生物技术与人类生活(2)--基因(2)

生物技术与人类生活(四)——基因工程技术的应用 李 云 海2013-5-21 《生物技术与人类生活》课程 1

一、基因工程的发展动态1、目的基因方面 目的基因被用于基因重组、改变受体性状或 获得预期表达产物，有广阔应用前景和较大经 济效益及社会效益。获得目的基因的方法有：(1)酶切法直接分离目的基因； (2)PCR扩增法(多聚酶链式反应法); (3)化学合成法(可做到200个碱基对片段)。

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图示获得目的基因的方法

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目的基因的来源(1)最初来源于较简单的原核生物；因其染色 体比较简单，甚至就是一个含几百个至上千个 基因的的DNA环，容易搞清楚核苷酸序列和便 于切割。 (2)后来发展到从较复杂、高等的动植物和人 体细胞中获得基因。 (3)现在，在搞清楚人类基因组和有特殊应用 价值的动植物基因组——如水稻基因组基础上 (当然也有待于搞清楚各种性状或生理生化过 程的分子表达机制),大量开展人工合成基因。2013-5-21 《生物技术与人类生活》课程 5

2、表达载体和受体生物方面(1)最初，主要在原核生物(如细菌、蓝绿藻和放线菌) 及低等真核生物(如酵母菌)中进行；因其生长快， 适于大规模发酵培养，生产成本低，便于所需产物的 提取和加工。特别是低等真核生物——酵母菌，除了 上述优点外，另有不产生毒素，产物理化性质及生物 性能最接近高等动植物和人，便于人类利用等优点。 (2)后来，因植物细胞的全能性，开始在植物、特别是 农作物中进行基因工程操作，如水稻、棉花、大豆、 玉米、马铃薯、烟草、花卉等。动物中，最初只能用 低等动物生殖细胞、受精卵或胚胎细胞，如蛙、鱼等。 (3)近年，由于干细胞研究和多种动物克隆取得成功， 特别是动物体细胞克隆也获得成功，高等动物基因工 程操作开展得也比较多，如猪、牛、羊、鼠、猴等。2013-5-21 《生物技术与人类生活》课程 6

二、基因工程技术应用实例1、疾病预防方面主要有疫苗和预防性药物(提高肌体免 疫能力和健康、强壮程度的药物、保健品等)。 疫苗方面，正从“血源性疫苗” “基因 工程疫苗”发展或过渡。血源性疫苗存在的不足：(1)免疫效果不够理想；(2) 疫苗生产者和被免疫者有被感染的风险；(3)数量少、 价格昂贵、难于推广；(4)易受其他病毒如艾滋病病 毒等的污染。 基因工程疫苗的优点(1)是病原体的核心抗原(某种蛋 白质)而不是病原体本身，所以安全；(

2)同一病原 的不同抗原或不同病原的多个抗原，重组在一个基因 上，制备多价疫苗(高效);(3)核酸(DNA)疫苗。2013-5-21 《生物技术与人类生活》课程 7

病原菌基因工程疫苗(1)肝炎病毒疫苗 世界上已发现的肝炎病毒已达到6种(甲、乙、丙、丁、戊、 庚),另外2种即己、辛病毒，现在还不能确定与肝炎有 关，但它们仍然是输血传播的病毒。目前，能用基因工程 生产的肝炎病毒疫苗有甲、乙、丙肝，主要用酵母菌或仓 鼠细胞生产。我国乙肝病毒导致肝硬化和肝癌的机率仅次 于抽烟，所以我国目前主要采用乙肝病毒表面抗原基因的 酵母表达系统生产基因疫苗。但是，我国人群中仍有10% 的人对此疫苗无反应；因此，仍需构建新一代基因工程疫 苗(如表面抗原和核心抗原的融合抗原等)。 甲肝基因工程疫苗，是用甲肝病毒的外壳蛋白基因插入 到减毒的牛痘病毒基因组中，构建重组病毒，经它感 染后人体可不断分泌甲肝抗原，达到长期免疫的目的。 丙肝比乙肝危害大，但因其高突变性(至少存在6种不 同基因型的病毒),给丙肝疫苗的研制带来重重困难 (目前仍未见丙肝疫苗上市)。只能用核酸疫苗。2013-5-21 《生物技术与人类生活》课程 8

