1、第六章第六章 生物技术的应用生物技术的应用 医药卫生（医药生物技术）医药卫生（医药生物技术）生命科学生命科学 农林牧渔（农业生物技术）农林牧渔（农业生物技术）环境保护（环境生物技术）环境保护（环境生物技术）生命科学直观影响的相关领域生命科学直观影响的相关领域人类面临与生命科学相关的六大问题人类面临与生命科学相关的六大问题环境污染资源枯竭生态破坏能源危机气候反常人口爆炸以绿色环保和可持续发展为特征生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点生物科学成为当今世界自然科学的热点和重点二十世纪后叶，分子生物学领域一系列突破性成就，使生命科学在自然科学中的地位发生了革命性的变化；近50年生命科学的发展超过了
2、此前500年的总和建立在实验室研究基础上的生物技术的发展为人类带来了巨大的利益和财富。生物技术将是未来经济发展的新动力生物技术将是未来经济发展的新动力第一次技术革命工业革命解放人的双手第二次技术革命信息技术扩展人的大脑第三次技术革命生物技术改造生命本身“生命产业是一个朝阳、永恒的产业”生物技术的应用与评价生物技术的应用与评价q人类基因组计划（人类基因组计划（HGPHGP）q动物克隆技术动物克隆技术q生物技术与医药生物技术与医药q生物技术与农业生物技术与农业q生物技术与工业生物技术与工业q生物技术与食品生物技术与食品q生物能源生物能源q生物技术与环境生物技术与环境第一节第一节 人类基因组研究人类
3、基因组研究 Human Genomic Project 揭开生命的奥秘揭开生命的奥秘u人类的遗传信息以核苷酸顺序的形式贮存在DNA分子中，它们以功能单位(基因)在染色体上占据一定的位置u基因组就是细胞内遗传信息的携带者DNA的总体。u人类基因组包含着决定人类生、老、病、死以及精神、行为等活动的全部遗传信息。人类基因组计划人类基因组计划HGPHGP简介简介n人类基因组计划n1990年正式启动。n美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一价值达30亿美元的人类基因组计划。n计划旨在为30多亿个碱基对构成的人类基因组作图、精确测序，基因鉴定和功能分析，破译人类全部遗传信息 n曼哈顿计划n
4、阿波罗计划20世纪科学史上3个里程碑HGPHGP的意义的意义了解生命的起源与进化认识种属之间和个体之间存在差异的起因五种“模式生物”基因组的研究：大肠杆菌、酵母、线虫、果蝇和小鼠解码生命，认识自身了解生命体生长发育的规律认识疾病产生的机制，掌握生老病死规律疾病的诊断和治疗人类单倍体基因组人类单倍体基因组n含 32亿碱基对(bp)的DNA序列n编码序列约占3%，非编码序列约占97%。n包括约34万个基因，分布于22条常染色体和 X、Y性染色体。人类基因组计划人类基因组计划人类基因组研究的技术原理人类基因组研究的技术原理一、人类基因组研究方案及技术一、人类基因组研究方案及技术人类基因组计划人类基因
5、组计划n遗传图谱（连锁图谱，遗传图谱（连锁图谱，linkage map)linkage map)n通过家谱分析和测量不同性状一起遗传（即连锁）的频率，将基因或通过家谱分析和测量不同性状一起遗传（即连锁）的频率，将基因或其它其它DNADNA顺序标定在染色体上构建连锁图顺序标定在染色体上构建连锁图n单位：厘摩（单位：厘摩（cMcM，即每次减数分裂的重组频率为，即每次减数分裂的重组频率为1%1%）；）；MbMb水平的标记水平的标记n作用作用n确定基因或确定基因或DNADNA片断在染色体的定位片断在染色体的定位n各基因或各基因或DNADNA片断的相对距离片断的相对距离n方法：家系分析方法：家系分析n1
6、 12222染色体：染色体：8 8个家系个家系 134134个个体个个体nX X染色体：染色体：1212家系，家系，170170个个体个个体1 1 遗传图谱遗传图谱 -孟德尔的孟德尔的“新生新生”人类基因组计划人类基因组计划2 2 物理图谱物理图谱 -路标与路轨路标与路轨n是通过对是通过对DNADNA的的化学测度化学测度而而绘制的，反映的是绘制的，反映的是DNADNA序列序列上两点之间的上两点之间的实际距离实际距离n目的：把有关基因的遗传信目的：把有关基因的遗传信息及其在每条染色体上的相息及其在每条染色体上的相对位置线性而系统地排列出对位置线性而系统地排列出来。来。n以碱基对的数目为衡量单位，
