生物：《现代生物科技专题》(新人教版选修3)课件.ppt

1、标志：标志：1973年重组年重组DNA技术的诞生技术的诞生基因工程的诞生基因工程的诞生基因工程的原理及技术基因工程的原理及技术基因工程的应用基因工程的应用蛋白质工程蛋白质工程水母荧荧光光水水母母普通热带斑马鱼普通热带斑马鱼能发荧光的热带斑马鱼能发荧光的热带斑马鱼基因工程的概念：书基因工程的概念：书P8 金榜金榜1 1、经过哪几个时期？、经过哪几个时期？2 2、基因工程是如何曲折发展的？、基因工程是如何曲折发展的？1974197419761976：19771977：1978197819801980：19821982：一、限制性核酸内切酶一、限制性核酸内切酶“分子手术刀分子手术刀”1、来源、来源主

2、要是从主要是从原核生物中原核生物中分离纯化而来分离纯化而来（流感嗜血杆菌）（流感嗜血杆菌）2、功能、功能一种限制性核酸内切酶一种限制性核酸内切酶只能识别一种只能识别一种特定的核苷酸序列特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割，并在特定的切点上切割DNA分分子。子。寻根问底寻根问底：根据你掌握的知识，你能推测这类酶根据你掌握的知识，你能推测这类酶存在于原核生物中的作用是什么吗？存在于原核生物中的作用是什么吗？原核生物容易受到自然界外源原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，的入侵，但是生物在长期的进化过程中形成了完善但是生物在长期的进化过程中形成了完善的防御机制，以防止外来病原物的侵害。的防御机制

3、，以防止外来病原物的侵害。限制性核酸内切酶就是细菌的防御性工具，限制性核酸内切酶就是细菌的防御性工具，当外源当外源DNA侵入时，限制性核酸内切酶会侵入时，限制性核酸内切酶会将外源将外源DNA切割掉，以保证自身的安全。切割掉，以保证自身的安全。所以，所以，限制性核酸内切酶在原核生物中主限制性核酸内切酶在原核生物中主要起到切割外源要起到切割外源DNA、使之失效，从而保、使之失效，从而保护自身的作用。护自身的作用。限制性核酸内切酶作用的是限制性核酸内切酶作用的是DNADNA分子中的什么键？分子中的什么键？磷酸二酯键磷酸二酯键即脱氧核糖、磷即脱氧核糖、磷酸之间的连接酸之间的连接 GP APG A A

4、T T C C T T A A G C C C G G G G G G C C C C T T A A G A A T T C G 黏性末端黏性末端平末端平末端C C C G G G G G G C C C 限制性核酸内切酶能识别特定的核苷酸序列：限制性核酸内切酶能识别特定的核苷酸序列：科学家为何对科学家为何对“黏性末端黏性末端”很感兴趣？很感兴趣？GAATTCCGTAGAATTCGGATT 尝试写出下列序列受尝试写出下列序列受EcoRI限制酶作用后的黏性末端限制酶作用后的黏性末端CTTCATGAATTCCCTAA GAAGTACTTAAGGGATT CTTAAGGCATCTTAAGCCTAA

5、 CTTCATG AATTCCCTAA GAAGTACTTAA GGGATT GGCATCTTAAAATTCCGTAG 二、二、DNA连接酶连接酶“分子缝合针分子缝合针”1、作用、作用把两条把两条DNA末端之间的缝隙末端之间的缝隙“缝合缝合”起来。起来。G A A T T C C T T A A G 即脱氧核糖、磷酸基之间的连接即脱氧核糖、磷酸基之间的连接 GP AP2、分类、分类E.coli DNA连接酶连接酶只能将双链只能将双链DNA片段互补的片段互补的黏性末端之间连接起来，黏性末端之间连接起来，不不能将双链能将双链DNA平末端之间进行连接平末端之间进行连接T4 DNA连接酶连接酶既可将双

