高中生物人教版（2019）选择性必修3：3.3基因工程的应用(课件共44张PPT)

(共44张PPT)
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？
重组人胰岛素注射液
基因工程自20世纪70年代兴起后，得到飞速发展，展示出广阔前景。
医药卫生领域
食品工业方面
农牧业方面
基因工程的应用
基因工程的应用
1.1996-2017年，全世界转基因作物种植面积增加了100多倍。
2.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。
3.美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家。棉花、玉米、大豆种植比例都超过90%。
4.2017年，我国转基因作物的种植面积居世界第八位。商业化种植的有棉花、番木瓜。
概述
5.在转基因动物方面，近些年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。
转基因大西洋鲑的优点：
（1）缩短了生长周期
（2）都是雌性而且不育，避免了野生鲑鱼杂交的风险。
转基因鲑鱼（后排）和正常鲑鱼（前排）
概述
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。
转基因抗虫植物
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
抗逆性
（1）转基因抗虫植物
（2）转基因抗病植物
培育方法：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。
实例：转基因抗虫棉、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
培育方法：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。
实例：抗病毒转基因甜椒、番木瓜和烟草等。
（3）转基因抗除草剂植物
培育方法：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。
实例：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
植物方面
（4）改良植物的品质
培育方法：利用转基因技术改良植物的营养价值、观赏价值等。
优良基因 成果
　　　　　　　　的蛋白质编码基因 富含赖氨酸的转基因玉米
与植物花青素代谢相关的基因 ____________
必需氨基酸含量多
转基因矮牵牛
植物方面
（5）提高动物的生长速率
培育方法：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。
实例：转基因鲤鱼的生长速率比非转基因鲤鱼提高了42%～115%。
（6）改善畜产品的品质
培育方法：将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的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。
实例：乳汁中乳糖的含量大大降低的转基因牛
动物方面
1.从环境保护角度出发，分析转基因抗虫棉与普通棉相比在害虫防治方面的优越性有哪些？
减少了化学农药的使用量，降低了环境污染。降低生产成本。
2.种植转基因抗虫棉若干年后，害虫会不会对转基因抗虫棉产生抗性？为什么？
会。害虫会因遗传物质发生改变产生对转基因抗虫棉的抗性。
3.为什么将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组能降低牛奶中的乳糖含量？
肠乳糖酶基因在奶牛乳腺细胞中表达出乳糖酶，
可以分解乳汁中的乳糖。
【思考讨论】:
【基础训练1】
(1)转入外源生长素基因的转基因动物，生长速率更快(　　)
(2)转基因抗虫棉的Bt抗虫蛋白基因能抗病毒、细菌、真菌(　　)
(3)“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物(　　)
×
×
×
【典例1】下列关于培育转基因抗虫棉的叙述，正确的是
A.DNA连接酶能把Bt抗虫蛋白基因与噬菌体相连接
B.Bt抗虫蛋白基因可借助花粉管通道进入受体细胞
C.Bt抗虫蛋白对害虫和人都有不同程度的毒害作用
D.需制备好相应抗原来检测Bt基因是否翻译成Bt抗虫蛋白
√
【典例2】下列有关目的基因的操作能够改善产品品质的是
A.将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内
