第8章 基因工程原理3

第8章基因工程原理PrinciplesofGeneEngineering本章內(nèi)容1基因工程的歷史和發(fā)展2基因工程的基本內(nèi)容和技術(shù)3基因工程相關(guān)酶學(xué)4基因工程中的載體和宿主系統(tǒng)5目的基因的獲得和分離方法6外源基因?qū)胨拗骷毎?重組體的鑒定和分析8外源基因在大腸桿菌中的表達9外源基因在真核細胞中的表達10蛋白質(zhì)工程11基因工程的應(yīng)用和展望PrinciplesofGeneEngineering將外源基因在特定的宿主細胞中表達，獲得基因的產(chǎn)物——蛋白質(zhì)，這才是基因工程的目的所在目前用于外源基因表達的宿主細胞有原核的，也有真核的；有植物細胞也有動物細胞；也有利用整個生物體作為外源基因表達的宿主的；他們各有特點，分別在不同的情況下使用。8外源基因的表達PrinciplesofGeneEngineering與外源基因表達有關(guān)的幾個重要概念啟動子核糖體結(jié)合位點終止信號融合蛋白與非融合蛋白包涵體PrinciplesofGeneEngineering選用強的啟動子可以使基因處于高水平表達。原核細胞中表達外源基因常用的強啟動子有（1）lacUV5，即乳糖操縱子的啟動子，但是經(jīng)過了改造，活性無須cAMP活化，被阻遏蛋白laci關(guān)閉，可以被IPTG誘導(dǎo)。（2）tac啟動子，由trp啟動子的-35區(qū)和lac啟動子的-10區(qū)融合而成，可被IPTG誘導(dǎo)?；虮磉_控制元件1---啟動子PrinciplesofGeneEngineering（3）λPL或PR啟動子受λ阻遏蛋白調(diào)節(jié)，溫度敏感型突變體（λCIts857）在30℃時啟動子處于阻遏狀態(tài)，在超過40℃時阻遏蛋白失活，基因得到表達。（4）ompF是低滲透壓外膜蛋白基因的啟動子，其溫度敏感突變體在低溫時無活性，溫度升高有活性；（5）噬菌體T7的啟動子，可以被T7RNA聚合酶高效特異識別并、高效轉(zhuǎn)錄，常用于構(gòu)建高效表達系統(tǒng)或體外轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)。PrinciplesofGeneEngineering基因表達控制元件2----核糖體結(jié)合位點大腸桿菌的核糖體結(jié)合位點是一段長3-9個核苷酸，富含嘌呤的序列，位于起始密碼子上游3-11個核苷酸處。稱為SD序列。mRNA的翻譯效率受SD序列與16SrRNA3’端互補程度的影響，還受到SD序列與起始密碼子之間的距離以及起始密碼子上下游序列的影響。PrinciplesofGeneEngineering基因表達控制元件3---終止信號在UAAUAGUGA三個終止信號中，UAA的終止信號作用最強。PrinciplesofGeneEngineering外源基因的表達---融合蛋白質(zhì)和非融合蛋白質(zhì)外源基因直接在宿主細胞中表達，產(chǎn)物就是非融合蛋白質(zhì)。但是有時候因為某種原因，外源基因不能直接在宿主細胞中表達，需要在外源基因的5’端（或3‘端）接上一段宿主細胞或其他來源的基因片段才能在細胞中表達，這樣表達出來的蛋白質(zhì)的多肽鏈就是一個融合蛋白質(zhì)。PrinciplesofGeneEngineering融合蛋白質(zhì)由兩個部分組成，N端的序列是目的基因之外的其他基因的產(chǎn)物，目的基因的表達產(chǎn)物位于C端。融合蛋白質(zhì)分離后，利用特殊的試劑（如溴化氰）或特異的蛋白質(zhì)水解酶（如胰蛋白酶）將兩個部分分開，除去N端部分的序列，就可以得到目的基因的產(chǎn)物。PrinciplesofGeneEngineering（1）外源基因的活性形式中第一個氨基酸可能不是蛋氨酸，基因表達時需要在基因前面加入起始密碼子，但是這種融合蛋白質(zhì)可能會影響到其活性。（2）外源基因在宿主細胞中的表達量較低，融合蛋白質(zhì)可以增加外源基因產(chǎn)物的表達量。