資源簡介

(共32張PPT)
基因工程及其延伸技術應用廣泛
目錄
01
應用基因工程技術診斷、治療、研究疾病
02
基因工程技術進行法醫鑒定，保護受害者權益
03
應用基因工程培育具有優良性狀的農牧業品種
04
基因工程可用于保護生態環境
學習目標
1.結合具體實例了解基因工程的應用
2.聯系當地生產、生活中的具體實例，思考如何用基因工程的方法解決實際問題
1978年，科學家將編碼人胰島素的基因導入大腸桿菌細胞中，使大腸桿菌表達重組人胰島素。我國擁有自主知識產權的基因工程藥物——重組人胰島素已經研制成功并得到廣泛應用。
胰島素是治療糖尿病的特效藥物。傳統生產胰島素的方法是從豬、牛等動物的胰腺中提取。曾經生產供一位糖尿病病人使用一年的胰島素，需要上千頭牛，生產的成本非常高。
你知道除了生產胰島素，基因工程還有哪些應用嗎？
01
應用基因工程技術診斷、治療、研究疾病
1.運用核酸分子雜交、PCR 等技術進行基因診斷
（1）核酸分子雜交和PCR技術常用來檢測患者自身攜帶的缺陷基因
例如，引起鐮刀形貧血癥的基因突變，使血紅蛋白基因缺少一個限制性內切核酸酶 Mst II的識別序列，因為該識別序列5’-CCTGAGG-3’中的 A 突變成 T。檢測時，先用 PCR 技術擴增待檢者基因的相應片段，然后用 Mst II剪切擴增后的 DNA，經瓊脂糖凝膠電泳分離酶切后的 DNA 片段，并結合 DNA 分子雜交技術，則可判斷待檢者的基因組成。
（2）靈敏度極高的 PCR 技術常用于診斷患者是否感染某種病原體
例如，設計特異擴增HIV部分基因片段的PCR引物，使用PCR技術檢測患者少量血液或細胞中 的DNA，根據凝膠電泳結果就可以判斷患者是否攜帶HIV。甚至在感染的早期，就能從血液中直接檢測到微量的病毒基因。
又如，在抗擊新冠病毒感染疫情的過程中，我國生產的PCR法核酸檢測試劑盒大大提高了新冠病毒的診斷速度和準確率，對及時救治患者、減少疫情播散、維護社會穩定發揮了重要作用。
目前，人們運用PCR并結合其他技術，不僅可以在患者未發病，甚至出生前就能確診其是否患有鐮刀形貧血癥、血友病等疾病，還可以根據某些核苷酸序列的特異性差異來推測某人患阿爾茨海默病以及癌癥等疾病的風險。隨著基因測序技術進一步發展，有望研制出專門針對個人基因特點的藥物。
2.向患者體內導入正常基因進行基因治療
基因治療是指向有基因缺陷的細胞中引入正常功能的基因，以糾正或補償基因的缺陷，從而達到治療的目的。
基因治療主要針對一些嚴重威脅人類健康的遺傳病，如血友病、惡性腫瘤等。基因導入細胞的過程常以修飾過的病毒為載體，如腺病毒和逆轉錄病毒。
1990年美國完成了世界首例重癥免疫缺陷病的基因治療。
1990年9月14日，安德森對一例患腺甘脫氨酶缺乏癥（ADA缺乏癥）的4歲女孩進行基因治療。這個4歲女孩由于遺傳基因有缺陷，自身不能生產ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在無菌的隔離帳里。他們將這個女孩的白血球進行基因改造，使有缺陷的基因被健康的基因替代，然后把含正常白血球的血液輸入她左臂的一條靜脈血管中。在以后的10個月內她又接受了7次這樣的治療，同時也接受酶治療。后來，她的免疫功能日趨健全，能夠走出隔離帳，過上了正常人的生活，并進入普通小學上學。