(2)艾滋病病毒疫苗艾滋病(AIDS,人类获得性免疫缺陷综合症)由人类免疫缺 陷病毒(HIV)的感染引起，之后不能抵抗其它任何病菌的侵 染，持续炎症和生命机制的衰退，直至死亡。与癌症和心脑血 管病一起被称为危害人类的三大病害，目前仍为不治之症。 艾滋病与丙肝病毒相类似，多型善变，目前虽有40多种艾滋病 病毒基因工程疫苗正在研究中，但并不顺利，为国际上投入最 大的基因工程疫苗项目。1998年前，主要是动物实验阶段， 两只黑猩猩接种该疫苗后，连续100次注射HIV,7个月内未见 发病或感染；1998年初美国开始进行人体实验，有7500名志 愿者接受免疫接种，未见结果报道；1999年美国两家基因疫 苗公司进行大规模人体实验，其中一家公司于2002年承诺可 能在5年内正式推出疫苗。但在泰国的数千人临床实验结果中， 目前的HIV基因疫苗保护效果并不明显。40多种基因工程疫苗 只有20多种进入初期的临床实验，其中又只有8种进行过大规 模的临床实验；目前仍没有进入实用阶段。我国已于2002年 底完成动物实验，预计2006年左右完成全部临床实验。2013-5-21 《生物技术与人类生活》课程 9

(3)其它病毒病基因工程疫苗 如狂犬病毒(急性中枢神经系统疾病)疫苗，流感病毒的高 度保守的基因序列(Npgene)疫苗，HIV的多抗原疫苗和 多抗原的DNA疫苗，脊髓灰质炎病毒(小儿麻痹症

),疱 疹E-B病毒(引起淋巴瘤和鼻咽癌),流行性出血热病毒， 轮状病毒(急性婴幼儿肠胃炎),黄热病毒(心脏、肾和 肝脏病斑),风疹病毒，单纯疱疹病毒(生殖器官溃疡), 麻疹病毒，多价病毒疫苗等。 (4)细菌性疾病的基因工程疫苗 霍乱弧菌疫苗，鼠伤寒沙门氏菌疫苗，麻风杆菌疫苗，幽门 螺杆菌(导致慢性胃炎、消化道溃疡和胃癌)疫苗，大肠 杆菌疫苗，痢疾疫苗，淋球菌(性传播淋病)疫苗，脑膜 炎双球菌疫苗，破伤风杆菌(颈部和颌部肌肉痉挛)疫苗。 (5)寄生虫病基因工程疫苗 疟原虫(疟疾)疫苗，血吸虫(痢疾和肝脏损坏)疫苗，盘 尾丝虫(引起失明)疫苗，锥虫(昏睡病)疫苗等。2013-5-21 《生物技术与人类生活》课程 10

2、生殖健康方面——避孕疫苗 (1)精子避孕疫苗 利用精子的特异性蛋白质(如顶体蛋白)作为抗原，免疫男 性或女性，诱发产生相应的中和抗体，达到减少精子或阻 断受精过程，从而达到避孕的目的。动物实验情况，用P20抗原疫苗注射雌性豚鼠，可以使雌性豚鼠100%产生不育， 而且6—18个月后又可恢复育性。在用于人类前，还需解决 哪些精子蛋白质作抗原在灵长类中最有效、副作用最小和 最佳佐剂及最佳给药途径等问题。 (2)激素类避孕疫苗 精子和卵子的产生过程、受精过程及妊娠过程均需要多种激 素的参与。人们设计以这些激素中的一种或几种作为基因 工程的抗原疫苗，免疫男性或女性以产生相应的中和抗体， 降低机体内相应的激素水平，使得精子或卵子不能产生、 不能受精或不能怀孕，从而达到避孕的目的。目前，人绒 毛膜促性腺激素(女性用)、促性腺激素释放激素(男女 共用)和促卵泡激素(男性用)已进入临床试验。2013-5-21 《生物技术与人类生活》课程 11

3、疾病诊断方面(1)ELASA(双抗体夹心检测技术)与单克隆抗体 灵敏度和准确度均较高；可用于鉴定微生物(细菌、病毒和 寄生虫性传染病)病原体，检验食品、环境等可能污染物 的病原体，确定激素水平，检测肿瘤相关蛋白质，检测血 液中的药物含量，动植物病原体检疫，分离某些贵重的生 物活性物质等。 (2)基因诊断(DNA探针)技术 灵敏性和准确度更高；除了用于各种传染性疾病病原体的检 测外，还用于胎儿的产前诊断(特别是对有遗传病家族的 胎儿，在不影响胎儿的正常发育情况下，只需采集极微量 的羊水、绒毛或脐带血进行怀孕早期的诊断，并对患病胎 儿进行适当的处理，即可达到优生的目的)和法律所需的 亲子鉴定等。如对a-地中海贫血的Bart综合症的胎儿诊断。 (3)生物(基因或D

