第3節(jié)

基因工程的應用第3章基因工程人教版高中生物選擇性必修3基因工程自20世紀70年代興起后，得到了飛速的發(fā)展，在農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和食品工業(yè)等方面，展示出廣闊的前景。醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域食品工業(yè)方面農(nóng)牧業(yè)方面基因工程的應用×106/hm2基因工程在農(nóng)牧業(yè)中的應用發(fā)展迅速。1996—2017年，全世界轉(zhuǎn)基因作物的種植面積增加了一百多倍。8.2%6.6×108t1.3萬億元化學殺蟲劑施用量減少8.2%作物產(chǎn)量增加了6.6×108t增加經(jīng)濟收益近1.3萬億元轉(zhuǎn)基因三文魚(上)與非轉(zhuǎn)基因三文魚(下)對比2015年11月，第一種用于食用的轉(zhuǎn)基因動物—轉(zhuǎn)基因大西洋鮭（俗稱“三文魚”）在美國獲得批準上市。轉(zhuǎn)基因“三文魚”的優(yōu)點：縮短了生長周期都是雌性而且不育，避免了野生鮭魚雜交的風險。轉(zhuǎn)基因抗蟲植物轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物轉(zhuǎn)基因抗病植物改良植物的品質(zhì)提高動物的生長速率改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)從某些生物中分離出具有抗蟲功能的基因，將它導入作物中培育出具有抗蟲性的作物，是目前防治作物蟲害的一種發(fā)展趨勢。已問世的轉(zhuǎn)基因抗蟲植物有轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花、玉米、大豆、水稻和馬鈴薯等。轉(zhuǎn)基因馬鈴薯非轉(zhuǎn)基因馬鈴薯轉(zhuǎn)基因抗蟲植物轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物轉(zhuǎn)基因抗病植物改良植物的品質(zhì)提高動物的生長速率改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)科學家將來源于某些病毒、真菌等的抗病基因?qū)胫参镏校嘤隽宿D(zhuǎn)基因抗病植物，如轉(zhuǎn)基因抗病毒甜椒、番木瓜和煙草等。轉(zhuǎn)基因抗蟲植物轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物轉(zhuǎn)基因抗病植物改良植物的品質(zhì)提高動物的生長速率改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)將降解或抵抗某種除草劑的基因?qū)胱魑铮梢耘嘤隹钩輨┑淖魑锲贩N。目前已經(jīng)獲得轉(zhuǎn)基因抗除草劑玉米、大豆、油菜和甜菜等。施用除草劑后的轉(zhuǎn)基因抗除草劑玉米田種植轉(zhuǎn)基因抗除草劑大豆的農(nóng)田轉(zhuǎn)基因抗蟲植物轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物轉(zhuǎn)基因抗病植物改良植物的品質(zhì)提高動物的生長速率改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)隨著生活水平的提高，人們越來越關(guān)注植物的營養(yǎng)價值、觀賞價值等，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以改良這些品質(zhì)。某種必需氨基酸（賴氨酸）的含量比較低對策：將某種必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胫参镏校梢蕴岣哌@種氨基酸的含量。結(jié)果：科學家培育的某種轉(zhuǎn)基因玉米中賴氨酸的含量比對照高30%。轉(zhuǎn)基因抗蟲植物轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物轉(zhuǎn)基因抗病植物改良植物的品質(zhì)提高動物的生長速率改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)隨著生活水平的提高，人們越來越關(guān)注植物的營養(yǎng)價值、觀賞價值等，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)可以改良這些品質(zhì)。某種必需氨基酸（賴氨酸）的含量比較低對策：將某種必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胫参镏校梢蕴岣哌@種氨基酸的含量。結(jié)果：科學家培育的某種轉(zhuǎn)基因玉米中賴氨酸的含量比對照高30%。將與植物花青素代謝相關(guān)的基因?qū)氚珷颗Ｖ校顾尸F(xiàn)出自然界沒有的顏色變異，大大提高了它的觀賞價值。轉(zhuǎn)基因抗蟲植物轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物轉(zhuǎn)基因抗病植物改良植物的品質(zhì)提高動物的生長速率改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)由于外源生長激素基因的表達可以使轉(zhuǎn)基因動物生長得更快，因此科學家將這類基因?qū)雱游矬w內(nèi)，以提高動物的生長速率。對照轉(zhuǎn)基因我國科學家將外源生長激素基因?qū)膈庺~，在同等養(yǎng)殖條件下，轉(zhuǎn)基因鯉魚的生長速率比非轉(zhuǎn)基因鯉魚提高了42%?115%。轉(zhuǎn)基因抗蟲植物轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物轉(zhuǎn)基因抗病植物改良植物的品質(zhì)提高動物的生長速率改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)乳糖不耐受:有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后會出現(xiàn)腹瀉等不適癥狀，對策：科學家將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M。結(jié)果：轉(zhuǎn)基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他營養(yǎng)成分不受影響。一基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應用基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應用：改良動植物品種、提高作物和畜產(chǎn)品的產(chǎn)量等轉(zhuǎn)基因抗蟲植物農(nóng)牧業(yè)方面的應用轉(zhuǎn)基因抗病植物轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物改良植物的品質(zhì)提高動物的生長速率改良畜產(chǎn)品的品質(zhì)抗逆性1.基因改造微生物或動植物的細胞以生產(chǎn)藥物細胞因子、抗體、疫苗和激素等藥物類型：可以用來預防和治療人類腫瘤、心血管疾病、傳染病、糖尿病和類風濕關(guān)節(jié)炎等。應

