人教版教学课件2010高三复习课件-基因工程.ppt

基因工程基因工程考纲解读l1.DNA重组技术的基本工具l2.基因工程的基本操作程序l3.基因工程的应用l4.基因工程的成果与发展前景l5.蛋白质工程的崛起 考向指南基因工程是生物工程的主要领域，常与其他技术组合运用而达到定向改造生物的目的。试题中一般以具体实例对基因工程的操作过程、基因工程的应用、当今基因工程的新进展等进行考查，如2008年高考就侧重于基因工程有关知识的考查。上海卷、江苏卷、全国I卷、广东卷等都有考题出现。一、基因工程的基本内容一、基因工程的基本内容 基因工程，确切地讲就是重组基因工程，确切地讲就是重组DNADNA技术，指在体外将不同技术，指在体外将不同来源的来源的DNADNA进行剪切和重组，形成杂合进行剪切和重组，形成杂合DNADNA或称嵌合或称嵌合DNADNA分子，分子，然后将其导入特定的宿主细胞，得到大量扩增和表达，使宿主然后将其导入特定的宿主细胞，得到大量扩增和表达，使宿主细胞获得新的遗传特性，产生新的基因产物。基因工程，或称细胞获得新的遗传特性，产生新的基因产物。基因工程，或称遗传工程，兴起于遗传工程，兴起于2020世纪世纪7070年代。人类实现对基因进行自如地年代。人类实现对基因进行自如地操作、转移和改造的理想，是在核酸限制性内切酶、载体质粒、操作、转移和改造的理想，是在核酸限制性内切酶、载体质粒、连接酶和其它修饰酶被陆续发现以后。在此基础上，核酸和蛋连接酶和其它修饰酶被陆续发现以后。在此基础上，核酸和蛋白质序列测定、基因体外快速突变、白质序列测定、基因体外快速突变、DNADNA的人工合成等，则使的人工合成等，则使得基因工程逐渐成熟和发展。得基因工程逐渐成熟和发展。基因决定性状青霉菌能产生对人类有用的抗生素青霉菌能产生对人类有用的抗生素青霉素青霉素l家蚕能够吐出蚕丝家蚕能够吐出蚕丝为人类利用为人类利用l豆科植物的根瘤能豆科植物的根瘤能够固定空气中的氮够固定空气中的氮高考总复习高考总复习生物生物定向基因改造设想:设想一能否让禾本科的植物也能够固定空气中能否让禾本科的植物也能够固定空气中能否让禾本科的植物也能够固定空气中能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮？的氮？的氮？的氮？能否让细菌能否让细菌能否让细菌能否让细菌“吐出吐出吐出吐出”蚕丝？蚕丝？蚕丝？蚕丝？设想二能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？素等珍贵的药物？素等珍贵的药物？素等珍贵的药物？设想三经过多年的努力，科学家于经过多年的努力，科学家于经过多年的努力，科学家于经过多年的努力，科学家于20202020世纪世纪世纪世纪70707070年代创立了可年代创立了可年代创立了可年代创立了可以定向改造生物的新技术以定向改造生物的新技术以定向改造生物的新技术以定向改造生物的新技术基因工程基因工程。操作环境操作环境操作对象操作对象操作水平操作水平基本过程基本过程结果结果生物体外生物体外基因基因分子水平分子水平剪切剪切拼接拼接导入导入表达表达人类需要的基因产物人类需要的基因产物基因拼接技术或基因拼接技术或DNADNA重组技术重组技术实质：实质：基因重组基因重组 将抗虫基因移植到棉花的细胞中，使棉花将抗虫基因移植到棉花的细胞中，使棉花具有抗虫害的作用。假如你作为一名研究者来具有抗虫害的作用。假如你作为一名研究者来完成这一项工作，那么你会遇到哪些困难或需完成这一项工作，那么你会遇到哪些困难或需要解决哪些问题呢？要解决哪些问题呢？1 1、如何将抗虫基因（目的基因）从某种生、如何将抗虫基因（目的基因）从某种生物的物的DNADNA上切割下来？上切割下来？2 2、如何使抗虫基因（目的基因）与棉花的、如何使抗虫基因（目的基因）与棉花的DNADNA连接起来？连接起来？基因工程培育抗虫棉的简要过程：基因工程培育抗虫棉的简要过程：苏云金芽孢杆菌苏云金芽孢杆菌(有抗虫特性有抗虫特性)普通棉花普通棉花(无抗虫特性无抗虫特性)抗虫基因抗虫基因与运载体与运载体DNADNA拼接拼接导入导入棉花细胞棉花细胞(含抗虫基因含抗虫基因)棉花植株棉花植株(有抗虫特性有抗虫特性)提取提取 通过观察抗虫棉的培育过程，你认为关通过观察抗虫棉的培育过程，你认为关键的步骤是什么？键的步骤是什么？