NA)芯片技术：对生物分子进行高通量 的快速并行处理和分析的薄型固体器件(指甲盖大小)。2013-5-21 《生物技术与人类生活》课程 12

4、疾病治疗(基因疗法及药物)方面(1)基因治疗及四大策略 四大策略：基因置换、基因修正、基因修饰和基因失活。可 治疗的疾病类型有：遗传性疾病、肿瘤和传染性疾病等。 已有基因治疗方案的遗传性疾病：严重联合型免疫缺陷症 (SCID,气泡儿童)、血友病B、家族性高血脂症、囊性 纤维化、肌营养不良症、肺气肿和镰状细胞贫血病等。肿 瘤的基因治疗的两种途径：瘤苗治疗策略；通过提高癌细 胞的免疫原性或提高机体的免疫功能达到消灭癌细胞的目 的。基因失活或基因修饰策略；通过对癌基因和抑癌基因 进行失活、修饰等纠正，使癌细胞回到正常状态。 (2)基因工程药物： 侏儒症、糖尿病和血友病例 蛋白质、酶或激素是生命活动的重要物质基础，人类很多疾 病与蛋白质的缺少、增多或改变密切相关。过去，这些药 物主要从血液、尿液或动物的组织和器官中提取，产率产 量低、昂贵和供应有限，而且有被某些病原体污染的危险。2013-5-21 《生物技术与人类生活》课程 13

基因工程技术生产蛋白质药物工艺流程应用基因工程技术 导入细菌或酵母基因组中 体或大量强化表达产物 所需蛋白质药物 传统法：50万头绵羊脑 DNA法：9L细菌发酵液2013-5-21

克隆所需蛋白质基因 发酵培养(生产)大量菌 破碎菌体及从培养液中提取 纯化、无菌包装、上市使用。 提取5mg生长激素释放抑制激素； 生产5mg生长激素释放抑制激素。14

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现在，基因工程技术可以克服蛋白质药物传统生产方法的困 难，如产量、成本、安全、有效和副作用(抗原性、活性、 稳定性)等等。由于基因工程技术在生产药物上的诱人前 景，世界各国均十分重视这项技术的研究和开发。1982年 10月世界上第一个基因工程药物——治疗胰岛素依赖性糖 尿病的人胰岛素在美国正式获准上市，至今已有100多种 药物经过严格的动物药理、毒理试验及临床试验已获准大 批量生产并上市(表9—5)。300多种处于临床阶段，近千种 处于研发状态，形成一个巨大的高新技术产业，产生了不 可估量的社会效益和经济效益。表9-5 主要国家基因制药产业化概况

国家美国 日本 德国 中国2013-5-21

发展策略

投入资金

临床试验 上市品种350 50种以上 100 20余种 110 50 68 21

2001年产值200亿美元 5千亿日元 30亿人民币15

支持基础，创新，主导领先 100亿美元/年 合作，实用化，信息化 两千亿日元/年 创新，转让，加大投入 重视，

优先、优惠

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5、人类基因组计划(HGP)的进展人类染色体基因组约有32亿个碱基对组成(印刷出来其篇幅 相当于13套大英百科全书),约有3—4万个基因，但目前 人们对大多数基因仍不了解；如对其生物学功能及与人类 疾病、生长、衰老、死亡等之间的关系和分子机制仍不清 楚，严重制约了疾病的基因治疗。因此，才要实施HGP计 划。

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HGP的最终任务：破译人体遗传物质DNA分子所携带的全部 遗传信息；终极目标：阐明人类全部基因的位置、功能、 结构、表达调控方式及与疾病有关的变异，读通、读懂 “天书”。进展情况：2003年4月15日，序列图绘制成功， 结果 (1)人类基因组有31.6亿个核苷酸，3—4万个结构基因，是 酵母的4倍、果蝇的2倍，比线虫只多1万多个基因，数目 少得惊人。 (2)基因在染色体上不是均匀分布；一些区域有很多基因， 一些区域(约1/4)没有或有极少的基因(“荒漠地带”)。 (3)人与人之间有99.9%的基因密码是相同的，不同种族之 间的差异并不比同一种族不同个体之间的差异大。 HGP计划任务的完成和目标的实现(美、英、日、法、 德、中等国),实际上仍然只是开了个头。艰巨的任务： 是搞清楚各个基因的转录、表达、调控过程的分子机制及 与致病有关的变异，达到为人类所用的终极目的。 19 《生物技术与人类生活》课程

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