3.3基因工程的应用教学课件-2024-2025学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

据环球时报消息，英国卫报及纽约时报1月10日报道称，在美国马里兰州，医生将一颗转基因猪的心脏移植到了人类体内，这是为挽救这名病人生命而做的最后尝试，同时也是医学上首例此类手术。据悉，这次移植手术由美国食品和药物管理局紧急批准，而接受手术的是一名57岁的杂工大卫班尼特，他知道这次实验性治疗并不能保证成功，但他的儿子说，父亲快死了，而且被认为无法接受人类心脏移植或人工心脏动手术，他没有其他选择。根据马里兰大学医学院提供的一份声明，贝内特在手术前一天说，要么死，要么做移植手术。我想活下去。我知道这是在赌一把，但这是我最后的选择。马里兰大学医学中心的医生1月10日称，在实施这次高度实验性手术的三天后，这位病人的情况良好。不过，现在对手术是否成功下定论还为时过早。尽管如此，纽约时报称这一开创性的手术为数十万器官衰竭的患者带来了希望。医生说，这次移植手术表明转基因动物的心脏可以在人体中正常工作，不会立即发生排斥反应。1月10日，班尼特可以自主呼吸，同时还连接着心肺机来对他的心心脏提供协助。接下来的几周将是班尼特从手术中恢复的关键时期，医生会仔细监测他的心脏状况。马里兰大学动物造人移植项目的科学主任穆罕默德穆希丁博士说，如果这类研究成功，将为那些遭受痛苦的患者提供源源不断的极端。值得注意的是，之前此类移植或一种移植的尝试均以失败告终，主要原因是患者的身体会迅速排斥动物器官。值得注意的案例包括，在1984年，一个垂死的婴儿植入狒狒的心脏后活了21天。马里兰的外科医生表示，最新这次手术的不同之处在于，他们使用的是经过基因编辑的猪心脏已经去除了细胞中导致超急性排斥反应的一种糖。纽约时报指出，移植到班尼特体内的心脏来自弗吉尼亚州布莱克斯堡再生医药公司提供的转基因中，这头猪有十处基因被修改，四处基因被去除或失活。其中一段基因编码负责生成一种分子，这种分子会引起人体的排斥反应。此外，这头猪的一个生长基因也被失活，以防止移植后猪心脏继续生长。另外六处人类基因被插入到了宫体中的基因组中，这类编辑的目的是使猪器官对人类免疫系统更难受。 第三章 第三节 基因工程的应用 1.基于基因工程在农牧、医药和食品等行业应用的实例，说明基因工程给社会带来的巨大进步。 2.基于基因工程在各方面发展的前景，理性看待基因工程的安全性。 本节聚焦 基因工程的应用 一、基因工程在农牧业方面的应用 二、基因工程在医药卫生领域方面的应用 三、基因工程在食品工业方面的应用 从社会中来 胰岛素是治疗糖尿病的特效药物。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素需要上千头牛，生产的成本非常高。1978年，科学家将编码人胰岛素的基因导入大肠杆菌细胞中，使大肠杆菌表达重组人胰岛素。我国拥有自主知识产权的基因工程物---重组人胰岛素已经研制成功并得到广泛应用。 除了生产胰岛素，基因工程还有那些应用呢？ 抗虫棉、转基因大豆、重组人干扰素、促红细胞生成素等。 基因工程在农牧业方面的应用 一、基因工程在农牧业方面的应用 一、基因工程在农牧业方面的应用 基因工程在农牧业的应用现状概述 1996-2017年，全世界转基因作物种植面积增加了100多倍。 转基因作物的种植使化学农药的施用量减少了8.2%，作物产量增加了6.6×108t,增加经济效益1.3万亿。 美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家，转基因棉花、大豆、玉米的种植面积占相关作物种植面积的比例都超过了90%。 2017年，我国转基因作物的种植面积位居世界第八位，商业化种植的转基因作物有棉花和番木瓜。 一、基因工程在农牧业方面的应用 基因工程的应用现状概述 几乎每年都有令人瞩目的研究成果报道，有些成果正在进入实用化和商业化开发的阶段； 2015年11月，第一种用于食用的转基因动物——转基因大西洋鲑（俗称“三文鱼”）在美国获得批准上市。 转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排） 转基因鲑鱼缩短了其成长周期，因此它受到的污染和体内聚集的有毒物质残留比普通鲑鱼少得多 一、基因工程在农牧业方面的应用 基因工程在农牧业中的应用发展迅速。已被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品产量等方面。 YUANHUAN 转基因抗虫植物 在农牧业方面的应用 转基因抗病植物 转基因抗除草剂植物 改良植物的品质 提高动物的生长速率 改良畜产品的品质 一、基因工程在农牧业方面的应用 转基因抗虫植物 从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，导入作物，使其具有抗虫性 1.培育方法： 转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻、马铃薯等 2.实例： 减少因化学农药的使用而造成的环境污染和对人类健康的损害、降低生产成本、提高产量 3.优点： 一、基因工程在农牧业方面的应用 转基因抗病植物 将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培 育出转基因抗病植物。 