第3章

基因工程基因工程的應(yīng)用

胰島素是治療糖尿病的特效藥物。傳統(tǒng)生產(chǎn)胰島素的方法是從豬、牛等動(dòng)物的胰腺中提取。曾經(jīng)生產(chǎn)供一位糖尿病病人使用一年的胰島素，需要上千頭牛，生產(chǎn)成本非常高。1978年，科學(xué)家將編碼人胰島素的基因?qū)氪竽c桿菌細(xì)胞中，使大腸桿菌表達(dá)重組人胰島素。我國擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基因工程藥物--重組人胰島素已經(jīng)研制成功并得到廣泛應(yīng)用。除了生產(chǎn)胰島素，基因工程還有哪些應(yīng)用呢？一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用1.轉(zhuǎn)基因在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用的現(xiàn)狀1996-2017年，全世界轉(zhuǎn)基因作物種植面積增加了100多倍。轉(zhuǎn)基因作物的種植使化學(xué)農(nóng)藥的施用量減少了8.2%，作物產(chǎn)量增加了6.6×108t，增加經(jīng)濟(jì)效益1.3萬億。美國是世界上轉(zhuǎn)基因作物種植面積最大的國家。一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用世界轉(zhuǎn)基因作物種植面積最大的是大豆，其次是玉米、棉花；2024年中國轉(zhuǎn)基因作物的種植面積位居世界第七位（并列）；商業(yè)化種植的轉(zhuǎn)基因作物有棉花、番木瓜、玉米和大豆（2023年批準(zhǔn)）。1.轉(zhuǎn)基因在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用的現(xiàn)狀一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用2024年，中國消耗約1.17億噸大豆，其中約90%依賴進(jìn)口。1.轉(zhuǎn)基因在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用的現(xiàn)狀一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用2.轉(zhuǎn)基因植物轉(zhuǎn)基因抗蟲植物轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻（綠色植株）與對(duì)照（被害蟲侵害的黃色植株）轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花、玉米、水稻、大豆、馬鈴薯等。轉(zhuǎn)基因抗蟲棉和普通棉花常見的抗蟲基因：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。

優(yōu)點(diǎn)：減少因化學(xué)農(nóng)藥的使用而造成的環(huán)境污染和對(duì)人類健康的損害、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)量。一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用2.轉(zhuǎn)基因植物轉(zhuǎn)基因抗病植物轉(zhuǎn)基因抗病毒甜椒、番木瓜和煙草等等。常見的抗病基因：抗病毒：病毒外殼蛋白基因（CP基因）、病毒的復(fù)制酶基因；轉(zhuǎn)基因抗病毒甜椒抗真菌：幾丁質(zhì)酶基因、抗毒素合成基因。一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用2.轉(zhuǎn)基因植物轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物轉(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方法：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。

優(yōu)點(diǎn)：減少因除草劑的使用而造成的環(huán)境污染和對(duì)人類健康的損害、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)量。一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用2.轉(zhuǎn)基因植物轉(zhuǎn)基因改良植物品質(zhì)方法：將必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因，導(dǎo)入植物，或改變這種氨基酸合成途徑中某種關(guān)鍵酶的活性，以提高氨基酸的含量；

培育出了賴氨酸含量提高30%的轉(zhuǎn)基因玉米培育出了具有更高觀賞價(jià)值的轉(zhuǎn)基因牽牛轉(zhuǎn)基因玉米、牽牛花等。將與植物花青素代謝有關(guān)的基因?qū)牖ɑ苤参锇珷颗Ｖ小?/p>