6、链既可将双链DNA片段片段互补的互补的黏性末端之间连接起来，黏性末端之间连接起来，也能将双也能将双链链DNA平末端之间进行连接，但连接平末平末端之间进行连接，但连接平末端的效率比较低端的效率比较低寻根问底寻根问底：DNA连接酶和连接酶和DNA聚合酶是一回事吗？为什么？聚合酶是一回事吗？为什么？不是。两者的差别在于不是。两者的差别在于（1）DNA聚合酶只能将聚合酶只能将单个的核苷酸单个的核苷酸加到已有的加到已有的核酸片段的核酸片段的3末端的羟基上，形成磷酸二脂键，而末端的羟基上，形成磷酸二脂键，而DNA连接酶是在连接酶是在两个两个DNA片段片段之间形成磷酸二脂键。之间形成磷酸二脂键。（2）DNA

7、聚合酶是聚合酶是以一条以一条DNA为模板为模板，将单个核，将单个核苷酸通过形成磷酸二脂键形成一条与摸板互补的苷酸通过形成磷酸二脂键形成一条与摸板互补的DNA链；而链；而DNA连接酶是将双链上的两个缺口同时连接酶是将双链上的两个缺口同时连接起来。因此连接起来。因此DNA连接酶不需要摸板。连接酶不需要摸板。三、基因进入受体细胞的三、基因进入受体细胞的载体载体 “分子运输车分子运输车”1、通常以质粒作为载体、通常以质粒作为载体质粒质粒细菌细胞中一种很小的环状细菌细胞中一种很小的环状DNA分子。分子。裸露的、结构简单、独立于细菌之外，并且有自我裸露的、结构简单、独立于细菌之外，并且有自我复制能力复制能

8、力氨苄青霉素氨苄青霉素抗性基因抗性基因质粒质粒拟核拟核大肠杆菌细胞大肠杆菌细胞目的基因插入位点目的基因插入位点复制原点复制原点思考：思考：具备什么样的条件才能充当具备什么样的条件才能充当“分子运输车分子运输车”？能自我复制能自我复制有一个或多个切割位点有一个或多个切割位点有标记基因有标记基因对受体细胞无害等。对受体细胞无害等。2、作用、作用 将外源将外源DNA携带进受体细胞后，携带进受体细胞后，停留在细停留在细胞中进行自我复制胞中进行自我复制或或整合到染色体上整合到染色体上，随染色，随染色体体DNA进行同步复制。质粒进行同步复制。质粒DNA分子上有特分子上有特殊的遗传标记基因，如殊的遗传标记基

9、因，如抗四环素、氨苄青霉素抗四环素、氨苄青霉素等标记基因等标记基因，供重组，供重组DNA的鉴定和选择。的鉴定和选择。3、其他载体、其他载体 噬菌体、动植物病毒噬菌体、动植物病毒 在基因工程操作中，真正被用作载体的质粒，在基因工程操作中，真正被用作载体的质粒，都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。都是在天然质粒的基础上进行过人工改造的。基因工程的一般过程与技术基因工程的一般过程与技术1、据图、据图1-4说出基因工程的基本过程。说出基因工程的基本过程。2、认真阅读、认真阅读13页图页图1-6，讨论：，讨论：目的基因是什么？目的基因是什么？受体细胞是什么？受体细胞是什么？基因表达产物是什么？基因表

10、达产物是什么？土壤农杆菌在其中可能起什么作用？土壤农杆菌在其中可能起什么作用？1 1、从基因文库中获取、从基因文库中获取 将含有某种生物不同基因的许多将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因，称为基因文库。这种生物的不同的基因，称为基因文库。一、目的基因的获取一、目的基因的获取基因组文库基因组文库含有一种生物含有一种生物全部基因全部基因的基因文库的基因文库部分基因文库部分基因文库含有一种生物含有一种生物部分基因部分基因的基因文库的基因文库像国家图书馆像国家图书馆像市图书馆像市图书馆 如