（3）外源基因表達的蛋白質(zhì)在宿主細胞內(nèi)不穩(wěn)定，易于被宿主的蛋白酶降解，融合的蛋白可以增加其穩(wěn)定性。（4）融合蛋白質(zhì)不影響某些抗體表位，可以容易進行抗體工程。（5）與某些特異的多肽或蛋白質(zhì)融和，易于在分離后迅速純化和檢測。外源基因不能直接在宿主細胞內(nèi)表達的情況：PrinciplesofGeneEngineering分泌蛋白原核生物和真核生物的分泌蛋白質(zhì)的N端都有一段信號肽，可以引導(dǎo)新合成的多肽鏈穿過細胞膜，信號肽酶將信號肽切除。利用這種機制，將欲表達的蛋白的基因與信號肽基因序列融合形成融合蛋白，蛋白表達出來后就被分泌到細胞外或培養(yǎng)基中。對于蛋白質(zhì)的分離是非常方便的。PrinciplesofGeneEngineering包涵體可以將細胞破壁和離心而收集，再經(jīng)過溶解和復(fù)性有可能得到有活性的蛋白。不同蛋白的復(fù)性條件不同。包涵體由于基因表達部位低電勢以及外源蛋白分子特殊結(jié)構(gòu),低電荷,無糖基化等,使得外源蛋白與周圍的雜蛋白或核酸等形成不溶解的聚合物,叫做包涵體。包涵體的形成與許多因素有關(guān)。包涵體中的蛋白是沒有生物活性的,在一定條件下,有些包涵體中的蛋白可以被“復(fù)性”,重新具有正常的蛋白活性.不同包涵體中蛋白的復(fù)性條件不同。PrinciplesofGeneEngineering大腸桿菌生長迅速，容易繁殖，已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的基因表達宿主細胞。雖然真核基因在大腸桿菌中表達會遇到許多困難，但是經(jīng)過幾十年的發(fā)展，大腸桿菌中表達真核基因的數(shù)目還在增加，許多以前遇到的困難已經(jīng)得到較好的解決。外源基因在大腸桿菌中表達的策略PrinciplesofGeneEngineering在大腸桿菌中外源基因高效表達的策略（1）表達載體的優(yōu)化表達載體除了具有一般表達載體的基本元件外，還應(yīng)該注意他們之間的優(yōu)化。如啟動子的有效性與高效性，終止密碼子的有效性，SD序列與起始密碼子之間的距離等，另外使用高拷貝質(zhì)粒有利于外源基因的高表達?；蚬こ讨型庠椿虻母咝П磉_是許多因素綜合作用的結(jié)果。PrinciplesofGeneEngineering（2）影響基因的轉(zhuǎn)錄的因素a啟動子的強弱是控制外源基因表達效率的關(guān)鍵因素之一b基因的阻遏子載體中的阻遏基因應(yīng)該是能夠調(diào)控的，這樣可以選擇基因表達的最佳時機c原核增強子樣序列可以增強啟動子的基因轉(zhuǎn)錄效率d轉(zhuǎn)錄終止子PrinciplesofGeneEngineering（3）影響翻譯水平的因素近來發(fā)現(xiàn)，基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控是影響水平的更重要的因素。a基因與核糖體的結(jié)合部位的調(diào)控——基因的SD序列、SD序列與起始密碼子之間的距離以及密碼子的偏愛性b基因翻譯起始區(qū)二級結(jié)構(gòu)對翻譯起始的影響——提高翻譯的起始效率和mRNA的穩(wěn)定性PrinciplesofGeneEngineering（4）影響蛋白質(zhì)水平的因素防止蛋白質(zhì)翻譯出來之后被降解以及將蛋白質(zhì)分泌到細胞外等。（5）其他因素如菌種、培養(yǎng)基條件、細菌的生長條件等。PrinciplesofGeneEngineering真核基因在大腸桿菌中表達可能會遇到的一些困難a原核細胞的RNA轉(zhuǎn)錄酶不能識別真核細胞的啟動子b真核細胞的基因前面沒有SD序列。c真核基因含有內(nèi)含子，原核細胞沒有d原核細胞內(nèi)沒有真核細胞的蛋白翻譯后的修飾體系，如二硫鍵的形成，糖基化，磷酸化等。