一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用3.轉(zhuǎn)基因動(dòng)物2015年11月，第一種用于食用的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物--轉(zhuǎn)基因大西洋鮭（俗稱“三文魚”）在美國獲得批準(zhǔn)上市。一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用3.轉(zhuǎn)基因動(dòng)物轉(zhuǎn)基因提高動(dòng)物的生長速率科學(xué)家們將外源生長激素基因，導(dǎo)入動(dòng)物體內(nèi)，以提高動(dòng)物生長速率。轉(zhuǎn)生長激素基因鯉魚（下）與非轉(zhuǎn)基因鯉魚（上）我國科學(xué)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%。一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)中的應(yīng)用3.轉(zhuǎn)基因動(dòng)物轉(zhuǎn)基因改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)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(huì)出現(xiàn)腹瀉等不適癥狀，稱之為乳糖不耐受。乳糖耐受（有乳糖酶）乳糖不耐受（無乳糖酶）大腸腸道內(nèi)滲透壓增高，刺激胃腸蠕動(dòng)增加科學(xué)家們將腸乳糖酶基因，導(dǎo)入奶牛基因組，獲得的轉(zhuǎn)基因奶牛分泌的乳汁中，乳糖含量大大降低，而其他營養(yǎng)成分不受影響。腸乳糖酶基因牛受精卵代孕母體轉(zhuǎn)基因奶牛顯微注射胚胎移植分娩早期胚胎培養(yǎng)載體如何使腸乳糖酶基因只在乳腺中表達(dá)？腸乳糖酶基因與乳腺中特異表達(dá)的基因啟動(dòng)子結(jié)合。二、在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用

胰島素是治療糖尿病的特效藥。傳統(tǒng)胰島素的生產(chǎn)主要從豬、牛等家畜的胰腺中提取，每100kg胰腺只能提取4－5g胰島素。用該方法生產(chǎn)的胰島素產(chǎn)量低，價(jià)格昂貴，遠(yuǎn)不能滿足社會(huì)需要。

利用大腸桿菌來生產(chǎn)胰島素用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，使外源基因得到高效表達(dá)的菌株稱為基因工程菌。【拓展】

商業(yè)化生產(chǎn)重組人胰島素

將人工合成編碼??人胰島素原的基因序列（含A鏈、B鏈和中間的C肽）或分別克隆A鏈和B鏈的基因，與質(zhì)粒構(gòu)建基因表達(dá)載體導(dǎo)入大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)。

大腸桿菌通常將重組蛋白以??包含體??形式儲(chǔ)存（無活性聚集體）。之后通過高壓均質(zhì)機(jī)或超聲波破碎菌體。離心分離包含體，并用洗滌緩沖液（含尿素或TritonX-100）去除雜質(zhì)。使用??強(qiáng)變性劑??（尿素??或??鹽酸胍）溶解包含體并破壞蛋白質(zhì)聚集。加入還原劑（如??β-巰基乙醇????）還原錯(cuò)誤形成的二硫鍵。

將變性后的蛋白質(zhì)緩慢稀釋到復(fù)性緩沖液中（含氧化型谷胱甘肽GSSG），逐步降低變性劑濃度，促進(jìn)二硫鍵正確配對(duì)。用酶切法??或化學(xué)法??將C肽切除?。最后經(jīng)過分離純化就能得到重組人胰島素。二、在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用

干擾素是人體或動(dòng)物受到病毒侵染后產(chǎn)生的一種細(xì)胞因子，是一種具有干擾病毒復(fù)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、乳腺癌、淋巴癌、多發(fā)骨髓瘤和某些白血病等。傳統(tǒng)生產(chǎn)干擾素從人血液中白細(xì)胞提取，每300L血液只能提取1mg干擾素。基因工程菌生產(chǎn)干擾素的方法：干擾素基因基因表達(dá)載體大腸桿菌或酵母菌可大量生產(chǎn)干擾素的工程菌構(gòu)建導(dǎo)入培養(yǎng)質(zhì)粒與大腸桿菌相比，用酵母菌生產(chǎn)人的干擾素有什么優(yōu)勢？酵母菌為真核生物，有生物膜系統(tǒng)，可通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體對(duì)產(chǎn)生的干擾素進(jìn)行加工和修飾，從而產(chǎn)生有活性的干擾素。二、在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用

除了對(duì)微生物進(jìn)行改造外，還可以對(duì)動(dòng)植物進(jìn)行基因改造，使它們能夠生產(chǎn)藥物。讓轉(zhuǎn)基因哺乳動(dòng)物批量生產(chǎn)藥物：乳腺中特異表達(dá)的基因的啟動(dòng)子等調(diào)控元件基因表達(dá)載體泌乳期分泌乳汁轉(zhuǎn)基因動(dòng)物顯微注射發(fā)育受精卵藥物蛋白藥用蛋白基因乳腺生物反應(yīng)器或乳房生物反應(yīng)器胚胎移植前應(yīng)做DNA分析，鑒定性別，保留雌性。