11、如cDNA文库文库基因文库像基因文库像“图书馆图书馆”每个基因是每个基因是一本书一本书 概念：概念：PCRPCR全称为全称为_，是一项，是一项 在生物在生物_复制复制_的核酸合成技术的核酸合成技术 条件：条件：_、_、_(_(做启动子做启动子)、_._.前提条件：前提条件：原理：原理：_方式：方式：以以_方式扩增，即方式扩增，即_（n n为循环的次数）为循环的次数）结果：结果：聚合酶链式反应聚合酶链式反应体外体外特定特定DNADNA片段片段DNADNA复制复制已知基因的核苷酸序列已知基因的核苷酸序列四种脱氧核苷酸四种脱氧核苷酸引物引物DNADNA聚合酶聚合酶指数指数2 2n n使目的基因的片段

12、在短时间内成百万倍地扩增使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增2 2、利用、利用PCRPCR技术扩增目的基因技术扩增目的基因一、目的基因的获取一、目的基因的获取过程：过程：a a、DNADNA变性变性（9595）：双链）：双链DNADNA模板模板 在热作用下，在热作用下，_断裂，形成断裂，形成_b b、退火、退火（复性复性2525）：系统温度降低，引物与）：系统温度降低，引物与DNADNA模板结合，形成局部模板结合，形成局部_。c c、延伸、延伸（7272）：在）：在TaqTaq酶的作用下，从引物酶的作用下，从引物的的 55端端33端端延伸，合成与模板互补延伸，合成与模板互补 的的_。氢键氢

13、键单链单链DNADNA双链双链DNADNA链链引物引物模板模板DNAdCTPdATPdGTPdTTP 热稳定热稳定DNA聚合酶（聚合酶（TaqTaq酶）酶）DNA解链解链引物结合到引物结合到互补互补DNA链链TaqTaq酶从引酶从引物起始进行物起始进行互补链合成互补链合成加热至加热至7075加热加热 至至9095冷却冷却至至 5560 若基因较小，核苷酸序列已知，也可以若基因较小，核苷酸序列已知，也可以通过通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成。合成仪用化学方法直接人工合成。3 3、人工合成、人工合成一、目的基因的获取一、目的基因的获取1.1.用一定的用一定的_切割切割 质粒，使其出现一个切质

14、粒，使其出现一个切 口，露出口，露出_。2.2.用用_切断目切断目 的基因，使其产生的基因，使其产生_ _ _。二、制备重组二、制备重组DNA分子分子 核心核心3.3.将切下的目的基因片段插入质粒的将切下的目的基因片段插入质粒的_处，处，再加入适量再加入适量_，形成了一个重组，形成了一个重组 DNADNA分子（重组质粒）分子（重组质粒）限制性核限制性核酸内切酶酸内切酶黏性末端黏性末端同一种限制性核同一种限制性核酸内切酶酸内切酶的黏性末端的黏性末端切口切口DNADNA连接酶连接酶相同相同质粒质粒DNADNA分子分子限制酶处理限制酶处理一个切口一个切口两个黏性末端两个黏性末端两个切口两个切口获得目

15、的基因获得目的基因DNADNA连接酶连接酶重组重组DNADNA分子（重组质粒）分子（重组质粒）同一种同一种4.4.过程过程:二、制备重组二、制备重组DNA分子分子复制原点复制原点+目的基因目的基因+启动子启动子+终止子终止子+标记基因标记基因它们有什么作用？它们有什么作用？二、制备重组二、制备重组DNA分子分子补：原核细胞的基因结构补：原核细胞的基因结构非编码区非编码区非编码区非编码区编码区编码区编码区上游编码区上游 编码区下游编码区下游 与与RNARNA聚合酶结合位点聚合酶结合位点启动子启动子终止子终止子 RNA RNA聚合酶能够识别调控序列中的结合位点，聚合酶能够识别调控序列中的结合位点，

16、并与其结合。并与其结合。转录开始后，转录开始后，RNARNA聚合酶沿聚合酶沿DNADNA分子移动，并分子移动，并以以DNADNA分子的一条链为模板合成分子的一条链为模板合成RNARNA。转录完毕后，转录完毕后，RNARNA链释放出来，紧接着链释放出来，紧接着RNARNA聚聚合酶也从合酶也从DNADNA模板链上脱落下来。模板链上脱落下来。不能转录为信使不能转录为信使RNARNA，不能，不能 编码蛋白质。编码蛋白质。：能转录相应的信使：能转录相应的信使RNARNA，能，能 编码蛋白质编码蛋白质 编码区编码区非编码区非编码区原核原核细胞细胞的的 基因基因结构结构有调控遗传信息表达的核有调控遗传信息表

