基因工程的應(yīng)用及蛋白質(zhì)工程的崛起

基因工程的應(yīng)用及蛋白質(zhì)工程的崛起1.3基因工程的應(yīng)用植物基因工程碩果累累動(dòng)物基因工程前景廣闊基因工程藥物異軍突起基因治療曙光初照一、植物基因工程碩果累累

哪些轉(zhuǎn)基因作物已進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用階段?轉(zhuǎn)基因大豆、玉米、棉花和油菜植物基因工程技術(shù)主要用于哪些方面?提高農(nóng)作物的抗逆能力（如抗除草劑、抗蟲(chóng)、抗病、抗干旱和抗鹽堿等）,以及改良農(nóng)作物的品質(zhì)和利用植物生產(chǎn)藥物等方面.植物基因工程技術(shù)應(yīng)用舉例：①抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因植物②抗病轉(zhuǎn)基因植物③抗逆轉(zhuǎn)基因植物④利用轉(zhuǎn)基因改良作物品質(zhì)(一)抗蟲(chóng)轉(zhuǎn)基因植物1.蟲(chóng)害給農(nóng)作物帶來(lái)了哪些影響?2.傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)如何防治害蟲(chóng)?有哪些不足?3.現(xiàn)在已有哪些抗蟲(chóng)植物問(wèn)世?3.抗蟲(chóng)基因Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制劑基因、淀粉酶抑制劑基因、植物凝集素基因等請(qǐng)閱讀P18生物資料技術(shù)卡,了解一些抗蟲(chóng)基因的抗蟲(chóng)機(jī)理。設(shè)計(jì)抗蟲(chóng)棉的培育方案設(shè)計(jì)提示：1.Bt毒蛋白是由蘇云金桿菌中的Bt毒蛋白基因控制合成的。2.將Bt毒蛋白基因?qū)朊藁w內(nèi)可以使其具備殺蟲(chóng)功能。3.寫(xiě)出比較詳盡的步驟和一些關(guān)鍵步驟的原理。（二）抗病轉(zhuǎn)基因植物1.什么是病原微生物？有哪些種類(lèi)？引起生物生病的微生物，主要有病毒、真菌和細(xì)菌等2.在抗病轉(zhuǎn)基因植物中使用最多的是什么基因？病毒外殼蛋白（coatprotein，CP）基因；病毒的復(fù)制酶基因3.在抗真菌轉(zhuǎn)基因植物中使用什么基因？幾丁質(zhì)酶基因和抗毒素合成基因（三）抗逆轉(zhuǎn)基因植物1.哪些環(huán)境條件會(huì)造成農(nóng)作物低產(chǎn)、減產(chǎn)？鹽堿、干旱、低溫和澇害等2.鹽堿和干旱對(duì)農(nóng)作物的危害與什么有關(guān)？細(xì)胞內(nèi)的滲透壓調(diào)節(jié)3.在抗鹽堿和抗干旱作物中使用了什么基因？調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓的基因4.轉(zhuǎn)基因耐寒的煙草和番茄中哪種目的基因提高了其抗寒能力？目的基因從何而來(lái)？魚(yú)的抗凍蛋白基因5.抗除草劑基因有何用途？噴灑除草劑時(shí)，殺死田間的雜草而不損傷作物成果：A.利用調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓的基因，提高作物抗旱和抗鹽堿能力；B.將魚(yú)的抗凍蛋白基因轉(zhuǎn)入番茄，提高番茄的抗凍能力。C.將抗除草劑基因?qū)朕r(nóng)作物中，在噴灑除草劑時(shí)，殺死雜草而不殺死農(nóng)作物。（四）利用轉(zhuǎn)基因改良農(nóng)作物品質(zhì)成果：A．將富含賴(lài)氨酸的蛋白質(zhì)的編碼基因?qū)胗衩?，獲得的轉(zhuǎn)基因玉米賴(lài)氨酸含量提高30％。

B．將控制番茄成熟的基因?qū)敕眩@得轉(zhuǎn)基因延熟番茄，儲(chǔ)存期可以達(dá)2個(gè)月。

C．將與植物花青素有關(guān)的基因?qū)氚珷颗Ｖ校D(zhuǎn)基因矮牽牛出現(xiàn)顏色變異。將富含賴(lài)氨酸的蛋白質(zhì)的編碼基因?qū)胗衩?，獲得的轉(zhuǎn)基因玉米賴(lài)氨酸含量提高30％。