7、以碱基对的数目为衡量单位，精度在精度在100kb100kb水平水平人类基因组计划人类基因组计划第第21号染色体的物理图谱号染色体的物理图谱3 3 大片段外源大片段外源DNADNA克隆体系克隆体系人类基因组计划人类基因组计划酵母人工染色体（酵母人工染色体（YACYAC）克隆体系的构建克隆体系的构建重叠群组建（步移法）重叠群组建（步移法）4 DNA 4 DNA序列测定序列测定 序列图谱序列图谱 -重中之重重中之重nDNADNA序列分析技术是一序列分析技术是一个包括制备个包括制备DNADNA片段化片段化及碱基分析、及碱基分析、DNADNA信息信息翻译的多阶段的过程翻译的多阶段的过程n通过测序得到基因
8、组通过测序得到基因组的序列图谱的序列图谱 人类基因组计划人类基因组计划 Megabace 测序仪测序仪3700 测序仪测序仪人类基因组计划人类基因组计划人类基因组计划人类基因组计划现在，你能否设计较理现在，你能否设计较理想的人基因组计划？想的人基因组计划？人类基因组测序完成人类基因组测序完成2019年4月14日，美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯柯林斯博士在华盛顿宣布基因组测序图已由美、英、日、德、法、中六国经13年努力完成5.5.基因的确定与分析基因的确定与分析 基因转录图谱基因转录图谱 -生命的乐谱生命的乐谱断裂基因人类基因组计划人类基因组计划转录图谱是在识别基因组所包含的蛋白质
9、编码序列的基础上绘制的有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。确定特定基因的方法确定特定基因的方法n通过通过DNADNA全序列分析确定基因全序列分析确定基因n根据人类基因组根据人类基因组DNADNA测序，利用计算机分析，找出测序，利用计算机分析，找出ORFORFn功能克隆功能克隆n根据基因的功能，分离并测定基因结构根据基因的功能，分离并测定基因结构 n定位克隆：已知基因染色体定位然后进行的克隆定位克隆：已知基因染色体定位然后进行的克隆n已完成几十个疾病基因的克隆分离已完成几十个疾病基因的克隆分离n鉴定基因鉴定基因n据基因编码蛋白质的氨基酸序列分析蛋白质的类型、功据基因编码蛋白质的氨基酸序列分
10、析蛋白质的类型、功能能人类基因组计划人类基因组计划我国对人类基因组计划的贡献我国对人类基因组计划的贡献n1994年，我国HGP在吴旻、强伯勤、陈竺、杨焕明的倡导下启动n最初由国家自然科学基金会和863高科技计划的支持下，先后启动了“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构和功能研究”；n2019年在上海成立了南方基因中心；n2019年在北京成立了北方人类基因组中心；n2019年7月在国际人类基因组注册，得到完成人类3号染色体短臂上一个约30Mb区域的测序任务，该区域约占人类整个基因组的1。n2019年11月12日：科技部、中科院、“863”计划生物领域专家
11、委员会讨论决定“863”计划出资3000万元，中科院出资1000万元人类基因组计划人类基因组计划国际人类基因组测序任务分配情况国际人类基因组测序任务分配情况人类基因组计划人类基因组计划遗传病基因克隆重大突破遗传病基因克隆重大突破夏家辉教授实验室2019年克隆了高频耳聋疾病基因2019年上海和北京科学家发现遗传性乳光牙本质II型基因人类基因组计划人类基因组计划后基因组时代后基因组时代n结构基因组学向结构基因组学向功能基因组学功能基因组学转变转变n研究基因表达、调控，以及在生长发研究基因表达、调控，以及在生长发育、疾病发生、药物反应等方面的作育、疾病发生、药物反应等方面的作用用n研究上：研究上：n
12、系统研究系统研究：不是针对单个基因或蛋白，：不是针对单个基因或蛋白，而是对一个细胞或个体内整个基因或而是对一个细胞或个体内整个基因或蛋白质的研究；蛋白质的研究；n组学研究组学研究：功能基因组、结构基因组、：功能基因组、结构基因组、蛋白质组学蛋白质组学n技术上：高通量基因、蛋白筛选与技术上：高通量基因、蛋白筛选与鉴定，基因敲除动物等鉴定，基因敲除动物等n在基因的功能与利用上有望突破在基因的功能与利用上有望突破第二节第二节 克隆技术与克隆技术与“多莉多莉”克隆，是Clone的译音，意为生物体通过细胞进行的无性繁殖形成的基因型完全相同的后代个体组成的种群，简称为无性繁殖。从细胞到个体从细胞到个体n细
13、胞分化细胞分化：在个体：在个体发育中，细胞后代在发育中，细胞后代在形态结构和功能上发形态结构和功能上发生差异的过程。生差异的过程。n细胞全能性细胞全能性：细胞：细胞具有形成完整个体的具有形成完整个体的潜能称细胞全能性。潜能称细胞全能性。克隆技术克隆技术n植物植物n分化成熟的植物细胞体，仍有可能发育成完整植株。n动物动物n随着分化的演进，分化成熟细胞逐渐丧失其分化潜能,不能发育成为完整的动物个体。n实验证明，囊胚阶段的细胞乃至成熟的体细胞，保持着全套基因组的细胞核仍具有全能性可能发育成完整个体。n细胞质中有着决定细胞分化全能性的物质，称为分化决定子。决定动物细胞全能性的关键在于细胞质。植物体细胞
