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高中生物人教版 (2019)选择性必修3第3节 基因工程的应用教课ppt课件
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这是一份高中生物人教版 (2019)选择性必修3第3节 基因工程的应用教课ppt课件，共37页。PPT课件主要包含了基因治疗的发展等内容，欢迎下载使用。
某种地中海贫血（TDT）是严重的单基因病，严重时可能危及生命。人类γ基因启动子上游的调控序列中含有BCL11A蛋白结合位点，该位点结合BCL1IA蛋白后，γ基因的表达被抑制。通过改变该结合位点的序列，解除对γ基因表达的抑制，可对TDT患者实行基因治疗。研究人员扩增了γ基因上游不同长度的片段，将这些片段分别插入表达载体中进行转化和荧光检测，可以确定BCL11A蛋白结合位点的具体位置。如图所示。
思考1-1：写出基因治疗中涉及的基因工程的基本流程。
1.目的基因的获取 2.基因表达载体的构建3.将目的基因导入受体细胞 4.目的基因的检测与鉴定
思考1-2：基因工程的最基本的工具有哪些分别有什么作用？PCR扩增γ基因上游不同DNA片段的原理是什么？如何使PCR反应体系中的模板解链为单链？将扩增后的产物定向插入载体指导绿色荧光蛋白基因表达，需要在引物末端添加限制酶识别序列。据图可知，在R末端添加的序列所对应的限制酶是什么？载体为什么要有标记基因？
R等引物的作用是使DNA聚合酶（Taq酶）从引物的3'端开始连接脱氧核苷酸。PCR技术不但可以扩增目的基因，还可以定位诱变。任何基因，只要知道两端及需要变异部位的序列，就可用PCR产物（目的基因）的两端引入各种变异去改造该基因的序列。例如，常在引物5’端设计一个限制酶的位点，即使得PRC产物的末端引入所需要的限制位点。由于方法简便易行、结果准确、高效，也是最常用的定位诱变方法。
PCR扩增的原理是DNA双链复制。
在体外利用PCR技术扩增目的基因时，利用DNA的高温变性加热至90-95℃，破坏双链之间的氢键，使DNA解链变为单链。
思考1-3：将构建好的载体成功转化至除去BCLIIA基因的受体细胞中，结果发现，含F1~F6与R扩增产物的受体细胞发出绿色荧光。向培养液中添加适量的雌激素，含F1~F4与R扩增产物的受体细胞荧光消失，而含F5~F6与R扩增产物的受体细胞仍有荧光。若γ基因上游的调控序列上与引物所对应的位置不含有BCL1IA蛋白的结合位点序列，据此结果你有什么推测？
引物 F4 与 F5 在调控序列上所对应序列之间的区段上
思考1-4：基因工程研究的理论依据有哪些？
不同基因具有相同物质基础、基因是可以切割的、基因是可以转移的、多肽与基因之间存在对应关系、遗传密码是通用的、基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代。说出DNA重组技术的原理实质上是DNA复制、基因的表达。
胰岛素是治疗糖尿病的特效药物。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素需要上千头牛，生产的成本非常高。1978年，科学家将编码人胰岛素的基因导入大肠杆菌细胞中，
使大肠杆菌表达重组人胰岛素。我国拥有自主知识产权的基因工程物---重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。 除了生产胰岛素，基因工程还有那些应用呢？
抗虫棉、转基因大豆、重组人干扰素、促红细胞生成素等。
思考2-1：为获取胰岛素构建了融合表达蛋白M和tag标签的质粒，实验流程如下。请完成填空。
(1)目的基因的扩增①提取动物细胞RNA，经逆转录获得cDNA，进一步获得基因m片段。②为了获得融合tag标签的蛋白M，设计引物P2时，不能包含基因m终止密码子的编码序列，否则将导致蛋白M上不含tag标签。③PCR扩增目的基因
(2)重组质粒的构建①将Sma I切开的载体A与添加同源序列的m混合，用特定DNA酶处理形成黏性末端，然后降温以促进黏性末端碱基配对，形成A-m结合体。将A-m结合体导入大肠杆菌，利用大肠杆菌中的DNA聚合酶及DNA连接酶等，完成质粒的环化。②若正确构建的重组质粒A—m仍能被Sma I切开，则Sma I的酶切位点可能在_基因m的连接处、基因m的内部。
