基因工程的應(yīng)用及蛋白質(zhì)工程的崛起

基因工程的應(yīng)用及蛋白質(zhì)工程的崛起1.3基因工程的應(yīng)用植物基因工程碩果累累動物基因工程前景廣闊基因工程藥物異軍突起基因治療曙光初照一、植物基因工程碩果累累

哪些轉(zhuǎn)基因作物已進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用階段?轉(zhuǎn)基因大豆、玉米、棉花和油菜植物基因工程技術(shù)主要用于哪些方面?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.植物基因工程技術(shù)應(yīng)用舉例：①抗蟲轉(zhuǎn)基因植物②抗病轉(zhuǎn)基因植物③抗逆轉(zhuǎn)基因植物④利用轉(zhuǎn)基因改良作物品質(zhì)(一)抗蟲轉(zhuǎn)基因植物1.蟲害給農(nóng)作物帶來了哪些影響?2.傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)如何防治害蟲?有哪些不足?3.現(xiàn)在已有哪些抗蟲植物問世?3.抗蟲基因Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制劑基因、淀粉酶抑制劑基因、植物凝集素基因等請閱讀P18生物資料技術(shù)卡,了解一些抗蟲基因的抗蟲機(jī)理。設(shè)計抗蟲棉的培育方案設(shè)計提示：1.Bt毒蛋白是由蘇云金桿菌中的Bt毒蛋白基因控制合成的。2.將Bt毒蛋白基因?qū)朊藁w內(nèi)可以使其具備殺蟲功能。3.寫出比較詳盡的步驟和一些關(guān)鍵步驟的原理。（二）抗病轉(zhuǎn)基因植物1.什么是病原微生物？有哪些種類？引起生物生病的微生物，主要有病毒、真菌和細(xì)菌等2.在抗病轉(zhuǎn)基因植物中使用最多的是什么基因？病毒外殼蛋白（coatprotein，CP）基因；病毒的復(fù)制酶基因3.在抗真菌轉(zhuǎn)基因植物中使用什么基因？幾丁質(zhì)酶基因和抗毒素合成基因（三）抗逆轉(zhuǎn)基因植物1.哪些環(huán)境條件會造成農(nóng)作物低產(chǎn)、減產(chǎn)？鹽堿、干旱、低溫和澇害等2.鹽堿和干旱對農(nóng)作物的危害與什么有關(guān)？細(xì)胞內(nèi)的滲透壓調(diào)節(jié)3.在抗鹽堿和抗干旱作物中使用了什么基因？調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓的基因4.轉(zhuǎn)基因耐寒的煙草和番茄中哪種目的基因提高了其抗寒能力？目的基因從何而來？魚的抗凍蛋白基因5.抗除草劑基因有何用途？噴灑除草劑時，殺死田間的雜草而不損傷作物成果：A.利用調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓的基因，提高作物抗旱和抗鹽堿能力；B.將魚的抗凍蛋白基因轉(zhuǎn)入番茄，提高番茄的抗凍能力。C.將抗除草劑基因?qū)朕r(nóng)作物中，在噴灑除草劑時，殺死雜草而不殺死農(nóng)作物。（四）利用轉(zhuǎn)基因改良農(nóng)作物品質(zhì)成果：A．將富含賴氨酸的蛋白質(zhì)的編碼基因?qū)胗衩?，獲得的轉(zhuǎn)基因玉米賴氨酸含量提高30％。

B．將控制番茄成熟的基因?qū)敕?，獲得轉(zhuǎn)基因延熟番茄，儲存期可以達(dá)2個月。

C．將與植物花青素有關(guān)的基因?qū)氚珷颗Ｖ校D(zhuǎn)基因矮牽牛出現(xiàn)顏色變異。將富含賴氨酸的蛋白質(zhì)的編碼基因?qū)胗衩祝@得的轉(zhuǎn)基因玉米賴氨酸含量提高30％。

將控制番茄成熟的基因?qū)敕眩@得轉(zhuǎn)基因延熟番茄，儲存期可以達(dá)2個月。將與植物花青素有關(guān)的基因?qū)氚珷颗Ｖ?，轉(zhuǎn)基因矮牽牛出現(xiàn)顏色變異。轉(zhuǎn)基因藍(lán)玫瑰二、動物基因工程前景廣闊（一）用于提高動物生長速度——動物品種改良、建立生物反應(yīng)器、器官移植等導(dǎo)入外源生長激素基因（二）用于改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)舉例說明將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M，轉(zhuǎn)基因牛分泌的乳汁中乳糖的含量大大減低。乳糖含量低（三）用轉(zhuǎn)基因的動物生產(chǎn)藥物思考:就藥物基因而言，最理想的表達(dá)場所是哪里？轉(zhuǎn)基因動物的乳腺。

（1）乳腺是一個外分泌器官，乳汁不進(jìn)入體內(nèi)循環(huán)，不會影響轉(zhuǎn)基因動物本身的生理代謝反應(yīng)。（2）從乳汁中獲取目的基因產(chǎn)物，產(chǎn)量高，易提純，表達(dá)的蛋白質(zhì)已經(jīng)過充分的修飾加工，具有穩(wěn)定的生物活性。（3）從乳汁中源源不斷獲得目的基因的產(chǎn)物的同時，轉(zhuǎn)基因動物又可無限繁殖。思考:為什么乳腺能成為基因藥物最理想的表達(dá)場所呢？將藥物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，將受精卵送入母體，使其發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動物。轉(zhuǎn)基因動物進(jìn)入泌乳期后，可以通過分泌乳汁生產(chǎn)所需要的藥品，稱為乳腺生物反應(yīng)器。乳腺生物反應(yīng)器操作過程：獲取目的基因（藥用蛋白基因）構(gòu)建基因表達(dá)載體（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）顯微注射（哺乳動物受精卵中）形成胚胎將胚胎送入母體動物發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動物（只有在產(chǎn)下的雌性動物個體中，轉(zhuǎn)入的基因才能表達(dá)）動物進(jìn)入泌乳期（分泌的乳汁中包含所需要的藥物）優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)量高；質(zhì)量好成本低；易提?。ㄋ模┯棉D(zhuǎn)基因動物作器官移植的供體利用基因工程對豬的器官進(jìn)行改造方法：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)基因克隆豬器官?？衫檬裁捶椒▉斫鉀Q上述問題？

利用基因工程方法制造“工程菌”，可高效率地生產(chǎn)出各種高質(zhì)量、低成本的藥品。三、基因工程藥品異軍突起在傳統(tǒng)的藥品生產(chǎn)中，某些藥品如胰島素、干擾素直接從生物的組織、細(xì)胞或血液中提取。由于受原料來源的限制，價格十分昂貴。工程菌:用基因工程方法，使外源基因得到高效率表達(dá)的菌類細(xì)胞株系。基因工程藥品包括：細(xì)胞因子（即淋巴因子如白細(xì)胞介素—2、干擾素）、抗體、疫苗、激素等什么是工程菌，利用工程菌生產(chǎn)的藥物有哪些？利用微生物生產(chǎn)藥物的優(yōu)越性何在?有以下優(yōu)越性：（1）利用活細(xì)胞作為表達(dá)系統(tǒng)，表達(dá)效率高，無需大型裝置和大面積廠房就可以生產(chǎn)出大量藥品。（2）可以解決傳統(tǒng)制藥中原料來源的不足。利用基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)就不需要從動物或人體上獲取原料。（3）降低生產(chǎn)成本，減少生產(chǎn)人員和管理人員。1、基因治療概念：四、基因治療曙光初照

把正?；?qū)氩∪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，是治療遺傳病的最有效的手段。（把特定的外源基因?qū)胗谢蛉毕莸募?xì)胞中，從而達(dá)到治療疾病的目的）實例：