ADA缺乏癥：一種嚴重的免疫缺陷癥,腺苷脫氨酶的缺乏可使T淋巴細胞因代謝產物的累積而死亡,從而導致嚴重的聯合性免疫缺陷癥(SCID)。通常導致嬰兒出生幾個月后死亡。
重度免疫缺陷癥的基因治療
1990年美國完成了世界首例重癥免疫缺陷病的基因治療。
1994年，美國科學家以修飾過的腺病毒為載體，首次對一位囊性纖維病（常隱，主要影響胃腸道和呼吸系統）患者進行了基因治療。
1991年，我國進行了世界上首例B型血友病的基因治療臨床實驗。
2003年，我國國家藥品監督管理局為世界首個癌癥基因治療藥物頒發了新藥證書—治療惡性腫瘤的重組人p53腺病毒注射液。
基因治療技術的發展歷程
基因治療技術的面臨的挑戰
雖然已經有一些運用基因治療成功的臨床實驗，但是基因治療仍面臨著很多挑戰,很多技術不成熟。科學家要繼續探索如何控制轉入的基因在正確的時間和空間表達出適量的蛋白質產物，同時確保基因的插入不會影響其他基因的正常功能。
小資料
RNA干擾（RNA interference，RNAi）技術通過向細胞或生物體內注入短的雙鏈RNA分子誘導細胞內含有相同或相似序列的mRNA持續降解，從而阻斷特定基因的表達，是一種快速、簡單研究基因功能的方法。這些小RNA片段還會遺傳到子代細胞中，造成可遺傳的基因沉默。如圖所示，科學家運用RNA干擾技術研究線蟲某個基因的功能，發現RNA干擾后的線蟲受精卵中的雌核和雄核無法遷移到一起融合，從而推斷該基因與受精卵早期發育有關。
科學家正在嘗試用RNA干擾技術在腫瘤發病的各個環節進行阻斷來治療腫瘤，部分實驗已獲得階段性成果。
正常的線蟲受精卵（A）和RNA干擾后的線蟲受精卵（B）
3.利用轉基因生物生產基因工程藥物
（1）轉基因植物可用于生產藥物蛋白，如人血紅蛋白、小兒麻痹癥疫苗等。
（2）轉基因鼠、兔、羊、豬、牛的乳腺可以生產多種轉基因產品，如人凝血因子Ⅷ、人白細胞介素 2、牛乳清蛋白等。
乳腺生物反應器：將藥用蛋白基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調控原件重組，獲得轉基因動物。轉基因動物進入泌乳期后，可通過分泌乳汁來生產所需要的藥品。
優點：乳汁可以連續合成
頻繁采集不會對動物產生危害
乳汁成分相對簡單、明確，便于藥物的提純
目前，已在牛和山羊等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 -抗胰蛋白酶等重要醫藥產品。
轉入人抗凝血酶基因的山羊（A）和含有人抗凝血酶的羊奶（B）
4.轉基因動物可為研究疾病機理提供模型
借助轉基因技術，人們不僅可以獲得基因、改造基因，還可以“敲除”某些基因。例如，通過在基因中插入 DNA 片段使該基因永久失活，再通過觀察轉基因生物性狀變化，可以推測該基因的功能。因而轉基因動物也成為研究致病機理和測試治療方法的理想模型。
例如，科學家發現敲除腸堿性磷酸酶基因的小鼠更容易發胖，從而推測該基因有“保持身材”的作用，也許不久的將來肥胖會被“根治”。
02
應用基因工程技術進行法醫鑒定，能保護受害者權益
1.法醫鑒定包括個體識別、親子鑒定等內容。
2.早期常通過血型或抗原—抗體雜交技術鑒定犯罪嫌疑人。
缺點： 需要有大量、新鮮的樣品
結果的特異性不強
3. DNA指紋：除了同卵雙胞胎外，我們每個人都擁有自己獨特的DNA。經過限制酶剪切、電泳、與標記的探針進行核酸分子雜交，得到的圖譜也是特異的，就像人的指紋一樣