B.将肠乳糖酶的基因导入奶牛的基因组
C.将降解或抵抗某种除草剂的基因导入玉米
D.将Bt抗虫蛋白基因整合到烟草或棉花的基因组并实现表达
√
解析　将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内是提高鲤鱼的生长速率；导入肠乳糖酶基因的奶牛的牛奶中乳糖含量降低，改善了牛奶的品质；将降解或抵抗某种除草剂的基因导入玉米是转基因抗除草剂植物的应用；Bt抗虫蛋白基因是抗虫基因，能够提高植物的抗虫能力。
让转基因哺乳动物批量生产药物
用转基因动物作为器官移植的供体
对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
医药卫生领域的应用
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
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；
（1）对微生物或动植物的细胞进行基因改造生产药物
①药物举例：
细胞因子、抗体、疫苗和激素等。
②应用：
③实例：
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，干扰素对于治疗乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等也有一定的疗效。
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、慢性丙型肝炎等。
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1Kg培养物中可以得到20—40mg干扰素。
传统生产干扰素的方法是从人血液中的白细胞内提取，每300L血液只能提取1mg干扰素。
资料卡
干扰素的化学本质是什么？
糖蛋白
干扰病毒复制
病毒感染性疾病、乳腺癌、淋巴癌、多发骨髓瘤和某些白血病等
从人血液中的白细胞内提取
用基因工程方法从大肠杆菌及酵母菌细胞内获得
重组人干扰素α-1b
主要用于治疗慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎等
抗生素≠干扰素
抗生素：抗细菌药物
干扰素：抗病毒药物
干扰素的作用机理是怎样的？
干扰素用于哪些疾病的治疗？
传统生产干扰素的方法是什么？
目前大量生产干扰素的方法是什么？
我国批准生产的第一个基因工程药物的名称叫什么？
用于治疗哪些疾病？
资料卡
思考：根据前面学过的基因工程的操作程序，说出通过基因工程方法用酵母菌生产乙肝疫苗的过程是怎样的？（提示：乙肝病毒抗原蛋白基因）
用PCR扩增乙肝病毒抗原蛋白基因；
将乙肝病毒抗原蛋白基因插入质粒，构建基因表达载体；
将该基因表达载体导入酵母菌(该过程也是将酵母菌制备成感受态细胞，但是并不是用Ca2+处理，而是用醋酸锂处理）；
检测并鉴定，筛选出成功转化的酵母菌，进行发酵培养，分离并提纯产物，获得乙肝病毒抗原蛋白。
资料卡
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
（2）让转基因哺乳动物批量生产药物
① 实例：
乳腺生物反应器或乳房生物反应器
② 培育过程：
药用蛋白基因
乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件
基因表达载体
显微注射
受精卵
泌乳期分泌乳汁
转基因动物
药物
早期胚 胎培养
③应用：
注意：启动子具有物种和组织的特异性
胚胎 移植
早期胚胎
1.乳腺生物反应器指的是转基因动物的乳腺吗？
【思考讨论】：
不是，乳腺生物反应器指的就是这个转基因生物
2.培育乳腺生物反应器时为什么要选用乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件与药用蛋白基因重组在一起？
目的是让药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达。
3.药用蛋白基因存在于转基因动物的哪些细胞中？
4.与工厂化生产药用蛋白相比，用动物乳腺生物反应器生产药用蛋白的优势有哪些？
几乎所有细胞
乳腺生物反应器的优缺点
A.受性别和是否处于泌乳期的限制
B.有些蛋白不能在乳腺里表达
C.某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同
优点
缺点
A.产量高且产品质量好
B.乳汁中重组蛋白的提取和纯化相对容易
C.成本低
补充：膀胱生物反应器
①可以从动物一出生就收集产物，不论动物的性别和是否处于生殖期。