17、达的核 苷酸序列，在该序列中，苷酸序列，在该序列中，最重要的是位于编码区上最重要的是位于编码区上 游的游的RNARNA聚合酶结合位点。聚合酶结合位点。启动子启动子补：真核细胞的基因结构补：真核细胞的基因结构编码区编码区非编码区非编码区非编码区非编码区与与RNARNA聚合酶聚合酶结合位点结合位点内含子内含子 外显子外显子 能够编码蛋白质的序列叫做外显子能够编码蛋白质的序列叫做外显子 不能够编码蛋白质的序列叫做不能够编码蛋白质的序列叫做内含子内含子启动子启动子终止子终止子编码区上游编码区上游 编码区下游编码区下游 内含子：内含子：外显子：外显子：真核真核细胞细胞的的 基因基因结构结构编码区编码区非

18、编码区非编码区外显子：能编码蛋白质的序列外显子：能编码蛋白质的序列内含子：不能编码蛋白质的序列内含子：不能编码蛋白质的序列：有调控作用的核苷酸序列，：有调控作用的核苷酸序列，包括位于编码区上游的包括位于编码区上游的RNARNA 聚合酶结合位点。聚合酶结合位点。非编码序列：非编码序列：包括非编码区和内含子包括非编码区和内含子原核细胞原核细胞真核细胞真核细胞不同点不同点编码区是编码区是_的的编码区是间隔的、编码区是间隔的、_的的相同点相同点都由能够编码蛋白质的都由能够编码蛋白质的_和具和具有调控作用的有调控作用的_区组成的区组成的原核细胞与真核细胞的基因结构比较原核细胞与真核细胞的基因结构比较思思

19、考考编码相同数目氨基酸的蛋白质，原核编码相同数目氨基酸的蛋白质，原核细胞与真核细胞基因结构一样长吗？细胞与真核细胞基因结构一样长吗？连续连续不连续不连续编码区编码区非编码非编码三、转化受体细胞三、转化受体细胞转化转化 方法方法将目的基因导入将目的基因导入植物细胞植物细胞将目的基因导入将目的基因导入动物细胞动物细胞将目的基因导入将目的基因导入微生物细胞微生物细胞农杆菌转化法农杆菌转化法基因枪法基因枪法花粉管通道法花粉管通道法显微注射法显微注射法用钙离子处理细用钙离子处理细胞（感受态细胞）胞（感受态细胞）目的基因进入目的基因进入_内，并且在内，并且在 受体细胞内维持受体细胞内维持_和和_的过程的过

20、程受体细胞受体细胞稳定稳定表达表达1 1、将目的基因导入植物细胞、将目的基因导入植物细胞（1）农杆菌转化法）农杆菌转化法双子叶植物中常用方法双子叶植物中常用方法（2）基因枪法）基因枪法（3）花粉管通道法）花粉管通道法单子叶植物常用的转化方法，成本较高单子叶植物常用的转化方法，成本较高我国独创的转化方法我国独创的转化方法如：我国的转基因抗虫棉如：我国的转基因抗虫棉三、转化受体细胞三、转化受体细胞书P16显微注射技术显微注射技术注入的是注入的是含有目的基因的表达载体含有目的基因的表达载体 是转基因动物中采用最多、最有效的是转基因动物中采用最多、最有效的一种将目的基因导入动物细胞的方法。一种将目的基