(3)融合蛋白的表达①用含有尿嘧啶的培养基培养URA3基因缺失型酵母，将其作为受体菌，导入质粒A-m，然后涂布于无尿嘧啶的培养基上，筛选获得目的菌株，其机理是 。②若通过抗原一抗体杂交实验检测到酵母蛋白中含lag标签，说明融合基因表达，后续实验可借助tag标签进行蛋白M的分离纯化。
受体菌在无尿嘧啶的培养基上无法生长，导入重组质粒的受体菌含有URA3基因可以长成菌落
思考2-2：基因的分离时，采用反转录法时，获得的cDNA为什么不是基因本身？若要研究基因的调控部分，应采用什么方法？ 思考2-3：为什么选材时，选用动物的胰岛细胞获取mRNA？
cDNA仅仅是在mRNA互补的DNA，不是基因本身。丢失了高等生物的内含子，启动子和终止子没有了，无法了解基因调控部分。解决的方法是构建基因组文库。
选材选用有一些特定功能，含有特定的单一基因产物。哺乳动物胰岛细胞分泌大量胰岛素。这类特化细胞含有制造特定蛋白质的大量mRNA，所以这类细胞制备mRNA比较容易。
外源基因与载体DNA的体外重组分为三种基因表达载体。①非融合蛋白表达载体是将带有起始密码子ATG的真核基因cDNA插入到合适的原核细胞启动子下游。表达产物外源蛋白不与宿主蛋白融合。②融合蛋白表达载体是将原核细胞中启动子与外源基因连接起来。表达的产物为外源蛋白与宿主细胞组成融合蛋白，表达产物分泌纯化后需将多余的肽段切除。③分泌蛋白表达载体是一般的表达载体，将信号肽的编码序列与外源基因连接，合成信号肽与外源蛋白的融合蛋白，信号肽携带外源蛋白越过细胞膜分泌到细菌的培养基中，由膜上的信号肽将融合蛋白中的信号肽切除，释放出有活性的外源蛋白。
三种不同表达方式的比较
我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等
可以用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等；
（1）对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
细胞因子、抗体、疫苗和激素等。
基因工程在医药卫生领域的应用
干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。此外，干扰素对于治疗乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等也有一定的疗效。
1993年我国批准生产重组人干扰素α-1b，它是我国批准生产的第一个基因工程药物，目前主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等。
1980-1982年，科学家用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从1Kg培养物中可以得到20—40mg干扰素。
传统生产干扰素的方法是从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取1mg干扰素。
①干扰素的化学本质是什么？②干扰素的作用机理是怎样的？③干扰素用于哪些疾病的治疗？④传统生产干扰素的方法是什么？⑤目前大量生产干扰素的方法是什么？⑥我国批准生产的第一个基因工程药物的名称叫什么？ 用于治疗哪些疾病？
病毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等
从人血液中的白细胞内提取
用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得
主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等
目前已经在牛、山羊等动物的乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要医药产品
（2）让转基因哺乳动物批量生产药物
乳腺生物反应器或乳房生物反应器
乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件
注意：启动子具有物种和组织的特异性
A.动物泌乳期有间隔B.有些蛋白不能在乳腺里表达C.某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同