②从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
乳腺生物反应器的优缺点
A.受性别和是否处于泌乳期的限制
B.有些蛋白不能在乳腺里表达
C.某些蛋白在乳腺中的修饰可能与天然状态不同
优点
缺点
A.适合于表达高等动物体内的复杂蛋白
B.制备乳腺反应器的方法成熟
C.乳腺是天然的高效合成蛋白质的器官
D.乳汁中重组蛋白的提取和纯化相对容易
补充：膀胱生物反应器
①可以从动物一出生就收集产物，不论动物的性别和是否处于生殖期。
②从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
【思考】：为什么动物的乳腺细胞能成为基因药物最理想的表达场所呢？
① 乳腺是一个外分泌器官，乳汁不进入体内循环，不会影响转基因动物本身的生理代谢反应。
② 从乳汁中获取目的基因产物，产量高，易提纯，表达的蛋白质已经过充分的修饰加工，具有稳定的生物活性。
③ 从乳汁中源源不断获得目的基因的产物的同时，转基因动物又可无限繁殖。
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）用转基因动物作为器官移植的供体
①人体器官移植的难题：
人体移植器官短缺是世界性难题
②解决途径：
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
A. 猪的优点：
B. 最大难题：
免疫排斥
③改造方法：
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。
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。
异想天开
抗体恒定区（C区）在不同物种中存在差异，因此鼠源单抗会被人体免疫系统识别为抗原。科学家设法将鼠源抗体的恒定区（C区）替换成人的，或者只保留鼠源抗体中对抗原识别起决定性作用的部分（CDRs）。这两类的抗体都可以通过设计嵌合基因通过基因工程来实现工业化生产。不过，最安全的还是全人源化抗体。
补充了解：
胚胎干细胞
基因编辑敲除抗体生成基因
人的抗体
生成基因
免疫系统的“自我”识别是胚胎发育阶段发展出来的。在小鼠免疫系统发展出自我识别之前替换成人的抗体生成基因，就可以产生出全人源化抗体（并被小鼠识别为自我）。
发育
植入囊胚腔
互交
补充了解：
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。
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
(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。
①概念：
②应用：
(2)实例：
①阿斯巴甜：
②凝乳酶：
A.应用：
奶酪生产中用来凝聚固化奶中的蛋白质
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
B.制备方法：
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。
③淀粉酶、脂酶：
应用：
制备方法：
加工转化糖浆需要淀粉酶，加工烘烤食物要用到脂酶
构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产
优点：
4. 其他应用：环保领域的应用
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。
比较项目 乳腺（房）生物反应器 基因工程菌
基因结构
基因产物
受体细胞
导入方式
生产条件
产物提取
哺乳动物基因的结构与人类结构基本相同
细菌或酵母菌等生物的基因结构与人类基因结构有较大差异
与天然蛋白质完全相同
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
哺乳动物的受精卵
微生物细胞
显微注射法
Ca2+处理法（感受态细胞法）
不需要严格的灭菌，温度等外界条件对其影响不大
需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
从动物乳汁中提取，相对简单
（一般经过工业发酵后）从微生物细胞（或发酵液）中提取，相对复杂
【基础训练2】
(1)用大肠杆菌生产的人的胰岛素没有活性(　　)
(2)药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达的原因是药用蛋白基因只存在于乳腺细胞中，其他细胞中没有(　　)
(3)用基因工程技术生产工业酶的优点是：纯度高、生产成本低、生产效率高(　　)
