精選文檔基因工程的應(yīng)用

1.3基因工程的應(yīng)用基因工程自20世紀(jì)70年代興起后，在短短的30年間，得到了飛速的發(fā)展，目前已成為生物科學(xué)的核心技術(shù)?；蚬こ淘趯嶋H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，也展示出美好的前景。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)用發(fā)展迅速。從1996～2001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倍。以轉(zhuǎn)基因植物研究、開發(fā)和應(yīng)用為標(biāo)志的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命，已經(jīng)在一些國家展開。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%。我國轉(zhuǎn)基因作物的種植面積也迅速增長，目前已位居世界第四（圖1-16)。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），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?？瓜x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)重的環(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發(fā)展趨勢。目前，已問世的轉(zhuǎn)基因抗蟲植物主要有水稻（圖1-17)、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)基因抗蟲棉就是轉(zhuǎn)入Bt毒蛋白基因培育出來的，它對棉鈴蟲具有較強(qiáng)的抗性。近幾年來，我國擁有自主知識產(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)的發(fā)展，從1998年占據(jù)市場份額的10%，已經(jīng)提高到2000年的64.4%，居主導(dǎo)地位。僅2002年我國抗蟲棉的栽培面積已達(dá)95x104hm2,增加收益約20億元人民幣。生物技術(shù)資料卡可用于轉(zhuǎn)基因植物的抗蟲基因Bt毒蛋白基因是從蘇云金芽孢桿菌中分離出來的抗蟲基因。當(dāng)害蟲食用含有轉(zhuǎn)基因的植物時,Bt基因編碼的蛋白質(zhì)會進(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毒蛋白對哺乳動物無毒害作用，因而廣泛用于抗蟲轉(zhuǎn)基因植物。蛋白酶抑制劑基因廣泛存在于植物中，它產(chǎn)生的抑制劑可與害蟲消化道中的蛋白酶結(jié)合形成復(fù)合物，從而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，從而影響害蟲對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用?？共∞D(zhuǎn)基因植物植物像人一樣也會生病。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)基因小麥（圖1-18)、甜椒（圖1-19)、番茄等多種作物。抗病轉(zhuǎn)基因植物所采用的基因，使用最多的是病毒外殼蛋白（coatprotein,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?？鼓孓D(zhuǎn)基因植物環(huán)境條件對農(nóng)作物的生產(chǎn)會造成很大影響。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)境條件也會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響。由于鹽堿和干旱對農(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，這在煙草等植物中已獲得了比較明顯的成果?？茖W(xué)家們還研究開發(fā)出了一批耐寒作物，使它們在寒冷的環(huán)境條件下，良好地生長。例如，將魚的抗凍蛋白基因?qū)霟煵莺头?圖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（圖1-21)，噴灑除草劑時，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。這些人體必需的氨基酸缺少后對人的健康不利?？茖W(xué)家將必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因，導(dǎo)入植物中，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?，獲得的轉(zhuǎn)基因玉米中賴氨酸的含量比對照提高30%(圖1-22)。番茄含有豐富的維生素，但不耐儲存。我國科學(xué)家將控制番茄果實成熟的基因?qū)敕?，獲得轉(zhuǎn)基因延熟番茄，儲存時間可延長1～2個月，有的可達(dá)80多天。目前，我國農(nóng)業(yè)部已批準(zhǔn)這種耐儲存番茄進(jìn)行商品化生產(chǎn)。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值（圖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”的美麗熒光，曾引起人們的許多遐想?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，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。如果將發(fā)光基因?qū)胫参?，培育出發(fā)光植物是一件十分有趣的事情。目前，科學(xué)家已培育出發(fā)光的煙草、棉花等。科學(xué)家們正計劃培育一種發(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，每當(dāng)夜幕降臨，公路兩旁的夾竹桃熒光閃閃，樹樹相連，公路將變成美麗的熒光世界。也許不久的將來，你可以用各種各樣的發(fā)光植物來裝點你的庭院和家居，那是多么漂亮、有趣！動物基因工程前景廣闊動物基因工程是20世紀(jì)80年代開始發(fā)展起來的，它從誕生那天起，就在動物品種改良、建立生物反應(yīng)器、器官移植等很多方面顯示了廣闊的應(yīng)用前景。用于提高動物生長速度動物基因工程技術(shù)可以提高動物的生長速率。由于外源生長激素基因的表達(dá)可以使轉(zhuǎn)基因動物生長得更快，因此，科學(xué)家們將這類基因?qū)雱游矬w內(nèi)，以提高動物的生長速率。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個月后有的轉(zhuǎn)基因鯉魚比對照重1.5kg(圖1-24)。