隨著PCR技術的引入，20個細胞的DNA經過擴增就足夠用于鑒定，因此，幾滴血或者一根頭發上的毛囊細胞都可以成為指證犯罪嫌疑人或者親子鑒定的重要證據。
我國的法醫曾通過分析犯罪現場遺留的 DNA 成功拘捕了 20 余年前謀殺案的犯罪 嫌疑人。美國 1992 年啟動的無罪工程 （the Innocence Project） 也通過 DNA 鑒定技術 幫助無辜的犯罪嫌疑人洗脫罪名。截止到 2016 年 9 月，無罪工程已成功幫助 344名無辜“犯罪嫌疑人”免罪，其中包括 20 名“死刑犯”，他們平均含冤入獄的時間為14 年。
03
應用基因工程培育具有優良性狀的農牧業品種
1.轉基因抗蟲植物
（1）原理：從某些生物中分離出具有抗蟲功能的基因，導入作物，使其具有抗蟲性。
（2）優點：減少因化學農藥的使用而造成的環境污染和對人類健康的損害、降低生產成本、提高產量
（3）舉例：轉基因抗蟲棉花、玉米、水稻、大豆、馬鈴薯等。
轉基因抗蟲水稻（綠色植株）與
對照（被害蟲侵害的黃色植株）
轉基因抗蟲玉米
2.轉基因抗病植物
（1）原理：將來源于某些病毒、真菌等的抗病基因導入植物中，培育出轉基因抗病植物。
（2）舉例：轉基因抗病毒甜椒、番木瓜和煙草等。
轉基因抗病毒甜椒
轉基因抗病毒木瓜與對照
3.轉基因抗除草劑植物
大多數除草劑不僅能殺死田間雜草，還會損傷作物，導致作物減產
（1）原理：將降解或抵抗某種除草劑的基因導入作物，可培育出抗除草劑的作物品種。這樣在噴灑除草劑時，田間雜草會被殺死而作物不會受到損傷。
（2）舉例：轉基因抗除草劑玉米、大豆、油菜和甜菜等。
施用除草劑后的
轉基因抗除草劑玉米田
4.改良植物品質
利用轉基因技術改良植物的營養價值、觀賞價值等。
（1）將必需氨基酸含量多的蛋白質編碼基因導入植物中，可以提高這種氨基酸的含量，科學家培育的某種轉基因玉米中賴氨酸的含量比對照高30%。
（2）將與植物花青素代謝相關的基因導入矮牽牛中，使它呈現出自然界沒有的顏色變異，大大提高了它的觀賞價值。
高賴氨酸玉米
轉基因矮牽牛
5.提高動物的生長速率
（1）原理：將外源生長激素基因導入動物體內，以提高動物的生長速率。
（2）舉例：我國科學家將外源生長激素基因導入鯉魚，在同等養殖條件下，轉基因鯉魚的生長速率比非轉基因鯉魚提高了42%～115%。
轉生長激素基因鯉魚（下）
與非轉基因鯉魚（上）
轉入外源生長激素基因的
“超級小鼠”
6.改善畜產品的品質
（1）有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后會出現腹瀉等不適癥狀，這稱為乳糖不耐受。我國約有1/3的成年人乳糖不耐受。
（2）方法：科學家將腸乳糖酶基因導入奶牛基因組，使獲得的轉基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他營養成分不受影響。
04
基因工程可用于保護生態環境
1975年美籍印度人查克拉搏特等科學家依據似單胞桿菌對石油中有毒成分具有很強分解力這一特性，把4種能吃浮油的假單胞桿菌的基因拼接起來，合并成一種假單胞菌種，組成了所謂的“超級菌”，它能分解各種石油烴，消除浮油的效率高、速度快，只需幾小時就能除掉自然菌種需幾年才能消除的原油污染。
