四川大學生命科學學院張義正教授2002級碩士生基因工程原理

PrincipleofGeneEngineering基因工程原理引言基因工程原理三大重中之重高技術生物技術（BT)信息技術（IT）新材料技術（納米技術，NT）基因工程原理生物技術概念與特征定義：

利用活體生物或它們的產物來生產或修飾一種產品以改良植物和動物、或發(fā)展具有特殊用途的微生物的技術。特征：21世紀最具潛力的高新技術多學科、交叉、綜合的技術影響最為深遠最廣泛的技術

基因工程原理生物技術與生物工程的區(qū)別BiotechnologyandBioengineering生物技術側重于利用生物學方法解決生物體本身的問題生物工程則側重于利用工程學方法解決生物學問題基因工程原理生物技術的基礎DNA操作技術基因組計劃：人類基因組和其他生物基因組計劃蛋白質組生物信息學下游支撐技術與手段基因工程原理生物技術的類別傳統(tǒng)生物技術：制酒、制醋、制豆瓣工業(yè)生物發(fā)酵技術：抗生素發(fā)酵、氨基酸發(fā)酵等現代生物技術基因工程原理生物技術的內容基因工程技術蛋白質工程技術細胞（組織）工程技術酶工程技術發(fā)酵工程技術基因工程原理基因工程的概念

利用DNA體外重組或PCR擴增技術從某種生物基因組中分離感興趣的基因，或是用人工合成的方法獲取基因，然后經過一系列切割，加工修飾，連接反應形成重組DNA分子，再將其轉入適當的受體細胞，以期獲得基因表達的過程.基因工程原理基因工程(geneengineering)常和以下名稱混用:遺傳工程(geneticengineering);基因克隆(genecloning);分子克隆(molecularcloning);基因操作(genemanipulation);重組DNA技術(recombinationDNAtechnique)克隆(clone):作名詞時指含有某目的DNA片段的重組DNA分子或含有該重組分子的無性繁殖系.作動詞時是指基因的分離與重組過程?；蚬こ淘砘蚬こ碳夹g及其應用基因工程原理基因本身也是一個產業(yè)Rockfeller大學將人肥胖基因出售0.2億美元（1995年3月）Amgen公司將FKBP神經免疫因子配體轉讓達3.29億美元（1997年）Millennium公司以4.65億美元向Bayer公司轉讓225種基因的開發(fā)權（1998年9月）基因工程原理蛋白質工程的概念

在基因工程技術對編碼蛋白質的基因的了解基礎上，對蛋白質的氨基酸序列、結構和功能進行分析，進而通過對蛋白質的結構、氨基酸序列和翻譯后的修飾等手段改變甚至創(chuàng)造出新的和更有效的蛋白質?；蚬こ淘淼鞍踪|工程主要內容主要目標蛋白質氨基酸序列的分析蛋白質晶體結構分析蛋白質功能預測和分析蛋白質組分析基因工程原理細胞（組織）工程概念

利用工程學原理進行細胞生物學的基礎研究和制造使用活細胞的產品，如組織工程和生物加工工程。前者是利用移植的細胞、骨架、DNA、蛋白質或蛋白質片段替代或修復已受傷或損壞的組織和器官；后者是利用活細胞生產生物醫(yī)藥產品?；蚬こ淘斫M織工程——人造器官

干細胞：1999年4月，美國的科研人員首次成功地從成年人骨髓的干細胞在體外培養(yǎng)分化出軟骨、脂肪和骨骼細胞。標志著干細胞的研究取得了重大進展。以這項技術為代表的組織工程的突破具有廣闊的應用前景，在不遠的將來為實現人造“器官”成為可能。基因工程原理酶工程的概念是酶學與工程學的相互滲透和結合所發(fā)展起來以酶為研究對象，改造并應用酶的特異催化功能。目標就是通過工程化技術大規(guī)模生產和轉化相應原料成為有用物質的技術。傳統(tǒng)的酶工程主要是指天然酶制劑在工業(yè)上的大規(guī)模生產與應用。隨著科學的發(fā)展，尤其是基因工程技術的日趨完善，為酶工程賦予了新的內容，特別是利用DNA操作技術，修飾改造酶分子的結構或活性位點、酶與底物作用位點，重組酶的生產，模擬酶的人工設計與合成等成為新的內容?；蚬こ淘?/p>