14、具有全能性克隆技术克隆技术“多莉多莉”羊实验的设计和实施羊实验的设计和实施 细胞工程材料细胞工程材料多莉羊与生母多莉羊与生母,2019n芬兰道塞特绵羊：芬兰道塞特绵羊：n提供细胞核提供细胞核n苏格兰黑面母绵羊苏格兰黑面母绵羊2 2只只：n提供卵细胞提供卵细胞n子宫子宫:胚胎的发育环境胚胎的发育环境 多莉的生母多莉的生母实 验 过 程细胞核受体 黑面母绵羊细胞核供体6岁道塞特母绵羊培养于0.5%胎牛血清培养基中，使从生长周期中出来停顿于G。3436h取出核注射促性腺激素释激素经 28-33 h 排卵乳腺细胞克隆技术克隆技术移入苏格兰黑面母羊子宫分裂成长至桑椹期或囊胚期克隆技术克隆技术多莉羊与寄母
15、多莉羊与寄母,20192019年,美国夏威夷大学的Yanagimachi等成功地用卵丘细胞进行了小鼠的克隆、克隆再克隆按供体细胞的类型不同分为三个阶段同种胚胎细胞克隆同种体细胞克隆异种体细胞克隆动物克隆的发展动物克隆的发展治疗性克隆治疗性克隆 动物模型动物模型器官移植器官移植濒危动物濒危动物转基因动物乳腺转基因动物乳腺生物反应器生物反应器基础研究基础研究遗传育种遗传育种 克克 隆隆生产蛋白质药物克隆技术及其应用克隆技术及其应用移植日期:2019.5.12流产日期:2019.7.15移植日期:2019.5.3流产日期:2019.8.4动物克隆研究中动物克隆研究中普遍存在的问题普遍存在的问题存在不
16、分裂胚供体核受体卵细胞受胎率低（26.2%）流产率高(53.8%)克隆动物的存活率低（35.7%)克隆技术克隆技术第三节第三节 生物技术在医药生物技术在医药卫生领域的应用卫生领域的应用（P171)生物制药（基因工程制药）基因诊断（Gene Diagnosis）基因治疗（and Gene Therapy）干细胞工程一、生物医药行业的特点一、生物医药行业的特点高技术（精细和密集的技术）产品来源于实验室科学家往往就是公司的领导人高投入尤其是前期科研投入,生物药品平均13亿美元长周期：一个新的生物药品需要68年时间高利润美Amgen公司，开发上市的EPO（促红细胞生长素）、细胞集落因子（G-SCF）到
17、2019年的销售额达20亿美元高风险全世界不超过100家生物技术公司有自己的产品;其中真正盈利的公司很少。政策风险产品潜在安全风险基本方法是：将基本方法是：将目的基因目的基因用用DNADNA重组的方法连接重组的方法连接在在载体载体上，然后将载体导入上，然后将载体导入靶细胞靶细胞，使目的基，使目的基因在靶细胞中得到表达，最后将表达的目的因在靶细胞中得到表达，最后将表达的目的蛋蛋白质白质提纯及做成制剂，从而成为蛋白类提纯及做成制剂，从而成为蛋白类药或疫药或疫苗。苗。二、基因工程制药二、基因工程制药19761976年第一家基因工程技术开发药物的公司建立；年第一家基因工程技术开发药物的公司建立；198
18、21982年第一个基因工程药物重组年第一个基因工程药物重组人胰岛素人胰岛素正式生产，推向市场正式生产，推向市场20192019年全球生物技术公司总数已达年全球生物技术公司总数已达42844284家，家，美国美国占占3434。20192019年基因重组生物技术药物的年销售额已经突破年基因重组生物技术药物的年销售额已经突破400400亿美元；亿美元；。20192019年市场上的生物技术药物达到年市场上的生物技术药物达到200200种左右，而在研的药物为种左右，而在研的药物为600600种。种。全世界已有全世界已有2.52.5亿人使用生物技术药物和疫苗。亿人使用生物技术药物和疫苗。国外生物医药的发展
19、国外生物医药的发展生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生19891989年我国批准了第一个在我国生产的基因工程药物年我国批准了第一个在我国生产的基因工程药物-重组人干扰素重组人干扰素1b1b近年来我国生物制药业销售收入以平均超过近年来我国生物制药业销售收入以平均超过20%20%的速度增的速度增长。长。国内生物医药的发展国内生物医药的发展 起步晚，起点低，但发展迅速起步晚，起点低，但发展迅速许多药品的生产是从许多药品的生产是从生物组织生物组织中提取的。受材料来源限制中提取的。受材料来源限制产产量有限量有限，其，其价格价格往往十分往往十分昂贵昂贵。如胰岛素长期以来只能依靠从如胰岛素长期以来只能依靠从