关键步骤一：抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取。关键步骤一：抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取。关键步骤二：抗虫基因与运载体关键步骤二：抗虫基因与运载体DNADNA连接。连接。关键步骤三：抗虫基因进入棉细胞。关键步骤三：抗虫基因进入棉细胞。通过观察抗虫棉的培育过程，你认为关键的通过观察抗虫棉的培育过程，你认为关键的步骤是什么？步骤是什么？关键步骤一的工具：基因的剪刀关键步骤一的工具：基因的剪刀限制性内切酶。限制性内切酶。关键步骤二的工具：基因的针线关键步骤二的工具：基因的针线DNADNA连接酶。连接酶。关键步骤三的工具：基因的运输工具关键步骤三的工具：基因的运输工具运载体。运载体。二、基因操作的工具v1、基因的剪刀限制性内切酶v2、基因的针线DNA连接酶v3、基因的运输工具运载体分布分布作用特点作用特点结果结果种类种类举例举例主要在微生物中。主要在微生物中。特异性特异性，即识别特定核苷酸序，即识别特定核苷酸序列，切割特定切点。列，切割特定切点。产生黏性未端（碱基互补配对）。产生黏性未端（碱基互补配对）。大肠杆菌的一种限制酶能识别大肠杆菌的一种限制酶能识别GAATTCGAATTC序列，并在序列，并在G G和和A A之间切开。之间切开。1 1、基因的剪刀、基因的剪刀限制性内切酶限制性内切酶200200多种多种G A A T T CGC T T A AA A T T CG限制酶切割分子示意图限制酶切割分子示意图 C T T A A G思考思考要想获得某要想获得某个特定性状的基个特定性状的基因必须要用限制因必须要用限制酶切几个切口？酶切几个切口？可产生几个黏性可产生几个黏性末端？末端？两个切口，四两个切口，四个黏性末端。个黏性末端。2 2、基因的的针线基因的的针线DNA连接酶连接酶连接的部位：连接的部位：磷酸二酯键（在磷酸二酯键（在“梯子梯子”的扶手处），的扶手处），不是氢键（在不是氢键（在“梯子梯子”的踏板处）。的踏板处）。结果：结果：两个相同的黏性末端的连接。两个相同的黏性末端的连接。思考思考（）用（）用DNADNA连接酶连接两个相同的黏性末端要连接连接酶连接两个相同的黏性末端要连接几个磷酸二酯键？几个磷酸二酯键？（）用限制酶切一个特定基因要切断几个磷酸二酯（）用限制酶切一个特定基因要切断几个磷酸二酯键？键？个个个个、基因的运输工具、基因的运输工具运载体运载体作用：作用：具备的条件具备的条件种类：种类：将外源基因送入受体细胞。将外源基因送入受体细胞。能在宿主细胞内复制并稳定地保存能在宿主细胞内复制并稳定地保存具有多个限制酶切点具有多个限制酶切点具有某些标记基因具有某些标记基因质粒、噬菌体和动植物病毒。质粒、噬菌体和动植物病毒。使用运载体的目的：使用运载体的目的：用它作为运载工具，将目的基因用它作为运载工具，将目的基因送到宿主细胞中去。送到宿主细胞中去。质粒质粒的特点1.1.1 1、质质粒粒是是基基因因工工程程中中最最常常用用的的运运载载体体；2 2、存存在在于于许许多多细细菌菌及及酵酵母母菌菌等等生生物物中中；3 3、细细胞胞染染色色体体外外能能自自主主复复制制的的小小型型环环状状DNADNA分分子子；4 4、最最常常用用的的质质粒粒是是大大肠肠杆杆菌菌的的质质粒粒；5 5、质质粒粒的的存存在在对对宿宿主主细细胞胞无无影影响响；6 6、质质粒粒的的复复制制只只能能在在宿宿主主细细胞内完成。胞内完成。（）质粒上会存在某些标记基因，标记基因有什么（）质粒上会存在某些标记基因，标记基因有什么用途？用途？（）要想将某个特定基因与质粒相连，需要用几种（）要想将某个特定基因与质粒相连，需要用几种限制性内切酶和几种限制性内切酶和几种DNADNA连接酶处理？连接酶处理？思考思考三、基因操作的基本步骤v1、提取目的基因、提取目的基因v2、目的基因与运载体结合、目的基因与运载体结合v3、将目的基因导入受体细胞、将目的基因导入受体细胞v4、目的基因的检测和表达、目的基因的检测和表达1、提取目的基因取出取出取出取出DNADNADNADNA用限制酶用限制酶用限制酶用限制酶切断切断切断切断DNADNADNADNA目前被较广泛提取使用的目前被较广泛提取使用的目前被较广泛提取使用的目前被较广泛提取使用的目的基因有：目的基因有：目的基因有：目的基因有：苏云金杆菌抗虫基因、苏云金杆菌抗虫基因、苏云金杆菌抗虫基因、苏云金杆菌抗虫基因、人胰岛素基因、人胰岛素基因、人胰岛素基因、人胰岛素基因、人干扰素基因、人干扰素基因、人干扰素基因、人干扰素基因、种子贮藏蛋白基因、种子贮藏蛋白基因、种子贮藏蛋白基因、种子贮藏蛋白基因、植物抗病基因等。