e真核蛋白會被原核細胞作為外源蛋白而降解f真核蛋白前面有信號肽，原核細胞內(nèi)不能正確切除，導(dǎo)致不能形成正確的蛋白結(jié)構(gòu)，形成沒有生物學(xué)活性的蛋白包含體結(jié)構(gòu)。PrinciplesofGeneEngineering9外源基因在真核細胞中的表達為了便于操作，一般在真核細胞中表達使用的表達載體都具有在原核細胞中生長的復(fù)制起點，因此，均屬于穿梭質(zhì)粒。PrinciplesofGeneEngineering酵母細胞是研究最為清楚的真核細胞，有“真核細胞中的大腸桿菌”之稱。1996年基因組序列測定完畢。在真核生物的基因工程中是首選的宿主細胞。優(yōu)點a是單細胞生物，操作簡單，易于生長。b具有真核細胞對蛋白質(zhì)的加工翻譯體系，表達產(chǎn)物與天然蛋白類似（1）在酵母細胞中的表達PrinciplesofGeneEngineering用于酵母中生長的基因克隆載體常用的有五類：整合質(zhì)粒（YIP），附加體質(zhì)粒（YEP），復(fù)制質(zhì)粒（YRP），有著絲粒的質(zhì)粒（YCP），酵母人工染色體（YAC）。常用的宿主有：常規(guī)表達酵母：釀酒酵母、栗酒裂殖酵母非常規(guī)表達酵母：巴斯德畢赤酵母、漢遜多型酵母PrinciplesofGeneEngineering目前應(yīng)用釀酒酵母表達體系表達了許多外源基因，如乙型肝炎疫苗、人胰島素、人粒細胞集落刺激因子等。但是釀酒酵母在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生乙醇，對蛋白質(zhì)會過度糖基化，合成的蛋白質(zhì)的分泌能力有限等。酵母表達系統(tǒng)的應(yīng)用PrinciplesofGeneEngineering巴斯德畢赤酵母是一種甲醇營養(yǎng)型酵母。甲醇可以誘導(dǎo)細胞中與甲醇代謝有關(guān)的酶的高效表達。其中一種酶叫做乙醇氧化酶，啟動子AOX1是一種可誘導(dǎo)的強啟動子。利用它可以高水平表達外源基因。這種酵母的分泌能力比釀酒酵母強，但是這種酵母的遺傳背景了解的還不清楚，遺傳改造難度較大。目前已經(jīng)有幾十種外源基因獲得表達，如乙型肝炎表面抗原、人腫瘤壞死因子、人表皮生長因子和鏈激酶等。PrinciplesofGeneEngineering根癌土壤農(nóng)桿菌（Agrobacteriumtumefaciens）可以誘發(fā)裸子植物和雙葉植物產(chǎn)生根瘤的細菌。其中分離到的Ti質(zhì)粒，具有誘發(fā)植物產(chǎn)生腫瘤的作用。將外源基因插入到質(zhì)粒的特定的區(qū)域，再轉(zhuǎn)化植物即可將外源基因轉(zhuǎn)化到植物的染色體上，從而獲得轉(zhuǎn)基因植物。但是Ti質(zhì)粒太大，有兩種解決辦法：利用共整和載體或構(gòu)建二元載體系統(tǒng)。另外用于植物轉(zhuǎn)化的載體來自經(jīng)過改造的發(fā)根土壤農(nóng)桿菌的產(chǎn)生根毛的質(zhì)粒Ri以及各種植物病毒（花椰菜花葉病毒）等。（2）外源基因在植物細胞中的表達PrinciplesofGeneEngineering在哺乳動物中使用的表達載體一般都是由動物病毒載體改造而成，如SV40、逆轉(zhuǎn)錄病毒、腺病毒等。載體中的元件包括：原核生物的復(fù)制起點和選擇標(biāo)記、真核生物的表達控制元件、真核細胞中的復(fù)制和選擇的遺傳因子等。（3）外源基因在哺乳動物細胞中的表達PrinciplesofGeneEngineering目前逆轉(zhuǎn)錄病毒因為高效感染和整合而倍受關(guān)注，發(fā)展成為基因工程中的重要載體。但只能感染正在分裂的細胞，腺病毒可以容納更大的外源基因，并且可以感染非分裂的細胞；痘病毒可以用于構(gòu)建工程疫苗。各種病毒載體各有其特點和特殊用途。PrinciplesofGeneEngineering10蛋白質(zhì)工程（proteinengineering）在基因工程中人們發(fā)現(xiàn)，生物體的許多天然蛋白質(zhì)對于人們的產(chǎn)業(yè)化等開發(fā)不合適，必需對他們進行改造。