基因工程的主要成果及发展前景

细胞质遗传,细胞质遗传,第二级,第三级,*,基因工程的成果与发展前景,基因工程的主要成果及发展前景,1,主要内容,基因工程概述,基因工程的发展简史,基因工程的主要成果,基因工程的发展前景,2,基因工程的定义,基因工程（,genetic engineering,）技术是指按照预先设计好的蓝图，利用现代分子生物学技术，特别是酶学技术，对遗传物质,DNA,直接竞相体外重组操作与改造，将一种生物（供体）的基因转移到另外一种生物（受体）中去，从而实现受体生物的定向改造与改良。,3,从细胞中分离出,DNA,限制酶截取,DNA,片断,分离大肠杆菌中的质粒,DNA,重组,用重组质粒转化大肠杆菌,培养大肠杆菌克隆大量基因,基因工程的基本程序,4,基因工程的发展简史,1972,年，以,H.Boyer,，,P.Berg,等人为代表的一批美国科学家发展了关于重组,DNA,技术。并于,1972,年得到了第一个重组的,DNA,分子，,1973,年完成头一个细菌基因的克隆。,1973,年，美国斯坦福大学和旧金山大学,Coken,和,Boyer,两位科学家成功地进行了,DNA,分子重组试验，揭开了基因工程发展的序幕。,1975,年，,F.Sanger,以及,A.Maxam,和,W.Gilbert,发明了快速的,DNA,序列测定技术。,1977,年，第一个全长,5387bp,的噬菌体,X174,基因组测定完成。,1978,年，首次实现了通过大肠杆菌生产由人工合成基因表达的人脑激素和人胰岛素。,1981,年，和成功获得第一个转基因小鼠；和培育出转基因果蝇。,1982,年，第一个由基因工程菌生产的药物,胰岛素，在美国和英国获准使用。,5,基因工程的发展简史,1984,年，,Bevan,报告了从粪链球菌中提取的基因植入烟草（,N icotina plum bag inifolia,）的基因组，开创了转基因生物时代。,1988,年，出任“人类基因组计划”首席科学家，协调举世瞩目的人类基因组测序工作的进行。,1989,年，我国首个基因工程药物,IFN-aI 1989,年经卫生部批准获新药证书。,1994,年，美国农业部（,USDA,）和美国食品与药品管理局（,FDA,）批准第一个转基因作物产品,延熟保鲜转基因番茄进入市场之后，大量的转基因生物作为食品进入人们的生活。,1995,年，自然杂志汇集发表了人基因组全物理图，以及,3,号、,16,号和,22,号人染色体的保密度物理图。,1997,年，中国科学院国家基因研究中心以洪国藩教授为首的科学家小组，在世界上首次成功构建了高分辨率的水稻基因组物理图；英国爱丁堡罗斯林研究院首次克隆成功多莉羊，引起世界轰动。,2009,年，我国率先利用基因工程生产出了流感疫苗。,6,基 因 工 程 的主要 成 果,基因工程与医药卫生,基因工程与食品工业,基因工程与农牧业,基因工程与环境保护,基因工程与生物能源的开发,7,基因工程与医药卫生,1,、基因工程制药,我国基因工程制药实施产业化始于上世纪,80,年代末期，目前基因工程制药主要瞄准一些重大的常见疾病，如艾滋病、癌症、糖尿病、抑郁症、心脏病、老年性痴呆症、中风、骨质疏松症等严重危害人类健康并流行范围较广的病症。,8,基因工程制药的技术路线,基因工程细菌发酵制药,基因工程动物细胞培养制药,转基因动物生物反应器制药,转基因植物生物反应器制药,9,基因工程与医药卫生,基因工程制药的主要流程：,获得目的基因（,DNA,特定片段）,选择基因的合适运载体（另一种,DNA,分子）组建重组质粒,（将重组,DNA,引入细菌或动植物细胞并使其增殖）构建工程菌（或细胞）,培养工程菌,（蛋白质、多肽、酶、激素、疫苗、细胞生长因子及单克隆抗体等）产物分离纯化,除菌过滤,半成品检定,成品检定,包装。