第六章生物技術的應用

醫藥衛生（醫藥生物技術）

生命科學農林牧漁（農業生物技術）環境保護（環境生物技術）生命科學直觀影響的相關領域人類面臨與生命科學相關的六大問題環境污染資源枯竭生態破壞能源危機氣候反常人口爆炸以綠色環保和可持續發展為特征生物科學成為當今世界自然科學的熱點和重點二十世紀后葉，分子生物學領域一系列突破性成就，使生命科學在自然科學中的地位發生了革命性的變化；近50年生命科學的發展超過了此前500年的總和建立在實驗室研究基礎上的生物技術的發展為人類帶來了巨大的利益和財富。生物技術將是未來經濟發展的新動力 第一次技術革命 工業革命 解放人的雙手 第二次技術革命 信息技術 擴展人的大腦 第三次技術革命 生物技術 改造生命本身“生命產業是一個朝陽、永恒的產業”生物技術的應用與評價人類基因組計劃（HGP）動物克隆技術生物技術與醫藥生物技術與農業生物技術與工業生物技術與食品生物能源生物技術與環境第一節人類基因組研究

HumanGenomicProject

——揭開生命的奧秘人類的遺傳信息以核苷酸順序的形式貯存在DNA分子中，它們以功能單位(基因)在染色體上占據一定的位置基因組就是細胞內遺傳信息的攜帶者——DNA的總體。人類基因組包含著決定人類生、老、病、死以及精神、行為等活動的全部遺傳信息。人類基因組計劃HGP簡介人類基因組計劃1990年正式啟動。美國、英國、法國、德國、日本和我國科學家共同參與了這一價值達30億美元的人類基因組計劃。計劃旨在為30多億個堿基對構成的人類基因組作圖、精確測序，基因鑒定和功能分析，破譯人類全部遺傳信息曼哈頓計劃阿波羅計劃20世紀科學史上3個里程碑HGP的意義了解生命的起源與進化認識種屬之間和個體之間存在差異的起因五種“模式生物”基因組的研究：大腸桿菌、酵母、線蟲、果蠅和小鼠解碼生命，認識自身了解生命體生長發育的規律認識疾病產生的機制，掌握生老病死規律疾病的診斷和治療人類單倍體基因組含32億堿基對(bp)的DNA序列編碼序列約占3%，非編碼序列約占97%。包括約3～4萬個基因，分布于22條常染色體和X、Y性染色體。人類基因組計劃人類基因組研究的技術原理一、人類基因組研究方案及技術人類基因組計劃遺傳圖譜（連鎖圖譜，linkagemap)通過家譜分析和測量不同性狀一起遺傳（即連鎖）的頻率，將基因或其它DNA順序標定在染色體上構建連鎖圖單位：厘摩（cM，即每次減數分裂的重組頻率為1%）；Mb水平的標記作用確定基因或DNA片斷在染色體的定位各基因或DNA片斷的相對距離方法：家系分析1～22染色體：8個家系

134個個體X染色體：12家系，

170個個體1遺傳圖譜-孟德爾的“新生”

人類基因組計劃2物理圖譜-路標與路軌是通過對DNA的化學測度而繪制的，反映的是DNA序列上兩點之間的實際距離目的：把有關基因的遺傳信息及其在每條染色體上的相對位置線性而系統地排列出來。以堿基對的數目為衡量單位，精度在100kb水平人類基因組計劃第21號染色體的物理圖譜3大片段外源DNA克隆體系人類基因組計劃酵母人工染色體（YAC）克隆體系的構建重疊群組建（步移法）4DNA序列測定

序列圖譜-重中之重DNA序列分析技術是一個包括制備DNA片段化及堿基分析、DNA信息翻譯的多階段的過程通過測序得到基因組的序列圖譜人類基因組計劃大規模基因組測序

Megabace測序儀3700測序儀人類基因組計劃運用計算機軟件進行序列拼接人類基因組計劃現在，你能否設計較理想的人基因組計劃？人類基因組測序完成2003年4月14日，美國聯邦國家人類基因組研究項目負責人弗朗西斯·柯林斯博士在華盛頓宣布基因組測序圖已由美、英、日、德、法、中六國經13年努力完成5.基因的確定與分析