用：我國生產(chǎn)的重組人干擾素、血小板生成素、促紅細胞生成素和粒細胞集落刺激因子等。實

例：資料卡干擾素

干擾素是一種具有干擾病毒復制作用的糖蛋白，在臨床上被廣泛用于治療病毒感染性疾病。此外，干擾素對于治療乳腺癌、淋巴癌、多發(fā)骨髓瘤和某些白血病等也有一定的療效。

傳統(tǒng)生產(chǎn)干擾素的方法是從人血液中的白細胞內(nèi)提取，每300L血液只能提取1mg干擾素。1993年我國批準生產(chǎn)重組人干擾素α-1b，它是我國批準生產(chǎn)的第一個基因工程藥物，目前主要用于治療慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等。

干擾素基因質(zhì)粒重組質(zhì)粒大腸桿菌或酵母菌大量可以生產(chǎn)干擾素的大腸桿菌或酵母菌構(gòu)建導入培養(yǎng)

用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達的菌類一般稱為基因工程菌。【任務一】干擾素的相關(guān)問題分析1.目前大量生產(chǎn)干擾素的方法是什么？什么是基因工程菌？2.利用大腸桿菌獲得的干擾素，還需經(jīng)過加工才能使用，為什么？3.干擾素用于哪些疾病的治療？大腸桿菌無內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體，合成的干擾素沒有經(jīng)過加工成熟，具有生物活性。

病毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、多發(fā)骨髓瘤和某些白血病等。用基因工程方法從大腸桿菌及酵母菌細胞內(nèi)獲得。用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達的菌類。抗生素≠干擾素①抗生素：抗細菌藥物②干擾素：抗病毒藥物隨堂練習例：干擾素具有抗病毒、抑制細胞增殖、調(diào)節(jié)免疫及抗腫瘤作用。科研人員通過乳腺生物反應器可以大量生產(chǎn)干擾素。如表為幾種限制酶識別的堿基序列和酶切位點，圖1、圖2為質(zhì)粒和含干擾素基因的DNA片段，圖3為獲得轉(zhuǎn)干擾素基因母羊的過程。請回答下列問題：(1)_____（填“能”或“不能”）用HindⅢ和Sau3AⅠ兩種限制酶切割含干擾素基因的DNA片段和質(zhì)粒，原因是_____；請?zhí)峁┮粋€另外的限制酶選擇方案，使用_____兩種限制酶切割質(zhì)粒，用_____兩種限制酶切割含目的基因的DNA片段。(2)人的干擾素基因能在羊體內(nèi)表達，其根本原因是_____。不能Sau3AⅠ能切割BclⅠ的酶切位點，用Sau3AⅠ切割會破壞質(zhì)粒上的四環(huán)素抗性基因和青霉素抗性基因HindⅢ和BamHⅠHindⅢ和Sau3AⅠ不同生物共用一套遺傳密碼5’隨堂練習2.讓轉(zhuǎn)基因哺乳動物批量生產(chǎn)藥物（乳腺生物反應器）1.概念:科學家將藥用蛋白基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調(diào)控元件重組在一起，通過顯微注射的方法導入哺乳動物的受精卵中，由這個受精卵發(fā)育成的轉(zhuǎn)基因動物在進入泌乳期后，可以通過分泌乳汁來生產(chǎn)所需要的藥物，這稱為乳腺生物反應器或乳房生物反應器。目的基因（如干擾素基因）組織特異性啟動子誘導型啟動子組成型啟動子藥用蛋白基因乳腺中特異表達的基因的啟動子等調(diào)控元件基因表達載體顯微注射受精卵泌乳期分泌乳汁轉(zhuǎn)基因動物藥物早期胚胎培養(yǎng)胚胎移植早期胚胎轉(zhuǎn)基因動物乳腺（乳房）生物反應器胚胎移植前應做DNA分析，鑒定性別，保留