美國基因公司的Ulmer在1983年首次提出蛋白質(zhì)工程這個概念，自此之后，蛋白質(zhì)工程迅速發(fā)展，已經(jīng)成為生物工程的重要組成部分。PrinciplesofGeneEngineering蛋白質(zhì)工程是指通過蛋白質(zhì)化學(xué)、蛋白質(zhì)晶體學(xué)和動力學(xué)的研究獲取有關(guān)蛋白質(zhì)的物理化學(xué)各方面的信息，在此基礎(chǔ)上對編碼該蛋白質(zhì)的基因進行有目的的改造，并通過基因工程等手段對其進行表達和分離純化，最終投入應(yīng)用。PrinciplesofGeneEngineering蛋白質(zhì)工程的發(fā)展是許多學(xué)科相互融合、共同努力的結(jié)果。如生物物理學(xué)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、計算機科學(xué)和化學(xué)工程學(xué)等。蛋白質(zhì)工程首先必需積累成千上萬蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，找出蛋白質(zhì)分子之間的進化關(guān)系、一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系、結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系等規(guī)律。尤其是計算機科學(xué)和圖象顯示技術(shù)的的發(fā)展，已經(jīng)使得蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析、三維結(jié)構(gòu)預(yù)測和模型建立，分子設(shè)計和能量計算等理論和技術(shù)以及相關(guān)軟件，正在發(fā)展成為生物信息學(xué)的一門分支。在蛋白質(zhì)工程的定向改造的分子設(shè)計中是不可缺少的。10.1蛋白質(zhì)分子的設(shè)計和改造PrinciplesofGeneEngineering采用分子生物學(xué)的方法，也可以推測出一些未知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，采用定位誘變技術(shù)對基因改造的結(jié)果可以為分子改造提供新的設(shè)計方案。蛋白質(zhì)工程實際上是對生物進化的模擬，按照蛋白質(zhì)形成的規(guī)律，改造蛋白質(zhì)或構(gòu)建新的蛋白質(zhì)。PrinciplesofGeneEngineering蛋白質(zhì)工程可以說是新一代的基因工程。一般首先經(jīng)過周密的分子設(shè)計，然后依靠基因工程獲得突變型的蛋白質(zhì)（mutein），以檢驗是否達到了預(yù)期的效果，如果改造的結(jié)果不理想，還需要重新設(shè)計再次改造，往往要經(jīng)過多次實踐摸索才能達到改進蛋白質(zhì)性能的預(yù)定目標(biāo)。PrinciplesofGeneEngineering10.2蛋白質(zhì)的實驗進化蛋白質(zhì)的分子設(shè)計和結(jié)構(gòu)改造在技術(shù)上取得重大突破后，備受各界關(guān)注，十多年來發(fā)展極為迅速，取得了一系列重要成果。然而，這些成果多數(shù)屬子理論上的，或是技術(shù)上的，獲得改進性能的實用蛋白質(zhì)并不多。其主要原因在于分子設(shè)計的不精確性。PrinciplesofGeneEngineering分子設(shè)計的主要依據(jù)來自三個方面關(guān)系的知識：①蛋白質(zhì)分子間的進化關(guān)系，從同源蛋白質(zhì)序列的微觀差異可找出其對空間結(jié)構(gòu)和生物功能的影響：另一方面蛋白質(zhì)的進化研究也為蛋白質(zhì)的構(gòu)造規(guī)則提供了信息。②蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)的關(guān)系，由此可以從一級結(jié)構(gòu)預(yù)測三級結(jié)構(gòu)。③蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，找出結(jié)構(gòu)改變對功能的影響。PrinciplesofGeneEngineering從已知蛋白質(zhì)的上述關(guān)系可用以推測一級結(jié)構(gòu)的改變對空間結(jié)構(gòu)和生物功能可能的影響，而目前對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)規(guī)律的認識還十分有限，這種推測也就并不可靠，往往差之毫厘，失之千里。于是蛋白質(zhì)改造的另一途徑即在實驗室條件下模擬生物分子的進化，通過隨機變異和靶功能的選擇，多次重復(fù)，從而獲得改進性能的蛋白質(zhì)。此過程稱為實驗進化。PrinciplesofGeneEngineering蛋白質(zhì)實驗室進化基本過程正?；蜃儺惖幕蛱蕴泻ν蛔儯Ａ粲幸嫱蛔兒Y選引入突變使用無校對功能的DNA聚合酶DNA改組---DNA隨機片段化，自身引發(fā)PCR，重組合PCR噬菌體表面展示技術(shù)親和選擇等PrinciplesofGeneEngineering10.3蛋白質(zhì)工程的進展目前蛋白質(zhì)工程更多側(cè)重于對蛋白質(zhì)的理論研究，并已成為常用的不可或缺的方法。對于蛋白質(zhì)的研究，大致有以下幾個方面：①有助于對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的解析，揭示蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的規(guī)律，由一級結(jié)構(gòu)預(yù)測空間結(jié)構(gòu)。②確定蛋白質(zhì)分子問的相互關(guān)系，找出相互作用的氨基酸殘基。③闡明蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系．了解蛋白質(zhì)的活性部位一和一級結(jié)構(gòu)對生物功能的影響。PrinciplesofGeneEngineering在應(yīng)用方面，幾乎所有類型具有開發(fā)前景的蛋白質(zhì)和多肽都用蛋白質(zhì)工程作過改造的嘗試，并取得不同程度的成果。研究最多、取得成果最顯著的是生物技術(shù)藥物和工業(yè)用酶的蛋白質(zhì)工程。蛋白質(zhì)和多肽類藥物包括激素、細胞因子、酶、酶的激活劑和抑制劑、受體和配體、細胞毒素和殺菌肽以及抗體等。作為藥物，希望通過改造以提高其活性、特異性和穩(wěn)定性，控制分子聚集，降低免疫原性和毒副反應(yīng)．延長在體內(nèi)的半衰期，增強對靶位點的導(dǎo)向性等。PrinciplesofGeneEngineering水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑，它有多種變異體，由65或66個氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設(shè)計方案，將47位的Asn變成Lys，使其與分子內(nèi)Thr4或Asp5間形成氫鍵來幫助水蛭索N端肽段正確取向，從而提高抗凝血效率，試管試驗提高達4倍．在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果，提高20倍。PrinciplesofGeneEngineering生長激素通過對它特異受體的作用促進細胞和機體的生長發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長激素受體，還可以結(jié)合許多種不同類型細胞的催乳激素受體，引起其他生理過程。