基因轉錄圖譜-生命的樂譜斷裂基因人類基因組計劃轉錄圖譜是在識別基因組所包含的蛋白質編碼序列的基礎上繪制的有關基因序列、位置及表達模式等信息的圖譜。確定特定基因的方法通過DNA全序列分析確定基因根據人類基因組DNA測序，利用計算機分析，找出ORF功能克隆根據基因的功能，分離并測定基因結構

定位克隆：已知基因染色體定位然后進行的克隆已完成幾十個疾病基因的克隆分離鑒定基因據基因編碼蛋白質的氨基酸序列分析蛋白質的類型、功能人類基因組計劃我國對人類基因組計劃的貢獻1994年，我國HGP在吳旻、強伯勤、陳竺、楊煥明的倡導下啟動最初由國家自然科學基金會和863高科技計劃的支持下，先后啟動了“中華民族基因組中若干位點基因結構的研究”和“重大疾病相關基因的定位、克隆、結構和功能研究”；1998年在上海成立了南方基因中心；1999年在北京成立了北方人類基因組中心；1999年7月在國際人類基因組注冊，得到完成人類3號染色體短臂上一個約30Mb區域的測序任務，該區域約占人類整個基因組的1％。1999年11月12日：科技部、中科院、“863”計劃生物領域專家委員會討論決定“863”計劃出資3000萬元，中科院出資1000萬元人類基因組計劃國際人類基因組測序任務分配情況人類基因組計劃遺傳病基因克隆重大突破夏家輝教授實驗室1998年克隆了高頻耳聾疾病基因2001年上海和北京科學家發現遺傳性乳光牙本質II型基因人類基因組計劃后基因組時代結構基因組學向功能基因組學轉變研究基因表達、調控，以及在生長發育、疾病發生、藥物反應等方面的作用研究上：系統研究：不是針對單個基因或蛋白，而是對一個細胞或個體內整個基因或蛋白質的研究；組學研究：功能基因組、結構基因組、蛋白質組學……技術上：高通量基因、蛋白篩選與鑒定，基因敲除動物等在基因的功能與利用上有望突破第二節克隆技術與“多莉”克隆，是Clone的譯音，意為生物體通過細胞進行的無性繁殖形成的基因型完全相同的后代個體組成的種群，簡稱為"無性繁殖"。

從細胞到個體細胞分化：在個體發育中，細胞后代在形態結構和功能上發生差異的過程。細胞全能性：細胞具有形成完整個體的潛能稱細胞全能性。克隆技術植物分化成熟的植物細胞體，仍有可能發育成完整植株。動物隨著分化的演進，分化成熟細胞逐漸喪失其分化潛能,不能發育成為完整的動物個體。實驗證明，囊胚階段的細胞乃至成熟的體細胞，保持著全套基因組的細胞核仍具有全能性——可能發育成完整個體。細胞質中有著決定細胞分化全能性的物質，稱為分化決定子。決定動物細胞全能性的關鍵在于細胞質。植物體細胞具有全能性克隆技術“多莉”羊實驗的設計和實施

——細胞工程材料多莉羊與生母,1997芬蘭道塞特綿羊：提供細胞核蘇格蘭黑面母綿羊2只：提供卵細胞子宮:胚胎的發育環境

——多莉的生母實驗過程細胞核受體

黑面母綿羊細胞核供體6歲道塞特母綿羊培養于0.5%胎牛血清培養基中，使從生長周期中出來停頓于G。34～36h取出核注射促性腺激素釋激素經28-33h排卵乳腺細胞克隆技術移入蘇格蘭黑面母羊子宮分裂成長至桑椹期或囊胚期克隆技術多莉羊與寄母,19971998年,美國夏威夷大學的Yanagimachi等成功地用卵丘細胞進行了小鼠的克隆、克隆再克隆按供體細胞的類型不同分為三個階段同種胚胎細胞克隆同種體細胞克隆異種體細胞克隆動物克隆的發展治療性克隆