植物抗病基因等。植物抗病基因等。植物抗病基因等。(1)(1)目的基因的概念：目的基因的概念：人们需要的特定基因。人们需要的特定基因。（2 2）提取目的基因的途径）提取目的基因的途径提取目的基因的途径提取目的基因的途径人工合成基因（真核细胞）人工合成基因（真核细胞）反转录法反转录法 根据已知氨基酸根据已知氨基酸序列合成序列合成DNADNA从供体细胞的从供体细胞的DNADNA中直接分离基因中直接分离基因 方法：鸟枪法方法：鸟枪法 途径途径供体细胞中的供体细胞中的DNADNA中中直接分离基因直接分离基因人工合成基因（真核细胞）人工合成基因（真核细胞）方法方法根据已知氨基酸根据已知氨基酸序列合成序列合成DNADNA过程过程供体细胞中的供体细胞中的DNADNA 限制酶限制酶许多许多DNADNA片段片段 载入载入运载体运载体 导入导入受体细胞受体细胞 外源外源DNADNA扩增扩增,产生特定性状产生特定性状 分离分离 目的基因目的基因目的基因目的基因mRNAmRNA 反转录反转录单链单链DNADNA 合成合成双链双链DNA(DNA(即目的基因即目的基因)蛋白质的氨基酸序蛋白质的氨基酸序列列 推测推测mRNAmRNA的核苷酸序列的核苷酸序列 推测推测结构基因的核苷酸结构基因的核苷酸序列序列 化学合成化学合成目的基因目的基因鸟枪法鸟枪法反转录法反转录法途径途径供体细胞中的供体细胞中的DNADNA中直接分离中直接分离基因基因人工合成基因（真核细胞）人工合成基因（真核细胞）方法方法鸟枪法鸟枪法反转录法反转录法根据已知根据已知氨基酸序氨基酸序列合成列合成DNADNA优点优点操作简单操作简单专一性强专一性强专一性强，专一性强，可产生自可产生自然界不存然界不存在的新基在的新基因。因。缺点缺点工作量大，盲工作量大，盲目性大，专一目性大，专一性差性差操作过程较麻操作过程较麻烦，技术要求烦，技术要求过高。过高。适用范围适用范围狭小狭小 目的基因与运载体结合的结果可能有目的基因与运载体结合的结果可能有几种情况？几种情况？1 1、目的基因与目的基因结合；、目的基因与目的基因结合；2 2、质粒与质粒结合；、质粒与质粒结合；3 3、目的基因与质粒结合。、目的基因与质粒结合。思考思考2 2、目的基因与运载体结合目的基因与运载体结合3 3、将目的基因导入受体细胞将目的基因导入受体细胞导入方法：导入方法：借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径导入过程：导入过程：受体细胞：细菌受体细胞：细菌CaCL2细胞壁的通透性增大细胞壁的通透性增大重组质粒进入受体细胞重组质粒进入受体细胞目的基因随受体细胞的繁殖而复制目的基因随受体细胞的繁殖而复制将目的基因导将目的基因导将目的基因导将目的基因导入受体细胞入受体细胞入受体细胞入受体细胞将受体细胞将受体细胞将受体细胞将受体细胞进行扩增进行扩增进行扩增进行扩增4 4、目的基因的检测与表达目的基因的检测与表达检测：检测：通过检测标记基因的有无来判断目的基因是通过检测标记基因的有无来判断目的基因是否导入。否导入。通过特定性状的产生与否来确定目的基因是通过特定性状的产生与否来确定目的基因是否表达。否表达。表达：表达：细菌的检测，将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌细菌的检测，将每个受体细胞单独培养形成菌落，检测菌落中是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，保落中是否有目的基因的表达产物。淘汰无表达产物的菌落，保留有表达产物的进一步培养、研究。留有表达产物的进一步培养、研究。l 多细胞生物的检测，将每个受体细胞单独培养并诱导发育成完整个多细胞生物的检测，将每个受体细胞单独培养并诱导发育成完整个体，检测这些个体是否摄入目的基因，摄入的基因是否表达（是否表现体，检测这些个体是否摄入目的基因，摄入的基因是否表达（是否表现出相应的性状）。淘汰无变化的个体，保留有相应变化的个体进一步培出相应的性状）。淘汰无变化的个体，保留有相应变化的个体进一步培养、研究。