基因工程的應(yīng)用

1、1。3 基因工程的應(yīng)用207030基因工程在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域-農(nóng)牧業(yè)、工業(yè)、環(huán)境、能源和醫(yī)藥衛(wèi)生等方面,也展示出美妙的前景。植物基因工程碩果累累植物基因工程在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展迅速。從19962001 年，在短短的 5 年中，全世界轉(zhuǎn)基因作物的種植面積就增長了 30.2001 年，就世界范圍來看,轉(zhuǎn)基因植物種植面積首次突破 5x106hm2。其中，轉(zhuǎn)基因大豆、棉花、油菜、玉米已進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用階段,這四種轉(zhuǎn)基因作物種植面積占相關(guān)作物種植面積的比例已達(dá)到：大豆63，玉米 19,棉花13%，油菜5（圖1- 1。植物基因工程技術(shù)主要用于提高農(nóng)作物的抗逆能力(如抗除草劑、抗蟲、抗病、抗干旱和抗鹽堿等及改

2、良農(nóng)作物的品質(zhì)和利用植物生產(chǎn)藥物等方面.抗蟲轉(zhuǎn)基因植物全世界每年因蟲害造成農(nóng)作物的損失約占總產(chǎn)量的13%，達(dá)數(shù)千億美元。對(duì)農(nóng)業(yè)害蟲的防治，大多是依靠化學(xué) 農(nóng)藥。大量使用化學(xué)農(nóng)藥不僅造成了嚴(yán)峻的環(huán)境污染，損害了人類健康，而且大大增加了生產(chǎn)成本.因此,從 某些生物中分離出具有殺蟲活性的基因，將其導(dǎo)入作物中，使其具有抗蟲性，已成為防治作物蟲害的進(jìn)展趨 勢(shì).目前，已問世的轉(zhuǎn)基因抗蟲植物主要有水稻（圖117)、棉、玉米、馬鈴薯、番茄、大豆、蠶豆、煙草、 蘋果、核桃、楊、菊花和白花三葉草等.用于殺蟲的基因主要是 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.例如，我國轉(zhuǎn)基因抗蟲棉

3、就是轉(zhuǎn)入 Bt 毒蛋白基因培育出來的，它對(duì)棉鈴蟲具有較強(qiáng)的抗性。近幾年來，我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉的研究和應(yīng)用，取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展,從 1998 年占據(jù)市10200064.4200295x104hm2,20生物技術(shù)資料卡可用于轉(zhuǎn)基因植物的抗蟲基因BtBt 碼的蛋白質(zhì)會(huì)進(jìn)入害蟲的腸道，在消化酶的作用下。蛋白質(zhì)能夠降解成相對(duì)分子質(zhì)量比較小的、有毒的多肽。 多肽結(jié)合在腸上皮細(xì)胞的特異性受體上，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜穿孔，細(xì)胞腫脹裂解，最后造成害蟲死亡。由于Bt 毒蛋白對(duì)哺乳動(dòng)物無毒害作用，因而廣泛用于抗蟲轉(zhuǎn)基因植物. 阻斷或降低蛋白酶的活性，使昆蟲不能正常消化食物中的蛋白質(zhì)。這種復(fù)合物還能剌激昆蟲

4、分泌過量的消化 酶，引起害蟲的厭食反應(yīng)。淀粉酶抑制劑基因產(chǎn)生的淀粉酶抑制劑可以抑制昆蟲消化道中的淀粉酶活性，使害蟲不能消化所攝取的淀粉,從而阻斷害蟲的能量來源.植物凝集素基因控制植物合成一種糖蛋白,這種糖蛋白可與昆蟲腸道黏膜上的某種物質(zhì)結(jié)合,從而影響害 蟲對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的汲取和利用?？共∞D(zhuǎn)基因植物植物像人一樣也會(huì)生病。引起植物生病的微生物稱為病原微生物,主要有病毒、真菌和細(xì)菌等.例如,許多栽培作物由于自身缺少抗病毒的基因，因此，用常規(guī)育種的方法很難培育出抗病毒的新品種，而基因工程技 術(shù)，為培育抗病毒植物品種開辟了新的途徑。目前，人們已獲得抗煙草花葉病毒的轉(zhuǎn)基因煙草和抗病毒的轉(zhuǎn) 1-18)、甜椒（1