動物模型器官移植瀕危動物轉基因動物乳腺生物反應器基礎研究遺傳育種

克隆生產蛋白質藥物克隆技術及其應用移植日期:2001.5.12流產日期:2001.7.15移植日期:2001.5.3流產日期:2001.8.4動物克隆研究中普遍存在的問題存在不分裂胚供體核受體卵細胞受胎率低（26.2%）流產率高(53.8%)克隆動物的存活率低（35.7%)克隆技術第三節生物技術在醫藥衛生領域的應用（P171)生物制藥（基因工程制藥）基因診斷（GeneDiagnosis）基因治療（andGeneTherapy）干細胞工程一、生物醫藥行業的特點高技術（精細和密集的技術）產品來源于實驗室科學家往往就是公司的領導人高投入尤其是前期科研投入,生物藥品平均1～3億美元長周期：一個新的生物藥品需要6～8年時間高利潤美Amgen公司，開發上市的EPO（促紅細胞生長素）、細胞集落因子（G-SCF）到1997年的銷售額達20億美元高風險全世界不超過100家生物技術公司有自己的產品;其中真正盈利的公司很少。政策風險產品潛在安全風險基本方法是：將目的基因用DNA重組的方法連接在載體上，然后將載體導入靶細胞，使目的基因在靶細胞中得到表達，最后將表達的目的蛋白質提純及做成制劑，從而成為蛋白類藥或疫苗。二、基因工程制藥1976年第一家基因工程技術開發藥物的公司建立；1982年第一個基因工程藥物重組人胰島素正式生產，推向市場2002年全球生物技術公司總數已達4284家，美國占34％。2004年基因重組生物技術藥物的年銷售額已經突破400億美元；。2005年市場上的生物技術藥物達到200種左右，而在研的藥物為600種。全世界已有2.5億人使用生物技術藥物和疫苗。國外生物醫藥的發展生物技術與醫藥衛生1989年我國批準了第一個在我國生產的基因工程藥物--重組人干擾素α1b近年來我國生物制藥業銷售收入以平均超過20%的速度增長。國內生物醫藥的發展

——起步晚，起點低，但發展迅速許多藥品的生產是從生物組織中提取的。受材料來源限制產量有限，其價格往往十分昂貴。如胰島素長期以來只能依靠從豬、牛等動物的胰腺中提取。將合成的胰島素基因導入大腸桿菌，每2000L培養液就能產生100g胰島素！相當于1000Kg豬胰臟中提取的量。基因工程藥品的生產生物技術與醫藥衛生生物反應器將外源基因在動、植物體內表達并生產出我們所需的營養（蛋白）或工業用原材料的動植物基因改良（操作）的個體稱為生物反應器。動物乳腺生物反應器生產藥用蛋白質技術原理與操作主要是依據轉基因技術動物生物反應器：是指利用動物作為載體（平臺）的反應器體系。生物技術與醫藥衛生動物生物反應器乳腺生物反應器:使外源基因在哺乳動物的乳腺組織（上皮細胞）中進行特異表達我們需要的蛋白產物；血液生物反應器細胞生物反應器已生產的藥物：α2抗胰蛋白酶、抗凝血因子Ⅸ、TPA、蛋白質C、凝血因子Ⅷ、白細胞介素22等