酶工程的主要內容酶的分離純化酶與細胞的固定化技術及反應器酶制劑的發(fā)酵生產酶分子化學修飾、遺傳突變及結構改造酶抑制劑與激活劑開發(fā)與研究人工設計與合成模擬酶及酶分子基因工程原理發(fā)酵工程概念

發(fā)酵工程屬于生物技術的下游技術，是工業(yè)化大規(guī)模培養(yǎng)細胞、生產生物制品的一種技術。傳統(tǒng)的發(fā)酵工程主要用于微生物?，F代生物技術還包括動物、植物細胞和工程菌的發(fā)酵培養(yǎng)。

基因工程原理發(fā)酵工程技術發(fā)酵對象：傳統(tǒng)微生物發(fā)酵、基因工程菌發(fā)酵、動物細胞培養(yǎng)、植物細胞培養(yǎng)發(fā)酵類型：液體發(fā)酵、固體發(fā)酵、固定化培養(yǎng)、流式發(fā)酵發(fā)酵技術設備基因工程原理生物技術的應用領域醫(yī)藥：生物制藥；基因治療；人工器官農業(yè)和畜牧業(yè)

轉基因植物：抗病蟲害新品種、抗逆新品種、高品質新品種

轉基因動物：生產有用蛋白質和高品質的畜產品

生物反應器：利用動植物細胞或組織作為生物反應器，直接生產有用蛋白質基因工程原理生物技術的應用領域輕工與食品新型食品；營養(yǎng)食品；保健食品；輕工用酶

環(huán)境

污染治理；廢物利用；污染物生物降解基因工程原理生物技術產業(yè)化生物技術產業(yè)：利用細胞和生物分子進行藥品、農產品生產開發(fā)和環(huán)境治理的產業(yè)，該產業(yè)技術由醫(yī)藥生物技術、農業(yè)生物技術和環(huán)境生物技術共同組成醫(yī)藥生物技術重點攻克癌癥、艾滋病、老年癡呆癥、帕金森病、心臟病、糖尿病等危害人類的頑疾農業(yè)生物技術著眼于提高農產品的產量和質量。環(huán)境生物技術重點用于清除危險廢棄物

----美國生物技術工業(yè)組織基因工程原理生物制藥產業(yè)化特點高技術：高層次人才，高新技術手段，多學科滲透高投入：在國外，一個生物藥品平均要投入1~3億美元，并隨著開發(fā)難度的增大,有逐步增高的趨勢長周期：國際上，一個新的生物藥品需要6~8年時間高風險:一個新藥品的開發(fā)，經過一系列的程序-研發(fā)、中試、動物實驗、I~III期臨床實驗，上市和嚴格的藥政監(jiān)督管理。每一步都可能失敗，而前功盡棄高回報:開發(fā)成功一個新的生物藥品,回報很高。如美國Amgen公司，首次開發(fā)上市的EPO、G-SCF到1997年的銷售額分別接近和達到20億美元基因工程原理基因工程試劑的高回報堿性成纖維細胞生長因子231元/ug紅細胞生成素1072元/ug白細胞介素-2410元/ug巨細胞粒細胞集落刺激因子1960元/ug胰島素10.2元/mg基因工程原理全球生物科技公司前10名

（1999年）公司名稱市值（億美元）98年收入（億美元）Amgen41627遺傳技術研究公司18510生物遺傳研究公司1185Elan894Immunex712Medimmune562希龍506Alza436Centocor423Genzyme387基因工程原理美國生物技術產業(yè)發(fā)展情況基因工程原理世界主要生物藥品年銷售額

（億美元）

EPO16.5葡萄糖腦苷酯酶2.15抗CD3MAb0.8人白細胞介素20.40凝血因子VIII2.5α-干擾素7.00G-CSF9.36β-干擾素2.55GM-CSF0.41γ-干擾素0.04

tPA3.0人生長激素4.50B型肝炎疫苗10.0人胰島素7.00

基因工程原理

美國生物制藥產品種類及數量（PHRAM）疾病種類產品數量疾病種類產品數量感染性疾病39心臟病26神經系統(tǒng)疾病28呼吸系統(tǒng)疾病22艾滋病及相關疾病19自主免疫系統(tǒng)疾病19皮膚病19移植13消化系統(tǒng)疾病11遺傳疾病11血液疾病9糖尿病及并發(fā)癥7不育癥5眼病3生長發(fā)育不良癥3骨質疏松2妊娠預防2腫瘤疾病175

