基因技术与人类的关系 深圳大学生命科学学院 郑易之 教授

基因工程技术与人类关系密切—— 是20世纪末和21世纪初发展最为迅速的高新技术之一 使发酵、食品、轻工等传统工业发生了深刻的革命 为解决人类的人口膨胀、食物短缺、能量匮乏、疾病防治 和环境污染等问题带来了新的希望 将对人类生活和健康、经济发展、社会进步产生巨大的影 响

从DNA双螺旋结构的发现—— 基础性研究阶段（20世纪50年代开始）：遗传物质的结构和功能，以及表达和调控有了全面的认识，为通过对遗传物质的修饰和改造，定向的获得人类所需要的成分打下了基础。 商业化生产阶段（20世纪80年代以来）：

一、转基因植物与农业生产 二、基因技术与人类健康 三、生物技术在工业中的应用

转基因植物与农业生产 （一）、转基因植物技术 1、植物转基因技术定义 将优良性状的目的基因导入植物细胞或组织，并在其中进行表达，从而使植物获得新的性状。 2、转基因方法介绍 原生质体为受体的直接转化法（简称原生质体法） 农杆菌介导转化法（1974年） 基因枪法（1987年）

基因枪

3. 转基因植物研究发展 1983年，转基因烟草、胡萝卜问世 1987年，转基因油菜、棉花产生 1988年，转基因水稻、玉米诞生 3. 转基因植物研究发展 1983年，转基因烟草、胡萝卜问世 1987年，转基因油菜、棉花产生 1988年，转基因水稻、玉米诞生 1992年，培育出转基因小麦 1994年，培育出转基因大麦 20余种植物产品通过FDA认证 13个国家种植转基因植物 转基因作物商业化：遍布6大洲 2000年商业化种植面积比1996年翻了几倍 预测：2020年世界上80 ％ -90％的农作物将是转基因植物

4. 转基因作物种植面积的发展： 1996年170万公顷。 1997年1100万公顷。 1998年2780万公顷。 1999年3990万公顷。 2000年4420万公顷。 2001年全球转基因植物种植面积首次突破5000万公顷。 以转基因性状而言，2001年种植面积最大的仍然是抗除草剂转基因作物，其次是抗虫转基因作物。 种植面积最大的国家仍然是美国，2001年种植面积达3570万公顷，其次为阿根廷1180万公顷，加拿大320万公顷，中国150万公顷。

（二）转基因植物研究现状 提高作物抗性 改良品质 抗虫棉、抗虫玉米、抗虫水稻、抗虫马铃薯、抗除草剂大豆、抗除草剂玉米、抗白叶枯水稻等。 高含油玉米， 使玉米含油量从3.5%升高至8.5%（美国杜邦公司投资17亿美元） 改善大豆蛋白质质量,使其具有肌肉蛋白的营养 含ω-3不饱和脂肪酸的高含油大豆 含40%月桂酸的油菜籽 耐储藏的延熟番茄 增加马铃薯的固形物含量，以减少炸薯条用油

保健型作物 把植物改造成重要的药物(抗体)或工业原料的生产工厂----生物反应器 （生产口服疫苗），利用香蕉、西红柿生产口服疫苗 提高植物抗逆性 抗低温、抗寒基因香蕉 抗盐、抗旱植物， 抗病基因：抗霉菌的转基因葡萄，提高德国雷司令葡萄酒的口味，保证了德国的葡萄酒的纯正口味

(三)商业化生产步伐加快 2000年底，世界各国批准的商业化生产的转基因作物有100多种，包括12种农作物,涉及转基因食品达4000余种 在美国市场 包装食品中转基因成分占60％, 转基因食品的总交易量: 1996年 2.35亿美元 1998年 12-15亿美元 2000年 30亿美元以上 预计 2005年 60亿美元 2010年 200亿美元

基因作物产品的销售额增长 1997年 40亿美元 2002年 85亿美元

转基因技术带来了育种方法的革命 传统杂交育种：时间长，至少需要8－12年 突变育种：可加快育种速度，诱变的随机性高， 筛选工作繁重 分子育种：时间短，目的性强

Method Used to Induce Mutation ethyl methanesulphonate 突变育种： Crop Cultivar Name Method Used to Induce Mutation rice Calrose 76 gamma rays wheat Above sodium azide Lewis thermal neutrons oats Alamo-X X-rays grapefruit Rio Red Star Ruby burmuda grass Tifeagle Tifgreen II Tift 94 Tifway II lettuce Ice Cube ethyl methanesulphonate Mini-Green common bean Seafarer Seaway lilac Prairie Petite St. Augustine grass TXSA 8202

