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(塊根/塊莖)儲藏器官特異啟動子GoldenPotatoβ-胡蘿卜素高含量馬鈴薯(塊根/塊莖)儲藏器官特異啟動子GoldenPotatoβ1功能基因(目的基因):原始基因;改進版的基因,如單子葉植物密碼子偏好基因;雙子葉植物密碼子偏好基因;含信號肽基因(定位蛋白在細胞中表達的位置)等終止子:基因轉(zhuǎn)錄終止信號基因表達盒可以自己構(gòu)建,也可以公司合成功能基因(目的基因):原始基因;改進版的基因,如單子葉植物密2第二步:轉(zhuǎn)基因及轉(zhuǎn)基因植株的培育農(nóng)桿菌法基因槍法第二步:轉(zhuǎn)基因及轉(zhuǎn)基因植株的培育農(nóng)桿菌法基因槍法3第三步:轉(zhuǎn)基因植株的鑒定、評價與篩選——轉(zhuǎn)基因植株鑒定:報告基因、PCR,SouthernBlot(DNA雜交)——轉(zhuǎn)基因植株評價(栽培與分析):不同轉(zhuǎn)基因植株的表現(xiàn)不一樣——將符合要求的轉(zhuǎn)基因植株培育成新的品種第三步:轉(zhuǎn)基因植株的鑒定、評價與篩選——轉(zhuǎn)基因植株鑒定:報告4
對照番茄
轉(zhuǎn)Bt番茄Bt煙草蘇云金芽胞桿菌毒素蛋白基因(BT)對照煙草植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)在農(nóng)作物大豆、油菜、玉米、棉花、番茄等植物上得到成功應(yīng)用對照番茄轉(zhuǎn)Bt番茄Bt煙草蘇云金芽胞桿菌毒素蛋白5將蘇云金桿菌殺蟲蛋白(Bt)基因轉(zhuǎn)入植物,培育出抗蟲新品種轉(zhuǎn)基因?qū)φ諏φ辙D(zhuǎn)基因抗蟲煙草抗蟲棉花將蘇云金桿菌殺蟲蛋白(Bt)基因轉(zhuǎn)入植物,培育出抗蟲新品種轉(zhuǎn)6抗蟲轉(zhuǎn)基因棉花獲大面積推廣抗蟲轉(zhuǎn)基因棉花獲大面積推廣7轉(zhuǎn)基因水稻抗性栽培試驗轉(zhuǎn)基因水稻抗性栽培試驗8IngoPotrykus:GoldenRice金色稻米
β-胡蘿卜素=維生素AScience(2000)IngoPotrykus:GoldenRice金色稻9Paineetal.Nat.Biotechnol.
23,482-487(2005):優(yōu)化了基因,β-胡蘿卜素含量提高23倍Paineetal.Nat.Biotechnol.10轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)藥物蛋白植物基因工程技術(shù)的發(fā)展為利用植物作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)有用蛋白成為可能,誕生了分子農(nóng)業(yè)(分子農(nóng)場)=MolecularFarming利用基因工程技術(shù)將特定的基因轉(zhuǎn)入植物中,通過栽培轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)具有治療、診斷、或者工業(yè)用途的蛋白或多肽。轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)藥物蛋白11分子農(nóng)業(yè)示意圖分子農(nóng)業(yè)示意圖12藥物蛋白(人、家禽家獸用):疫苗、抗體、生長因子、生長激素等?!⑸矬w系:產(chǎn)量高、成本低,但有時無活性——動物細胞體系:有活性;細胞培養(yǎng)環(huán)境和產(chǎn)品分離純化苛刻,成本高,純化難(病原、過敏原)藥物蛋白(人、家禽家獸用):疫苗、抗體、生長因子、生長激素13——植物體系:可行:可以進行蛋白翻譯后的加工、形成有活性的物質(zhì));安全性好:人與植物沒有共患疾病,人對常用作物不過敏;成本低:農(nóng)作物種植投入少,可機械化大規(guī)模種植;可儲藏:1-3年以上使用方便:疫苗可以直接使用(香蕉、番茄等)——植物體系:14學(xué)術(shù)結(jié)構(gòu)和商業(yè)公司對分子農(nóng)業(yè)興趣濃厚,近20年發(fā)展迅速20多年來轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)藥物蛋白的論文數(shù)量(近1000篇,100多項專利)學(xué)術(shù)結(jié)構(gòu)和商業(yè)公司對分子農(nóng)業(yè)興趣濃厚,近20年發(fā)展迅速20多15藥物蛋白的種類:疫苗、抗體、生長激素、細胞因子、膜蛋白、酶等藥物蛋白的種類:疫苗、抗體、生長激素、細胞因子、膜蛋白、酶等16美國2002-2005年批準進行試驗的植物來源的重組蛋白美國2002-2005年批準進行試驗的植物來源的重組蛋白17瀏覽以下網(wǎng)站可了解更多轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)的藥物蛋白和工業(yè)用蛋白的研發(fā)情況:/PMPs-and-PMIPs.html瀏覽以下網(wǎng)站可了解更多轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)的藥物蛋白和工業(yè)用蛋白的18TransgenicResearch13:245–259,2004
RecombinantproteinexpressionplasmidsoptimizedforindustrialE.colifermentationandplantsystemsproducebiologicallyactivehumaninsulin-likegrowthfactor-1intransgenicriceandtobaccoplants
MitraPanahi1,ZamanAlli1,XiongyingCheng1,LoubabaBelbaraka2,JaafarBelgoudi2,RavinderSardana1,JennyPhipps2&IllimarAltosaar1,*
1DepartmentofBiochemistry,MicrobiologyandImmunology,FacultyofMedicine,UniversityofOttawa,Canada2SteacieInstituteforMolecularSciences,NationalResearchCouncilofCanada,Ottawa,Ontario,K1AOR6,Canada
TransgenicResearch13:245–2519humaninsulin-likegrowthfactor-1=hIGF-1,人胰島素樣生長因子-1asingle-chainpeptideof70aminoacidresiduessharing50%homologywithhumaninsulin.SynthesisofhIGF-1:
Mainlyintheliverandregulatedbyseveralfactorssuchashumangrowthhormonesandinsulin.MainfunctionsofhIGF-1:
1Beingessentialfornormalfetalgrowthanddevelopment;2Stimulatingproliferationandsurvivalofmanycelltypes;3Promotingdifferentiationofalimitedcelltypes.
humaninsulin-likegrowthfact20LarondwarfismhIGF1playsanimportantroleinchildhoodgrowth.InabilitytomakeorrespondtohIGF1producesadistinctivetypeofgrowthfailuretermedLarondwarfism.hIGF1continuestohaveanaboliceffectsinadults.
LarondwarfismhIGF1playsani21TheclinicalimportanceofhIGF-1hIGF-1canincreaseinsulinsensitivityandpossesseshypoglycemiceffectssimilartoinsulin,sohIGF-1maybecomeasubstitutetherapeuticagentforthepeoplewhoseinsulinreceptorshavefunctionaldefects,especiallyforthosewhohaveoneormoreofthefollowingproblems:1.
Growthhormone-sensitive(Laron-type)syndrome;2.TypeAinsulinresistancesyndrome;3.Diabetes;4.Osteoporosis;5.Acquiredimmunodeficiencysyndrome(AIDS).