A.适合于表达高等动物体内的复杂蛋白B.制备乳腺反应器的方法成熟C.乳腺是天然的高效合成蛋白质的器官D.乳汁中重组蛋白的提取和纯化相对容易
2.基因工程在医药卫生领域的应用
A.可以从动物一出生就收集产物，不论动物的性别和是否处于生殖期。B.从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产。
利用基因工程菌，除了可以生产药物，还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等
用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。
奶酪生产中用来凝聚固化奶中的蛋白质
将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶
3.基因工程在食品工业方面的应用
基因工程获得的工业用酶的纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高。
加工转化糖浆需要淀粉酶，加工烘烤食物要用到脂酶
构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产
思考2-4：什么是基因工程菌，对于改善人类生存环境会有哪些作用？有些商业价值的蛋白质可能对宿主细胞是有毒的，外源蛋白的过量表达会影响宿主细胞的生长，如何解决？
解决方案是：在培养的早期，外源基因不进行转录，宿主细胞迅速生长直至获得足够量的细胞；然后打开外源基因转录开关，使所有细胞的外源基因同时高效表达，产生有价值的基因表达产物。基因工程使得快速、廉价和大规模生产胰岛素成为可能。
哺乳动物基因的结构与人类结构基本相同
细菌或酵母菌等生物的基因结构与人类基因结构有较大差异
细菌细胞内缺少内质网、高尔基体等细胞器，合成的蛋白质可能不具有生物活性
Ca2+处理法（感受态细胞法）
不需要严格的灭菌，温度等外界条件对其影响不大
需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
从动物乳汁中提取，相对简单
（一般经过工业发酵后）从微生物细胞（或发酵液）中提取，相对复杂
寻求可替代的移植器官，如用猪的器官来解决人类器官移植的来源问题
（3）用转基因动物作为器官移植的供体
①人体器官移植的难题：
人体移植器官短缺是世界性难题
a.猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似
b.猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物
培育无免疫排斥的转基因克隆猪器官
抑制抗原决定基因表达或除去抗原决定基因
在器官供体基因组中导入某种体调节因子
【思考】假如某位心脏病病人换上经过改造的猪心脏后，过上健康人的生活，在生活中，他会遭到歧视吗？对此你怎么看？
生命和健康是人最宝贵的东西，如果一个病人换上了经过改造的猪心脏重获了健康，我们不仅不能歧视他，还应该从他身上看到现代生物技术在维持人体健康、治疗疾病等方面的应用价值；
思考2-7：如果在胰岛素制备过程中遇到一下情况，你和你的组员将如何处理？在胰岛B细胞中，当胰岛素原向胰岛素转变的过程中，furin酶可以识别并切除胰岛素原分子中特定的氨基酸序列，从而完成胰岛素的加工，产生具有生物活性的胰岛素。某些糖尿病患者体内合成的胰岛素原结构异常，不能正常完成上述过程。基因治疗该类患者的方法之一是什么？
将胰岛素基因导入胰岛B细胞以外的细胞，同时导入一些调节因子刺激该细胞再生，使之成为能分泌具生物活性胰岛素的新B细胞。目标是使胰岛素基因的表达产物在新的B细胞中能被加工，产生生物活性。
用于治疗疾病的基因工程药物有蛋白质类药物和核酸类药物。基因治疗，有的核酸类药物与致病基因结合，使致病基因失去转录的功能；有的药物以正常的基因替换有缺陷的基因。比如基因工程干细胞治疗方法，在体外将编码某种具有治疗功能的蛋白质多肽的目的基因先导入干细胞中，在移植到人的受损部位，并使目的基因有效表达，分泌大量治疗性蛋白质，达到治疗某种疾病的目的。 采用基因工程技术研制治疗性药物的优势是，难以生产的药物提高了产量和质量，降低了成本，为患者减轻了负担。治疗神经退化性疾病、自身免疫性疾病、病毒感染性疾病等。重组白细胞介素类药物。