性。

雌請你來復述乳腺生物反應器的構(gòu)建過程！目前，科學家已經(jīng)在牛、山羊等動物乳腺生物反應器中，獲得了抗凝血酶、血清白蛋白、生長激素和α-抗胰蛋白酶等重要的醫(yī)藥產(chǎn)品。乳腺生物反應器（受體細胞為真核）優(yōu)點：缺點：①動物乳腺有完整的蛋白質(zhì)翻譯后修飾系統(tǒng)，生產(chǎn)的蛋白質(zhì)活性高，更穩(wěn)定。②產(chǎn)物直接經(jīng)乳汁分泌，產(chǎn)量高、成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好、易提取。處于生殖期的雌性動物才可以作為乳腺（乳房）生物反應器。

通過構(gòu)建膀胱生物反應器改進此缺點。二膀胱生物反應器拓展：構(gòu)建膀胱生物反應器是將目的基因與膀胱上皮細胞中特異表達的基因的啟動子重組，從而指導目的基因表達產(chǎn)物分泌在尿中，其原理是根據(jù)膀胱尿乳頭頂端表面可表達一組稱之為尿血小板溶素的膜蛋白。你知道膀胱生物反應器相比乳腺生物反應器的優(yōu)點嗎？從尿中提取蛋白質(zhì)比在乳汁中提取簡便、高效。不受性別的限制不受年齡的限制【任務二】乳腺生物反應器的相關(guān)問題1.乳腺生物反應器指的是轉(zhuǎn)基因動物的乳腺嗎？讓藥用蛋白基因只在乳腺細胞中特異性表達。幾乎所有細胞。不是，乳腺生物反應器指的就是這個轉(zhuǎn)基因生物。2.為什么將藥用蛋白基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調(diào)控元件重組在一起？3.藥用蛋白基因存在于轉(zhuǎn)基因動物的哪些細胞中？4.研制膀胱生物反應器時，應使藥用蛋白基因在什么細胞中特異性表達？它與乳腺生物反應器有什么相同點和不同點？膀胱上皮細胞。藥用蛋白基因都在特定的細胞中進行表達。從尿中提取蛋白質(zhì)比在乳汁中提取簡便、高效。不受性別和年齡的限制比較項目乳腺（房）生物反應器基因工程菌生產(chǎn)藥物基因結(jié)構(gòu)基因產(chǎn)物受體細胞導入方式生產(chǎn)條件產(chǎn)物提取哺乳動物基因的結(jié)構(gòu)與人類結(jié)構(gòu)基本相同細菌或酵母菌等生物的基因結(jié)構(gòu)與人類基因結(jié)構(gòu)有較大差異與天然蛋白質(zhì)完全相同細菌細胞內(nèi)缺少內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等細胞器，合成的蛋白質(zhì)可能不具有生物活性哺乳動物的受精卵微生物細胞顯微注射法Ca2+處理法（感受態(tài)細胞法）不需要嚴格的滅菌，溫度等外界條件對其影響不大需嚴格滅菌，嚴格控制工程菌所需的溫度、pH、營養(yǎng)物質(zhì)濃度等外界條件從動物乳汁中提取，相對簡單（一般經(jīng)過工業(yè)發(fā)酵后）從微生物細胞（或發(fā)酵液）中提取，相對復雜3.用轉(zhuǎn)基因動物作為器官移植的供體難