5、19)、番茄等多種作物?？共∞D(zhuǎn)基因植物所采納的基因,使用最多的是病毒外殼蛋白(coat protein， CP）基因和病毒的復(fù)制酶基因；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.抗逆轉(zhuǎn)基因植物環(huán)境條件對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)會(huì)造成很大影響。例如，鹽堿、干旱、低溫、澇害等不利的環(huán)境條件，是造成 低產(chǎn)、減產(chǎn)的常見因素。目前，全球的鹽堿和干旱地區(qū)分別占陸地面積的 1/3,還有許多地區(qū)屬于高寒地區(qū)。這些不利的環(huán)境條件也會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響。由于鹽堿和干旱對(duì)農(nóng)作物的危害與細(xì)胞內(nèi)滲透壓調(diào)節(jié)有關(guān)， 目前科學(xué)家們正在利用一些可以調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓的基因,來提高農(nóng)作物的抗鹽堿和抗干旱的能力，這在煙草等 植

6、物中已獲得了比較明顯的成果.科學(xué)家們還研究開發(fā)出了一批耐寒作物，使它們?cè)诤涞沫h(huán)境條件下,良好 1 20)，使煙草和番茄的耐寒能力均有提高.此外，將抗除草劑基因?qū)氪蠖?、玉米等作物? 21)，噴灑除草劑時(shí)，殺死田間雜草而不損傷作物.利用轉(zhuǎn)基因改良植物的品質(zhì)隨著人們生活水平的提高,人們對(duì)食品的要求不僅僅是吃飽，而且要富于營養(yǎng).但是，我們吃的許多食品 含有的營養(yǎng)成分并不平衡，例如，豆類食品中，含有蛋氨酸比較少，大米、玉米、小麥則含賴氨酸比較少。 或者改變這些氨基酸合成途徑中某種關(guān)鍵酶的活性，以提高氨基酸的含量。例如，我國科學(xué)家將富含賴氨酸 的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胗衩祝@得的轉(zhuǎn)基因玉米中賴氨酸的含量

7、比對(duì)比提高30% 22。番茄含有豐富的維生素,但不耐儲(chǔ)存.我國科學(xué)家將控制番茄果實(shí)成熟的基因?qū)敕?，獲得轉(zhuǎn)基因延熟 1280我國科學(xué)家還成功地將與植物花青素代謝有關(guān)的基因?qū)牖ɑ苤参锇珷颗Ｖ?，轉(zhuǎn)基因矮牽牛呈現(xiàn)出自然界沒 有的顏色變異, 大大提高了花卉的觀賞價(jià)值（1-23)。異想天開發(fā)光樹能做路燈嗎?自然界有許多生物可以發(fā)光，它們發(fā)出的光有磷光和熒光兩種.大家最熟悉的是螢火蟲，在夏天的夜晚， 它們那“騰空類星隕，拂樹若花生的秀麗熒光，曾引起人們的許多遐想?？茖W(xué)家研究發(fā)覺，螢火蟲發(fā)光是發(fā)光器中的熒光素，在熒光酶的催化下發(fā)出的間歇光。熒光素和熒光酶都是由發(fā)光基因“指揮”合成的.假如將發(fā)光基因?qū)胫?/p>

8、物，培育動(dòng)身光植物是一件十分有趣的事情。目前，科學(xué)家已培育動(dòng)身光的煙草、棉花等。科學(xué)家們正計(jì)劃培育一種發(fā)光的夾竹桃，將其種 植到高速公路的兩旁，白天做行道樹，夜晚做路燈照明。到那時(shí)，每當(dāng)夜幕降臨，公路兩旁的夾竹桃熒光閃 閃，樹樹相連，公路將變成秀麗的熒光世界。也許不久的將來,你可以用各種各樣的發(fā)光植物來裝點(diǎn)你的庭院和家居，那是多么秀麗、有趣！動(dòng)物基因工程前景寬敞動(dòng)物基因工程是 20 世紀(jì) 80 年代開始進(jìn)展起來的，它從誕生那天起，就在動(dòng)物品種改良、建立生物反應(yīng)器、器官移植等許多方面顯示了寬敞的應(yīng)用前景.用于提高動(dòng)物生長速度動(dòng)物基因工程技術(shù)可以提高動(dòng)物的生長速率。由于外源生長激素基因的表達(dá)可以使