2012年获批的首款基因治疗药物，治疗脂蛋白脂肪酶缺乏引起的肌肉萎缩。
2018年，Luxturna成功治疗先天性黑蒙病
监管部门：完善监管制度，解决伦理冲突
科研工作者：努力提高基因治疗的安全性和有效性
思考3-1：新冠病毒致病的原理是怎样的?病毒结构是怎样的？什么是疫苗？疫苗的作用原理是什么？疫苗的有效成分是什么？如何制备新冠病毒疫苗，并组织学生完成疫苗制备的技术路线图并展示。
腺病毒载体能进入非分裂细胞，其DNA不会整合到染色体DNA中。
思考3-2：疫苗接种是当前新冠肺炎疫情防控工作的一项重要举措，我国科学家研发了多种新冠疫苗，请阅读以下资料。资料一：S蛋白是新冠病毒（SARS-CV-2）感染机体的关键组分，也是研制新冠疫苗的关键起点。由中国工程院院士陈薇领衔研发的以腺病毒为载体的疫苗获准上市，为我国乃至世界预防新冠疫情又增加了一件利器。下图为陈薇团队以缺失E1等基因的人复制缺陷腺病毒（E1基因是腺病毒基因组复制的关键基因）为载体的新冠疫苗研制流程示意图。
HEK细胞是一种特殊的人胚胎肾源细胞，在该细胞中，质粒I和质粒II可在相关酶的作用下进行同源重组，形成含S蛋白基因的复制缺陷重组腺病毒。为保证上述重组腺病毒能够大量复制，HEK细胞应含有_E1_基因及其表达产物。对获得的重组腺病毒除用PCR检测s蛋白基因外，还需用 抗原-抗体杂交的方法检测S蛋白。 （2）与复制型腺病毒相比，利用复制缺陷腺病毒为载体制备成的疫苗的优点是该疫苗不能在人体细胞中复制，因而具有更高的安全性。
资料二：疫苗从研制走向临床使用，需经动物实验和临床实验等多重检测，以保证其安全性和有效性。陈薇团队对上述复制缺陷重组腺病毒疫苗的特异性免疫反应及其保护效果进行评价。图1、2表示不同的接种剂量和接种方式对小鼠免疫的影响，图3表示接种不同剂量疫苗，14天后接种新冠病毒，72小时后检测小鼠肺组织的病毒含量。
（3）IFNy是一种能增强效应T细胞活力的淋巴因子，在免疫系统组成中，它与抗体均属于 免疫活性物质。 由图1、图2结果可知，该疫苗可诱导小鼠产生明显的 细胞和体液免疫。（4）图3实验中对照组的处理为注射等量的不含疫苗的生理盐水，14 天后接种等量新冠病毒，结果显示疫苗对感染小鼠有明显的保护作用。为了达到最大的保护效果，该疫苗最适合的接种方式和剂量为肌肉注射、高剂量。（5）有人认为，最近出现的变异新冠病毒有可能使该疫苗失去保护作用。你是否赞同他的观点？请说明理由。
赞同理由是：若变异病毒的S蛋白基因发生突变，表达出的S蛋白与疫苗的S蛋白结构差异过大，会导致人体注射疫苗后产生的抗体或记忆细胞无法识别新病毒，故疫苗失去保护作用。或答“不赞同”，理由是：若变异病毒发生突变后表达出的S蛋白与疫苗的S蛋白结构差异不大，人体注射疫苗后产生的抗体或记忆细胞仍能识别并清除该病毒，疫苗仍有保护作用
科学、客观、理性看待转基因技术，面对转基因技术的利弊，应该趋利避害，而不能因噎废食。
当今世界上存在重大的问题，移植器官短缺、环境污染、能源危机等问题，如何用转基因技术加以完善？
请同学们阅读教材“基因工程的应用”，以小组单位，按照表格中几个方面来梳理，并填写表格。
思考3-4：将抗性植株的基因转入到大豆植株，增加它们对除草剂的抗性。喷洒除草剂后，杂草被杀死，而作物不受影响。思考会带来什么影响？将固氮基因转入小麦和水稻等作物中，有什么好处？你还能列举转基因技术应用的事例吗？
思考3-5：基因技术兴起，这项技术牵扯着复杂的社会伦理和安全性也很受争议。大众认为改造过的菌株可能会对人类健康和生命安全产生威胁。你是一位科学家花了大量的时间研究DNA重组技术，且这项技术只有你的团队掌握。你会采取什么措施改变人们的质疑，探究基因工程的商业或工业价值呢？
【课后练习】1.完成教材的课后练习题2.我国动物胚胎学家童第周与美国坦普恩大学牛满江先生合作，做了如下实验：他们从单尾鳍鲫鱼的卵细胞质内，提取了一种小分子核酸，并将这种核酸注射到双尾鳍金鱼的受精卵中，在发育成长的320条幼鱼中，有106条鱼由双尾鳍变成了单尾鳍，双尾鳍金鱼表现出鲫鱼的单尾鳍性状。由上述资料回答下列问题：（1）他们提取的这种核酸是___RNA_______，该核酸应该由控制鲫鱼单尾鳍发育的基因___转录______ 产生。（2）实验中还有214条幼鱼没有发育成双尾鳍，可能的原因有：__没有成功注入核酸；注入的核酸没有控制翻译；翻译产物没有影响性状发育____（写出三点原因）（3）推测106条双尾鳍鱼发育成熟后相互交配，生出的子代小鱼尾鳍的性状是__ 双尾鳍_____（单尾鳍或双尾鳍），理由是__遗传物质没有改变，单尾鳍性状的出现属于不遗传的变异_。3.拓展阅读：关于基因工程设计的安全性和伦理问题，建议可参看教材第4章的相关部分。