1.培育方法： 抗病毒转基因甜椒、番木瓜和烟草等 2.实例： 感染环斑病毒的番木瓜(左）与转基因番木瓜(右） 转基因抗病毒甜椒 一、基因工程在农牧业方面的应用 转基因抗除草剂植物 将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可培育出 抗除草剂的作物品种。 1.培育方法： 转基因抗除草剂玉米、油菜和甜菜等。 2.实例： 转基因抗除草剂玉米 机械化生产农田中喷洒除草剂 一、基因工程在农牧业方面的应用 改良植物的品质 提高植物的营养价值、观赏价值等。 1.目的： 将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，提高氨基酸的含量，科学家培育的某种转基因玉米中赖氨酸的含量比对照高30%。 2.实例： 一、基因工程在农牧业方面的应用 改良植物的品质 提高植物的营养价值、观赏价值等。 1.目的： 将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高观赏价值。 2.实例： 一、基因工程在农牧业方面的应用 提高动物的生长速率 将外源生长激素基因导入动物体内，以提高动物的生长速率。 1.培育方法： 转基因鲤鱼、转基因小鼠。 2.实例： 在同等养殖条件下，转基因鲤鱼的生长速率比非转基因鲤鱼提高了42%〜115% 一、基因工程在农牧业方面的应用 改良畜产品的品质 有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后会出现腹泻等不适症状，这称为乳糖不耐受。我国约有1/3的成年人乳糖不耐受。 一、基因工程在农牧业方面的应用 改良畜产品的品质 将肠乳糖酶基因导入奶牛的基因组，转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他营养成分不受影响。 1.措施： 2.优点：避免食物过敏、腹泻、 恶心等不适。 有些人由于乳糖酶分泌少，不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后会出现腹泻等不适症状，这称为乳糖不耐受。我国约有1/3的成年人乳糖不耐受。 基因工程在医药卫生领域方面的应用 二、基因工程在医药卫生领域方面的应用 对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物，是目前基因工程取得实际应用成果非常多的领域。这些药物包括细胞因子、抗体、疫苗和激素等，它们可以用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等。我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物均已投放市场 01 02 03 在医药卫生领域方面的应用 用转基因动物作为器官移植的供体 让转基因哺乳动物批量生产药物 对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物 二、基因工程在医药卫生领域方面的应用 1.药物类型：细胞因子、抗体、疫苗和激素等。 对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物 2.应用：可以用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等； 3.实例：我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等 二、基因工程在医药卫生领域方面的应用 干扰素 干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，在临床上被广泛用于治疗病毒感染性疾病。此外，干扰素对治疗乳腺癌、淋巴瘤、多发性骨髓瘤和某些白血病等也有一定的疗效。传统生产干扰素的方法是从人血液中的白细胞内提取，每300 L血液只能提取出1 mg干 扰素。1980—1982年，科学家用基因工程方法 从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从 1 kg培养物中可以得到20〜40 mg干扰素。1993 年，我国批准生产重组人干扰素α-1b，它是我 国批准生产的第一个基因工程药物，目前主要 用于治疗慢性乙型肝炎、丙型肝炎等。 以侯云德院士（右）为首的研究人员，成功研制出我国第一个基因工程药物—重组人干扰素α-1b 二、基因工程在医药卫生领域方面的应用 1.实例：乳腺生物反应器或乳房生物反应器 让转基因哺乳动物批量生产药物 2.过程： 启动子具有物种和组织特异性 3.实例：目前已经在牛、山羊等动物的乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要医药产品。 