將腺苷酸脫氨酶基因轉(zhuǎn)入取自患者的淋巴細(xì)胞中，再將這種淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)入患者體內(nèi)。對嚴(yán)重復(fù)合型免疫缺陷癥的治療3、基因治療的類型體外基因治療：先從病人體內(nèi)獲得某種細(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)，最后重新輸入患者體內(nèi)。體內(nèi)基因治療：直接向人體組織細(xì)胞中轉(zhuǎn)移基因的治病方法。（如將治療囊性纖維病的正?；蜣D(zhuǎn)入患者肺組織）4、基因治療的發(fā)展現(xiàn)狀：處于初期的臨床試驗階段5、用于基因治療的基因種類：正常基因、反義基因和自殺基因2019新型冠狀病毒的基因檢測新型冠狀病毒是RNA病毒，若直接通過RNA測序方法檢測，速度會很慢。因此，目前的檢測基本都采用反轉(zhuǎn)錄+實時聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)法（RT-PCR），擴(kuò)增病原體的核酸，同時通過熒光探針實時檢測擴(kuò)增產(chǎn)物。這種方法很靈敏，也能夠很好地定量。1.從RNA（或mRNA）反轉(zhuǎn)錄合成cDNA第一鏈：2.于95℃加熱5～10min，滅活反轉(zhuǎn)錄酶，使RNA—cDNA雜交體變性，然后迅速冰浴冷卻：3.PCR擴(kuò)增：方法基本同PCR。題型一轉(zhuǎn)基因植物的應(yīng)用【例1】

我國科學(xué)家利用基因工程技術(shù)將海藻合成酶基因轉(zhuǎn)移到甘蔗體內(nèi),獲得了抗旱、高產(chǎn)、高糖的甘蔗新品種。下列關(guān)于植物基因工程的說法,正確的是()A.我國轉(zhuǎn)基因抗蟲棉是轉(zhuǎn)入了植物凝集素基因培育出來的B.可用于轉(zhuǎn)基因植物的抗蟲基因只有植物凝集素基因和蛋白酶抑制劑基因C.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D.提高作物的抗鹽堿和抗干旱的能力,與調(diào)節(jié)滲透壓的基因無關(guān)C1.4蛋白質(zhì)工程的崛起蛋白質(zhì)工程崛起的緣由蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景

動物基因工程技術(shù)的應(yīng)用【例2】

α1-抗胰蛋白酶缺乏癥是一種單基因遺傳病,患者成年后會出現(xiàn)肺氣腫及其他疾病,嚴(yán)重者甚至死亡。利用基因工程技術(shù)將控制該酶合成的基因?qū)胙虻氖芫?最終培育出能在乳腺細(xì)胞表達(dá)人α1-抗胰蛋白酶的轉(zhuǎn)基因羊,從而更容易獲得這種酶。下列關(guān)于該過程的敘述錯誤的是(

)A.載體上綠色熒光蛋白基因的作用是便于篩選含有目的基因的受體細(xì)胞B.將目的基因?qū)胙虬螂准?xì)胞中,將會更加容易得到α1-抗胰蛋白酶C.培養(yǎng)出的轉(zhuǎn)基因羊的所有細(xì)胞中都含有該目的基因,故該羊有性生殖產(chǎn)生的后代也都能產(chǎn)生α1-抗胰蛋白酶D.目的基因與載體的重組過程需要DNA連接酶的催化作用C一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)，但這些天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。例如：基因工程生產(chǎn)的干擾素可用于治療病毒感染和癌癥，但在體外保存卻相當(dāng)困難。例如：改造干擾素（半胱氨酸）體外很難保存干擾素（絲氨酸）體外可以保存半年玉米中賴氨酸含量比較低天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）改造改造天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍二、蛋白質(zhì)工程的基本原理

對天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)？1、目標(biāo)：根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計。2、蛋白質(zhì)工程的原理：改基因3、基本途徑：基因DNA氨基酸序列多肽鏈蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預(yù)期蛋白質(zhì)功能分子設(shè)計mRNA翻譯氨基酸序列多肽鏈DNA

合成轉(zhuǎn)錄折疊蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)生物

功能4、概念：

蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求的工程技術(shù)。

蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程。三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景蛋白質(zhì)工程目前的現(xiàn)狀：成功的例子不多，主要是因為蛋白質(zhì)發(fā)揮其功能需要依賴于正確的空間結(jié)構(gòu)，而科學(xué)家目前對大多數(shù)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)了解很少，要設(shè)計出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)還需要經(jīng)過艱辛的探索。

