基因工程应用及安全性.ppt

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1、基因工程基因工程田长恩基因工程基因工程1 基因工程概论基因工程概论2 天然天然DNA的制备的制备3 分子克隆工具酶分子克隆工具酶4 分子克隆载体分子克隆载体 5 表达载体表达载体 6 PCR技术及其应用技术及其应用 7 目的基因的制备目的基因的制备8 基因克隆的筛选策略基因克隆的筛选策略 10 细菌基因工程细菌基因工程 11 酵母基因工程酵母基因工程 12 植物基因工程植物基因工程 13 13 动物基因工程动物基因工程 14 14 基因工程的应用与安全基因工程的应用与安全9 转基因及其表达转基因及其表达 14 基因工程的应用基因工程的应用14.1 在医药上的应用在医药上的应用14.2 在农业中

2、的应用在农业中的应用14.3 在环境保护中的应用在环境保护中的应用14.4 在工业中的应用在工业中的应用 14 基因工程应用基因工程应用14.1 在医药上的应用在医药上的应用 当前，转基因技术正受到国内外医学界的广泛关注，当前，转基因技术正受到国内外医学界的广泛关注，它在开发新药物、新原料和为研究疾病提供新手段等方它在开发新药物、新原料和为研究疾病提供新手段等方面具有极大的潜力，并为防治危害人类的各种疾病（如面具有极大的潜力，并为防治危害人类的各种疾病（如传染病、内分泌疾病、恶性肿瘤和心血管疾病等）开辟传染病、内分泌疾病、恶性肿瘤和心血管疾病等）开辟了新的天地。了新的天地。14.1.1 基因治

3、疗基因治疗 1)原理原理2)概念：概念：将外源基因（将外源基因（正常、反义或自杀基因正常、反义或自杀基因）导入体内以）导入体内以弥补所缺失的基因、关闭或降低异常表达的基因，以治疗遗传性弥补所缺失的基因、关闭或降低异常表达的基因，以治疗遗传性和恶性肿瘤、心血管疾病及传染病等。和恶性肿瘤、心血管疾病及传染病等。方法：方法：主要用缺失功能蛋白质的主要用缺失功能蛋白质的反转录病毒反转录病毒载体进行载体进行基因导基因导入。入。过程：过程：目的基因同载体连接、病毒颗粒包装、受体细胞转染、目的基因同载体连接、病毒颗粒包装、受体细胞转染、目的基因的整合目的基因的整合。反转录病毒具有很高的转染效率，足以确保稀。

4、反转录病毒具有很高的转染效率，足以确保稀少的有缺陷的多能干细胞获得外源基因。基因治疗中最合适的少的有缺陷的多能干细胞获得外源基因。基因治疗中最合适的受受体细胞体细胞是能够自我更新的是能够自我更新的造血干细胞群体造血干细胞群体。从患者骨髓中取出这。从患者骨髓中取出这种细胞，在体外操作后，放回体内；肝和皮肤细胞，也可作为受种细胞，在体外操作后，放回体内；肝和皮肤细胞，也可作为受体细胞。体细胞。2）应用）应用 A）遗传病：）遗传病：多数遗传病由单基因缺陷引起，传统医学无能为多数遗传病由单基因缺陷引起，传统医学无能为力。力。1990，NIH的科学家用反转录病毒作载体，把腺苷脱氨酶基因的科学家用反转录病

5、毒作载体，把腺苷脱氨酶基因转至一名患转至一名患ADA缺陷症女孩的淋巴细胞，使其先天缺损的免疫系统缺陷症女孩的淋巴细胞，使其先天缺损的免疫系统趋于正常。趋于正常。B）恶性肿瘤：）恶性肿瘤：“谈癌色变谈癌色变”。将肿瘤抑制基因（如。将肿瘤抑制基因（如P53,RB,WT1等）、反义基因或自杀基因导入癌细胞发挥杀伤作用，但对其等）、反义基因或自杀基因导入癌细胞发挥杀伤作用，但对其他细胞毒性较低。这类载体已被改造，只攻击带有特殊标记的细胞，他细胞毒性较低。这类载体已被改造，只攻击带有特殊标记的细胞，这样就可以运送常规的治疗蛋白。这样就可以运送常规的治疗蛋白。C）传染病：）传染病：“谈艾色变谈艾色变”。将

6、编码。将编码CD4分子的基因导入上分子的基因导入上皮细胞及小鼠的成纤维细胞表达，可抑制皮细胞及小鼠的成纤维细胞表达，可抑制HIV的繁殖。还有将编码的繁殖。还有将编码艾滋病病毒艾滋病病毒RNA降解的核酸酶基因转染淋巴细胞，可以抑制降解的核酸酶基因转染淋巴细胞，可以抑制HIV病病毒的传播。利用类似的方法还可以治疗人乳头瘤病毒、巨细胞病毒毒的传播。利用类似的方法还可以治疗人乳头瘤病毒、巨细胞病毒及肝炎病毒的感染。及肝炎病毒的感染。5.1.2 药用蛋白生产药用蛋白生产 应用转基因技术生产药用蛋白，可以大幅度降低成本，提应用转基因技术生产药用蛋白，可以大幅度降低成本，提高产量。此外，还可以获得常规手段无