將控制番茄成熟的基因?qū)敕?，獲得轉(zhuǎn)基因延熟番茄，儲(chǔ)存期可以達(dá)2個(gè)月。將與植物花青素有關(guān)的基因?qū)氚珷颗Ｖ?，轉(zhuǎn)基因矮牽牛出現(xiàn)顏色變異。轉(zhuǎn)基因藍(lán)玫瑰二、動(dòng)物基因工程前景廣闊（一）用于提高動(dòng)物生長(zhǎng)速度——?jiǎng)游锲贩N改良、建立生物反應(yīng)器、器官移植等導(dǎo)入外源生長(zhǎng)激素基因（二）用于改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)舉例說(shuō)明將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M，轉(zhuǎn)基因牛分泌的乳汁中乳糖的含量大大減低。乳糖含量低（三）用轉(zhuǎn)基因的動(dòng)物生產(chǎn)藥物思考:就藥物基因而言，最理想的表達(dá)場(chǎng)所是哪里？轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的乳腺。

（1）乳腺是一個(gè)外分泌器官，乳汁不進(jìn)入體內(nèi)循環(huán)，不會(huì)影響轉(zhuǎn)基因動(dòng)物本身的生理代謝反應(yīng)。（2）從乳汁中獲取目的基因產(chǎn)物，產(chǎn)量高，易提純，表達(dá)的蛋白質(zhì)已經(jīng)過(guò)充分的修飾加工，具有穩(wěn)定的生物活性。（3）從乳汁中源源不斷獲得目的基因的產(chǎn)物的同時(shí)，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物又可無(wú)限繁殖。思考:為什么乳腺能成為基因藥物最理想的表達(dá)場(chǎng)所呢？將藥物蛋白基因與乳腺蛋白基因的啟動(dòng)子等調(diào)控組件重組在一起，通過(guò)顯微注射等方法，導(dǎo)入哺乳動(dòng)物的受精卵中，將受精卵送入母體，使其發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物進(jìn)入泌乳期后，可以通過(guò)分泌乳汁生產(chǎn)所需要的藥品，稱(chēng)為乳腺生物反應(yīng)器。乳腺生物反應(yīng)器操作過(guò)程：獲取目的基因（藥用蛋白基因）構(gòu)建基因表達(dá)載體（藥用蛋白基因與乳腺蛋白基因的啟動(dòng)子等調(diào)控組件重組）顯微注射（哺乳動(dòng)物受精卵中）形成胚胎將胚胎送入母體動(dòng)物發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動(dòng)物（只有在產(chǎn)下的雌性動(dòng)物個(gè)體中，轉(zhuǎn)入的基因才能表達(dá)）動(dòng)物進(jìn)入泌乳期（分泌的乳汁中包含所需要的藥物）優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)量高；質(zhì)量好成本低；易提?。ㄋ模┯棉D(zhuǎn)基因動(dòng)物作器官移植的供體利用基因工程對(duì)豬的器官進(jìn)行改造方法：將器官供體基因組導(dǎo)入某種調(diào)節(jié)因子，以抑制抗原決定基因的表達(dá)或設(shè)法除去抗原決定基因，再結(jié)合克隆技術(shù)，培育出沒(méi)有免疫排斥反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因克隆豬器官?？衫檬裁捶椒▉?lái)解決上述問(wèn)題？

利用基因工程方法制造“工程菌”，可高效率地生產(chǎn)出各種高質(zhì)量、低成本的藥品。三、基因工程藥品異軍突起在傳統(tǒng)的藥品生產(chǎn)中，某些藥品如胰島素、干擾素直接從生物的組織、細(xì)胞或血液中提取。由于受原料來(lái)源的限制，價(jià)格十分昂貴。工程菌:用基因工程方法，使外源基因得到高效率表達(dá)的菌類(lèi)細(xì)胞株系。基因工程藥品包括：細(xì)胞因子（即淋巴因子如白細(xì)胞介素—2、干擾素）、抗體、疫苗、激素等什么是工程菌，利用工程菌生產(chǎn)的藥物有哪些？利用微生物生產(chǎn)藥物的優(yōu)越性何在?有以下優(yōu)越性：（1）利用活細(xì)胞作為表達(dá)系統(tǒng)，表達(dá)效率高，無(wú)需大型裝置和大面積廠房就可以生產(chǎn)出大量藥品。（2）可以解決傳統(tǒng)制藥中原料來(lái)源的不足。利用基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)就不需要從動(dòng)物或人體上獲取原料。（3）降低生產(chǎn)成本，減少生產(chǎn)人員和管理人員。1、基因治療概念：四、基因治療曙光初照

把正常基因?qū)氩∪梭w內(nèi)，使該基因的表達(dá)產(chǎn)物發(fā)揮功能，從而達(dá)到治療疾病的目的，是治療遺傳病的最有效的手段。（把特定的外源基因?qū)胗谢蛉毕莸募?xì)胞中，從而達(dá)到治療疾病的目的）實(shí)例：