21、因导入动物细胞的方法。2 2、将目的基因导入动物细胞、将目的基因导入动物细胞三、转化受体细胞三、转化受体细胞用原核细胞作为受体细胞的原因？用原核细胞作为受体细胞的原因？繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等大肠杆菌应用最为广泛大肠杆菌应用最为广泛大肠杆菌细胞最常用的转化方法：大肠杆菌细胞最常用的转化方法：Ca2+处理细胞处理细胞感受态细胞感受态细胞重组表达载体重组表达载体DNA溶于缓冲液中与感受态细胞混合溶于缓冲液中与感受态细胞混合在一在一定的温度下促进感受态细胞吸收定的温度下促进感受态细胞吸收DNA分子分子完成转化过程。完成转化过程。3 3、将目的基因导

22、入微生物细胞、将目的基因导入微生物细胞三、转化受体细胞三、转化受体细胞四、筛选出获得目的基因的受体细胞四、筛选出获得目的基因的受体细胞是检查基因工程是否成功的一步是检查基因工程是否成功的一步（一）首先要检测转基因生物染色体（一）首先要检测转基因生物染色体 上的上的DNA上是否插入了目的基上是否插入了目的基因因检测方法是检测方法是 采用采用DNA分子杂交技术分子杂交技术 DNADNA（二）其次，还需要检测目的基因是（二）其次，还需要检测目的基因是 否转录出了否转录出了mRNA这是检测目的基因是否这是检测目的基因是否发挥功能发挥功能的的第一第一步步检测方法是检测方法是 采用分子杂交技术采用分子杂交

23、技术 DNAmRNA检查是否成功检查是否成功检测检测鉴定鉴定检测转基因生物染色体的检测转基因生物染色体的DNA DNA 上是否插入了目的基因上是否插入了目的基因检测目的基因是否转录出了检测目的基因是否转录出了mRNAmRNA检测目的基因是否翻译成蛋白质检测目的基因是否翻译成蛋白质抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等方法方法方法方法方法方法DNADNA分子杂交分子杂交分子杂交分子杂交（注意与上不同之处）（注意与上不同之处）抗原抗体杂交抗原抗体杂交四、筛选出获得目的基因的受体细胞四、筛选出获得目的基因的受体细胞DNADNA分子杂交示意图分子杂交示意图 采用一定的技术手段，将

24、两种生物的采用一定的技术手段，将两种生物的DNADNA分分子的单链放在一起，如果这两个单链具有互补子的单链放在一起，如果这两个单链具有互补的碱基序列，那么，互补的碱基序列就会结合的碱基序列，那么，互补的碱基序列就会结合在一起，形成杂合双链区；在没有互补碱基序在一起，形成杂合双链区；在没有互补碱基序列的部位，仍然是两条游离的单链。列的部位，仍然是两条游离的单链。四、筛选出获得目的基因的受体细胞四、筛选出获得目的基因的受体细胞第二节第二节 基因工程的应用基因工程的应用一、基因工程的应用一、基因工程的应用二、转基因生物的安全性问题二、转基因生物的安全性问题三、生物武器的危害性三、生物武器的危害性1

25、1、抗虫转基因植物、抗虫转基因植物 从某些生物中分离出具有杀虫活性的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。基因，将其导入作物中，使其具有抗虫性。已问世的转基因抗虫植物主要有水稻、棉、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、玉米、马铃薯、番茄、大豆、蚕豆、烟草、苹果、核桃、杨、菊花和白花三叶草等。苹果、核桃、杨、菊花和白花三叶草等。用于杀虫的基因主要是：用于杀虫的基因主要是：Bt毒蛋白基因毒蛋白基因 蛋白酶抑制剂基因蛋白酶抑制剂基因 淀粉酶抑制剂基因淀粉酶抑制剂基因 植物凝集素基因等植物凝集素基因等 例如，我国转基因抗虫棉就是转

26、入例如，我国转基因抗虫棉就是转入Bt毒蛋毒蛋白基因白基因培育出来的，它对棉铃虫具有较强培育出来的，它对棉铃虫具有较强的抗性。的抗性。一、转基因植物一、转基因植物2 2、抗病转基因植物、抗病转基因植物 引起植物生病的微生物称为病原微生物，主引起植物生病的微生物称为病原微生物，主要有病毒、真菌和细菌等。要有病毒、真菌和细菌等。目前，人们已获得抗烟草花叶病毒的转基因目前，人们已获得抗烟草花叶病毒的转基因烟草和抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等烟草和抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等多种作物。多种作物。用于抗病转基因植物的基因主要是：用于抗病转基因植物的基因主要是：病毒外壳蛋白（病毒外壳蛋白（CP）基因）