20、猪、牛等动物的胰腺中提取。猪、牛等动物的胰腺中提取。将合成的胰岛素基因导入大肠将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌，每杆菌，每2000L2000L培养液培养液就能产生就能产生100g100g胰岛素！相当于胰岛素！相当于1000Kg1000Kg猪猪胰脏胰脏中提取的量。中提取的量。基因工程药品的生产基因工程药品的生产生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生生物反应器生物反应器将外源基因在动、植物体内将外源基因在动、植物体内表达并生产出我们所需的营表达并生产出我们所需的营养（蛋白）或工业用原材料养（蛋白）或工业用原材料的动植物基因改良（操作）的动植物基因改良（操作）的个体称为生物反应器。的个体称为生物反应器。
21、动物乳腺生物反应器生产药用蛋白质技术原理与操作主要是依据转基因技术技术原理与操作主要是依据转基因技术动物生物反应器：是指利用动物作为载体（平台）的反动物生物反应器：是指利用动物作为载体（平台）的反应器体系。应器体系。生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生 动物生物反应器动物生物反应器乳腺生物反应器乳腺生物反应器:使外源基因在哺乳使外源基因在哺乳动物的乳腺组织（上皮细胞）中进动物的乳腺组织（上皮细胞）中进行特异表达我们需要的蛋白产物；行特异表达我们需要的蛋白产物；血液生物反应器血液生物反应器细胞生物反应器细胞生物反应器已生产的药物：已生产的药物：22抗胰蛋白酶、抗凝血抗胰蛋白酶、抗凝血因子因子、T
22、PA TPA、蛋白质、蛋白质C C、凝血因子、凝血因子、白细胞介素白细胞介素2222等等 从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的从转基因羊的羊奶中提取出治疗心脏病的药物药物tPAtPA（组织型纤溶酶原激活物）（组织型纤溶酶原激活物）血液、尿腺、乳腺、禽卵、昆虫目前已制作成功并产生重大社会、经济效益（应）的乳腺生目前已制作成功并产生重大社会、经济效益（应）的乳腺生物反应器（动物）有物反应器（动物）有:转基因牛转基因牛(荷兰荷兰PhramingPhraming公司公司-人乳铁蛋白、人乳铁蛋白、EPO)EPO)转基因羊（山羊、绵羊）转基因羊（山羊、绵羊）(英英PPLPPL公司公司-抗胰蛋白酶抗胰蛋白酶
23、;美美GTC-GTC-人凝血酶原人凝血酶原III)III)等等生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生治疗用转基因牛研究的时间与资金要求生物技术药物与化学药物和中药将形成三足鼎立的局面生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生生物技术疫苗生物技术疫苗n生物技术疫苗nDNA疫苗n基因缺失苗n亚单位疫苗n活载体疫苗n基因工程重组疫苗：禽流感病毒（H5N2疫苗，应用反向遗传操作技术，将在鸡胚中增殖效价高的弱毒PB2基因，与其它血清型基因片段通过构建感染性克隆产生新的疫苗病毒二、基因诊断（二、基因诊断（Gene DiagnosisGene Diagnosis）nG G到到T T一个碱基的改变，决定了一个碱基的改
24、变，决定了一个人的命运一个人的命运n小皓珩出生小皓珩出生2323个月就出现皮疹、个月就出现皮疹、便血等病状，患上了罕见的原发便血等病状，患上了罕见的原发性免疫缺陷病。性免疫缺陷病。nDNADNA序列分析，证实了小皓珩序列分析，证实了小皓珩WASWAS蛋白基因的蛋白基因的13881388位核苷酸由位核苷酸由G G突突变为变为T T，使编码谷氨酸的密码，使编码谷氨酸的密码GAGGAG突变为终止密码突变为终止密码TAGTAGnWASWAS蛋白突变为无功能的蛋白突变为无功能的WASWAS蛋白，蛋白，导致患儿血小板减少，淋巴细胞导致患儿血小板减少，淋巴细胞形态和功能异常形态和功能异常 n希望：希望：WA
25、SWAS目前已经可以用骨髓目前已经可以用骨髓移植或干细胞移植根治移植或干细胞移植根治通过从患者体内提取样本(DNA)用基因检测方法来判断患者是否有基因异常或携带病原微生物的方法，就是基因诊断。生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生传统与基因诊断的比较 传统的诊断n望 问 听 触经验n化验/检验微生物、免疫学、生物化学、病理学等对细胞、组织、酶、代谢物等检测n影像学X线、B超、CT、核磁共振、内窥镜等n特殊检查肌电/脑电/心电、骨密度等基因诊断n应用分子生物学方法：如应用分子生物学方法：如PCRPCR技术或技术或PCRPCR与分子杂交与分子杂交标记标记n主要应用于主要应用于n先天遗传性疾患（苯丙酮