優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)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。產(chǎn)物直接經(jīng)乳汁分泌。【拓展】

膀胱生物反應(yīng)器

和乳腺生物反應(yīng)器相似，利用基因工程和在膀胱上皮細(xì)胞中特異性表達(dá)的啟動(dòng)子，促使目的基因在膀胱中表達(dá)，并在尿液中獲得目的蛋白。由于乳腺生物反應(yīng)器受生物性別和發(fā)育時(shí)期的限制，只能是哺乳期的雌性個(gè)體，而膀胱生物反應(yīng)器不受此限制，所以膀胱生物反應(yīng)器適用性更廣。膀胱生物反應(yīng)器優(yōu)于乳腺生物反應(yīng)器的方面：不局限于性別與發(fā)育時(shí)期；從尿中提取蛋白質(zhì)比在乳汁中提取簡便、高效。二、在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用基因改造微生物或動(dòng)植物生產(chǎn)藥物常見藥物類型：細(xì)胞因子、抗體、疫苗和激素等

我國生產(chǎn)的重組人干擾素、血小板生成素、促紅細(xì)胞生成素和粒細(xì)胞集落刺激因子等基因工程藥物均已投放市場。二、在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用基因改造的動(dòng)物還可以作為器官移植的供體，以此來解決人體移植器官短缺的難題。以豬作為器官移植供體的原因：豬的內(nèi)臟構(gòu)造、大小、血管分布與人相似；豬體內(nèi)隱藏的致病基因遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于靈長類動(dòng)物。最大的難題：存在免疫排斥反應(yīng)。在器官供體的基因組中導(dǎo)入某種調(diào)節(jié)因子，以抑制抗原決定基因的表達(dá)；設(shè)法除去抗原決定基因。二、在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用近年來，異種移植研究在臨床前和臨床階段取得了顯著突破。例如：2021年9月，美國紐約大學(xué)朗格尼醫(yī)學(xué)中心首次將敲除GGTA1基因的豬腎移植至腦死亡受體體內(nèi)；2022年1月，馬里蘭大學(xué)醫(yī)學(xué)中心完成了全球首例基因編輯豬心臟移植至活體患者的手術(shù)，患者術(shù)后存活了60天；2024年3月，美國麻省總醫(yī)院成功將經(jīng)過多基因編輯的豬腎移植到一位活體患者體內(nèi)，患者術(shù)后存活了2個(gè)月。三、在食品工業(yè)方面的應(yīng)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。

例如：一種普遍使用的甜味劑（阿斯巴甜），主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，這兩種氨基酸可通過基因工程實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。天冬氨酸苯丙氨酸

阿斯巴甜甜度約為蔗糖的200倍，但熱量極低。FDA設(shè)定每日允許攝入量（ADI）為??50mg/kg體重??（相當(dāng)于70kg成人每日飲用約19罐無糖可樂）。國際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）2023年將阿斯巴甜列為??2B類??（可能對(duì)人類致癌，但證據(jù)有限）。三、在食品工業(yè)方面的應(yīng)用其他實(shí)例：（1）凝乳酶：大多數(shù)奶酪的生產(chǎn)需要使用凝乳酶來凝聚固化奶中的蛋白質(zhì)。傳統(tǒng)制備方法：殺死未斷奶的小牛，將其第四胃的黏膜取出來提取。基因工程技術(shù)：將編碼牛凝乳酶的基因?qū)氪竽c桿菌、黑曲霉、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。（2）淀粉酶、脂酶：加工轉(zhuǎn)化糖漿需要的淀粉酶，加工烘烤食品用到的脂酶等也都可以通過構(gòu)建基因工程菌，然后用發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)。四、基因工程在其他方面的應(yīng)用利用經(jīng)過基因改造的微生物生產(chǎn)清潔能源。基因工程將能分解三種烴類的假單孢桿菌的基因轉(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(shí)分解四種烴類的“超級(jí)細(xì)菌”。下列有關(guān)轉(zhuǎn)基因植物的說法，錯(cuò)誤的是(