題：解決途徑：尋求可替代的移植器官，如用豬的器官來解決人類器官移植的來源問題。人體移植器官短缺是世界性難題豬作為器官供體的優(yōu)點：①豬的內(nèi)臟構(gòu)造、大小、血管分布與人相似；②豬體內(nèi)隱藏的致病基因遠遠少于靈長類動物。最大難題：存在免疫排斥反應。【思考】能否利用基因工程技術(shù)改造豬器官，減少免疫排斥呢？方法:在器官供體的基因組中導入調(diào)控基因表達的DNA序列，以抑制抗原決定基因的表達，或設(shè)法除去抗原決定基因，然后再結(jié)合克隆技術(shù)，培育出不會引起免疫排斥反應的轉(zhuǎn)基因克隆豬器官。讓轉(zhuǎn)基因哺乳動物批量生產(chǎn)藥物用轉(zhuǎn)基因動物作為器官移植的供體基因改造微生物或動植物的細胞生產(chǎn)藥物醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應用利用基因工程菌除了可以生產(chǎn)藥物，還能生產(chǎn)食品工業(yè)用酶、氨基酸和維生素等。如：大腸桿菌純度更高、生產(chǎn)成本顯著降低、生產(chǎn)效率較高基因工程獲得的工業(yè)用酶的優(yōu)點：產(chǎn)物應用制備方法阿斯巴甜凝乳酶淀粉酶、脂酶基因工程在食品工業(yè)的應用實例普遍使用的甜味劑用于奶酪生產(chǎn)，凝聚固化奶中的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化糖漿（淀粉酶）、烘烤食物（脂酶）主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，可以通過基因工程實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。將編碼牛凝乳酶的基因?qū)氪竽c桿菌、黑曲霉或酵母菌的基因組中，再通過工業(yè)發(fā)酵批量生產(chǎn)凝乳酶。通過構(gòu)建基因工程菌、然后用發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)。產(chǎn)物純度更高，生產(chǎn)成本顯著降低，生產(chǎn)效率較高。【拓展】基因工程與環(huán)境保護利用“超級細菌”治理環(huán)境污染

基因工程將能分解三種烴類的假單孢桿菌的基因都轉(zhuǎn)移到能分解另一種烴類的假單孢桿菌內(nèi)，創(chuàng)造出了能同時分解四種烴類的“超級細菌”。有的還能吞食轉(zhuǎn)化汞、鎘等重金屬，分解DDT等毒害物質(zhì)。【資料】

由英國約克大學領(lǐng)導的這項研究表明，轉(zhuǎn)基因柳枝稷（Panicumvirgatum）可以解毒軍事爆炸物RDX的殘留物，這些殘留物留在實彈射擊訓練場、彈藥庫和雷區(qū)。

科研人員的研究表明，在柳枝稷中表達兩種專門為降解RDX而進化的細菌基因，使植物有能力在田間清除和代謝與實彈射擊軍事訓練場相關(guān)濃度的RDX。研究人員通過插入能夠分解RDX的細菌的兩個基因來生成植物。然后，這些植物被種植在美國軍事基地的RDX污染土壤中。轉(zhuǎn)基因草生長良好，并在其植物組織中成功地將RDX降解到不可檢測水平。該研究證實，這些植物能夠以每公頃27公斤RDX的速率清除和降解RDX。課堂小結(jié)基因工程的應用轉(zhuǎn)基因抗蟲植物農(nóng)牧業(yè)方面醫(yī)藥衛(wèi)生方面轉(zhuǎn)基因抗病植物轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)提高動物的生長速率改良植物的品質(zhì)讓哺乳動物批量生產(chǎn)藥物建立移植器官工廠食品工業(yè)方面生產(chǎn)食品工業(yè)用酶構(gòu)建基因工程菌基因改造微生物或動植物的細胞以生產(chǎn)藥物練習與應用一、概念檢測1.將大腸桿菌的質(zhì)粒連接上人生長激素的基因后，重新導入大腸桿菌的細胞內(nèi)，再通過發(fā)酵工程就能大量生產(chǎn)人生長激素。下列相關(guān)敘述正確的是（

）A.轉(zhuǎn)錄生長激素基因需要解旋酶和DNA連接酶B.發(fā)酵產(chǎn)生的生長激素屬于大腸桿菌的初生代謝物C.大腸桿菌獲得的能產(chǎn)生人生長激素的變異可以遺傳D.大腸桿菌質(zhì)粒標記基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等C2.基因工程應用廣泛，成果豐碩。下列不屬于基因工程應用的是（

）A.培育青霉菌并從中提取青霉素B.利用乳腺生物反應器生產(chǎn)藥物C.制造一種能降解石油的“超級細菌"D.制造一種能產(chǎn)生干擾素的基因工程菌A練習與應用二、拓展應用除草劑的有效成分草甘膦能夠?qū)Ｒ坏匾种艵PSP合酶的活性，從而使植物體內(nèi)多種代謝途徑受到影響而導致植物死亡。草甘膦沒有選擇性，它在除掉雜草的同時也會使作物受損。解決這個問題的方法之一就是培育抗草