,10,基因工程药物,（,1,）重组蛋白质或多肽类药物,分类,品种代表,细胞因子,1,、集落刺激因子（,CSF,）：,GM-CSF,、,G-CSF,2,、干细胞因子（,SCF,）,3,、肿瘤坏死因子（,TNF,）,4,、白细胞介素（,IL,）,5,、干扰素（,IFN,）,6,、促红细胞生成素（,EPO,）等,蛋白质激素,人胰岛素、胰高血糖素、人生长激素降钙素、生长激素,溶血栓药物,重组葡激酶、抗血栓多肽、重组水蛭素组织血栓溶酶活化蛋白（,T-PA,）、凝血因子,；,其他,转化生长因子（,TGF,）、白血病抑制因子（,LIF,）等、毒素、单抗、受体及粘附分子,11,基因工程药物,（,2,）核酸类药物,包括,DNA,药物、反义,RNA,、,RNAi,药物、核酶等。通过基因工程方法制备的药物通常是与天然蛋白质具有相同结构和活性的重组蛋白或多肽。这类产品多为人工设计，在生理活性、血液中稳定性、耐热性及耐蛋白酶影响等方面性能优于天然型蛋白质。,12,基因工程与医药卫生,在转基因动物制药方面，普遍认为乳腺是最佳“厂址”，因为乳汁不会进入体内循环，不会影响转基因动物本身的新陈代谢，而且从转基因动物乳汁中提取蛋白，产量高、生物活性稳定。,英国罗斯林研究所研制成功的转基因羊的乳汁中含有可治疗肺气肿病的抗胰蛋白酶；荷兰的,PHP,公司用转基因牛生产具有抗菌作用的乳铁蛋白。,我国目前已有乳铁蛋白、白蛋白、凝血因子等进入临床试验阶段。在上海奉贤的奉新动物试验场，转基因羊的乳汁中已有了治疗,B,型血友病的凝血因子,，研究工作正在顺利展开。,13,基因工程与医药卫生,2,、基因工程在医学临床上的应用主要包括基因诊断和基因治疗。它们为人类及时、有效治疗恶性肿瘤和心血管等重大疾病和防治肝炎、艾滋病等大规模流行病带来希望。,14,基因诊断,应用基因工程诊断疾病即基因诊断，又称,DNA,诊断，是利用,DNA,重组技术，直接从,DNA,水平来检测人类疾病的新的诊断手段。,15,基因诊断,（,1,）,基因诊断遗传疾病,，人体基因组的类型早在受精卵开始时就已形成，因此在人体发育的任何时期，只要获得受检者的基因,DNA,，应用恰当的,DNA,分析技术，便能鉴定出缺陷的基因。,例如,-,地中海贫血的,Barts,综合征是由于编码,-,珠蛋白的,1,和,2,基因缺失引起的，应用聚合酶链式反应,-,等位基因寡核苷酸（,PCR-ASO,）技术，可以判断是否患有该病；镰刀型细胞贫血症患者珠蛋白,Bs,基因第,6,个密码子突变，可以应用限制酶,Mst,识别法予以诊断；通过限制性片段长度多态（,RFLP,）的连锁分析，可推测一个家庭成员和胎儿是否携带有遗传病，这一技术已成功应用于地中海贫血病、苯丙酮尿症等多种遗传病的基因诊断。,16,基因诊断,（,2,）基因诊断也被扩大用于传染性疾病的检测和诊断，只要找出传染病原的特异性,DNA,，制成试剂与患者体液反应，如呈阳性便表明患者已感染有该病菌。目前已有结核杆菌、淋球菌、丙型肝炎、人类免疫缺陷病毒、肠道病毒、肺炎支原体等几十种疾病科采用此技术进行诊断，并正在推出可检测几百种疾病的基因（,DNA,）芯片，将使检测诊断的规模得到飞跃扩展，这将是人类基因组草图完成后最直接最大的用途。,17,基因诊断,（,3,）应用基因诊断还可以诊断出潜在的病原感染者，为病人的早期对症治疗提供了可靠依据。例如家养宠物感染弓形虫病可导致孕妇习惯性流产、早产、死产、或畸胎，基因诊断可以很快查出病原感染者。基因诊断在某种程度上，还能够防止一些遗传病出现，减轻症状或得到及时医治。例如基因诊断用于早期胎儿的遗传病诊断，如果发现“症状”便可及早中止妊娠，从而达到优生的目的。,此外，基因诊断技术在肿瘤诊断中的应用也取得了重要成果。例如，用白血病患者细胞中分离出的癌基因制备的,DNA,探针，可以用来检测白血病。,18,基因治疗,基因治疗是把健康的外源基因导入到有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。或者说用正常的基因取代或修补病人细胞中有缺陷的基因，从而达到治疗疾病的目的。基因工程的兴起，使得基因治疗成为可能。