7、法生产的特殊药物。高产量。此外，还可以获得常规手段无法生产的特殊药物。1)基因工程药物基因工程药物 自重组人胰岛素投放市场以来，已有自重组人胰岛素投放市场以来，已有60多种基因工程药物多种基因工程药物投放市场，年销售额达投放市场，年销售额达200多亿美元，主要包括多亿美元，主要包括细胞因子、抗体、细胞因子、抗体、疫苗、激素和寡核苷酸药物疫苗、激素和寡核苷酸药物等，对预防和治疗肿瘤、心血管疾等，对预防和治疗肿瘤、心血管疾病、遗传病、各种传染病、糖尿病和类风湿疾病等有重要作用。病、遗传病、各种传染病、糖尿病和类风湿疾病等有重要作用。A)激素激素 重组激素主要为蛋白多肽类激素，批准上市有胰岛素、生长

8、激素、促卵泡激素等。1979年克隆胰岛素基因。1982年，美国食品与药物管理局（FDA）批准重组胰岛素上市。在80年代初，确定了人生长激素基因的cDNA序列及在染色体上的位置。1985年美国FDA批准重组人生长激素上市。B）细胞因子）细胞因子 细胞因子是由细胞分泌的能调节生物有机体生理功能，参与细胞增殖、分化和凋亡等过程的小分子多肽类物质。自1957年干扰素被发现以来，已有数百种细胞因子被发现，其中有数十种细胞因子通过基因工程技术获得表达并用于医学临床试验，批准上市的重组细胞因子产品也有十多种：干扰素（IFN）、集落刺激因子（CSF）、白细胞介素（IL）、肿瘤坏死因子（TNF）、趋化因子和生长

9、因子（GF）等。根据其结构和来源可将干扰素（IFN）分为、和 三种。美国于1986年批准工程干扰素2a和2b上市，和也于1990年和1993年上市。中国预防医学科学院于1992年生产了我国第一个基因工程药物lb型干扰素，并实现了产业化。白细胞介素白细胞介素（IL）简称白介素，是由多种免疫细胞产生的一类重要的免疫调节因子，在临床上应用较多的有十来种。迄今已发现多种白介素，分别以IL120表示。多种工程白介素上市或进人临床试验，主要用于治疗肿瘤及某些感染性疾病（结核杆菌感染、艾滋病）。基因工程IL2于1992年由美国Chiron公司生产并上市。IL2能促进T 和B细胞增殖和分化，增强天然杀伤细胞的

10、杀伤功能，促进多种细胞因子和细胞因子受体的表达，因而在机体的抗肿瘤和抗感染中发挥重要功能。在国内，军事医学科学院生物工程所与中科院上海生化所合作，研制出重组人 IL2，能大量杀死各种癌细胞，对癌性胸、腹积水疗效达 70，对肾癌的有效率为 22，对各种肿瘤原发灶或转移灶的有效率达30。红细胞生成素红细胞生成素（EPO）由肾和肝产生，刺激造血始细胞分化为红细胞。瑞士的Cilag公司于1988年上市了工程EPO。生产EPO的关键是建立高表达工程细胞，由于糖基化的需要，只能用哺乳动物细胞如CHO细胞等进行生产。EPO主要用来治疗贫血等疾病，全球每年EPO的销售额达100多亿美元，是销量最大的工程药物。

11、干细胞因子（干细胞因子（SCF）是糖蛋白，对骨髓造血干、始细胞具有刺激效应。目前，人重组SCF已完成临床试验并申请上市。SCF也可与其他细胞因子联合使用，以发挥不同的生理作用。如在临床上可与粒细胞集落刺激因子（GCSF）联合使用，刺激粒细胞的增殖。表皮生长因子表皮生长因子（EGF）广泛存在于体液，具多种功能，对多种细胞具有刺激效应、能促进新血管的生成。工程EGF产品已在美国上市，用于治疗外伤、溃疡、烧伤等。C)疫苗、抗原、抗体疫苗、抗原、抗体 基因工程疫苗包括细菌疫苗（如痢疾、霍乱、伤寒、结核、产毒大肠杆菌、幽门螺杆菌）、病毒疫苗（包括亚单位疫苗，如乙肝疫苗；载体疫苗，如利用禽类痘病毒作载体制

12、备的麻疹疫苗；基因缺失活疫苗，如缺失糖蛋白3的狂犬疫苗）和核酸疫苗（外源DNA可引起免疫应答而作为疫苗，如IL-2，TNF-，IFN-）；寄生虫疫苗（正在研制，如疟疾、血吸虫和蛔虫）。利用植物生产药用蛋白 将目的基因插入病毒基因组中，在把重组病毒接种到叶片，将目的基因插入病毒基因组中，在把重组病毒接种到叶片，外源基因会随病毒的复制而得到高水平表达，从感染叶片提取目外源基因会随病毒的复制而得到高水平表达，从感染叶片提取目的蛋白。用途：的蛋白。用途：疾病治疗：已经成功的有治疗口腔溃疡药的细胞已经成功的有治疗口腔溃疡药的细胞表面粘性蛋白基因、链球菌抗原I/II的基因、鼠IgG I单克隆抗体Guys

13、13、转基因植物源抗体聚糖的种类比鼠源IgG I聚糖的种类多、用转人胰岛素基因的马铃薯喂糖尿病小鼠，能引起胰脏炎症的明显降低和推迟糖尿病的发生。诊断：烟草中表达的人类流感病毒B核心抗原已成功应用于血细胞凝集测试。家畜疾病治疗：胃肠炎病毒（TGEV）可引起小猪急性腹泻。用编码TGEV糖蛋白S基因的N端全长序列转化拟南芥，转基因植物叶片提取物能使小鼠产生抗体。基因工程药用酶：生产具有药学活性的酶是转基因植物应用的另一迅速发展领域。世界上最昂贵的药是人类溶酶体葡糖胞苷脂酶，从人胎盘或CHO细胞中提纯，是治疗高歇氏症患者的唯一药用酶。因而利用转基因技术在植物中生产这种酶具有较高的经济价值。在植物中成功