9、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生長得更 快，因此,科學(xué)家們將這類基因?qū)雱?dòng)物體內(nèi)，以提高動(dòng)物的生長速率。例如，將外源生長激素基因?qū)刖d羊體內(nèi)，轉(zhuǎn)基因綿羊的生長速率比一般的綿羊提高30，體型增大50%；將外源生長激素基因?qū)膈庺~，9 個(gè)月1.5kg1-24)。用于改善畜產(chǎn)品的品質(zhì) 酶基因?qū)四膛；蚪M,使獲得的轉(zhuǎn)基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大減低，而其他營養(yǎng)成分不受影響. 用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)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，通過顯微注射等方法，導(dǎo)入哺乳動(dòng)物的受精卵中, 然后,將受精卵送入母體內(nèi)，使其生長發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物進(jìn)人泌乳期后，可以通過分泌的乳汁來生產(chǎn)所需要的藥品，而稱為乳

10、腺生物反應(yīng)器或乳房生物反應(yīng)器。目前，科學(xué)家已在牛和山羊等動(dòng)物乳腺生物 反應(yīng)器中表達(dá)出了抗凝血酶、血清白蛋白、生長激素和cx125）等重要醫(yī)藥產(chǎn)品。用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作器官移植的供體動(dòng)物基因工程技術(shù)有可能使建立移植器官工廠的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。目前，人體移植器官短缺是一個(gè)世界性 難題。為此，人們不得不把目光移向?qū)で罂商娲囊浦财鞴?由于豬的內(nèi)臟構(gòu)造、大小、血管分布與人極為相 似，而且豬體內(nèi)隱藏的、可導(dǎo)致人類疾病的病毒要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于靈長類動(dòng)物，是否可以用豬的器官來解決人類器 官的來源問題呢？科學(xué)家將目光集中在小型豬身上。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最大難題是免疫排斥。目前，科學(xué)家正 試圖利用基因工程方法對(duì)豬的器官進(jìn)行改造，采納

11、的方法是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)，培育出沒有免疫排斥反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因克豬器官。基因工程藥物異軍突起基因工程制藥是制藥行業(yè)突起的一支新軍，不僅具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)展速度也很快.自 20 世紀(jì) 20 年代初，第一種基因工程藥物重組人胰島素投放市場以來，利用轉(zhuǎn)基因的工程菌生產(chǎn)的藥物已有 60 多種.這些藥物包括細(xì)胞因子、抗體、疫苗、激素等。這些藥物可以用來預(yù)防和治療人類腫瘤、心藍(lán)病、遺傳病、各種傳染病、糖尿病、類風(fēng)濕等疾病.目前，美國、日本、德國等是世界上主要開發(fā)生產(chǎn)基 因工程藥物的國家。2090年代以來,我國自己生產(chǎn)的白細(xì)胞素-

12、2、干擾素、乙肝疫苗等近20藥物投放市場場，年產(chǎn)值達(dá)30億元人民幣（圖1-2。假如某位心臟病人換上了經(jīng)過改造的豬的心臟，在生活中他會(huì)遭到卑視嗎？ 基因工程的方法，使外源基因得到高效率表達(dá)的菌類細(xì)胞株系一般稱為“工程菌126 我國生產(chǎn)的部分基因工程藥物生物技術(shù)資料卡DNA）蛋白名稱蛋白名稱促腎上腺皮質(zhì)激素B 細(xì)胞生長因子降鈣素紅細(xì)胞生成素生長激素生長激素釋放因子胰島素干擾素白細(xì)胞介素血清白蛋白腫瘤壞死因子用途治療肺氣腫治療風(fēng)濕治療免疫系統(tǒng)功能失調(diào)治療軟骨病治療貧血 促進(jìn)生長 促進(jìn)生長 治療糖尿病抗病毒，抗腫瘤治療癌癥血漿補(bǔ)充物抗腫瘤我國生產(chǎn)的基因工程藥物還有哪些？請(qǐng)查閱資料或上網(wǎng)查詢。 如水痘、

13、肝炎、狂犬病等病毒引起的感染,甲此，它是一種抗病毒的特藥.此外,，每 300L1mg19801982,科學(xué)家用基因工程方法在大腸桿菌及酵母菌細(xì)胞內(nèi)獲得了干擾素，從1kg以2040mga-1b批準(zhǔn)生產(chǎn)的基因工程藥物(1993，基礎(chǔ)較差,10的時(shí)間，就使基因工程藥物從無到有,不斷進(jìn)展壯大，完成了世界上主要基因工程藥物的產(chǎn)業(yè)化。以侯云德院士(右）為首的研究人員，成功地研制出了我國第一個(gè)基因工程藥物干擾素?；蛑委熓锕獬跽杖梭w的遺傳性疾病是很難用一般藥物進(jìn)行治療的，基因工程的興起迎來了基因治療的曙光?；蛑委熓前颜；?qū)瞬∪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，這是治療遺 傳病