在治療過程中為減少副作用，需使人的重組生長激素(rh-GH)只與生長激素受體結(jié)合．盡可能減少與其他激素受體的結(jié)合。PrinciplesofGeneEngineering經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結(jié)合區(qū)有一部分重疊，但并不完全相同，有可能通過改造加以區(qū)別。由于人的生長激素和催乳激素受體結(jié)合需要鋅離子參與作用．而它與生長激素受體結(jié)合則無需鋅離子，于是考慮取代充當(dāng)鋅離子配基的氨基酸側(cè)鏈，如第18和21位的His和第174位的Glu。實驗結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開發(fā)作為臨床用藥物還有大量研究工作要做。PrinciplesofGeneEngineering組織型纖溶酶原激活刑(t-PA)和單鏈尿激酶型纖溶酶原激活劑(scU-PA)是兩種具有血纖維蛋白專一性的溶栓劑，可在血栓(血纖維蛋白)表面激活纖溶酶原，有效溶解血栓。但在臨床治療中大劑量使用的情況下二者的專一性均有限，仍可引起全身性纖溶酶原的激活而造成出血傾向。與u-PA相比，t-PA與纖溶酶原的親和力較低．而與血纖維蛋白的親和力較高；當(dāng)血纖維蛋白與纖溶酶原結(jié)合形成復(fù)合物時與t-PA的親和力就大為提高。PrinciplesofGeneEngineering于是設(shè)想構(gòu)建嵌合型溶栓劑，期望綜合二者之長．即將t-PA的識別控制序列(1-263)與u-PA激活纖溶溶酶的蛋白酶序列(144-408)融合在一起，并刪除內(nèi)源性抑制劑作用位點的4個氨基酸殘基(178—181)。PrinciplesofGeneEngineering所得嵌合tu-PA同時獲得了親本t-PA的反應(yīng)專一性和對血纖維蛋白的親和性以及親本u-PA的激活性質(zhì)，并消除了內(nèi)源抑制劑的抑制作用，體外溶栓能力較強，而血纖維蛋白原消耗較小。如果用識別血纖維蛋白或血小板表面糖蛋白的單鏈抗體與u-PA活性區(qū)融合，其嵌合分子對血栓的導(dǎo)向功能更強。PrinciplesofGeneEngineering已經(jīng)分離并進行生物化學(xué)研究的酶不下幾千種，但是再工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的酶只有幾十種，可見工業(yè)用酶的開發(fā)潛力還很大。使用蛋白質(zhì)工程的方法來提高酶的活性、特異性和穩(wěn)定性，改變反應(yīng)介質(zhì)和動力學(xué)的性質(zhì)，從而改進現(xiàn)有的工業(yè)用酶，開發(fā)更多的新的工業(yè)用酶。例如在去污劑種需要添加蛋白酶和脂酶，但是天然分離得到的酶一般達不到需要的耐熱、耐堿、耐氧化劑等的性能，需要加以改造。PrinciplesofGeneEngineering11基因工程的應(yīng)用和展望11.1基因工程開辟了生物學(xué)研究的新紀元基因工程的新技術(shù)核新方法為解決生物化學(xué)、分子生物學(xué)核醫(yī)學(xué)中的一些重大問題提供了強有力的手段。DNA序列的測定蛋白質(zhì)序列的推測可以代替煩瑣的蛋白質(zhì)序列測定細胞內(nèi)微量蛋白質(zhì)的大量獲得不再困難基因功能的研究，反向遺傳學(xué)，反向生物學(xué)生物體全基因組序列的測定新的生物學(xué)領(lǐng)域的出現(xiàn)：結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)，神經(jīng)分子生物學(xué)，發(fā)育分子生物學(xué)是目前發(fā)展最快的學(xué)科。