1、病毒外殼蛋白（coatprotein,CP）基因：病毒外殼蛋白（coatprotein,CP）基因主要作用就是作為合成外殼蛋白的模板，通過轉(zhuǎn)錄、翻譯合成外殼蛋白，同病毒的遺傳物質(zhì)構(gòu)成完整的病毒。在植物中表達(dá)病毒外殼蛋白基因可以阻止病毒的侵染或癥狀的產(chǎn)生。病毒外殼蛋白的抗性機(jī)理：一種假說認(rèn)為，當(dāng)入侵病毒的裸露核酸進(jìn)入植物細(xì)胞后，它們立即被細(xì)胞中的自由CP所重新包裹，從而阻止了入侵病毒核酸的翻譯和復(fù)制。在離體條件下，附加自由CP能夠抑制末裝配病毒的翻譯的實驗結(jié)果支持了上述假說；另一假說認(rèn)為，抗性機(jī)制是在CP水平上抑制病毒脫殼，此說法最有力的證據(jù)是轉(zhuǎn)基因植株可抗完整病毒的侵染．但不能抵御裸露病毒RNA的入侵；還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為病毒外殼蛋白的抗性機(jī)制不是外殼蛋白在起作用，而可能是它的RNA轉(zhuǎn)錄物與入侵病毒RNA之間的相互作用2、病毒復(fù)制酶基因：RNA病毒（如煙草花葉病毒）的復(fù)制酶是依賴于RNA的RNA聚合酶。病毒復(fù)制酶一般是在病毒核酸進(jìn)入寄主細(xì)胞并結(jié)合到寄主核糖體之后形成的。在植物中表達(dá)不完整的病毒復(fù)制酶基因可以顯著提高植物對病毒的抗性，作用機(jī)制還不十分清楚，可能與基因轉(zhuǎn)錄后沉默有關(guān)。

反義基因

肝癌的發(fā)生、發(fā)展過程中許多癌基因及生長因子的基因產(chǎn)物大量表達(dá)，應(yīng)用反義核酸在轉(zhuǎn)錄水平和翻譯水平阻斷某些基因的異常表達(dá)，以期阻斷癌細(xì)胞內(nèi)的異常信號傳導(dǎo)，使癌細(xì)胞進(jìn)入正常分化軌道或引起細(xì)胞凋亡，從而抑制腫瘤的生長。反義基因包括反義RNA、反義DNA和核酶3類。根據(jù)堿基互補(bǔ)的原理，利用與目標(biāo)基因特定序列互補(bǔ)的短鏈核苷酸片段來封閉目標(biāo)基因表達(dá)，或利用核酶與相應(yīng)的mRNA結(jié)合使其降解，均可達(dá)到基因治療的目的。

自殺基因

某些病毒、細(xì)菌等原核生物含有一類基因，其編碼的酶能將原來無毒的藥物前體轉(zhuǎn)化為具有細(xì)胞毒性的代謝物而殺傷宿主細(xì)胞，這類基因稱為"自殺基因"。這種特有的轉(zhuǎn)換酶基因-自殺基因?qū)塍w內(nèi)后，利用其產(chǎn)生的酶將無毒或低毒的藥物前體轉(zhuǎn)成細(xì)胞毒性代謝產(chǎn)物，從而殺死腫瘤細(xì)胞。近年來有關(guān)此類研究顯示出良好的應(yīng)用前景。目前常用針對肝癌基因治療的有單純病毒Ⅰ型胸苷嘧啶激酶/戊環(huán)鳥苷系(HSV?TK/GCV)和胞嘧啶脫氨酶/5氟胞嘧啶(CD/5Fc)等系統(tǒng)?！纠?】

下圖表示形成鼠—人嵌合抗體的過程。請據(jù)圖回答下列問題。

型一

蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用

(1)改造鼠源抗體,生產(chǎn)鼠—人嵌合抗體,屬于

(生物工程)的范疇。圖示該過程中,根據(jù)預(yù)期的嵌合抗體功能,設(shè)計嵌合抗體的結(jié)構(gòu),最終必須對

進(jìn)行操作。

(2)重組基因