养、研究。小结基因工程的基本内容 基因操作的基本步骤 基因操作的工具限制性内切酶限制性内切酶限制性内切酶限制性内切酶DNADNA连接酶连接酶连接酶连接酶运载体运载体运载体运载体目的基因与运载体结合目的基因与运载体结合目的基因与运载体结合目的基因与运载体结合目的基因的检测和表达目的基因的检测和表达目的基因的检测和表达目的基因的检测和表达将目的基因导入受体细胞将目的基因导入受体细胞将目的基因导入受体细胞将目的基因导入受体细胞目的基因的提取目的基因的提取目的基因的提取目的基因的提取v基因工程药品的生产v基因诊断返返返返 回回回回v基因治疗（一）基因工程与医药卫生（一）基因工程与医药卫生我国生产的部分基因我国生产的部分基因工程疫苗和药物工程疫苗和药物1 1、基因工程药品、基因工程药品的生产的生产许多药品的生产许多药品的生产是从生物组织中提取是从生物组织中提取的。受材料来源限制的。受材料来源限制产量有限，其价格往产量有限，其价格往往十分昂贵。往十分昂贵。微生物生长迅速，容易控制，适于大规模微生物生长迅速，容易控制，适于大规模工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基工业化生产。若将生物合成相应药物成分的基因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，因导入微生物细胞内，让它们产生相应的药物，不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。不但能解决产量问题，还能大大降低生产成本。下下下下 页页页页胰岛素从猪、牛等动物的胰胰岛素从猪、牛等动物的胰腺中提取，腺中提取，100Kg100Kg胰腺只能提取胰腺只能提取4-5g4-5g的胰岛素，其产量之低和价的胰岛素，其产量之低和价格之高可想而知。格之高可想而知。将合成的胰岛素将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，基因导入大肠杆菌，每每2000L2000L培养液就能培养液就能产生产生100g100g胰岛素！使胰岛素！使其价格降低了其价格降低了30%-30%-50%!50%!下下下下 页页页页2DNADNA 质粒质粒细菌细胞细菌细胞DNADNA人体细胞人体细胞胰岛素基因胰岛素基因限制酶限制酶限制酶限制酶胰岛素胰岛素利用生物工程获得胰岛素利用生物工程获得胰岛素1下下下下 页页页页从人血中提取干扰素，从人血中提取干扰素，300L300L血才提取血才提取1mg1mg！通过基因工程的通过基因工程的方式创造了能合成人方式创造了能合成人干扰素的大肠杆菌，干扰素的大肠杆菌，每每1Kg1Kg的培养液可提取的培养液可提取204mg204mg干扰素干扰素人造血液及其生产人造血液及其生产返返返返 回回回回2 2、基因诊断、基因诊断运用基因工程设计制造的运用基因工程设计制造的“DNA“DNA探针探针”检测检测肝炎病毒等病毒感染及遗传缺陷，不但准确而肝炎病毒等病毒感染及遗传缺陷，不但准确而且迅速。且迅速。下下下下 页页页页基因诊断的技术和方法基因诊断的技术和方法1.1.核酸分子杂交核酸分子杂交 实质上是用已知序列的实质上是用已知序列的DNADNA或或RNARNA片段作为探针与待片段作为探针与待测样品的测样品的DNADNA或或RNARNA序列进行核酸分子杂交。是基因诊断序列进行核酸分子杂交。是基因诊断最基本的技术之一。最基本的技术之一。2.PCR2.PCR法法3.3.分子探针：核酸分子探针是指特定的已知核酸片段，分子探针：核酸分子探针是指特定的已知核酸片段，能与互补核酸序列退火杂交，用于对待测核酸样品中特能与互补核酸序列退火杂交，用于对待测核酸样品中特定基因顺序的探测。定基因顺序的探测。满足：（满足：（1 1）必须是单链；（）必须是单链；（2 2）带有容易被检测出）带有容易被检测出来的标记物。来的标记物。下下下下 页页页页生物芯片生物芯片 从正常人的基因组中分离出从正常人的基因组中分离出DNA与与DNA芯片杂交就可以得芯片杂交就可以得出标准图谱。从病人的基因组中分离出出标准图谱。从病人的基因组中分离出DNA与与DNA芯片杂交芯片杂交就可以得出病变图谱。就可以得出病变图谱。通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。信息。