14、生产的其他口服酶还有胰腺脂酶-共脂酶复合物，这是胰腺功能不全的患者所必需的酶。其他药用化合物：蓖麻毒素蛋白由蓖麻子产生，在治疗程序化细胞死亡的疾病中有广泛的应用。表达蓖麻毒素蛋白的转基因烟草能够生产重组蓖麻毒素蛋白。其他医学相关的化合物（包括人血红蛋白和胶原蛋白）也已经在植物中生产。14.2 在农业中的应用在农业中的应用14.2.1 转基因农作物转基因农作物 利用基因工程技术改变作物的某些遗传特性，使它们获得新利用基因工程技术改变作物的某些遗传特性，使它们获得新的丰产优质的遗传性状，如抗虫、抗病、抗除草剂和抗逆（干旱、的丰产优质的遗传性状，如抗虫、抗病、抗除草剂和抗逆（干旱、盐、碱等），及改变

15、果实的成熟期、花的颜色、改良食用部分的盐、碱等），及改变果实的成熟期、花的颜色、改良食用部分的营养价值等。营养价值等。1）抗虫农作物）抗虫农作物 把抗虫基因转入农作物，就能获得抗虫能力，从而避免使用把抗虫基因转入农作物，就能获得抗虫能力，从而避免使用昂贵且危险的化学杀虫剂。抗虫基因主要是昂贵且危险的化学杀虫剂。抗虫基因主要是苏云金杆菌的苏云金杆菌的-内毒素内毒素基因（基因（Bt）和植物源的抗虫基因和植物源的抗虫基因(如如蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、凝集素基因制剂基因、凝集素基因等等)。抗虫基因编码的杀虫剂的使用浓度比人工合成的要低的多，且抗虫基因编码的杀虫剂的

16、使用浓度比人工合成的要低的多，且具有高度的专一性，对人和家畜没有危害。具有高度的专一性，对人和家畜没有危害。Bt基因产物基因产物只作用于棉只作用于棉蚜虫的幼虫，而对成虫和脊椎动物无效。蚜虫的幼虫，而对成虫和脊椎动物无效。Bt基因已被导入棉花、马基因已被导入棉花、马铃薯、烟草和番茄等多种植物中，获得抗虫效果铃薯、烟草和番茄等多种植物中，获得抗虫效果。植物蛋白酶抑制剂植物蛋白酶抑制剂是一类含量较为丰富的蛋白质，分子量小，是一类含量较为丰富的蛋白质，分子量小，性质稳定，能抑制或减弱昆虫消化道的蛋白水解酶活性。按其作用性质稳定，能抑制或减弱昆虫消化道的蛋白水解酶活性。按其作用特异性，蛋白酶抑制剂可分为

17、四类：丝氨酸蛋白酶、金属蛋白酶、特异性，蛋白酶抑制剂可分为四类：丝氨酸蛋白酶、金属蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶类。不同蛋白酶抑制剂可以作用半胱氨酸蛋白酶、天冬氨酸蛋白酶类。不同蛋白酶抑制剂可以作用于特定的昆虫群体。应用较多的蛋白酶抑制剂豇豆于特定的昆虫群体。应用较多的蛋白酶抑制剂豇豆CPTI基因，编码基因，编码胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶抑制剂。把胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶抑制剂。把CPTI基因转化到其他植物，能基因转化到其他植物，能有效地抵御多种昆虫的危害。大部分蛋白酶抑制剂具有热不稳定性，有效地抵御多种昆虫的危害。大部分蛋白酶抑制剂具有热不稳定性，转基因植物煮熟后无害。在转化中利用组织特异性启

18、动子使基因的转基因植物煮熟后无害。在转化中利用组织特异性启动子使基因的表达局限于非食用部位，转基因植株安全。表达局限于非食用部位，转基因植株安全。2）抗病毒农作物）抗病毒农作物 病毒感染使许多农作物的产量显著下降。据统计，美国西部每病毒感染使许多农作物的产量显著下降。据统计，美国西部每年因番茄花叶病毒（年因番茄花叶病毒（TMV）感染而造成的直接经济损失达）感染而造成的直接经济损失达5000万美万美元。而许多转基因植物在表达了病毒的外壳蛋白后，能极大地减弱元。而许多转基因植物在表达了病毒的外壳蛋白后，能极大地减弱病毒对植物的感染及传播能力。可能由于转基因植物中的病毒外壳病毒对植物的感染及传播能力

19、。可能由于转基因植物中的病毒外壳蛋白把感染的病毒蛋白把感染的病毒RNA分子包装起来，使之失去了感染性，可能由分子包装起来，使之失去了感染性，可能由于过量表达外壳蛋白干扰病毒装配。应用农杆菌于过量表达外壳蛋白干扰病毒装配。应用农杆菌Ti质粒载体系统和质粒载体系统和叶盘转化技术，成功地将叶盘转化技术，成功地将番茄花叶病毒外壳蛋白质（番茄花叶病毒外壳蛋白质（CP）的的cDNA在番茄植株表达。用在番茄植株表达。用TMV感染，转基因番茄后代发病症状明显晚于感染，转基因番茄后代发病症状明显晚于非转基因番茄，同时还有一定比例的转基因番茄植株（非转基因番茄，同时还有一定比例的转基因番茄植株（447）不出现任何