26、尿先天遗传性疾患（苯丙酮尿症、血红蛋白病）症、血红蛋白病）n后天基因突变引起的疾病后天基因突变引起的疾病（肿瘤、糖尿病）（肿瘤、糖尿病）n病原生物的侵入（流感、肝病原生物的侵入（流感、肝炎、艾滋病）炎、艾滋病）n个体识别、法医物证个体识别、法医物证生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生感染性疾病检测感染性疾病检测n 利用PCR技术或PCR与分子杂交标记相结合，可以快速准确地检测出病原性物质n乙型肝炎病毒n丙型肝炎病毒n结核杆菌和疟原虫的分型n公安司法系统公安司法系统罪犯及受罪犯及受害人的身份识别及亲子鉴定害人的身份识别及亲子鉴定n部队部队 伤亡士兵的身份伤亡士兵的身份识别；印尼海啸中死难人员识别
27、；印尼海啸中死难人员身份识别身份识别n保安保安 个人个人DNADNA身份证，身份证，用于人员识别用于人员识别1985年Jeffreys应用RFLP进行亲子鉴定,创建DNA指纹分析方法Jeffreys和DNA指纹个体识别个体识别三三 基因治疗（基因治疗（Gene TherapyGene Therapy）目前，基因疗法的对象基因病、肿瘤、心血管病、糖尿病、血友病、严重贫血、关节炎、爱滋病等15种以上疑难顽症基因治疗人类遗传性疾病,仍在探索阶段基因治疗是将正常的外源基因导入靶细胞中以弥补靶细胞所缺失或突变的基因、或抑制异常表达的基因生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生基因治疗的策略基因治疗的策略原位
28、修复(基因修复）对有缺陷的基因在原来位置上进行修复，使该基因恢复正常基因替代疗法治疗策略是切除发生缺陷的基因，再转入有功能的正常基因增强将目的基因导入靶细胞，目的基因的表达产物可以补偿缺陷细胞的功能基因抑制导入外源基因以抑制原有的基因，目的在于阻断有害基因的表达生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生基因治疗掀起了一场临床医学革命基因治疗的基本方式基因治疗的基本方式n体细胞介导的基因治疗体细胞介导的基因治疗 回体法回体法 ex vivoex vivon体内直接转基因体内直接转基因 体内法体内法 in vivoin vivo生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生基因治疗的应用基因治疗的应用 转入功能基
29、因（单基因遗传病）n血友病B 薛京伦等用逆转录病毒载体将IX因子的cDNA至血友病B患者的皮肤成纤维细胞中，再回植患者皮下，患者凝血因子IX的表达明显增高，症状得到改善n重症综合性免疫缺乏症（SCID）n腺苷脱氨酶（腺苷脱氨酶（ADAADA）缺乏症）缺乏症是常染色体隐性遗传的致死是常染色体隐性遗传的致死性疾病，患者由于性疾病，患者由于ADAADA缺乏缺乏导致脱苷腺氨酸增多，改变导致脱苷腺氨酸增多，改变了甲基化能力，致使淋巴细了甲基化能力，致使淋巴细胞受损，从而导致免疫缺陷胞受损，从而导致免疫缺陷生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生n19901990年，首次将年，首次将ADAADA转转基因基因T
30、 T淋巴细胞注射到淋巴细胞注射到人体骨髓组织人体骨髓组织（患有患有腺苷脱氨酶（腺苷脱氨酶（ADAADA）缺乏症的缺乏症的4 4岁儿童岁儿童），治疗SCID转基因治疗的问题与危险性转基因治疗的问题与危险性n有效的目的基因过少；有效的目的基因过少；n安全性安全性:导入的基因缺乏调导入的基因缺乏调控手段；控手段；n有效性和稳定性：有效性和稳定性：缺少高效缺少高效和导向的载体系统；和导向的载体系统；n目前人们多重视分子水平的目前人们多重视分子水平的研究而忽略了整体研究，对研究而忽略了整体研究，对整体宏观水平缺乏了解。整体宏观水平缺乏了解。2019年年9月月17日，美国日，美国Arizona州州18岁岁
31、的青年的青年格尔辛格格尔辛格在宾夕法尼亚大学人在宾夕法尼亚大学人类基因治疗研究所接受基因治疗类基因治疗研究所接受基因治疗4天后天后不幸死亡，成为基因治疗实施以来第不幸死亡，成为基因治疗实施以来第1个直接死于这种试验的病人。个直接死于这种试验的病人。生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生四四 创建遗传病的动物模型创建遗传病的动物模型 n意义n研究癌症基因的致病机理；癌症基因表达的调控过程；新药物疗效n研究基因治疗的良好材料 n目前已建立了人类的动脉粥样硬化、镰刀形红细胞贫血、初老期痴呆症、自身免疫病、淋巴组织生成、真皮炎及前列腺癌等遗传病的动物模型 生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生在猴子的未受