14、的最有效的手段。199O94 歲女童，實(shí)施了基因治療。復(fù)合型免疫缺陷癥是一種遺傳疾病。女童由于腺苷酸脫氨酶基因缺失,造成體內(nèi)缺乏腺苷酸脫氨酶;而腺苷酸 19909 脫氨酶，然后，再將這種淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)人患者體內(nèi).半年后，在血液中檢測(cè)出了被改造的淋巴細(xì)胞，女童體內(nèi)產(chǎn)生的腺苷酸脫氨酶也越來越多，女童產(chǎn)生抗體的能力顯著改善。針對(duì)這一實(shí)例，你能提出什么問題嗎？從 1990 年成功轉(zhuǎn)移腺苷酸脫氨酶基因到現(xiàn)在，大部分基因治療的臨床試驗(yàn),都是先從病人體內(nèi)獲得某種細(xì)胞,例如T 淋巴細(xì)胞，進(jìn)行培育，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)增培育,最后重新輸人患者體內(nèi)（圖228們又千方百計(jì)設(shè)計(jì)出更加簡便的基因

15、治療方法。例如,1994 年美國科學(xué)家利用經(jīng)過修飾的腺病毒作載體,成功地將治療遺傳性囊性纖維化病的正?；?因轉(zhuǎn)人患者肺組織中.這種直接向人體組織細(xì)胞中轉(zhuǎn)移基因的治病方法叫做體內(nèi)基因治療。值得提出的是，無論哪一種基因治療,目前都處于初期的臨床試驗(yàn)階段?？梢哉f，在沒 有完全解釋人類基因組的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制,充分了解基因調(diào)控機(jī)制和疾病的分子機(jī)理之前，進(jìn)行基因治療是十分困難 的。另外，還存在著技術(shù)方面、倫理道德方面，以及安全性方面的諸多困難。假如這些問題能逐一解決的話， 基2I1-27 我國研究人員正在制備用于治療的基因工程細(xì)胞生物技術(shù)資料卡用于基因治療的基因種類用于基因治療的基因有三類.第一類是從健康人體上

16、分離得到的功能正常的基因 ,用以取代病變基因,或依靠其表達(dá)產(chǎn)物,來彌補(bǔ)病變基因帶來的生理缺陷，如對(duì)血友病和地中海貧血病的治療。第二類是反義基因， 即通過產(chǎn)生的mRNA 分子,與病變基因產(chǎn)生的mRNA 進(jìn)行互補(bǔ)，來阻止非正常蛋白質(zhì)合成。第三類是編碼可以殺死癌變細(xì)胞的蛋白酶基因，又叫做自殺基因.拓展視野神奇的基因芯片你聽說過“基因芯片gene chi）又叫做DNADNA 片究競是什么？它的作用又是怎樣的呢？通俗地說,基因芯片是通過微加土技術(shù),將數(shù)以萬計(jì)、乃至百萬計(jì)的 特定序列的DNA，有規(guī)律地排列固定于2c的硅片、玻片等支持物上，構(gòu)成的一個(gè)二維探針陣列，與計(jì)算機(jī)的電子芯片十分相似，所以被稱為基因芯

17、片?；蛐酒饕糜诨驒z測(cè)工作。科學(xué)家 讓芯片上成千上萬的探針分子，與被檢測(cè)的帶有標(biāo)記的基因樣品，按堿基配對(duì)原理進(jìn)行雜交。 然后，通過熒 需要的信息?；蛐酒挠猛緩V泛,可以用于基因測(cè)序，查找有用的目的基因，或?qū)虻男蛄羞M(jìn)行分析。例如,科學(xué) 家用基因芯片分析了黑猩猩與人某段基因序列的差異，結(jié)果發(fā)覺二者核酸序列同源性在83.5%98。2之間， 揭示了二者在進(jìn)化上的高度相似性。DNA 與 DNA 芯片雜交，可以得出標(biāo)準(zhǔn)圖譜，以及從病人的基因組中分離出 DNA 與 DNA 芯片雜交,可以得出病變圖譜，再通過比較上述兩種圖譜,來對(duì)人類的許多疾?。ㄈ绺腥拘约膊?、遺傳性疾病、惡性腫瘤等)進(jìn)行診斷的?；蛐酒谂R床診斷方面表現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是:它不僅能在早期診斷中發(fā)揮作用；與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比,它可以在一張芯片上,同時(shí)對(duì)多個(gè)病人進(jìn)行多種疾病