20、感染的症状。不出现任何感染的症状。把把苜蓿花叶病毒外壳蛋白质基因苜蓿花叶病毒外壳蛋白质基因导入烟导入烟草和番茄，也获得了同样的结果。草和番茄，也获得了同样的结果。另外，将另外，将病毒基因组反义片段病毒基因组反义片段转入植物基因组，干扰病毒基因转入植物基因组，干扰病毒基因翻译或干扰病毒基因组的复制，也获得抗病效果。翻译或干扰病毒基因组的复制，也获得抗病效果。3）抗除草剂农作物）抗除草剂农作物 抗除草剂农作物在农业上具有重要价值。把抗草甘膦的抗除草剂农作物在农业上具有重要价值。把抗草甘膦的EPSPS基因基因导入植物，可使植物获得对草甘膦的抗性。其作用机理是，草导入植物，可使植物获得对草甘膦的抗性。

21、其作用机理是，草甘膦可以抑制甘膦可以抑制5-烯醇式丙酮基莽草酸烯醇式丙酮基莽草酸-3-磷酸合成酶（磷酸合成酶（EPSPS）的活）的活性，而该酶的存在是莽草酸途径所必需的。因为莽草酸途径在酚类性，而该酶的存在是莽草酸途径所必需的。因为莽草酸途径在酚类化合物生物合成过程中是很重要的，所以在大田中应用草甘膦，将化合物生物合成过程中是很重要的，所以在大田中应用草甘膦，将破坏杂草的莽草酸途径，从而抑制杂草的生存，而转基因植物中破坏杂草的莽草酸途径，从而抑制杂草的生存，而转基因植物中EPSPS活性大大提高，从而能有效地抵抗草甘膦的毒杀作用。目前活性大大提高，从而能有效地抵抗草甘膦的毒杀作用。目前已经获得的

22、抗草甘膦的转基因植物有已经获得的抗草甘膦的转基因植物有烟草、矮牵牛、番茄、马铃薯、烟草、矮牵牛、番茄、马铃薯、棉花棉花等。等。此外还有许多抗除草剂基因已转化到植物中，使转基因植物对此外还有许多抗除草剂基因已转化到植物中，使转基因植物对除草剂产生抗性。但新除草剂的不断涌现，会使已有的抗除草剂植除草剂产生抗性。但新除草剂的不断涌现，会使已有的抗除草剂植物失去抗性，这个问题值得注意。物失去抗性，这个问题值得注意。4）抗胁迫农作物）抗胁迫农作物 植物在强光、高温、干旱及涝害等逆境条件下，常会植物在强光、高温、干旱及涝害等逆境条件下，常会产生氧自由基等有害物质。将产生氧自由基等有害物质。将Cu/Zn超氧

23、化物歧化酶超氧化物歧化酶（SOD）基因转到植物中，可提高植物耐受活性氧的能）基因转到植物中，可提高植物耐受活性氧的能力。另外，分子伴侣（如力。另外，分子伴侣（如HSP60、HSP70）能够在高温及）能够在高温及其他逆境下防止细胞蛋白变性。如果将这类基因置于逆境其他逆境下防止细胞蛋白变性。如果将这类基因置于逆境诱导的启动子下，转化到植物中，将会大大提高植物的抗诱导的启动子下，转化到植物中，将会大大提高植物的抗逆性。逆性。其他抗性基因正在被分离和鉴定。其他抗性基因正在被分离和鉴定。5)转基因细胞质雄性不育转基因细胞质雄性不育 杂种具有优势。杂交需要去雄，利用雄性不育及自交不亲和杂种具有优势。杂交需

24、要去雄，利用雄性不育及自交不亲和性可以免除去雄工作。已有烟草、油菜、棉花、玉米、花椰菜等性可以免除去雄工作。已有烟草、油菜、棉花、玉米、花椰菜等转基因雄性不育植株的报道。将转基因雄性不育植株的报道。将TA29-BARNASE嵌合基因（具有嵌合基因（具有RNase的活性，在花药绒毡层中特异表达）转化烟草，获得的转基的活性，在花药绒毡层中特异表达）转化烟草，获得的转基因植株与非转化植株相比在生长速度、植株高度、形态、开花时因植株与非转化植株相比在生长速度、植株高度、形态、开花时间、花色等诸多特性上均没有差异，但有间、花色等诸多特性上均没有差异，但有92的转基因植株无花的转基因植株无花粉。粉。将将T

25、A29-BARSTAR（芽孢杆菌（芽孢杆菌RNase抑制剂）转入含有抑制剂）转入含有TA29-BARNASE的转基因油菜中，的转基因油菜中，BARSTAR蛋白与蛋白与BARNASE高效结高效结合，抑制合，抑制RNase的活性，该植株的育性又得以恢复。因此这种技术的活性，该植株的育性又得以恢复。因此这种技术具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。另外，反义另外，反义RNA技术也已用于雄性不育的应用。技术也已用于雄性不育的应用。6）抗真菌农作物）抗真菌农作物 几丁质是真菌的胞壁成分，利用转几丁质是真菌的胞壁成分，利用转几丁质酶基因几丁质酶基因可获得抗可获得抗真菌作物。真菌作物。尽管对转基因作物的安