27、基因 病毒的复制酶基因病毒的复制酶基因用于抗真菌转基因植物的基因主要是：用于抗真菌转基因植物的基因主要是：几丁质酶基因和抗毒素合成基因几丁质酶基因和抗毒素合成基因3 3、其它抗逆转基因植物、其它抗逆转基因植物 利用调节细胞渗透压的基因，来提高农作物利用调节细胞渗透压的基因，来提高农作物的抗盐碱和抗干旱的能力。的抗盐碱和抗干旱的能力。将鱼的抗冻蛋白基因导入烟草和番茄，使烟将鱼的抗冻蛋白基因导入烟草和番茄，使烟草和番茄的耐寒能力均有提高。草和番茄的耐寒能力均有提高。将抗除草剂基因导入大豆、玉米等作物，喷将抗除草剂基因导入大豆、玉米等作物，喷洒除草剂时，杀死田间杂草而不损伤作物。洒除草剂时，杀死田间

28、杂草而不损伤作物。4 4、利用转基因改良植物的品质、利用转基因改良植物的品质 将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因，导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入植物中，或者改变这些氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。富含赖氨酸的转基因玉米富含赖氨酸的转基因玉米 用基因重组蓝玫瑰用基因重组蓝玫瑰 将控制番茄果实成熟的基因导入番茄，获得将控制番茄果实成熟的基因导入番茄，获得转基因延熟番茄转基因延熟番茄。将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自

29、然界没物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色变异。有的颜色变异。1 1、用于提高动物生长速度、用于提高动物生长速度 将外源生长激素基因的表达可以使转基因动将外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快。物生长得更快。转生长激素基因鲤鱼转生长激素基因鲤鱼 转生长激素基因绵羊转生长激素基因绵羊二、转基因动物二、转基因动物超级小鼠超级小鼠转生长激素基因鲤鱼转生长激素基因鲤鱼2 2、用于改善畜产品的品质、用于改善畜产品的品质 例如，有些人对牛奶中的乳糖不能完全消化例如，有些人对牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症或食用后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状，科学家将肠

30、乳糖酶基因导入奶牛基因组，状，科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁，在其他营养使获得的转基因牛分泌的乳汁，在其他营养成分不受影响的情况下，乳糖的含量大大减成分不受影响的情况下，乳糖的含量大大减低。低。乳腺生物反应器：乳腺生物反应器：目前科学家已在牛和山羊等动物乳腺生物目前科学家已在牛和山羊等动物乳腺生物反应器中表达畜了反应器中表达畜了抗凝血酶、血清白蛋白、抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和生长激素和抗胰蛋白酶抗胰蛋白酶等重要医药产品。等重要医药产品。3 3、用转基因动物生产药物、用转基因动物生产药物4 4、用转基因动物作器官移植的供体、用转基因动物作器官移植的供体 将器

31、官共同基因组导入某种调节因子，一顿将器官共同基因组导入某种调节因子，一顿抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，在结婚克隆技术，培育畜没有免决定基因，在结婚克隆技术，培育畜没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。疫排斥反应的转基因克隆猪器官。假如某位心脏病人换上了经过假如某位心脏病人换上了经过改造的猪的心脏，在生活中他改造的猪的心脏，在生活中他会遭到歧视吗？会遭到歧视吗？这些药物包括细胞因子、抗这些药物包括细胞因子、抗体、疫苗、激素。如体、疫苗、激素。如 胰岛素胰岛素、白细胞介素白细胞介素2、干扰素、乙、干扰素、乙肝疫苗等近肝疫苗等近20种基因工程药种