某种地中海贫血（TDT）是严重的单基因病，严重时可能危及生命。人类γ基因启动子上游的调控序列中含有BCL11A蛋白结合位点，该位点结合BCL1IA蛋白后，γ基因的表达被抑制。通过改变该结合位点的序列，解除对γ基因表达的抑制，可对TDT患者实行基因治疗。研究人员扩增了γ基因上游不同长度的片段，将这些片段分别插入表达载体中进行转化和荧光检测，可以确定BCL11A蛋白结合位点的具体位置。如图所示。
思考1-1：写出基因治疗中涉及的基因工程的基本流程。
1.目的基因的获取 2.基因表达载体的构建3.将目的基因导入受体细胞 4.目的基因的检测与鉴定
思考1-2：基因工程的最基本的工具有哪些分别有什么作用？PCR扩增γ基因上游不同DNA片段的原理是什么？如何使PCR反应体系中的模板解链为单链？将扩增后的产物定向插入载体指导绿色荧光蛋白基因表达，需要在引物末端添加限制酶识别序列。据图可知，在R末端添加的序列所对应的限制酶是什么？载体为什么要有标记基因？
R等引物的作用是使DNA聚合酶（Taq酶）从引物的3'端开始连接脱氧核苷酸。PCR技术不但可以扩增目的基因，还可以定位诱变。任何基因，只要知道两端及需要变异部位的序列，就可用PCR产物（目的基因）的两端引入各种变异去改造该基因的序列。例如，常在引物5’端设计一个限制酶的位点，即使得PRC产物的末端引入所需要的限制位点。由于方法简便易行、结果准确、高效，也是最常用的定位诱变方法。
PCR扩增的原理是DNA双链复制。
在体外利用PCR技术扩增目的基因时，利用DNA的高温变性加热至90-95℃，破坏双链之间的氢键，使DNA解链变为单链。
思考1-3：将构建好的载体成功转化至除去BCLIIA基因的受体细胞中，结果发现，含F1~F6与R扩增产物的受体细胞发出绿色荧光。向培养液中添加适量的雌激素，含F1~F4与R扩增产物的受体细胞荧光消失，而含F5~F6与R扩增产物的受体细胞仍有荧光。若γ基因上游的调控序列上与引物所对应的位置不含有BCL1IA蛋白的结合位点序列，据此结果你有什么推测？
引物 F4 与 F5 在调控序列上所对应序列之间的区段上
思考1-4：基因工程研究的理论依据有哪些？
不同基因具有相同物质基础、基因是可以切割的、基因是可以转移的、多肽与基因之间存在对应关系、遗传密码是通用的、基因可以通过复制把遗传信息传递给下一代。说出DNA重组技术的原理实质上是DNA复制、基因的表达。
胰岛素是治疗糖尿病的特效药物。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素需要上千头牛，生产的成本非常高。1978年，科学家将编码人胰岛素的基因导入大肠杆菌细胞中，
使大肠杆菌表达重组人胰岛素。我国拥有自主知识产权的基因工程物---重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。 除了生产胰岛素，基因工程还有那些应用呢？
抗虫棉、转基因大豆、重组人干扰素、促红细胞生成素等。
思考2-1：为获取胰岛素构建了融合表达蛋白M和tag标签的质粒，实验流程如下。请完成填空。
(1)目的基因的扩增①提取动物细胞RNA，经逆转录获得cDNA，进一步获得基因m片段。②为了获得融合tag标签的蛋白M，设计引物P2时，不能包含基因m终止密码子的编码序列，否则将导致蛋白M上不含tag标签。③PCR扩增目的基因
(2)重组质粒的构建①将Sma I切开的载体A与添加同源序列的m混合，用特定DNA酶处理形成黏性末端，然后降温以促进黏性末端碱基配对，形成A-m结合体。将A-m结合体导入大肠杆菌，利用大肠杆菌中的DNA聚合酶及DNA连接酶等，完成质粒的环化。②若正确构建的重组质粒A—m仍能被Sma I切开，则Sma I的酶切位点可能在_基因m的连接处、基因m的内部。
(3)融合蛋白的表达①用含有尿嘧啶的培养基培养URA3基因缺失型酵母，将其作为受体菌，导入质粒A-m，然后涂布于无尿嘧啶的培养基上，筛选获得目的菌株，其机理是 。②若通过抗原一抗体杂交实验检测到酵母蛋白中含lag标签，说明融合基因表达，后续实验可借助tag标签进行蛋白M的分离纯化。