從轉基因羊的羊奶中提取出治療心臟病的藥物tPA（組織型纖溶酶原激活物）血液、尿腺、乳腺、禽卵、昆蟲目前已制作成功并產生重大社會、經濟效益（應）的乳腺生物反應器（動物）有:轉基因牛(荷蘭Phraming公司-人乳鐵蛋白、EPO)轉基因羊（山羊、綿羊）(英PPL公司-抗胰蛋白酶;美GTC-人凝血酶原III)等生物技術與醫藥衛生治療用轉基因牛研究的時間與資金要求生物技術藥物與化學藥物和中藥將形成三足鼎立的局面生物技術與醫藥衛生生物技術疫苗生物技術疫苗DNA疫苗基因缺失苗亞單位疫苗活載體疫苗基因工程重組疫苗：禽流感病毒（H5N2疫苗，應用反向遺傳操作技術，將在雞胚中增殖效價高的弱毒PB2基因，與其它血清型基因片段通過構建感染性克隆產生新的疫苗病毒二、基因診斷（GeneDiagnosis）G到T一個堿基的改變，決定了一個人的命運小皓珩出生23個月就出現皮疹、便血等病狀，患上了罕見的原發性免疫缺陷病。DNA序列分析，證實了小皓珩WAS蛋白基因的1388位核苷酸由G突變為T，使編碼谷氨酸的密碼GAG突變為終止密碼TAGWAS蛋白突變為無功能的WAS蛋白，導致患兒血小板減少，淋巴細胞形態和功能異常希望：WAS目前已經可以用骨髓移植或干細胞移植根治通過從患者體內提取樣本(DNA)用基因檢測方法來判斷患者是否有基因異常或攜帶病原微生物的方法，就是基因診斷。生物技術與醫藥衛生傳統與基因診斷的比較

傳統的診斷望問聽觸——經驗化驗/檢驗——微生物、免疫學、生物化學、病理學等對細胞、組織、酶、代謝物等檢測影像學—X線、B超、CT、核磁共振、內窺鏡等特殊檢查—肌電/腦電/心電、骨密度等基因診斷應用分子生物學方法：如PCR技術或PCR與分子雜交標記主要應用于先天遺傳性疾患（苯丙酮尿癥、血紅蛋白病）后天基因突變引起的疾病（腫瘤、糖尿病）病原生物的侵入（流感、肝炎、艾滋病）個體識別、法醫物證生物技術與醫藥衛生感染性疾病檢測

利用PCR技術或PCR與分子雜交標記相結合，可以快速準確地檢測出病原性物質乙型肝炎病毒丙型肝炎病毒結核桿菌和瘧原蟲的分型公安司法系統——罪犯及受害人的身份識別及親子鑒定部隊——傷亡士兵的身份識別；印尼海嘯中死難人員身份識別保安——個人DNA身份證，用于人員識別1985年Jeffreys應用RFLP進行親子鑒定,創建DNA指紋分析方法Jeffreys和DNA指紋個體識別三基因治療（GeneTherapy）目前，基因療法的對象基因病、腫瘤、心血管病、糖尿病、血友病、嚴重貧血、關節炎、愛滋病等15種以上疑難頑癥基因治療人類遺傳性疾病,仍在探索階段基因治療是將正常的外源基因導入靶細胞中以彌補靶細胞所缺失或突變的基因、或抑制異常表達的基因生物技術與醫藥衛生基因治療的策略原位修復(基因修復）對有缺陷的基因在原來位置上進行修復，使該基因恢復正常基因替代療法治療策略是切除發生缺陷的基因，再轉入有功能的正常基因增強將目的基因導入靶細胞，目的基因的表達產物可以補償缺陷細胞的功能基因抑制導入外源基因以抑制原有的基因，目的在于阻斷有害基因的表達生物技術與醫藥衛生基因治療掀起了一場臨床醫學革命基因治療的基本方式體細胞介導的基因治療回體法exvivo體內直接轉基因體內法invivo生物技術與醫藥衛生基因治療的應用

轉入功能基因（單基因遺傳病）血友病B薛京倫等用逆轉錄病毒載體將IX因子的cDNA至血友病B患者的皮膚成纖維細胞中，再回植患者皮下，患者凝血因子IX的表達明顯增高，癥狀得到改善重癥綜合性免疫缺乏癥（SCID）重癥綜合性免疫缺乏癥（SCID）腺苷脫氨酶（ADA）缺乏癥是常染色體隱性遺傳的致死性疾病，患者由于ADA缺乏導致脫苷腺氨酸增多，改變了甲基化能力，致使淋巴細胞受損，從而導致免疫缺陷生物技術與醫藥衛生1990年，首次將ADA轉基因T淋巴細胞注射到人體骨髓組織（患有－－腺苷脫氨酶（ADA）缺乏癥的4歲兒童）