26、全性问题仍存在争议，然而转基因尽管对转基因作物的安全性问题仍存在争议，然而转基因作物将是农业生产的一个发展领域。越来越多的迹象表明，这作物将是农业生产的一个发展领域。越来越多的迹象表明，这种技术的应用前景具有很高的商业价值。未来转基因技术在农种技术的应用前景具有很高的商业价值。未来转基因技术在农业中的应用将逐渐从具有单一基因特性（如抗除草剂和抗虫性）业中的应用将逐渐从具有单一基因特性（如抗除草剂和抗虫性）的第一代转基因作物发展到着重于提高产品质量和多基因的第的第一代转基因作物发展到着重于提高产品质量和多基因的第二代转基因作物，以获得较高的利润。遗憾的是，许多实验室二代转基因作物，以获得较高的利

27、润。遗憾的是，许多实验室条件下的成功技术，在大田实验中并非让人如意。条件下的成功技术，在大田实验中并非让人如意。14.2.2 转基因植物与日常生活转基因植物与日常生活 l)服装服装 在非食品转基因作物中，最令人感兴趣的是棉花。除了抗除草在非食品转基因作物中，最令人感兴趣的是棉花。除了抗除草剂和抗虫的棉花品种外，还有许多正在发展的具有其他特征的剂和抗虫的棉花品种外，还有许多正在发展的具有其他特征的转基转基因棉花因棉花。如把编码色素的基因由纤维细胞特异启动子控制在棉纤维。如把编码色素的基因由纤维细胞特异启动子控制在棉纤维细胞中表达，使得棉纤维呈现颜色。有色纤维的应用不仅环保，而细胞中表达，使得棉纤

28、维呈现颜色。有色纤维的应用不仅环保，而且节省人力、物力和财力。且节省人力、物力和财力。同样在棉纤维细胞中，如果在棉纤维细胞特异性启动子控制下同样在棉纤维细胞中，如果在棉纤维细胞特异性启动子控制下引入引入塑料合成基因塑料合成基因，如编码多聚羟基丁酸盐，如编码多聚羟基丁酸盐polyhydroxybutyrate的的基因，这样在棉纤维细胞中就可以合成塑料。包含塑料核心的纤维基因，这样在棉纤维细胞中就可以合成塑料。包含塑料核心的纤维能通过更高的热容和更低的导热性来提高其热学性质，可以制作绝能通过更高的热容和更低的导热性来提高其热学性质，可以制作绝缘衣服。另一提高衣服质量的途径是把缘衣服。另一提高衣服质

29、量的途径是把含硫蛋白基因含硫蛋白基因导人牧草中，导人牧草中，羊吃了这种转基因牧草后能够提高羊毛的生长速率及羊毛的质量，羊吃了这种转基因牧草后能够提高羊毛的生长速率及羊毛的质量，从而间接地提高了服装的质量。从而间接地提高了服装的质量。2）园艺植物）园艺植物 第一个转基因园艺植物是第一个转基因园艺植物是淡紫色康乃馨淡紫色康乃馨。将。将类黄酮羟化酶和二类黄酮羟化酶和二氢类黄酮还原酶基因氢类黄酮还原酶基因转化白色康乃馨品种，使康乃馨显现淡紫色。转化白色康乃馨品种，使康乃馨显现淡紫色。因此通过调控类黄酮生物合成途径中某些关键酶的基因，可以使花因此通过调控类黄酮生物合成途径中某些关键酶的基因，可以使花瓣产

30、生全新的颜色。把从藻类中分离到的瓣产生全新的颜色。把从藻类中分离到的crto基因转到烟草，能够基因转到烟草，能够提高花蜜腺色素细胞类胡萝卜素的含量，使黄色花就转变成红色花。提高花蜜腺色素细胞类胡萝卜素的含量，使黄色花就转变成红色花。此外，转基因技术还能改良花卉外观品质和延长花期。此外，转基因技术还能改良花卉外观品质和延长花期。3）食品和饮料）食品和饮料 A）提高蛋白质质量：）提高蛋白质质量：第一种方法第一种方法是把限制蛋白营养的氨基酸是把限制蛋白营养的氨基酸合成的关键酶基因导入植物，或对某些蛋白质的功能进行修饰（如合成的关键酶基因导入植物，或对某些蛋白质的功能进行修饰（如把蛋氨酸导入马铃薯中，

31、以及对大豆中的球蛋白进行功能修饰）；把蛋氨酸导入马铃薯中，以及对大豆中的球蛋白进行功能修饰）；第二种方法第二种方法是添加一种全新蛋白，如人奶五酪蛋白基因。是添加一种全新蛋白，如人奶五酪蛋白基因。B）碳水化合物：）碳水化合物：改变糖类中直链淀粉和支链淀粉的比例、改变糖类中直链淀粉和支链淀粉的比例、油和脂类物质中脂肪酸的饱和度及链的长度，从而有利于人油和脂类物质中脂肪酸的饱和度及链的长度，从而有利于人类健康。类健康。C）维生素：）维生素：把编码八氢番茄红素合成酶的把编码八氢番茄红素合成酶的psy基因导人基因导人缺乏维生素缺乏维生素A的作物。这种酶催化两个一磷酸香叶基分子头对的作物。这种酶催化两个一