基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。返返返返 回回回回3 3基基因因治治疗疗下下下下 页页页页 1990 1990年年9 9月月1414日，安德森对一例患日，安德森对一例患ADAADA缺乏症的缺乏症的4 4岁女岁女孩进行基因治疗。这个孩进行基因治疗。这个4 4岁女孩由于遗传基因有缺陷，自岁女孩由于遗传基因有缺陷，自身不能生产身不能生产ADAADA，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌，先天性免疫功能不全，只能生活在无菌的隔离帐里。他们将含有这个女孩自己的白血球的溶液的隔离帐里。他们将含有这个女孩自己的白血球的溶液输入她左臂的一条静脉血管中，这种白血球都已经过改输入她左臂的一条静脉血管中，这种白血球都已经过改造，有缺陷的基因已经被健康的基因所替代。在以后的造，有缺陷的基因已经被健康的基因所替代。在以后的1010个月内她又接受了个月内她又接受了7 7次这样的治疗，同时也接受酶治疗。次这样的治疗，同时也接受酶治疗。19911991年年1 1月，另一名患同样病的女孩也接受了同样的治疗。月，另一名患同样病的女孩也接受了同样的治疗。两患儿经治疗后，免疫功能日趋健全，能够走出隔离帐，两患儿经治疗后，免疫功能日趋健全，能够走出隔离帐，过上了正常人的生活，并进入普通小学上学。过上了正常人的生活，并进入普通小学上学。下下下下 页页页页取患者骨髓分离干细胞病毒正常基因并入正常基因的干细胞注入患者体内下下下下 页页页页P53基因病毒P53蛋白膜瘤细胞变小返返返返 回回回回（二）基因工程与农牧业、食品工业（二）基因工程与农牧业、食品工业生长快、肉质好的转基生长快、肉质好的转基因鱼因鱼(中国中国)乳汁中含有人生长激素乳汁中含有人生长激素的转基因牛的转基因牛(阿根廷阿根廷)下下下下 页页页页转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转黄瓜抗青枯病基因的甜椒转鱼抗寒基转鱼抗寒基因的番茄因的番茄返返返返 回回回回（三）基因工程与环境保护（三）基因工程与环境保护环境监测：环境监测：基因工程做成的基因工程做成的DNADNA探针能够十分灵敏地探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染。检测环境中的病毒、细菌等污染。1t1t水中只有水中只有1010个病毒也能被个病毒也能被DNADNA探针检测出来探针检测出来下下下下 页页页页环境污染治理：环境污染治理：基因工程做成的基因工程做成的“超级细菌超级细菌”能吞食和分能吞食和分解多种污染环境的物质。解多种污染环境的物质。通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因通常一种细菌只能分解石油中的一种烃类，用基因工程培育成功的工程培育成功的“超级细菌超级细菌”却能分解石油中的多种烃却能分解石油中的多种烃类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解类化合物。有的还能吞食转化汞、镉等重金属，分解DDTDDT等毒害物质。等毒害物质。v转基因生物有利的方面v转基因生物不利的方面转基因生物有利的一面转基因生物有利的一面 改改变变传传统统的的育育种种方方式式缩缩短短育育种种时时间间。培培育育出出高高产产优优质质、抗抗病病虫虫害害、抗抗旱旱、抗抗盐盐碱碱，抗抗除除草草剂剂等等特特性的作物新品种。性的作物新品种。克克服服异异源源、远远源源杂杂交交障障碍碍。如如可可以以把把动动物物的的基基因，甚至人的基因组合到植物里去。因，甚至人的基因组合到植物里去。生产有利于健康和抗病的食品。生产有利于健康和抗病的食品。培育出符合人们意愿的动物新品种。培育出符合人们意愿的动物新品种。下下下下 页页页页 这种西红柿不易腐烂，不仅便于运输、贮藏，还这种西红柿不易腐烂，不仅便于运输、贮藏，还可使其留在植株成长更长时间，充分吸收阳光，完可使其留在植株成长更长时间，充分吸收阳光，完全成熟后再运到市场销售，能保存良久并仍然具有全成熟后再运到市场销售，能保存良久并仍然具有“夏日成熟的滋味夏日成熟的滋味”。返返返返 回回回回 有有些些转转基基因因食食物物含含的的一一些些物物质质，可可能能会会影影响响人人体健康。体健康。