)A．科學(xué)家可以利用一些調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓的基因，來提高農(nóng)作物的抗鹽堿和抗旱的能力B．因?yàn)檗D(zhuǎn)基因抗蟲棉可以抵抗一切危害棉花植株的害蟲，所以轉(zhuǎn)基因抗蟲棉已經(jīng)推廣應(yīng)用C．科學(xué)家往往將必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胫参镏校蕴岣咿r(nóng)作物的營養(yǎng)價(jià)值D．利用基因工程技術(shù)可以改良農(nóng)作物的品質(zhì)B轉(zhuǎn)基因抗蟲植物含有Bt毒蛋白，對(duì)人體無毒，但是鱗翅目昆蟲幼蟲的腸道細(xì)胞含有Bt蛋白的受體，Bt蛋白與受體結(jié)合導(dǎo)致腸道壁穿孔，使幼蟲死亡。下列敘述錯(cuò)誤的是（

）A.促進(jìn)Bt蛋白的合成有助于提高植物的抗蟲效果B.通過PCR技術(shù)可以檢測Bt蛋白基因是否表達(dá)C.將Bt蛋白基因?qū)胫参锛?xì)胞的方法可以使用花粉管通道法或農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法D.將植物材料和農(nóng)桿菌共同培養(yǎng)之前，需要對(duì)植物材料進(jìn)行消毒處理B利用基因工程技術(shù)使哺乳動(dòng)物成為乳腺生物反應(yīng)器，以生產(chǎn)所需要的藥品，如轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)人的生長激素。科學(xué)家培養(yǎng)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物成為乳腺生物反應(yīng)器時(shí)，下列說法錯(cuò)誤的是（

）A．利用顯微注射法將人的生長激素基因?qū)胧荏w哺乳動(dòng)物體內(nèi)B．需要將乳腺中特異表達(dá)的基因的啟動(dòng)子與目的基因重組在一起C．動(dòng)物必須是雌性才能滿足要求D．動(dòng)物需要進(jìn)入泌乳期才能成為“批量生產(chǎn)藥物的工廠”A下列關(guān)于用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作器官移植供體的研究的敘述，不正確的是（

）A.人體移植器官短缺和免疫排斥是目前制約人體器官移植的兩大難題B.豬的內(nèi)臟構(gòu)造、大小和血管分布與人的極為相似C.靈長類動(dòng)物體內(nèi)隱藏的、可導(dǎo)致人類疾病的病毒少于豬D.無論以哪種動(dòng)物作為供體，都需要在其基因組中導(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C1998年，我國科研人員用兩個(gè)機(jī)理不同的抗蟲基因(CryIA和Cpti)構(gòu)建融合基因表達(dá)載體，導(dǎo)入棉花細(xì)胞培育出雙價(jià)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉。自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)抗蟲棉的推廣在提高經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的同時(shí)，也保護(hù)了中國棉花產(chǎn)業(yè)的安全。下列敘述錯(cuò)誤的是（

）A.基因表達(dá)載體中融合基因位于啟動(dòng)子與終止子之間B.該融合基因必須整合到棉花細(xì)胞的基因組DNA中C.可用DNA探針檢測融合基因是否轉(zhuǎn)錄出mRNAD.雙價(jià)抗蟲棉比單價(jià)抗蟲棉選擇抗性棉鈴蟲的速率更快D如圖表示科研人員利用乙烯合成酶的反義基因，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得耐儲(chǔ)存的轉(zhuǎn)基因番茄的過程。下列相關(guān)敘述錯(cuò)誤的是(

)A．該轉(zhuǎn)基因技術(shù)所用的目的基因是乙烯合成酶基因B．乙烯合成酶的反義基因與乙烯合成酶基因的區(qū)別是轉(zhuǎn)錄的模板鏈不同C．由圖可知過程⑤依據(jù)的原理是堿基互補(bǔ)配對(duì)原則D．轉(zhuǎn)基因番茄中乙烯含量低的原因可能是乙烯合成酶基因的翻譯過程受阻A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(dǎo)入大腸桿菌的細(xì)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(biāo)記基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等2.基因工程應(yīng)用廣泛，成果豐碩。下列不屬于基因工程應(yīng)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(yīng)器生產(chǎn)藥物C.制造一種能降解石油的“超級(jí)細(xì)菌"D.制造一種能產(chǎn)生干擾素的基因工程菌CA二、擴(kuò)展應(yīng)用除草劑的有效成分草甘膦能夠?qū)?/p>