32、磷酸香叶基分子头对头缩合成八氢番茄红素，即番茄红素的前体，番茄红素可以头缩合成八氢番茄红素，即番茄红素的前体，番茄红素可以自发地转化成类胡萝卜素。同样，利用转基因的技术表达半自发地转化成类胡萝卜素。同样，利用转基因的技术表达半乳糖醛酸内酯脱氢酶基因，可以提高维生素乳糖醛酸内酯脱氢酶基因，可以提高维生素C的水平。的水平。D）微量营养物）微量营养物 E）过敏原或毒素：）过敏原或毒素：降低食物中过敏原的水平，如在转基降低食物中过敏原的水平，如在转基因水稻中成功地降低了水稻的因水稻中成功地降低了水稻的1417千道尔顿致敏蛋白。用千道尔顿致敏蛋白。用相似方法来降低花生中致敏毒素蛋白的含量。相似方法来降低

33、花生中致敏毒素蛋白的含量。F）抗冻食品：）抗冻食品：为了提高草莓的抗冻能力，把一种来自北冰洋为了提高草莓的抗冻能力，把一种来自北冰洋比目鱼的抗冻基因导入草莓中，这种转基因草莓在美国已经上市。比目鱼的抗冻基因导入草莓中，这种转基因草莓在美国已经上市。当前，含有各种抗冻蛋白的转基因植株已经投放到大田中。但是具当前，含有各种抗冻蛋白的转基因植株已经投放到大田中。但是具有长期应用前景的抗冻蛋白来源于植物，特别是已经在食物链中存有长期应用前景的抗冻蛋白来源于植物，特别是已经在食物链中存在的抗冻蛋白。最近已经成功地把来自胡萝的在的抗冻蛋白。最近已经成功地把来自胡萝的AFP转入到烟草中，转入到烟草中，明显地

34、提高了转基因烟草的抗冻能力。在变冷的过程中，诱导了这明显地提高了转基因烟草的抗冻能力。在变冷的过程中，诱导了这种蛋白的表达，从而使植物逐渐适应冰冷的环境。胡萝卜中种蛋白的表达，从而使植物逐渐适应冰冷的环境。胡萝卜中AFP的的积累阻止了冰晶的形成，避免损坏它在冰冻土壤中的根。积累阻止了冰晶的形成，避免损坏它在冰冻土壤中的根。G）食品添加剂：）食品添加剂：除了非热量甜味剂（如果聚糖）外，蛋白甜除了非热量甜味剂（如果聚糖）外，蛋白甜味剂如应乐果甜蛋白、马槟榔甜蛋白和奇甜蛋白已经被引入到作物味剂如应乐果甜蛋白、马槟榔甜蛋白和奇甜蛋白已经被引入到作物中以提高水果和蔬菜的口味。可以预测，将来可以用转基因的

35、手段中以提高水果和蔬菜的口味。可以预测，将来可以用转基因的手段对其他调味剂进行修饰。对其他调味剂进行修饰。H）提高啤酒发酵效率和质量：）提高啤酒发酵效率和质量：把编码细菌热稳定葡聚糖酶基把编码细菌热稳定葡聚糖酶基因的密码子修饰成相当于大麦中编码葡聚糖酶因的密码子修饰成相当于大麦中编码葡聚糖酶E1同工酶基因，在大同工酶基因，在大麦麦a-淀粉酶启动子的控制下，这种修饰的细菌基因在转基因大麦中淀粉酶启动子的控制下，这种修饰的细菌基因在转基因大麦中表达出一种热稳定性的葡聚糖酶，从而提高了发酵的效率。无色花表达出一种热稳定性的葡聚糖酶，从而提高了发酵的效率。无色花色素还原酶基因的引人可提高啤酒产生泡沫的

36、能力。色素还原酶基因的引人可提高啤酒产生泡沫的能力。14.2.3 转基因动物转基因动物 1983年美国将年美国将大白鼠生长激素基因大白鼠生长激素基因注射到小白鼠受精卵内，经注射到小白鼠受精卵内，经移植和胚胎发育成功地培育出移植和胚胎发育成功地培育出“超级鼠超级鼠”，其体重比一般小鼠增加，其体重比一般小鼠增加2倍。许多研究运用反转录病毒为载体携带生长激素基因导入动物，倍。许多研究运用反转录病毒为载体携带生长激素基因导入动物，相继培育出快速生长的相继培育出快速生长的转基因猪、羊、鸡、免和牛转基因猪、羊、鸡、免和牛等。澳大利亚将等。澳大利亚将羊毛羊毛-角蛋白的主要成分半胱氨酸基因导入山羊，繁殖出角蛋

37、白的主要成分半胱氨酸基因导入山羊，繁殖出转基因山转基因山羊羊；用富含编码含硫氨基酸基因的转基因苜蓿喂羊，使羊毛增产；用富含编码含硫氨基酸基因的转基因苜蓿喂羊，使羊毛增产5。我国已培育了个体较大的。我国已培育了个体较大的转基因金鱼、鲤鱼等转基因金鱼、鲤鱼等。将牛的生长。将牛的生长激素注射到乳牛或羊羔体内，可以改善食物的转换效率，提高蛋白激素注射到乳牛或羊羔体内，可以改善食物的转换效率，提高蛋白质与脂肪的比例，生产出更加符合人们要求的较瘦的肉类。近几年质与脂肪的比例，生产出更加符合人们要求的较瘦的肉类。近几年来转基因动物研究的技术方法有较大的改进，新出现的方法有电转来转基因动物研究的技术方法有较大