乳腺生物反应器与基因工程菌生产人的药用蛋白 乳腺生物反应器 基因工程菌 基因结构 动物基因结构与人类的基因结构基本相同 细菌的基因结构与酵母菌、人类的基因结构有较大差异 基因表达 合成的药用蛋白与天然蛋白质相同 细菌细胞内缺少内质网、高尔基体等细胞器,合成的蛋白质可能不具有生物活性 受体细胞 动物受精卵 微生物细胞 目的基因导入方式 显微注射法 感受态细胞法（Ca2+处理法） 生产条件 不需严格灭菌;温度等外界条件对其影响不大 需严格灭菌;严格控制基因工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等 外界条件 药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞或其培养液中 提取 二、基因工程在医药卫生领域方面的应用 乳汁中含有人生长激素的转基因牛 人治疗性抗体转基因奶牛 含有人凝血因子Ⅸ的转基因羊 注意：乳腺生物反应器实质是在动物的乳汁中生产一些具有重要价值产品的转基因动物的总称 二、基因工程在医药卫生领域方面的应用 拓展：膀胱生物反应器 继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了成功。科学家培育出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。 在研制膀胱生物反应器时，应使药用蛋白基因在什么细胞中特异性表达？它与乳腺生物反应器相比，有什么优点？ 膀胱上皮细胞 不受性别和生理期限制，且尿液蛋白质少，更容易分离药用蛋白 二、基因工程在医药卫生领域方面的应用 ①人体器官移植的难题： 用转基因动物作为器官移植的供体 人体移植器官短缺是世界性难题；免疫排斥 ②解决途径： 寻求可替代的移植器官，如用猪的器官来解决人类器官移植的来源问题 ③猪的优点： a.猪的内脏构造、大小、血管分布与人极为相似 b.猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物 二、基因工程在医药卫生领域方面的应用 ③对猪的器官进行改造的方法： a.在器官供体的基因组中导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达； b.设法除去抗原决定基因，然后再结合克隆技术，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。 用转基因动物作为器官移植的供体 导入人基因具特殊用途的猪和小鼠 假如某位心脏病病人换上经过改造的猪心脏后，过上健康人的生活，在生活中，他会遭到歧视吗？对此你怎么看？ 生命和健康是人最宝贵的东西，如果一个病人换上了经过改造的猪心脏重获了健康，我们不仅不能歧视他，还应该从他身上看到现代生物技术在维持人体健康、治疗疾病等方面的应用价值。 基因工程在食品工业方面的应用 三、基因工程在食品工业方面的应用 1.基因工程菌： 用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类。 2.基因工程菌的应用： 利用基因工程菌，除了可以生产药物，还能生产食品工业用酶、氨基酸和维生素等 3.步骤： 基因工程构建基因工程菌 工业发酵批量生产 三、基因工程在食品工业方面的应用 4.实例： ①阿斯巴甜 一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸可通过基因工程实现大规模生产。 三、基因工程在食品工业方面的应用 4.实例： ②凝乳酶 奶酪生产中用来凝聚固化奶中的蛋白质 制备方法：将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶 三、基因工程在食品工业方面的应用 4.实例： ③淀粉酶、脂肪酶 加工转化糖浆需要淀粉酶，加工烘烤食物要用到脂酶 优点：基因工程获得的工业用酶的纯度更高，生产成本显著降低， 生产效率较高。 三、基因工程在食品工业方面的应用 4.实例： ④其他 培育可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染； 利用经过基因改造的微生物来生产能源。 ······ 未来，期待基因工程带给我们更多的惊喜。 课堂小结 1．下列有关基因工程在农牧业方面应用的叙述，错误的是(　　) A．将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物，可培育出转基因抗病植物 B．将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可培育出转基因抗除草剂作物 C．将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物，可提高植物的营养价值 D．将基因工程生产的肠乳糖酶作为药物添加在牛奶中，可解决人的乳糖不耐受问题 D 解析：肠乳糖酶属于蛋白质，口服会被胃蛋白酶消化而失效，D错误。 随堂练习 2．抗逆转基因作物的培育与推广带来的巨大社会效益是(　　) ①在一定程度上使作物摆脱了土壤和气候条件的限制 ②减少了化学农药对环境的污染和对人畜的危害 ③减少了化肥的制造和使用量，有利于环境的保护 ④已成为人类解决饥饿和贫困不可或缺的技术 A．①②③　　　　　　　　　 B．①②④ C．①③④ D．②③④ B 随堂练习 解析：抗逆转基因作物对盐、碱、寒、高温、虫害等具有一定的抗性。