受体菌在无尿嘧啶的培养基上无法生长，导入重组质粒的受体菌含有URA3基因可以长成菌落
思考2-2：基因的分离时，采用反转录法时，获得的cDNA为什么不是基因本身？若要研究基因的调控部分，应采用什么方法？ 思考2-3：为什么选材时，选用动物的胰岛细胞获取mRNA？
cDNA仅仅是在mRNA互补的DNA，不是基因本身。丢失了高等生物的内含子，启动子和终止子没有了，无法了解基因调控部分。解决的方法是构建基因组文库。
选材选用有一些特定功能，含有特定的单一基因产物。哺乳动物胰岛细胞分泌大量胰岛素。这类特化细胞含有制造特定蛋白质的大量mRNA，所以这类细胞制备mRNA比较容易。
外源基因与载体DNA的体外重组分为三种基因表达载体。①非融合蛋白表达载体是将带有起始密码子ATG的真核基因cDNA插入到合适的原核细胞启动子下游。表达产物外源蛋白不与宿主蛋白融合。②融合蛋白表达载体是将原核细胞中启动子与外源基因连接起来。表达的产物为外源蛋白与宿主细胞组成融合蛋白，表达产物分泌纯化后需将多余的肽段切除。③分泌蛋白表达载体是一般的表达载体，将信号肽的编码序列与外源基因连接，合成信号肽与外源蛋白的融合蛋白，信号肽携带外源蛋白越过细胞膜分泌到细菌的培养基中，由膜上的信号肽将融合蛋白中的信号肽切除，释放出有活性的外源蛋白。
三种不同表达方式的比较
我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等
可以用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等；
（1）对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
细胞因子、抗体、疫苗和激素等。
基因工程在医药卫生领域的应用
干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。此外，干扰素对于治疗乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等也有一定的疗效。
1993年我国批准生产重组人干扰素α-1b，它是我国批准生产的第一个基因工程药物，目前主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等。
1980-1982年，科学家用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从1Kg培养物中可以得到20—40mg干扰素。
传统生产干扰素的方法是从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取1mg干扰素。
①干扰素的化学本质是什么？②干扰素的作用机理是怎样的？③干扰素用于哪些疾病的治疗？④传统生产干扰素的方法是什么？⑤目前大量生产干扰素的方法是什么？⑥我国批准生产的第一个基因工程药物的名称叫什么？ 用于治疗哪些疾病？
病毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等
从人血液中的白细胞内提取
用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得
主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等
目前已经在牛、山羊等动物的乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要医药产品
（2）让转基因哺乳动物批量生产药物
乳腺生物反应器或乳房生物反应器
乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件
注意：启动子具有物种和组织的特异性
A.动物泌乳期有间隔B.有些蛋白不能在乳腺里表达C.某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同
A.适合于表达高等动物体内的复杂蛋白B.制备乳腺反应器的方法成熟C.乳腺是天然的高效合成蛋白质的器官D.乳汁中重组蛋白的提取和纯化相对容易
2.基因工程在医药卫生领域的应用
A.可以从动物一出生就收集产物，不论动物的性别和是否处于生殖期。B.从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产。