PrinciplesofGeneEngineering基因組時代與后基因組時代蛋白質(zhì)組學(xué)的出現(xiàn)（1994年）XX組與XX組學(xué)不斷出現(xiàn)的時代Gene--Genome—genomicsProtein---proteome--proteomicsRNA--RNomicsTranscription--transcriptomicsPrinciplesofGeneEngineering11.2基因工程促進了生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的興起基因工程首先在醫(yī)藥核化工領(lǐng)域嶄露頭角，其實最大的用武之地是農(nóng)業(yè)和醫(yī)療保健領(lǐng)域。（1）基因工程藥物1977年Itakura和BoyerH利用當(dāng)時剛趨成熟的基因工程技術(shù)，在大腸桿菌中產(chǎn)生下丘腦激素14肽生長素釋放抑制激素，商品名Somatostatin(SMT)。該激素可用于治療兒童發(fā)育時期因生長素分泌過多造成的四肢巨大癥。從1L工程菌發(fā)酵液中可得到50mg的基因表達產(chǎn)物，相當(dāng)于50萬頭羊下丘腦提取的該激素量，由此可以了解到基因工程產(chǎn)業(yè)化的意義。PrinciplesofGeneEngineering其后，基因工程藥物不斷成功問世。1978年胰島素原在大腸桿茵中表達成功。1979年人生長素基因在大腸桿菌中獲得直接表達。1980年人白細胞干擾素基因獲得克隆和表達。1981年抗口蹄疫的基因工程抗原研制成功。1982年乙肝抗原在酵母菌中表達成功。同年轉(zhuǎn)基因植物和轉(zhuǎn)基因動物也分別獲得成功。PrinciplesofGeneEngineering基因工程藥物包括各類激素、酶、酶的激活劑抑制劑、受體和配體、細胞因子和調(diào)節(jié)肽、抗原和抗體等。細胞內(nèi)微量的細胞因子由于采用基因工程手段大量制備，才有可能研究其生物學(xué)功能和臨床應(yīng)用價值。使用蛋白質(zhì)工程設(shè)計出自然界不存在的新型蛋白質(zhì)和多肽，意義更為重大。PrinciplesofGeneEngineering利用基因工程生產(chǎn)的人類蛋白質(zhì)藥物尿激酶腫瘤壞死因子松弛素神經(jīng)生長因子組織性纖溶酶原激活劑血清清蛋白淋巴細胞毒素白細胞介素干擾素胰島素生長激素凝血因子VIII凝血因子IX紅細胞生成素上皮生長因子降鈣素促腎上腺皮質(zhì)激素B細胞生長因子集落刺激因子絨毛膜促性腺激素生長激素釋放因子巨噬細胞激活因子PrinciplesofGeneEngineering使用基因工程手段可以做到定向給藥（分子導(dǎo)向藥物）第三代抗體的出現(xiàn)——抗體工程，使得抗體的獲得不再需要免疫動物。PrinciplesofGeneEngineering（2）基因工程在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用生物技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，出現(xiàn)第二次“綠色革命”。農(nóng)作物新品種的培育周期大大縮短農(nóng)作物各種抗逆性的提高農(nóng)作物的產(chǎn)量提高現(xiàn)代化的新型農(nóng)業(yè)（無土農(nóng)業(yè)）新型轉(zhuǎn)基因家畜的出現(xiàn)，新品種的出現(xiàn)植物生物反應(yīng)器PrinciplesofGeneEngineering（3）基因治療（genetherapy）就是向受體細胞內(nèi)引入具有正常功能的基因，以糾正或補償基因的缺陷，也可以利用引入的基因殺死體內(nèi)病原菌或惡性細胞。一些以前無有效治療手段的疾病，如遺傳病、腫瘤、心腦血管疾病、老年癡呆、愛滋病等，有希望通過基因治療來達到防治的目的。PrinciplesofGeneEngineering1990年，美國正式開始首例臨床基因治療，患兒由于腺苷脫氨酶(ADA)基因缺陷，而患重度免疫缺陷癥(SCID)。研究人員將克隆的腺苷脫氨酶基因(ada)導(dǎo)入患者淋巴細胞，經(jīng)體外培養(yǎng)淋巴細胞可以產(chǎn)生腺苷脫氨酶，然后再將這種淋巴細胞轉(zhuǎn)入患者體內(nèi)，患者癥狀有明顯緩解，治療取得令人鼓舞的成功。