大大量量的的转转基基因因生生物物进进入入自自然然界界后后很很可可能能会会与与野野生生物物种种进进行行杂杂交交，产产生生一一些些超超级级生生物物，从从而而造造成成基基因因污污染。染。如如有有些些作作物物插插入入抗抗虫虫基基因因，杀杀死死环环境境中中有有益益的的生生物。物。基因工程的弊端基因工程的弊端返返返返 回回回回3 3、内内容容：基基因因工工程程 细细胞胞工工程程 发发酵酵工工程程 酶工程酶工程生物工程生物工程1 1、概概念念：也也叫叫生生物物技技术术，是是生生物物科科学学与与工工程程技技术术有机结合而兴起的一门综合性科学技术。有机结合而兴起的一门综合性科学技术。2 2、特特点点：以以生生物物科科学学为为基基础础，运运用用先先进进的的科科学学原原理理和和工工程程技技术术手手段段来来加加工工或或改改造造生生物物材材料料，如如DNADNA、蛋蛋白白质质、染染色色体体、细细胞胞等等，从从而而生生产产工工具具出出人人类类所需要的生物或生物制品。所需要的生物或生物制品。概念：一般指利用分子生物学的手段概念：一般指利用分子生物学的手段 ，在体，在体外操纵、改造、重建细胞的基因组，从而使生物体外操纵、改造、重建细胞的基因组，从而使生物体的遗传性状发生定向变异，获得人们所需的性状。的遗传性状发生定向变异，获得人们所需的性状。特点：基因工程能够打破种属的界限，在基特点：基因工程能够打破种属的界限，在基因水平上改变生物遗传性，并通过工程化手段为人因水平上改变生物遗传性，并通过工程化手段为人类提供有用的产品及服务。类提供有用的产品及服务。基因工程基因工程一、蛋白质工程崛起的缘由通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存在的活性物质，并借助转基因而改变动植物性状，得在的活性物质，并借助转基因而改变动植物性状，得以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗。然而以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗。然而在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现，这些在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现，这些蛋白质只是适应生物自身的需要，而对它们进行产业蛋白质只是适应生物自身的需要，而对它们进行产业化开发往往不合意，需要加以改造。化开发往往不合意，需要加以改造。19831983年年UlmerUlmer首首先提出蛋白质工程，它是指按照特定的需要，对蛋白先提出蛋白质工程，它是指按照特定的需要，对蛋白质进行分子设计和改造的工程。自此以后，蛋白质工质进行分子设计和改造的工程。自此以后，蛋白质工程迅速发展，已成为生物工程的重要组成部分。程迅速发展，已成为生物工程的重要组成部分。在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步的反应体系中常活性很低。这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。提高蛋白质的稳定条件下，大多数酶会很快变性失活。提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热稳蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。化引起的活性丧失等。例如例如:干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素的干扰素的cDNAcDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素的抗在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素的抗病毒活性为病毒活性为106 U/mg106 U/mg，只相当于天然产品的十分之一，虽，只相当于天然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的然在大肠杆菌中合成的-干扰素量很多，但多数是以无干扰素量很多，但多数是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，况？