√
×
√
【典例3】(2021·辽宁沈阳期中)下列关于用转基因动物作器官移植供体的研究的叙述，不正确的是
A.人体移植器官短缺和免疫排斥是目前制约人体器官移植的两大难题
B.猪的内脏构造、大小和血管分布与人的极为相似
C.灵长类动物体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒少于猪
D.无论以哪种动物作为供体，都需要在其基因组中导入某种调节因子，
　以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因
√
【典例4】动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺代替传统的生物发酵，进行大规模生产可供治疗人类疾病或用于保健的活性蛋白质的现代生物技术。科学家已在牛和羊等动物乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要药品，其大致过程如图所示。下列有关说法错误的是
A.通过③形成的重组质粒具有人的
药用蛋白基因、启动子、终止子和
标记基因即可
B.④通常采用显微注射技术
C.在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达，因此可以从乳汁中提取药物
D.该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取
√
目前我国批准发放了哪些转基因作物的生产应用安全证书和进口安全证书？
截至2019年年底，我国批准发放过转基因耐储藏番茄、转基因抗虫棉、改变花色的转基因矮牵牛、转基因抗病辣椒、转基因抗病番木瓜、转基因抗虫水稻、转植酸酶基因玉米以及转基因耐除草剂大豆的生产应用安全证书；批准了转基因棉花、大豆、玉米、油菜、甜菜和番木瓜的进口安全证书，但我国进口的基本上是转基因棉花的纤维，其他进口转基因作物的用途仅限于用作加工原料；我国没有批准任何一种转基因粮食作物种子进口到我国境内商业化种植。
转基因抗虫植物
基因工程的应用
农牧业方面
医药卫生方面
转基因抗病植物
转基因抗除草剂植物
改善畜产品的品质
提高动物的生长速率
改良植物的品质
让哺乳动物批量生产药物
建立移植器官工厂
食品工业方面
生产食品工业用酶
构建基因工程菌
【课堂小结】
练习与应用
一、概念检测
1.将大肠杆菌的质粒连接上人生长激素的基因后，重新导入大肠杆菌的细胞内，再通过发酵工程就能大量生产人生长激素。下列相关叙述正确的是 （ ）
A.转录生长激素基因需要解旋酶和DNA连接酶
B.发酵产生的生长激素属于大肠杆菌的初生代谢物
C.大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传
D.大肠杆菌质粒标记基因中腺嘌呤和尿嘧啶的含量相等
2.基因工程应用广泛，成果丰硕。下列不属于基因工程应用的是 （ ）
A.培育青霉菌并从中提取青霉素
B.利用乳腺生物反应器生产药物
C.制造一种能降解石油的“超级细菌"
D.制造一种能产生干扰素的基因工程菌
C
A
二、拓展应用
1.除草剂的有效成分草甘麟能够专一地抑制EPSP合酶的活性，从而使植物体内多种代谢途径受到影响而导致植物死亡。草甘腾没有选择性，它在除掉杂草的同时也会使作物受损。解决这个问题的方法之一就是培育抗草甘麟的作物。
（1）下面是探究“转入外源EPSP合酶基因能否使矮牵牛抗草甘腾”的流程，请补充完整。
①用_____________________________等处理含有目的基因的DNA片段和T质粒,构建重组Ti质粒；
②将重组Ti质粒转入农杆菌中；
③利用含有重组Ti质粒的农杆菌侵染_________________________细胞，再通过培育得到转基因植株；
④用草甘瞬同时喷酒转基因植株和对照组植株。
限制酶和DNA连接酶
矮牵牛
结果：对照组植株死亡，转基因植株存活，但也受到了影响。
结论：________________________________________
转基因矮牵牛对草甘膦产生了一定的抗性。
（2）请思考并回答下列问题。
①在该实验中，对照组是怎样设计的？
②如果增加转入的外源 EPSP 合酶基因的数量，转基因矮牵牛对草甘膦的抗性是否会增加？
请你给出进一步探究的思路。
提示：①对照组为非转基因矮牵牛。理论上增加转入的外源EPSP合酶基因的数量，矮牵牛体内EPSP合酶的表达水平会升高，它对草甘膦的抗性会增强。
提示：②将不同拷贝数的EPSP合酶基因分别转入矮牵牛细胞中，培育转基因植株，比较它们对草甘辟抗性的差异。
二、拓展应用
1．在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，下列操作错误的是(　　)