美國之后，許多國家都開始了基因治療試驗。我國于1991年首例B型血友病基因治療也獲得滿意結(jié)果。PrinciplesofGeneEngineering然而目前基因治療在技術(shù)上還未成熟，許多試驗都沒有成功。關(guān)鍵問題是：①如何選擇有效的治療基因。②如何構(gòu)建安全載體，病毒載體效率較高，但卻有潛在的危險性。③如何定向?qū)氚屑毎?，并獲得高表達。人類基因組計劃的完成必特有助于人類重要疾病基因的發(fā)現(xiàn)，基因治療技術(shù)也在不斷改進。根據(jù)樂觀的估計，在今后20年中，基因治療有可能取得重大突破，成為臨床廣泛采用的有效治療手段PrinciplesofGeneEngineering11.3基因工程的展望20世紀70年代初基因工程的出現(xiàn)帶動了生物技術(shù)的興起和發(fā)展，由此使生物科學(xué)進人了一個新的發(fā)展時期，其主要特點是：第一，生物科學(xué)得以前所未有的高速度向前發(fā)展。技術(shù)上的不斷創(chuàng)新和突破，使得生物科學(xué)具有賴以迅猛發(fā)展的方法和手段。第二，生物科學(xué)與工程學(xué)相結(jié)合，出現(xiàn)空前規(guī)模大科學(xué)工程的研究。巨大的信息網(wǎng)將世界各實驗室相連，生物科學(xué)的研究變得更有計劃、更有組織、更有規(guī)模了。PrinciplesofGeneEngineering第三，生物科學(xué)進入了一個創(chuàng)造和實踐的新時代。如果說過去生物學(xué)主要是在認識生物的基礎(chǔ)上研究怎樣利用生物，那么今天已能夠在分子水平上重新設(shè)計和創(chuàng)建自然界未曾出現(xiàn)過的基因、蛋白質(zhì)和生物新品種。PrinciplesofGeneEngineering基因工程和有關(guān)的生物技術(shù)為人類認識生命世界，認識人類自己提供了有效手段。（1）人類基因組計劃與后基因組時代（2）生物的發(fā)育之謎，如何從一個受精卵發(fā)育成一成熟的個體？（3）人類的大腦活動規(guī)律之謎？PrinciplesofGeneEngineering在基因工程的帶動下，有關(guān)的生物技術(shù)得到迅速發(fā)展，構(gòu)成了一個新興的綜合技術(shù)領(lǐng)域，它們運用生命科學(xué)和鄰近基礎(chǔ)學(xué)科的知識，并結(jié)合工程學(xué)的現(xiàn)代技術(shù)，成為巨大的生產(chǎn)力。一批以生物技術(shù)為基礎(chǔ)的新產(chǎn)業(yè)群得以迅速興起。這些產(chǎn)業(yè)能為社會提供大量商品和各種社會服務(wù)．創(chuàng)造出龐大的財富，其發(fā)展規(guī)模更是始料不及的。它們提供的商品或是生物技術(shù)藥物、食品、化工產(chǎn)品、生物材料和加工制品，或是優(yōu)良的生物品種。社會服務(wù)的含義也很寬，它們產(chǎn)生的直接效果是社會效益，如疾病診斷和醫(yī)療保健，水的凈化和廢物處理等。PrinciplesofGeneEngineering新技術(shù)革命引起新的產(chǎn)業(yè)革命，促使世界產(chǎn)業(yè)迅速地朝向尖端技術(shù)化、知識密集化、高增殖價值化方向發(fā)生結(jié)構(gòu)性的變化。領(lǐng)頭產(chǎn)業(yè)正在更替。當(dāng)今是信息經(jīng)濟時代，信息技術(shù)改變了整個社會面貌。任何經(jīng)濟形式都有始有終，都要經(jīng)歷形成、成長、成熟和轉(zhuǎn)化四個明確的階段。20世紀從電訊技術(shù)誕生、計算機出現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)的形成到大規(guī)模使用芯片，信息經(jīng)濟進入了它的成熟階段。