38、的改进，新出现的方法有电转移法、精子载体法、基因直接导入法等。我国用鱼精子作为载体，移法、精子载体法、基因直接导入法等。我国用鱼精子作为载体，将入生长激素基因导人鱼卵，表达效率为将入生长激素基因导人鱼卵，表达效率为50。表达人生长素基因。表达人生长素基因的鱼苗比非转基因的鱼苗生长速度高出的鱼苗比非转基因的鱼苗生长速度高出2倍。倍。利用转基因动物进行药物筛选利用转基因动物进行药物筛选。利用转基因技术建立药物敏感。利用转基因技术建立药物敏感的动物品系以及产生与人类相同疾病的动物模型，再进行新药筛选。的动物品系以及产生与人类相同疾病的动物模型，再进行新药筛选。如抗肿瘤、抗爱滋、抗肝炎等病。如抗肿瘤、

39、抗爱滋、抗肝炎等病。转基因动物反应器包括转基因动物反应器包括乳腺生物反应器：乳腺生物反应器：利用哺乳动物（牛、利用哺乳动物（牛、羊、猪等）乳腺的泌乳特性，通过基因工程在乳汁大量表达有用蛋羊、猪等）乳腺的泌乳特性，通过基因工程在乳汁大量表达有用蛋白白，如纤维蛋白原、人血清白蛋白、生育激素、抗凝血酶等。用，如纤维蛋白原、人血清白蛋白、生育激素、抗凝血酶等。用血血液生物反应器液生物反应器表达血红蛋白、抗体和非活性融合蛋白等。表达血红蛋白、抗体和非活性融合蛋白等。美国一大学利用转基因技术使转基因山羊和转基因小鼠分泌出美国一大学利用转基因技术使转基因山羊和转基因小鼠分泌出人的人的tPA。美国公司已成功地

40、培育出。美国公司已成功地培育出3头能生产人血红蛋白的转基因头能生产人血红蛋白的转基因猪。荷兰一公司培育的一批转基因牛中携带着在奶中表达的人乳铁猪。荷兰一公司培育的一批转基因牛中携带着在奶中表达的人乳铁蛋白基因。我国科学家把乙肝病毒表面抗原基因注人家兔的受精卵蛋白基因。我国科学家把乙肝病毒表面抗原基因注人家兔的受精卵中，获得了表达。中，获得了表达。将能够控制产卵率的促卵素基因导人动物体内，有可能培育出将能够控制产卵率的促卵素基因导人动物体内，有可能培育出具有高产卵率特性的转基因家畜。这种促卵素基因是从澳大利亚绵具有高产卵率特性的转基因家畜。这种促卵素基因是从澳大利亚绵羊中分离出来的，它能够提高绵

41、羊的双胞胎和三胞胎的发生率。把羊中分离出来的，它能够提高绵羊的双胞胎和三胞胎的发生率。把这个基因导人其他牛和羊体内，可提高奶牛和母羊的产仔率。这个基因导人其他牛和羊体内，可提高奶牛和母羊的产仔率。在正常的情况下，动物体内的激素水平最终是保持平衡的，因在正常的情况下，动物体内的激素水平最终是保持平衡的，因此，按照人类的主观要求人为地改变某种激素的含量水平，破坏这此，按照人类的主观要求人为地改变某种激素的含量水平，破坏这种平衡，将可能会带来一系列的麻烦。某些激素的内源储量水平被种平衡，将可能会带来一系列的麻烦。某些激素的内源储量水平被改变之后，可能也会影响到其他激素的水平，高水平的生长激素会改变之

42、后，可能也会影响到其他激素的水平，高水平的生长激素会使某些转基因小鼠的生育能力下降就是一个明显的例证。使某些转基因小鼠的生育能力下降就是一个明显的例证。转基因动物技术的缺点仍在于其较大的盲目性。由于外源基因转基因动物技术的缺点仍在于其较大的盲目性。由于外源基因引入受体细胞后可以随机插入受体细胞基因组中的任何位置，容易引入受体细胞后可以随机插入受体细胞基因组中的任何位置，容易导致内源基因的破坏和失活，或激活有害基因的表达。另外，导入导致内源基因的破坏和失活，或激活有害基因的表达。另外，导入的外源基因的表达水平也难以预料。所以如何提高转化效率及基因的外源基因的表达水平也难以预料。所以如何提高转化效

43、率及基因的准确表达是人们应该努力的方向。的准确表达是人们应该努力的方向。14.3 在环境保护中的应用在环境保护中的应用 特定转基因植物可以作为特定转基因植物可以作为生物除污生物除污的手段，也就是说这类转基的手段，也就是说这类转基因植物可以净化自然污染或工业污染的土壤。如表达细菌因植物可以净化自然污染或工业污染的土壤。如表达细菌汞还原酶汞还原酶基因基因的转基因黄白杨的转基因黄白杨抗汞抗汞，其释放汞的水平高出非转基因植物约，其释放汞的水平高出非转基因植物约10倍。再如倍。再如净化铝污染净化铝污染：把原在中国仓鼠中的：把原在中国仓鼠中的屏蔽基因屏蔽基因（即将重金属（即将重金属离子排出的基因）转到芜青