A．限制酶不能切割烟草花叶病毒的核酸
B．用DNA连接酶连接经切割的抗除草剂基因和载体
C．重组DNA分子只能导入烟草的受精卵
D．用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞属于个体水平的检测
C
限制酶一般只切割DNA分子双链，而烟草花叶病毒的核酸是RNA，A正确；DNA连接酶连接目的基因和载体，构建基因表达载体，即重组DNA分子，B正确；作为目的基因的受体细胞，可以是烟草的受精卵，也可以是一般的体细胞或烟草的原生质体，C错误；用含除草剂的培养基筛选转基因烟草属于个体生物学水平的检测，D正确。
【随堂训练】
2．下列有关动物基因工程的说法,错误的是 (　　)
A.将外源生长激素基因导入动物体内可提高动物生长速率
B.将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组中,使获得的转基因牛分泌的乳汁中乳糖的含量大大减低
C.利用基因工程技术,得到的乳腺生物反应器可以解决很多重要的药品的生产问题
D.用转基因动物作为器官移植的供体时,由于导入的是调节因子,而不是目的基因,因此无法抑制抗原的合成
D
用转基因动物作为器官移植的供体时,可将器官供体基因组导入某种调节因子,以抑制抗原决定基因的表达,或设法除去抗原决定基因,再结合克隆技术,培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。
3．2020年5月22日国际医学权威期刊《柳叶刀》上发表了新冠病毒疫苗Ⅰ期临床试验的成果。该试验是由陈薇院士等人领衔的团队开展的研究,试验中使用的疫苗是一种腺病毒载体重组新冠病毒疫苗(基因重组疫苗),该疫苗接种108名健康的成年志愿者后,在志愿者体内均产生了特定的免疫应答。下列叙述正确的是 (　　)
A.该疫苗的制备不需要用到DNA连接酶
B.志愿者接受重组新冠病毒疫苗的接种后,体内产生被动免疫
C.主要通过检测志愿者体内新冠病毒的含量来评价试验的有效性
D.相对于普通人来说,对腺病毒已具有免疫力的个体使用该疫苗的效果要差
D
重组基因疫苗需要将腺病毒的基因和新冠病毒的基因进行连接,所以需要DNA连接酶,A错误;疫苗刺激机体产生特异性免疫属于主动免疫,B错误;接种疫苗后,主要通过检测志愿者体内新冠病毒的抗体来评价试验的有效性,C错误;由于重组病毒含有腺病毒的抗原,所以对腺病毒已具有免疫力的个体使用该疫苗的效果比普通人要差,D正确。
4.下列有关目的基因的操作能够改善畜产品品质的是 (　　)
A.将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内
B.将肠乳糖酶的基因导入奶牛的基因组
C.将人血清白蛋白的基因改造后在山羊的乳腺中表达
D.将抗虫蛋白基因整合到烟草或棉花的基因组并实现表达
B
将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内是提高鲤鱼的生长速率;导入肠乳糖酶基因的奶牛的牛奶中乳糖含量少,改善了牛奶的品质;将人血清白蛋白的基因改造后在山羊的乳腺中表达是乳腺生物反应器的应用; 抗虫蛋白基因是抗虫基因,能够提高植物的抗性。
5．冠状病毒是一类具有包膜的RNA病毒,某些冠状病毒如新型冠状病毒(SARS-CoV-2)会感染人类并引起呼吸综合征。应对传染性强的病毒感染,需要灵敏的检测试剂盒及免疫效果持久的疫苗。最新的疫苗开发技术是核酸疫苗(包括DNA疫苗和RNA疫苗),其制作流程如图所示。
（1）在DNA疫苗制备过程中,通常需要使用限制酶切割DNA分子。在如图所示的限制酶识别序列中,限制酶作用的化学键是[　 ]____________。
（1）限制酶能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断裂。据此可知:在如图所示的限制酶识别序列中,限制酶作用的化学键是[e]磷酸二酯键。
　e 磷酸二酯键
(2)写出图中能表示制备DNA疫苗过程的编号 。
(3)DNA或RNA疫苗接种到人体后,其表达产物均会刺激机体产生免疫反应。据图和所学知识,描述两者在人体内表达过程的差异
。
①②③④⑥
(2)图中能表示制备DNA疫苗过程的编号是①提取病毒的RNA→②逆转录→③构建基因表达载体→④将构建的基因表达载体导入受体细胞(大肠杆菌)→⑥利用工程菌生产DNA疫苗。(5)DNA疫苗接种到人体后,经历转录和翻译表达出病毒的抗原结构,而RNA疫苗接种到人体后,直接翻译出病毒的抗原结构。
DNA疫苗接种到人体后,经历转录和翻译表达出病毒的抗原结构,而RNA疫苗接种到人体后,直接翻译出病毒的抗原结构