ThedemandforhIGF-1islikelytoincreaseinthefuture.TheclinicalimportanceofhIG22ProductionofhIGF-1RecombinanthIGF-1(rthIGF-1)hasbeenexpressedinseveraldifferenthost–vectorsystems:
Inyeast:8to55mg/Lculture(Vaietal,2000);
InE.coli:
8.5g/Lculture,butalmostalltheIGF-1werenotsoluble(inaggregates)
(Jolyetal.,1998);
Intransgenicrabbits:ahomozygousoffspringproduced678mg/Lmilk(Zinovievaetal.,1998).ProductionofhIGF-1Re23LimitationsinthepresentsystemsexpressinghIGF-1:1.Notsolubleinbacteria;2.Formationofnon-nativeproteinshavingdifferentbiologicalactivitiesinyeast;3.Transgeneinducedinstabilityofcertaincelllinesinmammaliancellcultures;4.Contaminationofanimal-basedproductswithhumanpathogensinmammaliancellcultures;5.Highcostsofmammaliancellcultures.Limitationsinthepresentsys24Potentialadvantagesofexpressingrecombinantproteinsinplants:1.Minimalriskofcontaminationbypathogenicmicroorganisms;2.Theabilitytoeffectpost-translationalmodificationsresultinginauthenticproducts;3.HighyieldsofstableproductsbyaddingplantsignalsequencesandincreasingG+Ccontentofthecodingsequences;4.Lowscale-upcosts;5.Edibletissuescanbetargetedforprecisetissue-specificaccumulationofrecombinantproteins.Potentialadvantagesofexpres25Figure1-1.TherthIGF-1expressionconstructsusedfortransformationoftobaccoandriceplants.ThegeneconstructscontainingthehIGF-1sequences(210bp)wereplacedunderthecontrolofthemaizeubiquitin1promoter(PanelsA–C).表達載體適合大腸桿菌的基因普通基因適合植物的基因Figure1-1.TherthIGF-1expre26ProductionoftobaccoandriceviaAgrobacterium-mediation
ThetransgenicplantsandhIGF-1geneexpressionintheplantswereconfirmedbySouthernblots,RT-PCRandWesternBlots.Productionoftobaccoandrice27DidthetransgenicplantsproducehIGF-1?
Yes.hIGF-1detectionbyELISAshowedthatallthetransgenictobaccoorriceplantsproducedhIGF-1intheirleaves,buttheyieldsvarieddramaticallyamongthem.Didthetransgenicplantsprod28Figure1-2.AmountsofrthIGF-1(ngofrthIGF-1/mgoftotalprotein)ineachplantextract.TobaccoRiceProductionofhIGF-1intransgenicplantsFigure1-2.AmountsofrthIGF-29PlantsGroupsPromoterSignalsequencesCodingsequenceRangeofhIGF1levelsMeansofhIGF1levelsTobaccopUIGF-1
ubiquitin1
NoSSE.coli-codonoptimized4–129ng/mg26±7ngTobaccopULamB-IGF-1
ubiquitin1BacterialLamBSSE.coli-codonoptimized5–73ng/mg22±4ngTobaccopUSYN-IGF-1
ubiquitin1RiceprolaminSSplant-codonoptimized8–241ng/mg70±13ngRice
pUIGF-1
ubiquitin1