用于改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)動物基因工程技術(shù)的另一個重要作用是改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)。例如，有些人食用牛奶后,對牛奶中的乳糖不能完全消化；也有些人食用牛奶后會出現(xiàn)過敏、腹瀉、惡心等不適癥狀。為了解決這一問題,科學(xué)家將腸乳糖酶基因?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)基因動物生產(chǎn)藥物最令人興奮的是利用基因工程技術(shù)，還可以使哺乳動物本身變成“批量生產(chǎn)藥物的工廠”。科學(xué)家將藥用蛋白基因與乳腺蛋白基因的啟動子等調(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)基因動物。轉(zhuǎn)基因動物進(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cx抗胰蛋白酶(圖1一25)等重要醫(yī)藥產(chǎn)品。用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植的供體動物基因工程技術(shù)有可能使建立移植器官工廠的設(shè)想成為現(xiàn)實。目前，人體移植器官短缺是一個世界性難題。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豬的器官進(jìn)行改造，采用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，不僅具有獨特的優(yōu)勢，發(fā)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①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。20世紀(jì)90年代以來，我國自己生產(chǎn)的白細(xì)胞素-2、干擾素、乙肝疫苗等近20種基因工程藥物投放市場場,年產(chǎn)值達(dá)30億元人民幣(圖1-20）。假如某位心臟病人換上了經(jīng)過改造的豬的心臟，在生活中他會遭到歧視嗎？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”圖1-26我國生產(chǎn)的部分基因工程藥物生物技術(shù)資料卡用DNA重組技術(shù)生產(chǎn)的人類蛋白藥物種類(部分)蛋白名稱用途α一抗胰蛋白酶治療肺氣腫促腎上腺皮質(zhì)激素治療風(fēng)濕B細(xì)胞生長因子治療免疫系統(tǒng)功能失調(diào)降鈣素治療軟骨病紅細(xì)胞生成素治療貧血生長激素促進(jìn)生長生長激素釋放因子促進(jìn)生長胰島素治療糖尿病干擾素抗病毒，抗腫瘤白細(xì)胞介素治療癌癥血清白蛋白血漿補(bǔ)充物腫瘤壞死因子抗腫瘤我國生產(chǎn)的基因工程藥物還有哪些？請查閱資料或上網(wǎng)查詢。干擾素是動物或人體細(xì)胞受到病毒侵染后產(chǎn)生的一種糖白。由于干擾素幾乎能抵抗所有病毒引起的感染,如水痘、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，干擾素對治療乳腺癌、骨髓癌、淋巴癌等癌癥和些白血病也有一定療效。傳統(tǒng)的干擾素生產(chǎn)方法是從人血液的白細(xì)胞內(nèi)提取的，每300L血液只能提取出1mg干擾素。1980~1982年，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細(xì)菌培養(yǎng)物中可以得到20~40mg干擾素。主要用于治療乙型肝炎的重組人干擾素a-1b是我國第一個國內(nèi)批準(zhǔn)生產(chǎn)的基因工程藥物(1993年)。我國基因工程藥物開發(fā)雖然起步較晚，基礎(chǔ)較差，但是,僅僅用了約10年的時間，就使基因工程藥物從無到有，不斷發(fā)展壯大，完成了世界上主要基因工程藥物的產(chǎn)業(yè)化。干擾素的生產(chǎn)車間干擾素的生產(chǎn)車間以侯云德院士(右)為首的研究人員，成功地研制出了我國第一個基因工程藥物――干擾素。基因治療曙光初照人體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,這是治療遺傳病的最有效的手段。199O年9月,美國對一名患有嚴(yán)重復(fù)合型免疫缺陷癥的4歲女童,實施了基因治療。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;而腺苷酸脫氨酶是人體免疫系統(tǒng)發(fā)揮正常功能作用所必需的,因此,女童不能抵抗病原微生物的威脅。1990年9月,這名女童接受了基因治療,研究人員將腺苷酸脫氨酶基因轉(zhuǎn)入取自患者的淋巴細(xì)胞中,使淋巴細(xì)胞能夠產(chǎn)生腺苷酸脫氨酶,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。針對這一實例,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,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),最后重新輸人患者體內(nèi)(圖1-27,1-28）。上述方法雖然操作復(fù)雜,但效果較為可靠,稱為體外基因治療。同時,科學(xué)蒙們又千方百計設(shè)計出更加簡便的基因治療方法。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?；蜣D(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階段?？梢哉f,在沒有完全解釋人類基因組的運轉(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。如果這些問題能逐一解決的話,基因治療將推動2I世紀(jì)的醫(yī)學(xué)革命。圖1-27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”（genechip）一詞嗎?基因芯片又叫做DNA芯片,寡核苷酸芯片,或DNA微陣列。其概念來自計算機(jī)芯片,是伴隨“人類基因組計劃”的研究進(jìn)展而快速發(fā)展起來的一門高新技術(shù)。那么,基因芯片究競是什么?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、乃至百萬計的特定序列的DNA片段（基因探針），有規(guī)律地排列固定于2cm2的硅片、玻片等支持物上，構(gòu)成的一個二維DNA探針陣列，與計算機(jī)的電子芯片十分相似，所以被稱為基因芯片?；蛐酒饕糜诨驒z測工作?？茖W(xué)家讓芯片上成千上萬的探針分子，與被檢測的帶有標(biāo)記的基因樣品，按堿基配對原理進(jìn)行雜交。然后,通過熒光檢測系統(tǒng)對芯片進(jìn)行掃描，再利用計算機(jī)系統(tǒng)，對每