一些目前尚无有效治疗手段的疾病，如遗传病、肿瘤、心脑血管疾病、老年痴呆及艾滋病等，可望通过基因治疗来达到防治的目的。,19,基因治疗的方式,(1),基因矫正或置换,，即对有缺陷基因的异常序列进行矫正，对缺陷基因精确地原位修复，或以正常基因原位置换异常基因，因此不涉及基因组的任何改变。,(2),基因增补,，不去除异常基因，而是通过外源基因的导入，使其表达正常产物，从而补偿缺陷基因的功能。,(3),基因封闭,，有些基因异常过度表达，如癌基因 或病毒基因可导致疾病，可用反义核酸技术、核酶或诱饵转录因子来封闭或消除这些有害基因的表达。,除上述,3,大类外，还有如导入病毒或细菌来源的所谓“自杀基因”或经过改造的条件性复制病毒，只能在,p53,缺陷的肿瘤细胞中繁殖以达到溶解肿瘤细胞的目的。,20,基因治疗,2011,年,8,月,10,日，发表于,科学转化医学,和,新英格兰医学杂志,上的一篇论文报道，科学家用基因工程改造的自体免疫细胞治疗白血病获得成功。这种新方法的成功使骨髓移植不再是治疗白血病的唯一方法，给白血病的治疗带来了重大突破。,21,基因工程与食品卫生,基因工程在食品领域中的作用目前涉及到对食品资源的改造、对食品品质的改造、新产品的开发、食品添加剂的生产以及食品卫生检测等方面。利用基因工程技术不但可以提高食品的营养价值，去除食物原料中的有害成分，同时还可以通过对农作物品种改良，减少种植过程中农药、化肥等化学品的使用量。,22,基因工程与食品工业,（,1,）改善食品原料品质,23,基因工程与食品工业,（,2,）生产酶制剂,酶的传统来源是动物肝脏和植物种子，后来因发酵工程技术的发展，使得利用微生物生产各类酶成为可能，,20,世纪,50,年代初开始，分子生物学和生物化学的发展使基因工程技术在酶制剂方面的应用越来越广泛。,凝乳酶是第一次应用基因工程技术把小牛胃中的凝乳酶基因转移到细菌或真核微生物生产的酶，利用基因工程菌生产凝乳酶是解决凝乳酶供不应求的理想途径。,Geoffrog,等将编码牛凝乳酶的基因克隆岛乳酸克鲁维酵母中发现，乳酸克鲁维酵母能有效地把凝乳酶原分泌到培养基质，并成功地进行了大规模的工业生产。,24,基因工程与食品工业,（,3,）改良食品加工性能,啤酒制造中对大麦醇溶蛋白含量有一定要求，如果大麦中醇溶蛋白含量过高就会影响发酵，容易使啤酒产生混浊，也会使其过滤困难。采用基因工程技术，使另一蛋白基因克隆到大麦中，便可相应地使大麦中醇溶蛋白含量降低，以适应生产的要求。,在牛乳加工中如何提高其热稳定性是关键问题，牛乳中的酪蛋白分子含有丝氨酸磷酸，它能结合钙离子而使酪蛋白沉淀。现在采用基因操作，增加,k-,酪蛋白编码基因的拷贝数和置换，,k-,酪蛋白分子中,Ala-53,被丝氨酸所置换，便可提高其磷酸化，使,k-,酪蛋白分子间斥力增加，以提高牛乳的稳定性，这对防止消毒奶沉淀和炼乳凝结起重要作用。,25,基因工程与食品工业,（,3,）改善食品加工性能,中国农业科学院生物技术所的研究人员主持的“利用基因工程技术高效表达高甜度蛋白”项目已取得可喜进展，目前通过专家鉴定。该项成果首次在国际上采用细菌优化密码子，人工合成了蛋白甜度为相同重量蔗糖甜度,1100,倍的单链,monellin,甜蛋白基因；通过定点突变，有首次获得了蛋白产物甜度为相同重量蔗糖甜度,4500,倍的,menellin,甜蛋白基因，并通过优化发酵条件使其在大肠杆菌中得到表达。其表达效率在,40%,左右，发酵时间仅为,2436h,（国外发酵时间,120180h,）。,26,基因工程与食品工业,（,4,）食品检测,近年来,DNA,探针杂交技术在食品微生物检测中的应用研究十分活跃，,DNA,探针杂交技术具有特异性强、灵敏度高及操作简便快速等特点，将是今后食品微生物检测技术的一个重要发展方向。,目前该技术已用于多种食品中致病菌的检测。蜡质芽孢杆菌（,Bacillus cereus,）是一种很重要的经食物携带，能引起人体疾病的微生物，其产生的肠毒素可能会引起腹泻、呕吐等症状。传统的检测方法如平板接种、生化特征描述