32、基因工程药物物 基因治疗使把正常基因导入病人体内，使该基基因治疗使把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，这是治疗遗传病的最有效的手段。目的，这是治疗遗传病的最有效的手段。三、基因工程药物异军突起三、基因工程药物异军突起四、基因治疗曙光初照四、基因治疗曙光初照生产干扰素的车间生产干扰素的车间 体外基因治疗体外基因治疗 先从病人体内获得某种细胞，先从病人体内获得某种细胞，进行培养，然后，在体外完成基因转移，再进行培养，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，最后重新输筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输

33、入患者体内。入患者体内。（效果较为可靠）（效果较为可靠）体内基因治疗体内基因治疗 直接向人体组织细胞中转移直接向人体组织细胞中转移基因的治病方法基因的治病方法用于基因治疗的基因种类用于基因治疗的基因种类第一类第一类 从健康人体上分离得到的功能从健康人体上分离得到的功能正常的基因正常的基因；第二类第二类 反义基因反义基因第三类第三类 编码可以杀死癌变细胞的编码可以杀死癌变细胞的蛋白蛋白酶基因酶基因，又称自杀基因，又称自杀基因4 蛋白质工程的应用蛋白质工程的应用一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由 通过基因工程能够大规模生产生物体内微量通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存在的活性物

34、质，并借助转基因而改变动植物性状，存在的活性物质，并借助转基因而改变动植物性状，得以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗。得以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗。然而在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现，然而在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现，这些蛋白质只是适应生物自身的需要，而对它们进这些蛋白质只是适应生物自身的需要，而对它们进行产业化开发往往不合意，需要加以改造。行产业化开发往往不合意，需要加以改造。1983年年Ulmer首先提出蛋白质工程，它是指按照特定的需首先提出蛋白质工程，它是指按照特定的需要，对蛋白质进行分子设计和改造的工程。自此以要，对蛋白质进行分子设计和改造的工

35、程。自此以后，蛋白质工程迅速发展，已成为生物工程的重要后，蛋白质工程迅速发展，已成为生物工程的重要组成部分。组成部分。4 蛋白质工程的应用蛋白质工程的应用 在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条

36、件下，大多溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。提高蛋白质的稳定性是工数酶会很快变性失活。提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来说，业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。例如例如:干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素的人的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生在大肠杆

37、菌中进行表达，产生的干扰素的抗病毒活性为的干扰素的抗病毒活性为106 U/mg，只相当于天，只相当于天然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的-干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，发现，-干扰素蛋白质中有干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸（第个半胱氨酸（第17位、位、31位和位和141位），推测可能是有一个或几个半胱氨位），推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第1

38、7位的位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产的果使大肠杆菌中生产的-干扰素的抗病性活性提干扰素的抗病性活性提高到高到108 U/mg，并且比天然，并且比天然-干扰素的贮存稳定干扰素的贮存稳定性高很多。性高很多。“后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研究蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用。蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等结构与功能认识的基础上，对蛋白质人工改造与合成，最终获得商业化的产品。二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理（1 1）从生物体

39、中分离纯化目的蛋白；）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2 2）测定其氨基酸序列；）测定其氨基酸序列；（3 3）借助核磁共振和）借助核磁共振和X X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构白质的二维重组和三维晶体结构;（4 4）设计各种处理条件，了解蛋）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；叠等对其活性与功能的影响；（5 5）设计编码该蛋白的基因改造）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；方案，如点突变；（6 6）分离、纯化新蛋白，功能检）分离、纯化新蛋白，功能检测后投

40、入实际使用。测后投入实际使用。（一）蛋白质的分子设计与改造（一）蛋白质的分子设计与改造 蛋白质工程首先是以蛋白质的结构为基础，蛋白质工程首先是以蛋白质的结构为基础，通过蛋白质的一级结构、晶体结构和溶液构象的通过蛋白质的一级结构、晶体结构和溶液构象的研究，积累了成千上万蛋白质一级结构和高级结研究，积累了成千上万蛋白质一级结构和高级结构的数据资料，并编制成系统的数据库，得以从构的数据资料，并编制成系统的数据库，得以从中找出蛋白质分子间的进化关系、一级结构和高中找出蛋白质分子间的进化关系、一级结构和高级结构的关系、结构与功能的关系方面的规律。级结构的关系、结构与功能的关系方面的规律。蛋白质作为生物大