利用基因工程菌，除了可以生产药物，还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等
用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。
奶酪生产中用来凝聚固化奶中的蛋白质
将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶
3.基因工程在食品工业方面的应用
基因工程获得的工业用酶的纯度更高，生产成本显著降低，生产效率较高。
加工转化糖浆需要淀粉酶，加工烘烤食物要用到脂酶
构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产
思考2-4：什么是基因工程菌，对于改善人类生存环境会有哪些作用？有些商业价值的蛋白质可能对宿主细胞是有毒的，外源蛋白的过量表达会影响宿主细胞的生长，如何解决？
解决方案是：在培养的早期，外源基因不进行转录，宿主细胞迅速生长直至获得足够量的细胞；然后打开外源基因转录开关，使所有细胞的外源基因同时高效表达，产生有价值的基因表达产物。基因工程使得快速、廉价和大规模生产胰岛素成为可能。
哺乳动物基因的结构与人类结构基本相同
细菌或酵母菌等生物的基因结构与人类基因结构有较大差异
细菌细胞内缺少内质网、高尔基体等细胞器，合成的蛋白质可能不具有生物活性
Ca2+处理法（感受态细胞法）
不需要严格的灭菌，温度等外界条件对其影响不大
需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
从动物乳汁中提取，相对简单
（一般经过工业发酵后）从微生物细胞（或发酵液）中提取，相对复杂
寻求可替代的移植器官，如用猪的器官来解决人类器官移植的来源问题
（3）用转基因动物作为器官移植的供体
①人体器官移植的难题：
人体移植器官短缺是世界性难题
a.猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似
b.猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物
培育无免疫排斥的转基因克隆猪器官
抑制抗原决定基因表达或除去抗原决定基因
在器官供体基因组中导入某种体调节因子
【思考】假如某位心脏病病人换上经过改造的猪心脏后，过上健康人的生活，在生活中，他会遭到歧视吗？对此你怎么看？
生命和健康是人最宝贵的东西，如果一个病人换上了经过改造的猪心脏重获了健康，我们不仅不能歧视他，还应该从他身上看到现代生物技术在维持人体健康、治疗疾病等方面的应用价值；
思考2-7：如果在胰岛素制备过程中遇到一下情况，你和你的组员将如何处理？在胰岛B细胞中，当胰岛素原向胰岛素转变的过程中，furin酶可以识别并切除胰岛素原分子中特定的氨基酸序列，从而完成胰岛素的加工，产生具有生物活性的胰岛素。某些糖尿病患者体内合成的胰岛素原结构异常，不能正常完成上述过程。基因治疗该类患者的方法之一是什么？
将胰岛素基因导入胰岛B细胞以外的细胞，同时导入一些调节因子刺激该细胞再生，使之成为能分泌具生物活性胰岛素的新B细胞。目标是使胰岛素基因的表达产物在新的B细胞中能被加工，产生生物活性。
用于治疗疾病的基因工程药物有蛋白质类药物和核酸类药物。基因治疗，有的核酸类药物与致病基因结合，使致病基因失去转录的功能；有的药物以正常的基因替换有缺陷的基因。比如基因工程干细胞治疗方法，在体外将编码某种具有治疗功能的蛋白质多肽的目的基因先导入干细胞中，在移植到人的受损部位，并使目的基因有效表达，分泌大量治疗性蛋白质，达到治疗某种疾病的目的。 采用基因工程技术研制治疗性药物的优势是，难以生产的药物提高了产量和质量，降低了成本，为患者减轻了负担。治疗神经退化性疾病、自身免疫性疾病、病毒感染性疾病等。重组白细胞介素类药物。
2012年获批的首款基因治疗药物，治疗脂蛋白脂肪酶缺乏引起的肌肉萎缩。
2018年，Luxturna成功治疗先天性黑蒙病
监管部门：完善监管制度，解决伦理冲突
科研工作者：努力提高基因治疗的安全性和有效性
思考3-1：新冠病毒致病的原理是怎样的?病毒结构是怎样的？什么是疫苗？疫苗的作用原理是什么？疫苗的有效成分是什么？如何制备新冠病毒疫苗，并组织学生完成疫苗制备的技术路线图并展示。