分子育种程序：

标记基因 启动子 外源目的基因 终止序列 DNA---mRNA---蛋白质－性状

转基因植物的生产(图例) 样品比较（左为普通棉花，右为兔毛转基因棉花） 抗除草剂大豆

抗除草剂作物

抗虫棉花

转查尔酮合酶矮牵牛花 抗CMV病毒转基因番茄 抗CMV病毒转基因甜椒

Two tomato plants artificially inoculated with bacterial speck disease Two tomato plants artificially inoculated with bacterial speck disease. Plant on left has been genetically engineered with a gene for resistance to the disease, and plant on right is a susceptible, non-engineered variety.

Swiss researchers have produced rice capable of synthesizing beta-carotene, the precursor of Vitamin A (Ye et al., 2000). This rice variety is now being crossed into adapted varieties, with field tests possible in a year or two. Grape vines are susceptible to several diseases that reduce the amount and the quality of wine grapes and table grapes or even kill the vine. Genes that confer resistance to particular diseases would reduce the cost of battling diseases in the vineyard. Researchers at the University of Florida have patented a method for producing grape vines that carry a silkworm gene to provide protection from Pierce's disease, a fatal bacterial disease that affects grapes and several other plants.

Canola is a major oilseed crop Canola is a major oilseed crop. Transgenic research has focused on improving the nutritional quality of canola oil by enhancing the Vitamin E content or by modifying the balance of fatty acids. Nicotine-free tobacco is now being grown for a projected introduction of nicotine-free cigarettes . Improved nutritional content and delayed ripening are transgenic traits of interest in tomatoes. Source: USDA

Papaya is a tropical fruit rich in Vitamins A and C, but susceptible to a number of serious pests and diseases. The transgenic variety UH Rainbow, resistant to the papaya ringspot virus, is currently in production in Hawaii. Decaffeinated coffee is now made by treating coffee beans to remove the caffeine. Other methods are criticized for removing some of the desirable, flavor-producing components along with the undesirable caffeine.

Improved Turfgrass for Lawns and Recreational Areas There are a number of environmental concerns associated with the current use of turfgrass. These include the amount of chemicals applied (fertilizers, herbicides, fungicides, and even green dyes); the large quantity of water required to keep lawns healthy, especially in the West; the energy required to mow lawns

Food crops engineered to produce edible vaccines against infectious diseases would make vaccination more readily available to children around the world. White mold (Sclerotinia) is a serious problem for sunflower producers in some areas. Resistance to this disease would expand the area in which sunflowers can be grown and might improve yields in areas of current cultivation. A commercially available cultivar is not expected before 2005.

转基因植物种植面积增长速度

(三) 转基因植物的发展趋势 1. 抗逆基因及抗逆分子育种 1. 抗逆基因及抗逆分子育种 2. 提高作物品质：高含油、低饱和脂肪酸、高必需氨基酸、高营养（营养功能基因，维生素E ） 3. 生物反应器－含疫苗的农作物 4. 清除重金属作物等

基因工程与人类健康

一、人类基因组计划概述 （一）人类基因组计划

1、人类基因组计划的提出 1986年，美国生物学家、诺贝尔奖获得者Renato Dulbecco首次提出人类基因组计划（简称 HGP）的设想。 1988年，国际人类基因组织成立。 1987年，中国开始在“863计划”中设立人类基因组研究课 题。 1990年，美国国会批准正式启动人类基因组计划。 1999年，中国正式加入国际研究计划，完成1％，成为参 与这一研究的唯一的一个发展中国家。3号染色 体上的三千万个碱基对。