抗逆转基因植物在一定程度上使作物摆脱了土壤和气候条件的限制，①正确；抗虫转基因植物和抗病转基因植物能减少农药对环境的污染和对人畜的危害，②正确；抗逆转基因作物的培育与推广，也需要一定量的化肥，因此不会减少化肥的制造和使用量，③错误；抗逆转基因植物使得作物在不良环境下更好地生长，提高产量，已成为人类解决饥饿和贫困不可或缺的技术，④正确。 2 3 1 4 随堂练习 3．利用转基因山羊乳腺生物反应器生产丁酰胆碱酯酶，可治疗有机磷中毒。下列叙述错误的是(　　) A．应该用山羊乳腺中特异表达的基因的启动子构建基因表达载体 B．通过体细胞克隆可将丁酰胆碱酯酶基因传递给子代 C．通过显微注射法将基因表达载体导入山羊乳腺细胞 D．山羊乳腺细胞可将肽链加工成具有一定空间结构的丁酰胆碱酯酶 C 随堂练习 解析：要得到转基因山羊乳腺生物反应器，在构建基因表达载体时需要山羊乳腺中特异表达的基因的启动子，使目的基因只在山羊乳腺细胞中表达，A正确；通过体细胞克隆可将丁酰胆碱酯酶基因传递给子代，B正确；通过显微注射法将基因表达载体导入山羊受精卵，C错误；山羊乳腺细胞含有内质网和高尔基体，可将肽链加工成具有一定空间结构的丁酰胆碱酯酶，D正确。 随堂练习 4．继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了一定进展。科学家培育出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。请回答下列问题。 (1)将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞中，常用方法是________。 (2)进行转基因时，通常要将外源基因转入_______中，原因是_____。 (3)通常采用________技术检测外源基因是否插入了小鼠的基因组。为了检测胰岛素基因转录的mRNA是否翻译成____________________，常用抗原—抗体杂交技术。 (4)在研制膀胱生物反应器时，应使外源基因在小鼠的_________细胞中特异表达。 (5)若使外源基因在乳腺细胞中表达，在构建基因表达载体时必须加入_________。启动子的作用是_____________________________。 显微注射法 受精卵 受精卵具有全能性， 可使外源基因在相应组织细胞中表达 PCR 生长激素(蛋白质) 膀胱上皮 乳腺蛋白中特异表达的基因的启动子 提供RNA聚合酶特异性识别结合位点，驱动基因转录 随堂练习 解析：(1)将目的基因导入动物细胞常用的方法是显微注射法。 (2)在基因工程中，由于受精卵或早期胚胎细胞具有全能性，可使外源基因在相应组织细胞中表达，因此进行转基因时，通常要将外源基因转入受精卵或早期胚胎中。 (3)检测目的基因是否插入了小鼠的基因组通常采用PCR技术。为了检测胰岛素基因转录的mRNA是否翻译成生长激素，常用抗原—抗体杂交技术。 (4)在研制膀胱生物反应器时，应在目的基因前加上膀胱组织特异表达的启动子，使外源基因在小鼠的膀胱上皮细胞中特异表达。 (5)若使外源基因在乳腺细胞中表达，在构建基因表达载体时必须加入乳腺蛋白中特异表达的基因的启动子。启动子的作用是提供RNA聚合酶特异性识别结合位点，驱动基因转录。 随堂练习 $$转基因技术就利用了分子生物学手段，将人们期望的目标基因导入并整合到生物体的基因组中，以此改善生物原有的性状或赋予其新的优良性状。这种技术能够打破生物体间亲缘关系的限制，并更为准确的对某个基因进行操作和选择，具有明显的效率优势。因此，转基因技术广泛应用于农业领域。转基因作物在抗虫、抗除草剂等方面具有显著的优势，能够减少农药使用，提高产量，减少成本。自1995年番茄作为第一种转基因作物面世后，玉米、大豆、棉花、土豆等作物纷纷走向转基因技术开发与商业推广。目前，转基因农作物已覆盖了食用、间接食用、非食用多个类别。或截止到2021年9月，我国境内的转基因农作物包括，批准种植的转基因棉花和番木瓜。批准可以作为加工原料进口的转基因大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜、番木瓜。这就是全部订单，一个也不少。而基因技术还涉及人胰岛素、重组疫苗、添加剂等多类医药与工业产品。这些产品都在深刻影响着我们的生。 自1996年大规模商业化种植以来的20年里，转基因作物已为超过6500万的贫困人口提供粮食，节省了1.8 3亿公顷的土地。仅在2016年就减少了全球8.2%的农药使用量和270亿千克二氧化碳排放量，帮助我们应对人口增长和气候变化所带来的挑战。2018年是全球连续应用转基因作物的第23个年头，全球总计有70个国家种植或进口了转基因作物，26个国家包括了21个发展中国家、15个发达国家，共种植了1.917 1亿公顷转基因作物，比2017年的种植面积增加了190万公顷。26个国家中，发展中国家在全球转基因作物面积已经占到了54%，其中中国种植了290万公顷转基因棉花和木瓜，排名第七。而以7500万公顷的种植面积遥遥领先的美国和1270万种植面积排名第四的加拿大为首的发达国家占到46%。2018年，全球五大转基因作物种植国除美国、加拿大外，还有三个是发展中国家，巴西、阿根廷、印度五大国种植面积共计1.7四五亿公顷，占全球种植面积的91.3%从应用率看，棉花的应用率是比例最高的，包括印度、巴基斯坦、中国都高达95%。