，治療SCID轉基因治療的問題與危險性有效的目的基因過少；安全性:導入的基因缺乏調控手段；有效性和穩定性：缺少高效和導向的載體系統；目前人們多重視分子水平的研究而忽略了整體研究，對整體宏觀水平缺乏了解。1999年9月17日，美國Arizona州18歲的青年格爾辛格在賓夕法尼亞大學人類基因治療研究所接受基因治療4天后不幸死亡，成為基因治療實施以來第1個直接死于這種試驗的病人。生物技術與醫藥衛生四創建遺傳病的動物模型意義研究癌癥基因的致病機理；癌癥基因表達的調控過程；新藥物療效研究基因治療的良好材料目前已建立了人類的動脈粥樣硬化、鐮刀形紅細胞貧血、初老期癡呆癥、自身免疫病、淋巴組織生成、真皮炎及前列腺癌等遺傳病的動物模型生物技術與醫藥衛生在猴子的未受精卵中加入附加基因（如老年性癡呆病的基因、帕金森病基因等），并利用它成功培育出健康活潑的小猴“安迪”。

加快針對這類疾病疫苗的開發研究。通過研究“基因敲除”的小鼠將幫助研究人類的癌癥、糖尿病和高血壓等慢性疾病與遺傳的關系。生物技術與醫藥衛生五干細胞工程干細胞是指尚未發育成熟的細胞，它具有再生為各種組織器官的潛能，可稱其為種子細胞。是一類具有自我更新和分化潛能的細胞具有多能性，甚至全能性干細胞的類型全能干細胞它具有形成完整個體的分化潛能胚胎干細胞多能干細胞具有分化出多種細胞組織的潛能，失去了發育成完整個體的能力專能干細胞只能向一種類型或密切相關的兩種類型的細胞分化MicroinjectionManipulationFacility生物技術與醫藥衛生胚胎干細胞具有發育成所有細胞、組織和器官的能力生物技術與醫藥衛生生物技術與醫藥衛生具體應用舉例骨髓移植——造血干細胞造血干細胞是體內各種血細胞的唯一來源，主要存在于骨髓、臍帶血中造血干細胞的移植是治療血液系統疾病、先天性遺傳疾病以及多發性和轉移性惡性腫瘤疾病的有效方法。臍血干細胞庫新生兒臍血主要直接用于血液病和免疫功能不全的臨床治療局限性臍血采集量有限，其中所含的核細胞數較少，不能滿足成人患者移植所需。遺傳病第四節生物技術在農業科學方面的應用農業科技革命20世紀初開始的農業科技革命達爾文、孟德爾（19世紀下半葉）：育種技術（30％）李比希、繆勒（20世紀30年代）：化肥和農藥（50％）

水利、灌溉（20％）以育種技術和農業化學技術為主導的第一次農業科技革命，建立了現代農業。

20世紀下半葉，2個重大的科學事件，拉開了新的農業科技革命的序幕DNA雙螺旋結構的發現、DNA重組成功：分子生物學、生物技術計算機、信息技術：覆蓋面廣、滲透性極強其它現代技術航空航天、自動控制、新型材料、先進制造等生物技術引發的生物育種細胞和胚胎工程育種、分子標記技術、轉基因技術等已趨成熟，在動植物育種中得到應用高產、穩定、優質、抗蟲、抗病、除草劑、固氮酶基因等如：抗除草劑大豆、抗黃矮病小麥、抗病毒馬鈴薯、耐貯運番茄動物品質改良、提高動物快速生長能力或抗病能力；功能性食品：可飼性疫苗、富含VE的不飽和油料等生物技術與農業科學轉基因植物用攜帶外源基因的農桿菌Ti質粒轉化植物材料，使外源DNA與植物染色體DNA整合，通過進一步組織培養，轉化的植物材料分化成愈傷組織，最后發育成具有新性狀的完整植株—轉基因植物生物技術與農業科學有35個科120多種轉基因植物，一些重要的農作物獲得商品化的轉基因品種種植面積迅猛發展發展趨勢采用的基因正在從抗除草劑、抗菌素、抗病蟲害基因到抗逆境、高品質方向發展。由單個質量性狀基因向多基因數量性狀轉變。植物反應器生產稀有蛋白轉基因植物現狀及趨勢生物技術與農業科學1、生物技術與糧食