研究发现，-干扰素蛋白质中有干扰素蛋白质中有3 3个半胱氨酸（第个半胱氨酸（第1717位、位、3131位和位和141141位），推测可能是有一个或几个半胱氨酸位），推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第形成了不正确的二硫键。研究人员将第1717位的半胱氨酸，位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产通过基因定点突变改变成丝氨酸，结果使大肠杆菌中生产的的-干扰素的抗病性活性提高到干扰素的抗病性活性提高到108 U/mg108 U/mg，并且比天然，并且比天然-干扰素的贮存稳定性高很多。干扰素的贮存稳定性高很多。“后基因组时代”将是“蛋白质组学时代”，即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研究，包括研究蛋白质结构、功能与应用及蛋白质相互关系和作用。蛋白质工程就是在对蛋白质的化学、晶体学、动力学等结构与功能认识的基础上，对蛋白质人工改造与合成，最终获得商业化的产品。二、蛋白质工程的基本原理蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：（1 1）从生物体中分离纯化目的蛋白；）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2 2）测定其氨基酸序列；）测定其氨基酸序列；（3 3）借借助助核核磁磁共共振振和和X X射射线线晶晶体体衍衍射射等等手手段段，尽尽可可能能地地了了解解蛋蛋白质的二维重组和三维晶体结构白质的二维重组和三维晶体结构;（4 4）设设计计各各种种处处理理条条件件，了了解解蛋蛋白白质质的的结结构构变变化化，包包括括折折叠叠与与去去折折叠叠等对其活性与功能的影响；等对其活性与功能的影响；（5 5）设设计计编编码码该该蛋蛋白白的的基基因因改改造造方方案，如点突变；案，如点突变；（6 6）分分离离、纯纯化化新新蛋蛋白白，功功能能检检测测后投入实际使用。后投入实际使用。（一）蛋白质的分子设计与改造（一）蛋白质的分子设计与改造 蛋白质工程首先是以蛋白质的结构为基础，通过蛋白质工程首先是以蛋白质的结构为基础，通过蛋白质的一级结构、晶体结构和溶液构象的研究，积蛋白质的一级结构、晶体结构和溶液构象的研究，积累了成千上万蛋白质一级结构和高级结构的数据资料，累了成千上万蛋白质一级结构和高级结构的数据资料，并编制成系统的数据库，得以从中找出蛋白质分子间并编制成系统的数据库，得以从中找出蛋白质分子间的进化关系、一级结构和高级结构的关系、结构与功的进化关系、一级结构和高级结构的关系、结构与功能的关系方面的规律。能的关系方面的规律。蛋白质作为生物大分子是生物化学和分子生物学的研究重蛋白质作为生物大分子是生物化学和分子生物学的研究重点，大量蛋白质被分离纯化，测定了它们的结构、性质和生物点，大量蛋白质被分离纯化，测定了它们的结构、性质和生物学作用。分子生物学有关基因组的研究，也可以用以推测出一学作用。分子生物学有关基因组的研究，也可以用以推测出一些未知蛋白质的结构与功能。采用定位诱变的方法，可以对编些未知蛋白质的结构与功能。采用定位诱变的方法，可以对编码蛋白质的基因进行核苷酸密码子的插入、删除、置换和改组，码蛋白质的基因进行核苷酸密码子的插入、删除、置换和改组，其结果为分子改造提供新的设计方案。现有的蛋白质是生物长其结果为分子改造提供新的设计方案。现有的蛋白质是生物长期进化的结果，蛋白质工程则是对生物进化的模拟，按照蛋白期进化的结果，蛋白质工程则是对生物进化的模拟，按照蛋白质形成的规律，改造蛋白质或构建新的蛋白质。质形成的规律，改造蛋白质或构建新的蛋白质。蛋白质的改造通常需要先经周密的分子设计，然后依赖基蛋白质的改造通常需要先经周密的分子设计，然后依赖基因工程获得突变型蛋白质，以检验其是否达到了预期的效果。因工程获得突变型蛋白质，以检验其是否达到了预期的效果。如果改造的结果不理想，还需要从新设计再进行改造，往往经如果改造的结果不理想，还需要从新设计再进行改造，往往经历多次实践摸索才能达到改进蛋白质性能的预定目标。历多次实践摸索才能达到改进蛋白质性能的预定目标。（二）蛋白质改造工程举例（二）蛋白质改造工程举例1.1.