32、精卵中加入附加基因（如老年性痴呆病的基因、帕金森病基因等），并利用它成功培育出健康活泼的小猴“安迪”。加快针对这类疾病疫苗的开发研究。通过研究“基因敲除”的小鼠将帮助研究人类的癌症、糖尿病和高血压等慢性疾病与遗传的关系。生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生五五 干细胞工程干细胞工程n干细胞是指尚未发育成熟的细胞，它具有再生为各种组织器官的潜能，可称其为种子细胞。n是一类具有自我更新和分化潜能的细胞n具有多能性，甚至全能性干细胞的类型干细胞的类型n全能干细胞n它具有形成完整个体的分化潜能n胚胎干细胞n多能干细胞n具有分化出多种细胞组织的潜能，失去了发育成完整个体的能力n专能干细胞n只能向一种类型
33、或密切相关的两种类型的细胞分化Microinjection Manipulation Facility生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生胚胎干细胞具有发育成所有细胞、组织和器官的能力生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生生物技术与医药卫生具体应用举例具体应用举例骨髓移植造血干细胞n造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，主要存在于骨髓、脐带血中n造血干细胞的移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病的有效方法。脐血干细胞库脐血干细胞库 n新生儿脐血主要直接用于血液病和免疫功能不全的临床治疗 n局限性n脐血采集量有限，其中所含的核细胞数较少，不能满足成人
34、患者移植所需。n遗传病第四节第四节 生物技术在生物技术在农业科学方面的应用农业科学方面的应用农业科技革命农业科技革命n20世纪初开始的农业科技革命n达尔文、孟德尔（19世纪下半叶）：育种技术（30）n李比希、缪勒（20世纪30年代）：化肥和农药（50）水利、灌溉（20）以育种技术和农业化学技术为主导的第一次农业科技革命，建立了现代农业。n20世纪下半叶，2个重大的科学事件，拉开了新的农业科技革命的序幕nDNA双螺旋结构的发现、DNA重组成功：分子生物学、生物技术n计算机、信息技术：覆盖面广、渗透性极强n其它现代技术n航空航天、自动控制、新型材料、先进制造等生物技术引发的生物育种生物技术引发的生
35、物育种 细胞和胚胎工程育种、分子标记技术、转基因技术等已趋成熟，在动植物育种中得到应用n高产、稳定、优质、抗虫、抗病、除草剂、固氮酶基因等如：抗除草剂大豆、抗黄矮病小麦、抗病毒马铃薯、耐贮运番茄n动物品质改良、提高动物快速生长能力或抗病能力；n功能性食品：可饲性疫苗、富含VE的不饱和油料等生物技术与农业科学生物技术与农业科学转基因植物转基因植物用携带外源基因的农杆菌用携带外源基因的农杆菌TiTi质粒转化植物材料，使外质粒转化植物材料，使外源源DNADNA与植物染色体与植物染色体DNADNA整合，通过进一步组织培养，整合，通过进一步组织培养，转化的植物材料分化成愈伤组织，最后发育成具有新转化的植
36、物材料分化成愈伤组织，最后发育成具有新性状的完整植株性状的完整植株转基因植物转基因植物生物技术与农业科学生物技术与农业科学n有有3535个科个科120120多种转基因多种转基因植物，一些重要的农作物植物，一些重要的农作物获得商品化的转基因品种获得商品化的转基因品种n种植面积迅猛发展种植面积迅猛发展n发展趋势发展趋势n采用的基因正在从抗除草采用的基因正在从抗除草剂、抗菌素、抗病虫害基剂、抗菌素、抗病虫害基因到因到抗逆境、高品质抗逆境、高品质方向方向发展。发展。n由单个质量性状基因向由单个质量性状基因向多多基因基因数量性状转变。数量性状转变。n植物反应器植物反应器生产稀有蛋白生产稀有蛋白转基因植物
37、现状及趋势转基因植物现状及趋势生物技术与农业科学生物技术与农业科学1 1、生物技术与粮食、生物技术与粮食 提高产量、品质提高产量、品质n普通大米实际上不是普通大米实际上不是“健康食品健康食品”。n大米中含有一种叫做肌醇六磷酸的小分子，它能与铁紧大米中含有一种叫做肌醇六磷酸的小分子，它能与铁紧紧地结合，使得小肠难以吸收食物中的铁；紧地结合，使得小肠难以吸收食物中的铁；n以大米为主食的人，易患铁缺乏症而导致贫血以大米为主食的人，易患铁缺乏症而导致贫血哪种大米更有益身体健康？n转基因水稻转基因水稻 n“金大米金大米”：转入胡萝卜素合成相关基因提高大米中：转入胡萝卜素合成相关基因提高大米中维生素维生素