提高產量、品質普通大米實際上不是“健康食品”。大米中含有一種叫做肌醇六磷酸的小分子，它能與鐵緊緊地結合，使得小腸難以吸收食物中的鐵；以大米為主食的人，易患鐵缺乏癥而導致貧血哪種大米更有益身體健康？轉基因水稻

“金大米”：轉入胡蘿卜素合成相關基因提高大米中維生素A前體的含量，以減少亞洲人普遍存在的維生素A缺乏癥解決鐵吸收的問題，往“金大米”中再轉入三種基因：一種是來自真菌的酶基因，這種酶能夠把肌醇六磷酸降解掉；一種是來自菜豆的鐵蛋白基因，鐵蛋白能夠儲存鐵；還有一種是來自印度香米的基因，它生產的蛋白質有助于人的腸道吸收鐵低過敏性轉基因水稻低蛋白轉基因水稻哪種大米更有益身體健康？超級雜交稻2005年5月13日，位于三亞市田獨鎮新村田洋的中國超級雜交稻第一塊“百畝片試種示范田”正式通過了海南省級驗收。經由全國多位農業專家共同檢測，這批超級雜交稻的畝產高達833.23公斤。功能稻米

基爾米：擁有降血壓、改善睡眠、減肥美容等功能的大米，售價最高的一種達１８元錢１斤。生物技術與農業科學2、抗性基因工程育種基因工程為培育抗病蟲的作物提供了新的手段目前，已經獲得的轉基因抗蟲農作物包括煙草、番茄、馬鈴薯、棉花、玉米等在抗逆境育種上的應用為克服干旱、鹽堿等提供新思路美國斯坦福大學把仙人掌基因導入小麥、大豆等作物，育成抗旱、抗逆的新品種。我國已克隆了耐鹽堿相關基因，通過遺傳轉化已獲得了耐鹽煙草、水稻、西紅柿、草莓等。

生物技術與農業科學轉基因抗蟲棉我國是世界上最大的棉花生產國和消費國，約占世界產棉總量的25%以上。自90年代以來，由于棉鈴蟲在我國大部分棉區持續性大發生或暴發，給我國棉花生產帶來了巨大的威脅，棉農談蟲色變，面積、單產、總產一直處于低谷的徘徊階段。我國現已有18個國產抗蟲棉品種通過了審定，目前種植的轉基因品種中約有一半是國產品種。在全國各棉區正在大面積推廣。1990年，美國利用生物技術，合成蘇云金芽孢桿菌

（B.t）殺蟲基因，導入棉花獲得抗蟲轉基因棉花。抗植物蟲害的基因有多種，日前經常使用的主要有三種：Bt基因從植物中分離出的昆蟲的蛋白酶抑制劑，其中應用最廣泛的是豇豆胰蛋白酶抑制劑基因(CpTI)植物凝集素基因(lectingene)生物技術與農業科學3、花卉基因工程花色工程花卉香味工程通過合成酶的引入，增強單萜的合成花卉保鮮通過導入反義ACC合成酶基因及反義ACC氧化酶基因可阻止乙烯生化合成，延長花期和鮮切花壽命花卉抗性基因工程圓個繽紛的夢－－花色工程花色素主要由類黃酮、類胡蘿卜素、生物堿三類物質決定影響花色的因子還有共色作用、液泡的酸堿值及細胞的形