將腺苷酸脫氨酶基因轉(zhuǎn)入取自患者的淋巴細(xì)胞中，再將這種淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)入患者體內(nèi)。對(duì)嚴(yán)重復(fù)合型免疫缺陷癥的治療3、基因治療的類(lèi)型體外基因治療：先從病人體內(nèi)獲得某種細(xì)胞，進(jìn)行培養(yǎng)，然后在體外完成基因轉(zhuǎn)移，再篩選成功轉(zhuǎn)移的細(xì)胞擴(kuò)增培養(yǎng)，最后重新輸入患者體內(nèi)。體內(nèi)基因治療：直接向人體組織細(xì)胞中轉(zhuǎn)移基因的治病方法。（如將治療囊性纖維病的正?；蜣D(zhuǎn)入患者肺組織）4、基因治療的發(fā)展現(xiàn)狀：處于初期的臨床試驗(yàn)階段5、用于基因治療的基因種類(lèi)：正?；颉⒎戳x基因和自殺基因2019新型冠狀病毒的基因檢測(cè)新型冠狀病毒是RNA病毒，若直接通過(guò)RNA測(cè)序方法檢測(cè)，速度會(huì)很慢。因此，目前的檢測(cè)基本都采用反轉(zhuǎn)錄+實(shí)時(shí)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)法（RT-PCR），擴(kuò)增病原體的核酸，同時(shí)通過(guò)熒光探針實(shí)時(shí)檢測(cè)擴(kuò)增產(chǎn)物。這種方法很靈敏，也能夠很好地定量。1.從RNA（或mRNA）反轉(zhuǎn)錄合成cDNA第一鏈：2.于95℃加熱5～10min，滅活反轉(zhuǎn)錄酶，使RNA—cDNA雜交體變性，然后迅速冰浴冷卻：3.PCR擴(kuò)增：方法基本同PCR。題型一轉(zhuǎn)基因植物的應(yīng)用【例1】

我國(guó)科學(xué)家利用基因工程技術(shù)將海藻合成酶基因轉(zhuǎn)移到甘蔗體內(nèi),獲得了抗旱、高產(chǎn)、高糖的甘蔗新品種。下列關(guān)于植物基因工程的說(shuō)法,正確的是()A.我國(guó)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉是轉(zhuǎn)入了植物凝集素基因培育出來(lái)的B.可用于轉(zhuǎn)基因植物的抗蟲(chóng)基因只有植物凝集素基因和蛋白酶抑制劑基因C.抗真菌轉(zhuǎn)基因植物中,可使用的基因有幾丁質(zhì)酶基因和抗毒素合成基因D.提高作物的抗鹽堿和抗干旱的能力,與調(diào)節(jié)滲透壓的基因無(wú)關(guān)C1.4蛋白質(zhì)工程的崛起蛋白質(zhì)工程崛起的緣由蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景

動(dòng)物基因工程技術(shù)的應(yīng)用【例2】

α1-抗胰蛋白酶缺乏癥是一種單基因遺傳病,患者成年后會(huì)出現(xiàn)肺氣腫及其他疾病,嚴(yán)重者甚至死亡。利用基因工程技術(shù)將控制該酶合成的基因?qū)胙虻氖芫?最終培育出能在乳腺細(xì)胞表達(dá)人α1-抗胰蛋白酶的轉(zhuǎn)基因羊,從而更容易獲得這種酶。下列關(guān)于該過(guò)程的敘述錯(cuò)誤的是(

)A.載體上綠色熒光蛋白基因的作用是便于篩選含有目的基因的受體細(xì)胞B.將目的基因?qū)胙虬螂准?xì)胞中,將會(huì)更加容易得到α1-抗胰蛋白酶C.培養(yǎng)出的轉(zhuǎn)基因羊的所有細(xì)胞中都含有該目的基因,故該羊有性生殖產(chǎn)生的后代也都能產(chǎn)生α1-抗胰蛋白酶D.目的基因與載體的重組過(guò)程需要DNA連接酶的催化作用C一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)，但這些天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能卻不一定完全符合人類(lèi)生產(chǎn)和生活的需要。例如：基因工程生產(chǎn)的干擾素可用于治療病毒感染和癌癥，但在體外保存卻相當(dāng)困難。例如：改造干擾素（半胱氨酸）體外很難保存干擾素（絲氨酸）體外可以保存半年玉米中賴(lài)氨酸含量比較低天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）改造改造天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）玉米中賴(lài)氨酸含量可提高數(shù)倍二、蛋白質(zhì)工程的基本原理

對(duì)天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過(guò)對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)？1、目標(biāo)：根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。2、蛋白質(zhì)工程的原理：改基因3、基本途徑：基因DNA氨基酸序列多肽鏈蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預(yù)期蛋白質(zhì)功能分子設(shè)計(jì)mRNA翻譯氨基酸序列多肽鏈DNA

合成轉(zhuǎn)錄折疊蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)生物

功能4、概念：

蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類(lèi)的生產(chǎn)和生活的需求的工程技術(shù)。

蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來(lái)的第二代基因工程。三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景蛋白質(zhì)工程目前的現(xiàn)狀：成功的例子不多，主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)發(fā)揮其功能需要依賴(lài)于正確的空間結(jié)構(gòu)，而科學(xué)家目前對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)了解很少，要設(shè)計(jì)出更加符合人類(lèi)需要的蛋白質(zhì)還需要經(jīng)過(guò)艱辛的探索。

1、病毒外殼蛋白（coatprotein,CP）基因：病毒外殼蛋白（coatprotein,CP）基因主要作用就是作為合成外殼蛋白的模板，通過(guò)轉(zhuǎn)錄、翻譯合成外殼蛋白，同病毒的遺傳物質(zhì)構(gòu)成完整的病毒。在植物中表達(dá)病毒外殼蛋白基因可以阻止病毒的侵染或癥狀的產(chǎn)生。病毒外殼蛋白的抗性機(jī)理：一種假說(shuō)認(rèn)為，當(dāng)入侵病毒的裸露核酸進(jìn)入植物細(xì)胞后，它們立即被細(xì)胞中的自由CP所重新包裹，從而阻止了入侵病毒核酸的翻譯和復(fù)制。在離體條件下，附加自由CP能夠抑制末裝配病毒的翻譯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了上述假說(shuō)；另一假說(shuō)認(rèn)為，抗性機(jī)制是在CP水平上抑制病毒脫殼，此說(shuō)法最有力的證據(jù)是轉(zhuǎn)基因植株可抗完整病毒的侵染．但不能抵御裸露病毒RNA的入侵；還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為病毒外殼蛋白的抗性機(jī)制不是外殼蛋白在起作用，而可能是它的RNA轉(zhuǎn)錄物與入侵病毒RNA之間的相互作用2、病毒復(fù)制酶基因：RNA病毒（如煙草花葉病毒）的復(fù)制酶是依賴(lài)于RNA的RNA聚合酶。病毒復(fù)制酶一般是在病毒核酸進(jìn)入寄主細(xì)胞并結(jié)合到寄主核糖體之后形成的。在植物中表達(dá)不完整的病毒復(fù)制酶基因可以顯著提高植物對(duì)病毒的抗性，作用機(jī)制還不十分清楚，可能與基因轉(zhuǎn)錄后沉默有關(guān)。

反義基因

肝癌的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中許多癌基因及生長(zhǎng)因子的基因產(chǎn)物大量表達(dá)，應(yīng)用反義核酸在轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平阻斷某些基因的異常表達(dá)，以期阻斷癌細(xì)胞內(nèi)的異常信號(hào)傳導(dǎo)，使癌細(xì)胞進(jìn)入正常分化軌道或引起細(xì)胞凋亡，從而抑制腫瘤的生長(zhǎng)。反義基因包括反義RNA、反義DNA和核酶3類(lèi)。根據(jù)堿基互補(bǔ)的原理，利用與目標(biāo)基因特定序列互補(bǔ)的短鏈核苷酸片段來(lái)封閉目標(biāo)基因表達(dá)，或利用核酶與相應(yīng)的mRNA結(jié)合使其降解，均可達(dá)到基因治療的目的。

自殺基因

某些病毒、細(xì)菌等原核生物含有一類(lèi)基因，其編碼的酶能將原來(lái)無(wú)毒的藥物前體轉(zhuǎn)化為具有細(xì)胞毒性的代謝物而殺傷宿主細(xì)胞，這類(lèi)基因稱(chēng)為"自殺基因"。這種特有的轉(zhuǎn)換酶基因-自殺基因?qū)塍w內(nèi)后，利用其產(chǎn)生的酶將無(wú)毒或低毒的藥物前體轉(zhuǎn)成細(xì)胞毒性代謝產(chǎn)物，從而殺死腫瘤細(xì)胞。近年來(lái)有關(guān)此類(lèi)研究顯示出良好的應(yīng)用前景。目前常用針對(duì)肝癌基因治療的有單純病毒Ⅰ型胸苷嘧啶激酶/戊環(huán)鳥(niǎo)苷系(HSV?TK/GCV)和胞嘧啶脫氨酶/5氟胞嘧啶(CD/5Fc)等系統(tǒng)?！纠?】

下圖表示形成鼠—人嵌合抗體的過(guò)程。請(qǐng)據(jù)圖回答下列問(wèn)題。

型一

蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用

(1)改造鼠源抗體,生產(chǎn)鼠—人嵌合抗體,屬于

(生物工程)的范疇。圖示該過(guò)程中,根據(jù)預(yù)期的嵌合抗體功能,設(shè)計(jì)嵌合抗體的結(jié)構(gòu),最終必須對(duì)

進(jìn)行操作。

(2)重組基因