38、A A前体的含量，以减少亚洲人普遍存在的维生素前体的含量，以减少亚洲人普遍存在的维生素A A缺乏症缺乏症n解决铁吸收的问题，往解决铁吸收的问题，往“金大米金大米”中再转入三种基因：中再转入三种基因：n一种是来自真菌的酶基因，这种酶能够把肌醇六磷酸降解掉；一种是来自真菌的酶基因，这种酶能够把肌醇六磷酸降解掉；n一种是来自菜豆的铁蛋白基因，铁蛋白能够储存铁；一种是来自菜豆的铁蛋白基因，铁蛋白能够储存铁；n还有一种是来自印度香米的基因，它生产的蛋白质有助于人的还有一种是来自印度香米的基因，它生产的蛋白质有助于人的肠道吸收铁肠道吸收铁n低过敏性转基因水稻低过敏性转基因水稻n低蛋白转基因水稻低蛋白转基因
39、水稻哪种大米更有益身体健康？哪种大米更有益身体健康？超级杂交稻超级杂交稻 20192019年年5 5月月1313日，位于三亚市田独日，位于三亚市田独镇新村田洋的中国超级杂交稻第一镇新村田洋的中国超级杂交稻第一块块“百亩片试种示范田百亩片试种示范田”正式通过正式通过了海南省级验收。经由全国多位农了海南省级验收。经由全国多位农业专家共同检测，这批超级杂交稻业专家共同检测，这批超级杂交稻的亩产高达的亩产高达833.23833.23公斤。公斤。功能稻米功能稻米 基尔米：拥有降血压、改善睡眠、减肥美基尔米：拥有降血压、改善睡眠、减肥美容等功能的大米，售价最高的一种达容等功能的大米，售价最高的一种达元钱斤
40、元钱斤。生物技术与农业科学生物技术与农业科学2 2、抗性基因工程育种、抗性基因工程育种n基因工程为培育抗病虫的作物提供了新的手段基因工程为培育抗病虫的作物提供了新的手段n目前，已经获得的转基因抗虫农作物包括烟草、番茄、目前，已经获得的转基因抗虫农作物包括烟草、番茄、马铃薯、棉花、玉米等马铃薯、棉花、玉米等n在抗逆境育种上的应用为克服干旱、盐碱等提供在抗逆境育种上的应用为克服干旱、盐碱等提供新思路新思路n美国斯坦福大学把仙人掌基因导入小麦、大豆等作物，美国斯坦福大学把仙人掌基因导入小麦、大豆等作物，育成抗旱、抗逆的新品种。育成抗旱、抗逆的新品种。n我国已克隆了耐盐碱相关基因，我国已克隆了耐盐碱相
41、关基因，通过遗传转化已获得了耐盐烟草、通过遗传转化已获得了耐盐烟草、水稻、西红柿、草莓等。水稻、西红柿、草莓等。生物技术与农业科学生物技术与农业科学转基因抗虫棉转基因抗虫棉 我国是世界上最大的棉花生产我国是世界上最大的棉花生产国和消费国，约占世界产棉总量国和消费国，约占世界产棉总量的的25%以上。以上。自自90年代以来，由于棉铃虫在年代以来，由于棉铃虫在我国大部分棉区持续性大发生或我国大部分棉区持续性大发生或暴发，给我国棉花生产带来了巨暴发，给我国棉花生产带来了巨大的威胁，棉农谈虫色变，面积、大的威胁，棉农谈虫色变，面积、单产、总产一直处于低谷的徘徊单产、总产一直处于低谷的徘徊阶段。阶段。n我
42、国现已有我国现已有1818个国产抗虫棉品种通过个国产抗虫棉品种通过了审定了审定 ，目前种植的转基因品种中约，目前种植的转基因品种中约有一半是国产品种。在全国各棉区正有一半是国产品种。在全国各棉区正在大面积推广。在大面积推广。n19901990年，美国利用生物技术，合成苏年，美国利用生物技术，合成苏云金芽孢杆菌云金芽孢杆菌 （B.tB.t）杀虫基因，导）杀虫基因，导入棉花获得抗虫转基因棉花。入棉花获得抗虫转基因棉花。n抗植物虫害的基因有多种，日前经常抗植物虫害的基因有多种，日前经常使用的主要有三种：使用的主要有三种：nBtBt基因基因n从植物中分离出的昆虫的蛋白酶抑从植物中分离出的昆虫的蛋白酶抑
43、制剂，其中应用最广泛的是豇豆胰制剂，其中应用最广泛的是豇豆胰蛋白酶抑制剂基因蛋白酶抑制剂基因(CpTICpTI)n植物凝集素基因植物凝集素基因(lectinlectin gene)gene)生物技术与农业科学生物技术与农业科学3 3、花卉基因工程、花卉基因工程n花色工程花色工程n花卉香味工程花卉香味工程n通过合成酶的引入，增强单萜的合成通过合成酶的引入，增强单萜的合成n花卉保鲜花卉保鲜n通过导入反义通过导入反义ACCACC合成酶基因及反义合成酶基因及反义ACCACC氧化酶基因可阻止乙烯生化合成，氧化酶基因可阻止乙烯生化合成，延长花期和鲜切花寿命延长花期和鲜切花寿命 n花卉抗性基因工程花卉抗性基
44、因工程圆个缤纷的梦圆个缤纷的梦花色工程花色工程n花色素主要由类黄酮、类胡萝卜素、生物碱三类物质决定 n影响花色的因子还有共色作用、液泡的酸碱值及细胞的形状等生物技术与农业科学生物技术与农业科学基因工程改变花色的途径n通过引入外源基因来补充通过引入外源基因来补充某些品种缺乏合成某些颜某些品种缺乏合成某些颜色的能力色的能力n利用反义利用反义RNARNA和共抑制技和共抑制技术抑制基因的活性，造成术抑制基因的活性，造成无色底物的积累，使花的无色底物的积累，使花的颜色变浅或变成无色颜色变浅或变成无色星条、网状：共抑制法、反义RNA 技术 黄色：直接导入外源结构基因n花卉基因转移结果常无法获得预期效果n由