NoSSE.coli-codonoptimized15–371ng/mg113±24ngPlantsGroupsPromoterSignalseq30(塊根/塊莖)儲藏器官特異啟動子GoldenPotatoβ-胡蘿卜素高含量馬鈴薯(塊根/塊莖)儲藏器官特異啟動子GoldenPotatoβ31功能基因(目的基因):原始基因;改進版的基因,如單子葉植物密碼子偏好基因;雙子葉植物密碼子偏好基因;含信號肽基因(定位蛋白在細胞中表達的位置)等終止子:基因轉(zhuǎn)錄終止信號基因表達盒可以自己構(gòu)建,也可以公司合成功能基因(目的基因):原始基因;改進版的基因,如單子葉植物密32第二步:轉(zhuǎn)基因及轉(zhuǎn)基因植株的培育農(nóng)桿菌法基因槍法第二步:轉(zhuǎn)基因及轉(zhuǎn)基因植株的培育農(nóng)桿菌法基因槍法33第三步:轉(zhuǎn)基因植株的鑒定、評價與篩選——轉(zhuǎn)基因植株鑒定:報告基因、PCR,SouthernBlot(DNA雜交)——轉(zhuǎn)基因植株評價(栽培與分析):不同轉(zhuǎn)基因植株的表現(xiàn)不一樣——將符合要求的轉(zhuǎn)基因植株培育成新的品種第三步:轉(zhuǎn)基因植株的鑒定、評價與篩選——轉(zhuǎn)基因植株鑒定:報告34
對照番茄
轉(zhuǎn)Bt番茄Bt煙草蘇云金芽胞桿菌毒素蛋白基因(BT)對照煙草植物轉(zhuǎn)基因技術(shù)在農(nóng)作物大豆、油菜、玉米、棉花、番茄等植物上得到成功應(yīng)用對照番茄轉(zhuǎn)Bt番茄Bt煙草蘇云金芽胞桿菌毒素蛋白35將蘇云金桿菌殺蟲蛋白(Bt)基因轉(zhuǎn)入植物,培育出抗蟲新品種轉(zhuǎn)基因?qū)φ諏φ辙D(zhuǎn)基因抗蟲煙草抗蟲棉花將蘇云金桿菌殺蟲蛋白(Bt)基因轉(zhuǎn)入植物,培育出抗蟲新品種轉(zhuǎn)36抗蟲轉(zhuǎn)基因棉花獲大面積推廣抗蟲轉(zhuǎn)基因棉花獲大面積推廣37轉(zhuǎn)基因水稻抗性栽培試驗轉(zhuǎn)基因水稻抗性栽培試驗38IngoPotrykus:GoldenRice金色稻米
β-胡蘿卜素=維生素AScience(2000)IngoPotrykus:GoldenRice金色稻39Paineetal.Nat.Biotechnol.
23,482-487(2005):優(yōu)化了基因,β-胡蘿卜素含量提高23倍Paineetal.Nat.Biotechnol.40轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)藥物蛋白植物基因工程技術(shù)的發(fā)展為利用植物作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)有用蛋白成為可能,誕生了分子農(nóng)業(yè)(分子農(nóng)場)=MolecularFarming利用基因工程技術(shù)將特定的基因轉(zhuǎn)入植物中,通過栽培轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)具有治療、診斷、或者工業(yè)用途的蛋白或多肽。轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)藥物蛋白41分子農(nóng)業(yè)示意圖分子農(nóng)業(yè)示意圖42藥物蛋白(人、家禽家獸用):疫苗、抗體、生長因子、生長激素等?!⑸矬w系:產(chǎn)量高、成本低,但有時無活性——動物細胞體系:有活性;細胞培養(yǎng)環(huán)境和產(chǎn)品分離純化苛刻,成本高,純化難(病原、過敏原)藥物蛋白(人、家禽家獸用):疫苗、抗體、生長因子、生長激素43——植物體系:可行:可以進行蛋白翻譯后的加工、形成有活性的物質(zhì));安全性好:人與植物沒有共患疾病,人對常用作物不過敏;成本低:農(nóng)作物種植投入少,可機械化大規(guī)模種植;可儲藏:1-3年以上使用方便:疫苗可以直接使用(香蕉、番茄等)——植物體系:44學(xué)術(shù)結(jié)構(gòu)和商業(yè)公司對分子農(nóng)業(yè)興趣濃厚,近20年發(fā)展迅速20多年來轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)藥物蛋白的論文數(shù)量(近1000篇,100多項專利)學(xué)術(shù)結(jié)構(gòu)和商業(yè)公司對分子農(nóng)業(yè)興趣濃厚,近20年發(fā)展迅速20多45藥物蛋白的種類:疫苗、抗體、生長激素、細胞因子、膜蛋白、酶等藥物蛋白的種類:疫苗、抗體、生長激素、細胞因子、膜蛋白、酶等46美國2002-2005年批準進行試驗的植物來源的重組蛋白美國2002-2005年批準進行試驗的植物來源的重組蛋白47瀏覽以下網(wǎng)站可了解更多轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)的藥物蛋白和工業(yè)用蛋白的研發(fā)情況:/PMPs-and-PMIPs.html瀏覽以下網(wǎng)站可了解更多轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)的藥物蛋白和工業(yè)用蛋白的48TransgenicResearch13:245–259,2004
RecombinantproteinexpressionplasmidsoptimizedforindustrialE.colifermentationandplantsystemsproducebiologicallyactivehumaninsulin-likegrowthfactor-1intransgenicriceandtobaccoplants
MitraPanahi1,ZamanAlli1,XiongyingCheng1,LoubabaBelbaraka2,JaafarBelgoudi2,RavinderSardana1,JennyPhipps2&IllimarAltosaar1,*
1DepartmentofBiochemistry,MicrobiologyandImmunology,FacultyofMedicine,UniversityofOttawa,Canada2SteacieInstituteforMolecularSciences,NationalResearchCouncilofCanada,Ottawa,Ontario,K1AOR6,Canada