腺病毒载体能进入非分裂细胞，其DNA不会整合到染色体DNA中。
思考3-2：疫苗接种是当前新冠肺炎疫情防控工作的一项重要举措，我国科学家研发了多种新冠疫苗，请阅读以下资料。资料一：S蛋白是新冠病毒（SARS-CV-2）感染机体的关键组分，也是研制新冠疫苗的关键起点。由中国工程院院士陈薇领衔研发的以腺病毒为载体的疫苗获准上市，为我国乃至世界预防新冠疫情又增加了一件利器。下图为陈薇团队以缺失E1等基因的人复制缺陷腺病毒（E1基因是腺病毒基因组复制的关键基因）为载体的新冠疫苗研制流程示意图。
HEK细胞是一种特殊的人胚胎肾源细胞，在该细胞中，质粒I和质粒II可在相关酶的作用下进行同源重组，形成含S蛋白基因的复制缺陷重组腺病毒。为保证上述重组腺病毒能够大量复制，HEK细胞应含有_E1_基因及其表达产物。对获得的重组腺病毒除用PCR检测s蛋白基因外，还需用 抗原-抗体杂交的方法检测S蛋白。 （2）与复制型腺病毒相比，利用复制缺陷腺病毒为载体制备成的疫苗的优点是该疫苗不能在人体细胞中复制，因而具有更高的安全性。
资料二：疫苗从研制走向临床使用，需经动物实验和临床实验等多重检测，以保证其安全性和有效性。陈薇团队对上述复制缺陷重组腺病毒疫苗的特异性免疫反应及其保护效果进行评价。图1、2表示不同的接种剂量和接种方式对小鼠免疫的影响，图3表示接种不同剂量疫苗，14天后接种新冠病毒，72小时后检测小鼠肺组织的病毒含量。
（3）IFNy是一种能增强效应T细胞活力的淋巴因子，在免疫系统组成中，它与抗体均属于 免疫活性物质。 由图1、图2结果可知，该疫苗可诱导小鼠产生明显的 细胞和体液免疫。（4）图3实验中对照组的处理为注射等量的不含疫苗的生理盐水，14 天后接种等量新冠病毒，结果显示疫苗对感染小鼠有明显的保护作用。为了达到最大的保护效果，该疫苗最适合的接种方式和剂量为肌肉注射、高剂量。（5）有人认为，最近出现的变异新冠病毒有可能使该疫苗失去保护作用。你是否赞同他的观点？请说明理由。
赞同理由是：若变异病毒的S蛋白基因发生突变，表达出的S蛋白与疫苗的S蛋白结构差异过大，会导致人体注射疫苗后产生的抗体或记忆细胞无法识别新病毒，故疫苗失去保护作用。或答“不赞同”，理由是：若变异病毒发生突变后表达出的S蛋白与疫苗的S蛋白结构差异不大，人体注射疫苗后产生的抗体或记忆细胞仍能识别并清除该病毒，疫苗仍有保护作用
科学、客观、理性看待转基因技术，面对转基因技术的利弊，应该趋利避害，而不能因噎废食。
当今世界上存在重大的问题，移植器官短缺、环境污染、能源危机等问题，如何用转基因技术加以完善？
请同学们阅读教材“基因工程的应用”，以小组单位，按照表格中几个方面来梳理，并填写表格。
思考3-4：将抗性植株的基因转入到大豆植株，增加它们对除草剂的抗性。喷洒除草剂后，杂草被杀死，而作物不受影响。思考会带来什么影响？将固氮基因转入小麦和水稻等作物中，有什么好处？你还能列举转基因技术应用的事例吗？
思考3-5：基因技术兴起，这项技术牵扯着复杂的社会伦理和安全性也很受争议。大众认为改造过的菌株可能会对人类健康和生命安全产生威胁。你是一位科学家花了大量的时间研究DNA重组技术，且这项技术只有你的团队掌握。你会采取什么措施改变人们的质疑，探究基因工程的商业或工业价值呢？
【课后练习】1.完成教材的课后练习题2.我国动物胚胎学家童第周与美国坦普恩大学牛满江先生合作，做了如下实验：他们从单尾鳍鲫鱼的卵细胞质内，提取了一种小分子核酸，并将这种核酸注射到双尾鳍金鱼的受精卵中，在发育成长的320条幼鱼中，有106条鱼由双尾鳍变成了单尾鳍，双尾鳍金鱼表现出鲫鱼的单尾鳍性状。由上述资料回答下列问题：（1）他们提取的这种核酸是___RNA_______，该核酸应该由控制鲫鱼单尾鳍发育的基因___转录______ 产生。（2）实验中还有214条幼鱼没有发育成双尾鳍，可能的原因有：__没有成功注入核酸；注入的核酸没有控制翻译；翻译产物没有影响性状发育____（写出三点原因）（3）推测106条双尾鳍鱼发育成熟后相互交配，生出的子代小鱼尾鳍的性状是__ 双尾鳍_____（单尾鳍或双尾鳍），理由是__遗传物质没有改变，单尾鳍性状的出现属于不遗传的变异_。3.拓展阅读：关于基因工程设计的安全性和伦理问题，建议可参看教材第4章的相关部分。
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