2、人类基因组的概念 整个基因组：DNA全部序列，10万个基因 基因定位 基因作图 基因克隆

生物物种间的差异

人的个体差异

差异差生的原因： 染色体—DNA—氨基酸 人染色体及其标准带纹 （常染色体和性染色体）

DNA双螺旋结构（遗传物质） 决定形状的氨基酸序列（由DNA决定）

人染色体上的30亿个碱基对

一个碱基突变—氨基酸变异—蛋白质变异—人类疾病 （镰刀性贫血病：谷氨酸—缬氨酸）

由于染色体、核基因突变导致的遗传性疾病： 染色体病: 先天愚型或称唐氏综合症，也称21三体综合征 单因子遗传病：由单一因子引起的遗传性疾病。 常染色体显性遗传病---多指（趾）症； 常染色体隐性遗传—白化病，先天性聋哑等； 性连锁显性遗传－－遗传性慢性肝炎； 性连锁隐性遗传－－血友病，色盲等 溶酶体贮积症，如苯丙酮尿症，半乳糖血症，粘多糖症 合成酶缺陷，如血γ球蛋白缺乏症、白化病；肝豆状核变性（Wilson病）等 血液病，如地中海貧血、镰状细胞贫血、血友病 先天性肾上腺增生症、脊髓性肌肉萎缩症 3. 多因子遗传病: 由两对以上微效基因共同作用造成的. 唇裂、腭裂、高血压、糖尿病、狂躁抑郁症、类风湿性关节炎及先天性心脏病等，均有多基因遗传基础，并各自有其遗传度。 -----“易感人群”。环境因素影响越大，遗传度越低。

3、人类基因组计划的目标 人类基因组计划的起因－－解决包括肿瘤在内的人类疾病的分子遗传学问题，疾病基因的克隆是HGP的核心之一 用15年时间，阐明人类基因组全部DNA序列,定位10万个基因：基因定位，基因作图，基因克隆 建立储存这些信息的数据库； 开发数据分析工具； 研究HGP实施所带来的伦理、法律和社会问题

人类基因组计划的意义： 阐明基因结构与功能的关系 细胞生长、发育、分化的分子机制 疾病发生的分子机制 为人类诊断和治疗疾病提供依据，为医疗产业带来新的革命 生命科学与信息科学相结合，衍生出新的学科－生物信息学 带动新兴高技术产业、技术、数据库和生物学资源 推动农业、畜牧业、能源、环境相关产业的发展

（二）人类基因组计划的研究现状 1、人类基因组测序 2、某些疾病基因的定位克隆 3、部分多基因病的研究 4、中国的人类基因组研究：人类基因组的多样性的比较研究，肿瘤易感基因

（三）人类基因组计划的应用 1、人类基因组计划在基础理论研究方面的应用 （1）基因的结构与功能 （2）基因组结构特征 （3）新基因与蛋白质

产前诊断，胎儿期疾病预测：忧郁症、心脏病 2、人类基因组计划在医学领域中的应用 （1）基因时代：战胜特定疾病 心脑血管疾病，糖尿病，癌症等疾病与基因序列的突变有关 易感疾病与易感基因 （2）基因诊断：金睛火眼 产前诊断，胎儿期疾病预测：忧郁症、心脏病

二、医药生物技术发展状况 （一）基因工程药物的发展现状 1、基因工程药物：蛋白质类药物、疫苗 2、基因工程药物发展现况

国外基因工程药物 中文名称 英文名或缩写 适应症 胰岛素 Humulin Novolin Humalog 糖尿病 中文名称 英文名或缩写 适应症 胰岛素 Humulin Novolin Humalog 糖尿病 肿瘤坏死因子 TNF 各种肿瘤 集落刺激因子 Neupogen 人生长激素 Protropin Humatrope NutropinAQ 矮小病 人干扰素 rhuIFNα2b rhuIFNα2a rhuIFNB 抗癌 rhuIFNrlb HCV, 抗癌 HBV,HVC等 抗癌，多发硬化症肾癌，慢性肉芽肿 白细胞介素 rhuIL 化疗，抗癌 组织溶纤原激活剂 RhuTpA 脑栓塞，心梗

我国基因工程药物 （批准上市的药物和疫苗：12种；批准进入临床的：10种；进入临床研究的：10种） 中文名称 英文名或缩写 适应症 重组人干扰素a1b rhuIFNaIb 治疗病毒性角膜炎 上皮生长因子 (EGF) 烧伤或创伤治疗外用药物 粒细胞集落刺激因子 (GCSF) 癌症 粒细胞巨噬细胞集落刺激因子 (GM-CSF) 癌症治疗引起的白细胞减少症 红细胞生成素 (EPO) 治疗慢性肾功能衰竭引起的贫血 溶栓药物链激酶 (SK) 治疗慢性肾功能衰竭引起的贫血 重组人胰岛素 Humulin Novolin Humalog 糖尿病 白细胞介素-2 rhuIL-2 类风湿

（二）基因工程疫苗、诊断试剂、 诊断技术的发展 1、基因工程疫苗 2、诊断试剂、诊断技术的产生 3、法医、犯罪鉴定

三、纳米技术在医学中的应用 1、纳米生物技术:1nm=10-9m 用纳米技术制造的微型机器人 (体积只有句子中的 标点符号大小)