TransgenicResearch13:245–2549humaninsulin-likegrowthfactor-1=hIGF-1,人胰島素樣生長因子-1asingle-chainpeptideof70aminoacidresiduessharing50%homologywithhumaninsulin.SynthesisofhIGF-1:
Mainlyintheliverandregulatedbyseveralfactorssuchashumangrowthhormonesandinsulin.MainfunctionsofhIGF-1:
1Beingessentialfornormalfetalgrowthanddevelopment;2Stimulatingproliferationandsurvivalofmanycelltypes;3Promotingdifferentiationofalimitedcelltypes.
humaninsulin-likegrowthfact50LarondwarfismhIGF1playsanimportantroleinchildhoodgrowth.InabilitytomakeorrespondtohIGF1producesadistinctivetypeofgrowthfailuretermedLarondwarfism.hIGF1continuestohaveanaboliceffectsinadults.
LarondwarfismhIGF1playsani51TheclinicalimportanceofhIGF-1hIGF-1canincreaseinsulinsensitivityandpossesseshypoglycemiceffectssimilartoinsulin,sohIGF-1maybecomeasubstitutetherapeuticagentforthepeoplewhoseinsulinreceptorshavefunctionaldefects,especiallyforthosewhohaveoneormoreofthefollowingproblems:1.
Growthhormone-sensitive(Laron-type)syndrome;2.TypeAinsulinresistancesyndrome;3.Diabetes;4.Osteoporosis;5.Acquiredimmunodeficiencysyndrome(AIDS).
ThedemandforhIGF-1islikelytoincreaseinthefuture.TheclinicalimportanceofhIG52ProductionofhIGF-1RecombinanthIGF-1(rthIGF-1)hasbeenexpressedinseveraldifferenthost–vectorsystems:
Inyeast:8to55mg/Lculture(Vaietal,2000);
InE.coli:
8.5g/Lculture,butalmostalltheIGF-1werenotsoluble(inaggregates)
(Jolyetal.,1998);
Intransgenicrabbits:ahomozygousoffspringproduced678mg/Lmilk(Zinovievaetal.,1998).ProductionofhIGF-1Re53LimitationsinthepresentsystemsexpressinghIGF-1:1.Notsolubleinbacteria;2.Formationofnon-nativeproteinshavingdifferentbiologicalactivitiesinyeast;3.Transgeneinducedinstabilityofcertaincelllinesinmammaliancellcultures;4.Contaminationofanimal-basedproductswithhumanpathogensinmammaliancellcultures;5.Highcostsofmammaliancellcultures.Limitationsinthepresentsys54Potentialadvantagesofexpressingrecombinantproteinsinplants:1.Minimalriskofcontaminationbypathogenicmicroorganisms;2.Theabilitytoeffectpost-translationalmodificationsresultinginauthenticproducts;3.HighyieldsofstableproductsbyaddingplantsignalsequencesandincreasingG+Ccontentofthecodingsequences;4.Lowscale-upcosts;5.Edibletissuescanbetargetedforprecisetissue-specificaccumulationofrecombinantproteins.Potentialadvantagesofexpres55Figure1-1.TherthIGF-1expressionconstructsusedfortransformationoftobaccoandriceplants.ThegeneconstructscontainingthehIG
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