3.有的工程菌能夠降解氯化烴和其他有毒的化合物，處理石油泄漏污染問題。超級細菌
2.有的工程菌能夠攝取環境中的銅、鉛等重金屬，并在體內轉化為硫酸銅、硫酸鉛等易于提取的化合物，在礦產日益枯竭的今天意義重大。
1.有些微生物具有采礦或分解有毒污染物的寶貴能力，科學家將這些微生物的基因進行改造，獲得了擁有珍貴性狀并易于培養的轉基因工程菌。
課堂小結
基因工程的應用
疾病的診斷、治療和研究
保護生態環境
培育具有優良性狀的農牧業品種
法醫鑒定
基因治療
基因診斷
抗蟲、抗病、抗除草劑
改良植物品質
提高動物生長速率
改善畜產品的品質
隨堂練習
1.下列關于基因工程應用的敘述，錯誤的是( )
A.科學家利用轉基因技術抑制乙烯形成酶的活性和乙烯的生成量，從而延長番茄的儲藏時間
B.將某些抗病毒的基因導人動物體內，使獲得的轉基因動物能抵抗相應病毒
C.抗蟲基因只要成功地插入到植物細胞的染色體DNA上就能正常表達
D.可利用基因工程菌大規模生產細胞因子、抗體、疫苗、激素等醫藥產品
解析：抗蟲基因即使成功插入到植物細胞的染色體DNA上也不一定能成功表達，C錯誤。
C
解析：C項，“基因敲除”是指將目標基因從基因組中刪除，這道題不涉及基因敲除，而是選取不含致癌基因的健康受精卵培養后植入妻子子宮，故C項表述錯誤。A項，要獲得大量受精卵需要采取超數排卵和體外受精技術，故A項表述正確。B項，檢測受精卵中是否含有致癌基因，可以用致癌基因制作成基因探針，如形成雜交帶，則受精卵中存在致癌基因，故B項表述正確。D項，將受精卵培養到8~16個細胞階段可移植入子宮，故D項表述正確。注意本題要選擇的是表述錯誤的選項，故本題正確答案為C。
2.美國倫敦大學醫學院通過生物技術,成功對一對丈夫家族有乳腺癌發病史的夫婦的后代進行胚胎篩選,并排除了后代攜帶致病基因的隱患。該“設計嬰兒”的培育流程如下:通過人工方式得到15個受精卵→所有受精卵生長3天時,抽取一個細胞進行基因檢測,剔除含致癌基因的胚胎→選取不含致癌基因的健康胚胎植入妻子子宮,一個健康的“設計嬰兒”得以孕育。下列關于該項“設計嬰兒”培育過程中所用技術的敘述,錯誤的是( )
A.通過人工方式得到15個受精卵,需要用到超數排卵和人工授精的手段
B.檢測受精卵中是否含有致癌基因,可以用“基因探針”進行檢測
C.需要利用基因工程技術對受精卵中的致癌基因進行“基因敲除”
D.將受精卵培養到8-16個細胞階段可移植入子宮
C
3.人類乙型血友病屬于伴X染色體隱性遺傳病，患者血液中缺少凝血因子Ⅸ（一種蛋白質），導致凝血功能異常。下列關于對患者進行基因治療的設計方案，正確的是( )
A.逆轉錄病毒的核酸可直接用作載體
B.需將凝血因子Ⅸ和載體連接起來
C.必須把目的基因插到X染色體上
D.用凝血因子Ⅸ的抗體可檢測目的基因是否成功表達
解析：逆轉錄病毒的核酸是RNA，人類的遺傳物質是DNA，因此逆轉錄病毒的核酸不可直接用作載體，A項錯誤；凝血因子Ⅸ是蛋白質，載體多數是DNA，不能將二者連接起來，B項錯誤；基因治療是把正常基因導入病人體內，使該基因的表達產物發揮功能，從而達到治療疾病的目的，不一定要把目的基因插到X染色體上，C項錯誤；利用抗原—抗體雜交技術，可檢測目的基因是否成功表達，D項正確。
D

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