41、分子是生物化学和分子生物学的蛋白质作为生物大分子是生物化学和分子生物学的研究重点，大量蛋白质被分离纯化，测定了它们的结构、研究重点，大量蛋白质被分离纯化，测定了它们的结构、性质和生物学作用。分子生物学有关基因组的研究，也性质和生物学作用。分子生物学有关基因组的研究，也可以用以推测出一些未知蛋白质的结构与功能。采用定可以用以推测出一些未知蛋白质的结构与功能。采用定位诱变的方法，可以对编码蛋白质的基因进行核苷酸密位诱变的方法，可以对编码蛋白质的基因进行核苷酸密码子的插入、删除、置换和改组，其结果为分子改造提码子的插入、删除、置换和改组，其结果为分子改造提供新的设计方案。现有的蛋白质是生物长期进化的

42、结果，供新的设计方案。现有的蛋白质是生物长期进化的结果，蛋白质工程则是对生物进化的模拟，按照蛋白质形成的蛋白质工程则是对生物进化的模拟，按照蛋白质形成的规律，改造蛋白质或构建新的蛋白质。规律，改造蛋白质或构建新的蛋白质。蛋白质的改造通常需要先经周密的分子设计，然后依蛋白质的改造通常需要先经周密的分子设计，然后依赖基因工程获得突变型蛋白质，以检验其是否达到了预赖基因工程获得突变型蛋白质，以检验其是否达到了预期的效果。如果改造的结果不理想，还需要从新设计再期的效果。如果改造的结果不理想，还需要从新设计再进行改造，往往经历多次实践摸索才能达到改进蛋白质进行改造，往往经历多次实践摸索才能达到改进蛋白质

43、性能的预定目标。性能的预定目标。（二）蛋白质改造工程举例（二）蛋白质改造工程举例1水蛭素改造水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由它有多种变异体，由65或或66个氨基酸残基组成。水个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，的设计方案，将将47位的位的Asn（天冬酰胺）变成（天冬酰胺）变成Lys（赖

44、氨酸），（赖氨酸），使其与分子内第使其与分子内第4或第或第5位位Thr（苏氨酸）间形成氢（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高验抗血栓形成的效果，提高20倍。倍。2生长激素改造生长激素改造生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其

45、他生理过程。许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代

46、充当锌离子配基体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第的氨基酸侧链，如第18和第和第21位位His（组氨酸）和第（组氨酸）和第17位位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。为临床用药还有大量的工作要做。3胰岛素改造胰岛素改造天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B

47、28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。4治癌酶的改造治癌酶的改造 癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（胸腺嘧啶激酶（TK）可以催

48、化胸腺嘧啶和其它结构类似物）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基磷酸化而使这些碱基3-OH缺乏缺乏,从而阻断从而阻断DNA的合成，杀的合成，杀死癌细胞。死癌细胞。HSVTK催化能力可以通过基因突变来提高。催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶从大量的随机突变中进行筛选出一种酶,在酶活性部位附近在酶活性部位附近有有6个氨基酸被替换，催化能力个氨基酸被替换，催化能力20倍以上。倍以上。蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了几蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了几个例子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造个例子。蛋白质工程除了用

49、于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。任何重大的生物研究方法相提并论。何谓蛋白质工程？在现代生物技术中，蛋白质工程出现在现代生物技术中，蛋白质工程出现得最晚，是在得最晚，是在20世纪世纪80年代初期出现的。年代初期出现的。1983年年“蛋白质工程蛋白质工程”这个名词出现后，这个名词出现后，随即被广泛接受和采用。随即被广泛接受和采用。蛋白质工程蛋白质工程是是指以蛋白质分子的结构规

50、律及其与生物指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础功能的关系作为基础,通过基因修饰或基通过基因修饰或基因合成因合成,对现有蛋白质进行改造对现有蛋白质进行改造,或制造一或制造一种新的蛋白质种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活以满足人类的生产和生活的需求。的需求。三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质一些前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到