45、于育成蓝色月季需要同时具备三个条件，即翠雀素的合成、黄酮醇共染剂和较高的PH值，其中关键是改变植物细胞液泡液的PH值 生物技术与农业科学生物技术与农业科学运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动物4、在畜牧业中的应用生物技术与农业科学生物技术与农业科学 中国科学院水生生物研究所朱作言首次用人的生长激素基中国科学院水生生物研究所朱作言首次用人的生长激素基因因(hGH)(hGH)构建了转基因鱼，制作的主要目的是提高生长速构建了转基因鱼，制作的主要目的是提高生长速度、增加抗逆性以及为发育生物学和插入突变提供研究的度、增加抗逆性以及为发育生物学和插入
46、突变提供研究的材料。材料。使用鱼类自身的基因元件构建转基因鱼，可以解决基因表使用鱼类自身的基因元件构建转基因鱼，可以解决基因表达强度问题和推广转基因鱼的环境和伦理道德问题。达强度问题和推广转基因鱼的环境和伦理道德问题。自自19841984年以来先后进行了泥鳅、鲤鱼、鲫鱼等的转基因研年以来先后进行了泥鳅、鲤鱼、鲫鱼等的转基因研究。究。5 5、生物技术与农药、生物技术与农药n绿色农药包括微生物杀虫剂、绿色农药包括微生物杀虫剂、微生物杀菌剂、农畜抗菌素、微生物杀菌剂、农畜抗菌素、植物源农药等植物源农药等n植物源生物水剂农药植物源生物水剂农药（松脂酸钠松脂酸钠和茶皂素的复合制剂、和茶皂素的复合制剂、苦
47、楝油）苦楝油）n生物农药菌种资源（苏云金杆菌）生物农药菌种资源（苏云金杆菌）n特点特点n环保，良好的环境相容性环保，良好的环境相容性n先天弱势：药效慢、击倒慢、适先天弱势：药效慢、击倒慢、适应力差应力差n综合防治综合防治生物技术与农业科学生物技术与农业科学农业领域的拓展农业领域的拓展 n拓展领域拓展领域n向食品轻工领域发展：酶工程、向食品轻工领域发展：酶工程、L-L-乳酸发酵工程乳酸发酵工程n向能源：燃料：石油（黑金）向能源：燃料：石油（黑金）作物（绿金）作物（绿金）n向材料环保：向材料环保：n全淀粉全淀粉乳酸乳酸聚合塑料、生物全降解塑料聚合塑料、生物全降解塑料n生物农药及生物防治技术生物农药
48、及生物防治技术n发展趋势发展趋势n生物资源创新工程生物资源创新工程专业、区域、企业、市场化专业、区域、企业、市场化n传统农业传统农业“高投入、低产出高投入、低产出”“低投入、高产出低投入、高产出”n投身生命科学投身生命科学生物技术与农业科学生物技术与农业科学第六节第六节 生物技术在食品领域的应用生物技术在食品领域的应用 (p181)(p181)n主要应用主要应用在食品生物在食品生物资源的改造资源的改造、提高食品品质提高食品品质和和改善食品风味改善食品风味、油脂生产油脂生产以及食品卫生检测等。食品卫生检测等。n不是仅仅解决粮食问题，不是仅仅解决粮食问题，更重要的是，满足人们更重要的是，满足人们
49、对食物感官舒适、营养对食物感官舒适、营养 丰富、功能全面的完美丰富、功能全面的完美 要求。要求。食品级壳聚糖：用于功能性食品，保健品，胶粘剂，人体补铁剂，可降解性食品包装袋等一、应用现状一、应用现状n主要技术n基因工程n细胞工程n酶工程n应用领域n发酵工程n食品添加剂:用生物法代替化用生物法代替化学合成，要大力开发功能性学合成，要大力开发功能性食品添加剂等。食品添加剂等。生物技术与食品业生物技术与食品业二、在食品加工过程的应用二、在食品加工过程的应用n工程菌改良食品微生物的生产性能n 改变合成途径，改善风味n 氨基酸生产n 生产食品酶制剂，提高活性、稳定性（淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶等，添加酶类
50、进行食品组分的改性）n食品保鲜：乳酸菌肽防腐生物技术与食品业生物技术与食品业三、农副产品深加工和综合利用三、农副产品深加工和综合利用n玉米等深加工玉米等深加工 作为新型糖源、变性淀作为新型糖源、变性淀粉、玉米油、发酵酒精、环粉、玉米油、发酵酒精、环状糊精以及工业用材料提供状糊精以及工业用材料提供优质充足的原料优质充足的原料n 肉、奶、水产品加工肉、奶、水产品加工n 植物纤维素资源植物纤维素资源 生物技术与食品业生物技术与食品业n在食品检测中的应用n食源性病原菌快速检测n转基因食品检测n我国农业转基因生物安全管理n2019年10月，我国制定农业转基因生物安全管理条例n一般应经过中间试验、环境释放