基因工程原理基因治療人數情況基因工程原理中國基因工程制藥200多家生物技術公司生物技術藥品產值：1996-18億元；1997-30億元；2000-72億元可生產藥物品種：約20種基因工程原理

國內產業(yè)化生物藥品概況產品種類臨床I臨床II臨床III批準上市凝血因子VIIIXVIII細胞刺激因子SCFTPOG-CSF,M-CSF,EPO生長因子骨形成因子肌營養(yǎng)因子FGF，GM-CSF

胰島素類似物血小板衍生因子HGH

EGF干擾素IFN,α1b,α1b,α2a,αn3,β,β1b,γ,γ1b白介素1α,1β3,6,2,4,1211激素人促卵泡素甲狀旁腺素胰高血糖素胰島素，心鈉素降鈣素促黃體生成素IGF-1

甲狀腺刺激素酶羧肽酶尿酸氧化酶葡萄腦苷酯酶脫氧核糖核酸酶鏈激酶疫苗CEAHSV,流感病毒LymeHBV，HCV其他水蛭素松弛素,HB,SODTNF，tPA，

白蛋白,殺菌蛋白單克隆抗體可溶性補體受體I型基因工程原理中國生物醫(yī)藥產業(yè)化問題缺乏創(chuàng)新、仿制產品重復過多、水平不高投入不足、少而分散產權保護意識淡薄質量管理落后支持技術落后藥政管理滯后基因工程原理生物技術產業(yè)化—農業(yè)領域已有35個科120多種植物獲得轉基因植物，一些重要的農作物獲得商品化的轉基因品種。種植面積迅猛發(fā)展。采用的基因正在從抗除草劑、抗菌素、抗病蟲害基因到抗逆境、高品質方向發(fā)展。由單個質量性狀基因向多基因數量性狀轉變。植物反應器生產稀有蛋白?；蚬こ淘硎澜甾D基因作物大田釋放情況

(1987.1-1998.4)轉基因作物特性批準項數所占比例抗除草劑129729.6%抗蟲104623.8%提高產品質量88620.2%抗病毒4369.9%改善農學性狀2114.8%抗真菌病2084.7%其他3036.9%總計4387100%基因工程原理中國已獲準進入大田的轉基因植物

（1998.3)轉基因植物總項數48轉基因植物種類15抗除草劑3抗蟲16抗病16提高品質2改善農學性狀1其他10基因工程原理轉基因作物種植面積基因工程原理生物技術與傳統(tǒng)中藥中藥現代化——核心是建立與現代基因學說相應的現代中藥理論現代中藥理論的建立——確立中藥與基因表達的關系

中藥藥靶（基因）或作用位點基因的尋找

中藥化學組：中藥有效成分包括較單一的成分和多種成分

中藥臨床藥效的科學評價與分析方法生物技術的應用

中藥基因組——利用現代生物技術研究分析中藥對人體（細胞）基因表達（蛋白質）的影響。技術平臺：大規(guī)模基因表達分析（基因芯片、SAGE、蛋白質組等技術）以及相關信息數據庫的建立

中藥化學組——利用現代儀器分析技術分析有效成分及其藥物代謝、動力學。技術平臺：色譜及色譜-質譜，色譜-波譜，波譜-波譜聯(lián)用等分析技術與層析、臨界萃取等分離技術

中藥新劑型基因工程原理一、基因工程原理的授課內容基因工程原理基因工程流程圖基因工程原理第一章

分子克隆工具酶及其應用限制性內切酶—主要用于DNA分子的特異切割

DNA甲基化酶—用于DNA分子的甲基化

核酸酶—用于DNA和RNA的非特異性切割

核酸聚合酶—用于DNA和RNA的合成

核酸連接酶—用于DNA和RNA的連接

核酸末端修飾酶—用于DNA和RNA的末端修飾

其它酶類--用于生物細胞的破壁，轉化，核酸純化，檢測等基因工程原理第二章

分子克隆載體

分子克隆載體特點分子克隆載體種類

細菌克隆載體:

E.coli克隆載體(質粒