2、纳米生物材料的研发 1）纳米药物载体和基因载体技术： 以纳米颗粒作为药物和基因的携带载体，将药物、DNA和RNA等基因治疗分子包裹在纳米颗粒之中或吸附在其表面，同时也在颗粒表面耦联特异性的靶向分子，通过靶向分子与细胞表面特异性受体结合，进入细胞内，实现安全有效地靶向性药物和基因治疗。 2）用于恶性肿瘤诊断和治疗的药物载体主要由金属纳米颗粒、无机非金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒和生物性颗粒构成。

纳米药物载体降解过程

生物技术在工业上 的应用

生物技术是最古老的技术，其历史与人类文明同时开始 中国人最早懂得了制酱、酿酒、造醋－－传统的酿造和发酵工业: 现代生物技术 特点：以基因工程为核心内容，包括细胞工程、酶工程和发酵工程的生物技术。 向工业的其他领域发展，向高产、优质、高效、资源节约、环境友好型过度，形成生物材料产业、生物能源产业、生物化工产业及环境生物技术产业等等。

1. 食品工业 2. 石油工业 3. 化工工业 4. 化妆品工业 5. 纺织工业

1. 食品工业 转基因食品－－转基因动物和转基因植物,转基因食品渗透到食品工业的各个方面，转基因食品工业产值达2500亿美元 生物反应器－含疫苗的农作物、水果 基因工程生产需用激素－增加产奶量和瘦肉型化的重组生长激素；改变奶成分－除去乳糖和乳球蛋白，高酪蛋白， 品质育种—提高小麦硬度，减少对淀粉的破坏，提高米的品质；控制小麦谷蛋白亚基的数量，改善面粉的粘弹性等

2．石油工业 （1）利用微生物勘探石油 （2）油污及其他有机物、污水的处理：自然状态和人为施加微生物

（3）开发绿色大油田－生物石油 产油的树－“石油植物”。它们所分泌出来的液体,不需加工或稍经加工便可作燃料使用。 海南岛的15ｍ高的油楠树,每株可产油 10－20公斤,有的多达 50公斤。 绿玉树、美国香槐和三角大戟。绿玉树是一种肉质木本植物 ,枝干中含有大量的白色乳汁，100公斤绿玉树茎就可提取 8ｋｇ的石油物质。 自然界中发现有 1 0 0多种树木产油, 如菲律宾的邦伊健邦树、马来西亚的银合欢树、巴西的苦配巴树、澳大利亚的辐射桉树等。 海洋中有些藻类也可提炼出石油。美国西部海域盛产一种巨型海藻, 每昼夜可长 0 . 6ｍ, 用它可以提炼汽油和柴油。 产油草

3．化工工业 （1） 农药残留，出口减少，（绿色壁垒），生物技术将为化学工业带来革命。农业重组微生物生产“复合生物农药”，已达30多种，优点是：无毒、广谱性高， （2） 葡萄球菌的耐药性，使化学药品消毒将被复合酶（一种生物酶：溶葡球菌酶）－“生物消毒”技术所取代

4．化妆品工业 第一代化妆品：单纯物理保护性能的普通油脂类化妆品 第二类化妆品：油水混合化妆品 第三类化妆品：由天然植物提取物制成 第四代仿生化妆品：用生物技术制造与人体结构相仿，且具有高亲和力的生物精华物质的仿生化妆品 多糖物质可降低皮肤羟脯氨酸含量，加速损伤上皮组织的修复，提高炎性组织内巨噬细胞的活力。具有多羟基结构的多糖，通过氢键能结合许多水分子，这些水分子不易蒸发，能有效保护皮肤水分，防止皮肤蛋白产生结构变化，防止皮肤表老。 磷脂类物质具有保湿、养肤双重功效，如卵磷脂、胶磷脂、神经鞘脂、大豆磷脂、鲸油、肝油等。 透明质酸，曲酸衍生物、熊果苷: 解决色素沉着问题，起到美白护肤作用

5．纺织工业 （1）改进原料 天然彩棉－不需染色的绿色环保产品，世界彩棉产量仅有2吨，价格2美元／磅，供不应求 （2）改进生产工艺 纤维素酶磨洗牛仔裤：不损伤布料，耐磨，节水

结 束 语

1、发展迅速 2、前景广阔 3、涉及范围广 4、支柱产业之一

谢 谢