44、的体内，可将离子排出的基因）转到芜青的体内，可将铝铝留在植物根部，阻止它留在植物根部，阻止它上运。具有上运。具有生物除铝生物除铝作用的转基因作物还有转基因芥菜，它能够提作用的转基因作物还有转基因芥菜，它能够提高对高对铝铝的抗性。此外，表达各种能够降解碳氢化合物酶的转基因烟的抗性。此外，表达各种能够降解碳氢化合物酶的转基因烟草以及过量表达硝酸盐还原酶的某些转基因树，可以消除各类草以及过量表达硝酸盐还原酶的某些转基因树，可以消除各类氮氧氮氧化物化物。14.4 转基因技术在工业中的应用转基因技术在工业中的应用 14.4.l 生物能源和燃料生物能源和燃料 在研究可持续发展农业系统时，我们应该注意到某些

45、新的能源在研究可持续发展农业系统时，我们应该注意到某些新的能源作物。如某些转基因速生树种（如杨树和按树）可作为供电站的原作物。如某些转基因速生树种（如杨树和按树）可作为供电站的原料，这些树种也可以直接作燃料。这类转基因树种主要是那些能过料，这些树种也可以直接作燃料。这类转基因树种主要是那些能过量表达纤维素合成酶基因或能过量表达纤维素酶基因（纤维素酶能量表达纤维素合成酶基因或能过量表达纤维素酶基因（纤维素酶能使纤维素中的生物能转化成乙醇）的树木。使纤维素中的生物能转化成乙醇）的树木。14.4.2 木质素和造纸木质素和造纸 纤维素的主要商业价值是作造纸的原料。木质素是杂聚物，在纤维素的主要商业价值

46、是作造纸的原料。木质素是杂聚物，在成浆过程中必须从纤维素中除去。现在，在许多转基因植物中表达成浆过程中必须从纤维素中除去。现在，在许多转基因植物中表达了经过修饰的木质素，对于木质素的溶解和断裂非常有利，从而大了经过修饰的木质素，对于木质素的溶解和断裂非常有利，从而大大地提高了经济效益。同时大地提高了经济效益。同时,在非转基因植物中，木头的质地为白在非转基因植物中，木头的质地为白色，而在转基因植物中，由于松柏醛残基的积累，木头的质地呈现色，而在转基因植物中，由于松柏醛残基的积累，木头的质地呈现红棕色，这种颜色的树木适于制造家具，可以省略染色过程。红棕色，这种颜色的树木适于制造家具，可以省略染色过

47、程。14.4.3 生物可降解塑料生物可降解塑料 第一种用转基因植物生产的生物可降解塑料是对多羟基链烷第一种用转基因植物生产的生物可降解塑料是对多羟基链烷类（类（PHA），是由乙酸辅酶），是由乙酸辅酶A生成的一种聚合物。最新报道表明，生成的一种聚合物。最新报道表明，孟山都公司培育的转基因油菜发育胚的白色体内多羟基丁酸盐孟山都公司培育的转基因油菜发育胚的白色体内多羟基丁酸盐（PHB）的表达水平占成熟种子干重的）的表达水平占成熟种子干重的8。这种聚合体也已经在。这种聚合体也已经在棉纤维细胞中表达，可制作绝缘衣服。棉纤维细胞中表达，可制作绝缘衣服。众所周知，我们能够从橡胶树中不断地汲取树液。根据这个众

48、所周知，我们能够从橡胶树中不断地汲取树液。根据这个特征，如果把目的基因转化到橡胶树中，就可以非常方便地从转特征，如果把目的基因转化到橡胶树中，就可以非常方便地从转基因橡胶树中得到任何所希望的蛋白。此外，这种树能够很容易基因橡胶树中得到任何所希望的蛋白。此外，这种树能够很容易地进行营养繁殖，这不仅保证了快速获得商业利润，并且也能阻地进行营养繁殖，这不仅保证了快速获得商业利润，并且也能阻止转化的目的基因通过种子扩散而导致不利的影响。止转化的目的基因通过种子扩散而导致不利的影响。15 基因工程的争论和安全措施基因工程的争论和安全措施 15.1 飞速发展的基因工程产业飞速发展的基因工程产业 自自Coh

49、en和和Boyer（1973）首创重组）首创重组DNA技术以来，建立的以技术以来，建立的以基因工程为代表的现代生物技术，被广泛应用于工、农、医卫、环基因工程为代表的现代生物技术，被广泛应用于工、农、医卫、环保等领域，使生物资源更好地造福于人类。转基因农作物保等领域，使生物资源更好地造福于人类。转基因农作物（GMO）具有增抗逆、丰产和优质的特点，是解决粮食匮乏的主）具有增抗逆、丰产和优质的特点，是解决粮食匮乏的主要手段。依照现行粮食生产体制，地球能养活要手段。依照现行粮食生产体制，地球能养活80亿人，预计亿人，预计2050年年世界人口将达世界人口将达100亿，人类将面对粮食危机。因此，植物转基因

50、的亿，人类将面对粮食危机。因此，植物转基因的研究及其产业化开发已成为当前国际生物工程前沿的重要技术。研究及其产业化开发已成为当前国际生物工程前沿的重要技术。大量的转基因食品正被制造出来，现在美国甚至有大量的转基因食品正被制造出来，现在美国甚至有60的零售的零售食品中含有转基因成分。据统计，食品中含有转基因成分。据统计，30多个国家开展相关研发工作，多个国家开展相关研发工作，已获得了已获得了30多种转基因植株，多种转基因植株，50多个农作物基因工程品种投入商业多个农作物基因工程品种投入商业化生产；全球转基因农作物面积化生产；全球转基因农作物面积1996年为年为170万公顷，万公顷，1999年已达