造的微型機(jī)器人 (體積只有句子中的 標(biāo)點(diǎn)符號(hào)大小),2、納米生物材料的研發(fā),1）納米藥物載體和基因載體技術(shù)： 以納米顆粒作為藥物和基因的攜帶載體，將藥物、DNA和RNA等基因治療分子包裹在納米顆粒之中或吸附在其表面，同時(shí)也在顆粒表面耦聯(lián)特異性的靶向分子，通過靶向分子與細(xì)胞表面特異性受體結(jié)合，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，實(shí)現(xiàn)安全有效地靶向性藥物和基因治療。 2）用于惡性腫瘤診斷和治療的藥物載體主要由金屬納米顆粒、無機(jī)非金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒和生物性顆粒構(gòu)成。,納米藥物載體降解過程,生物技術(shù)在工業(yè)上 的應(yīng)用,生物技術(shù)是最古老的技術(shù)，其歷史與人類文明同時(shí)開始 中國人最早懂得了制醬、釀酒、造醋傳統(tǒng)的釀造和發(fā)酵工業(yè): 現(xiàn)代生物技術(shù) 特點(diǎn)：以基因工程為核心內(nèi)容，包括細(xì)胞工程、酶工程和發(fā)酵工程的生物技術(shù)。 向工業(yè)的其他領(lǐng)域發(fā)展，向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、資源節(jié)約、環(huán)境友好型過度，形成生物材料產(chǎn)業(yè)、生物能源產(chǎn)業(yè)、生物化工產(chǎn)業(yè)及環(huán)境生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)等等。,1. 食品工業(yè) 2. 石油工業(yè) 3. 化工工業(yè) 4. 化妝品工業(yè) 5. 紡織工業(yè),1. 食品工業(yè) 轉(zhuǎn)基因食品轉(zhuǎn)基因動(dòng)物和轉(zhuǎn)基因植物,轉(zhuǎn)基因食品滲透到食品工業(yè)的各個(gè)方面，轉(zhuǎn)基因食品工業(yè)產(chǎn)值達(dá)2500億美元 生物反應(yīng)器含疫苗的農(nóng)作物、水果 基因工程生產(chǎn)需用激素增加產(chǎn)奶量和瘦肉型化的重組生長激素；改變奶成分除去乳糖和乳球蛋白，高酪蛋白， 品質(zhì)育種提高小麥硬度，減少對(duì)淀粉的破壞，提高米的品質(zhì)；控制小麥谷蛋白亞基的數(shù)量，改善面粉的粘彈性等,2石油工業(yè) （1）利用微生物勘探石油 （2）油污及其他有機(jī)物、污水的處理：自然狀態(tài)和人為施加微生物,（3）開發(fā)綠色大油田生物石油 產(chǎn)油的樹“石油植物”。它們所分泌出來的液體,不需加工