水蛭素改造水蛭素改造 水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由有多种变异体，由6565或或6666个氨基酸残基组成。水蛭素个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体改造水蛭素主要变异体HV2HV2的设计方案，将的设计方案，将4747位的位的AsnAsn（天冬酰胺）变成（天冬酰胺）变成LysLys（赖氨酸），使其与分子内（赖氨酸），使其与分子内第第4 4或第或第5 5位位ThrThr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高性提高4 4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高高2020倍。倍。2.2.生长激素改造生长激素改造 生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第第1818和第和第2121位位HisHis（组氨酸）和第（组氨酸）和第1717位位GluGlu（谷氨酸）。实验（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。作要做。3.3.胰岛素改造胰岛素改造 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28B23-B28氨基酸氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。胰岛素已通过临床实验。4.治癌酶的改造治癌酶的改造 癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基3-OH缺乏缺乏,从而阻断从而阻断DNA的合成，杀死癌细胞。的合成，杀死癌细胞。HSVTK催化催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶一种酶,在酶活性部位附近有在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换，催化能力个氨基酸被替换，催化能力20倍倍以上。以上。蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了几个例蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了几个例子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。相提并论。何谓蛋白质工程？在现代生物技术中，蛋白质工程出现得最晚，在现代生物技术中，蛋白质工程出现得最晚，是在是在2020世纪世纪8080年代初期出现的。年代初期出现的。19831983年年“蛋白质工蛋白质工程程”这个名词出现后，随即被广泛接受和采用。这个名词出现后，随即被广泛接受和采用。蛋白质工程蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础与生物功能的关系作为基础,通过基因修饰或基因合通过基因修饰或基因合成成,对现有蛋白质进行改造对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。以满足人类的生产和生活的需求。三、蛋白质工程的进展和前景蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质结合、蛋白质前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代，为蛋白质和酶在工业、质与酶的研究推进到崭新的时代，为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景。蛋白质工程农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。的新时期。l1、基因工程l2、外显子和内含子l3、原核细胞的基因结构与真核细胞的基因结构的异同点l4、获取目的基因的方法l5、目的基因与载运体结合（以质粒为运载体）l6、将目的基因导入受体细胞l7、基因工程的应用成果l