生物技术概论 第9章生物技术与人类健康 习题与参考答案 一、名词解释 1.生物技术药物：生物技术药物又称基因工程药物，指以重组技术或蛋白质工程技术 生产的蛋白质、多肽、酶、激素、疫苗、单克隆抗体和细胞因子类药物。 2.生物技术疫苗：生物技术疫苗是指利用现代生物技术制备的分子水平的疫苗，包括 基因工程亚单位疫苗、抗独特性疫苗、合成肽疫苗、DNA疫苗以及转基因植物疫苗等。 3.基因工程亚单位疫苗：基因工程亚单位疫苗是用DNA重组技术，将编码病原微生物 保护性抗原的基因导入受体菌（如大肠杆菌）或细胞表达得到的保护性抗原肽链，加入佐剂 制成的基因工程亚单位疫苗。 4.单克隆抗体：单克隆抗体是由单一克隆的B细胞杂交瘤产生的只识别某一特定抗原决 定簇的抗体。 5.基因芯片：基因芯片又称DNA微阵列或DNA芯片，是将大量的DNA片段或寡核苷酸 序列（即探针分子）有序地排列固定于固相支持物上，可与标记的靶DNA进行杂交，通过 检测杂交信号强弱和探针位置以获取靶DNA表达情况或序列信息。 6.基因诊断：基因诊断又称DNA诊断，是通过分析基因的结构、类型或表达水平来检 测人类疾病的新的诊断手段。 7.基因治疗：基因治疗是用正常或野生型基因校正或置换致病基因的一种治疗方法。 8.精准医疗：精准医疗是指通过基因组、蛋白质组等组学技术和医学前沿技术，对于 大样本人群与特定疾病类型进行生物标记物的分析与鉴定、验证与应用，从而精确诊断疾病 原因，定位治疗靶点，并对一种疾病的不同状态和过程进行精确分类，最终实现对某种疾病 的特定患者进行个性化精准治疗的目的，提高疾病诊治与预防的效果。 二、简要回答 1.简述生物技术药物的种类以及生物技术在制药中的应用。 生物技术药物是指以重组技术或蛋白质工程技术生产的蛋白质、多肽、酶、激素、疫苗、 单克隆抗体和细胞因子类药物，包括蛋白或多肽、重组DNA及细胞因子等几大类。 生物技术在制药中的应用主要包括以下几方面：(1)基因工程制药。包括利用基因工程 菌生产肽类、蛋白质和细胞因子等，利用基因工程技术改造传统制药工业，以及利用转基因 动植物生产蛋白质类药物等：(2)细胞工程制药。包括单克隆抗体技术、动物细胞培养及 -1-
生物技术概论 - 1 - 第 9 章 生物技术与人类健康 习题与参考答案 一、名词解释 1. 生物技术药物：生物技术药物又称基因工程药物，指以重组技术或蛋白质工程技术 生产的蛋白质、多肽、酶、激素、疫苗、单克隆抗体和细胞因子类药物。 2. 生物技术疫苗：生物技术疫苗是指利用现代生物技术制备的分子水平的疫苗，包括 基因工程亚单位疫苗、抗独特性疫苗、合成肽疫苗、DNA疫苗以及转基因植物疫苗等。 3. 基因工程亚单位疫苗：基因工程亚单位疫苗是用DNA重组技术，将编码病原微生物 保护性抗原的基因导入受体菌（如大肠杆菌）或细胞表达得到的保护性抗原肽链，加入佐剂 制成的基因工程亚单位疫苗。 4. 单克隆抗体：单克隆抗体是由单一克隆的B细胞杂交瘤产生的只识别某一特定抗原决 定簇的抗体。 5. 基因芯片：基因芯片又称DNA微阵列或DNA芯片，是将大量的DNA片段或寡核苷酸 序列（即探针分子）有序地排列固定于固相支持物上，可与标记的靶DNA进行杂交，通过 检测杂交信号强弱和探针位置以获取靶DNA表达情况或序列信息。 6. 基因诊断：基因诊断又称DNA诊断，是通过分析基因的结构、类型或表达水平来检 测人类疾病的新的诊断手段。 7. 基因治疗：基因治疗是用正常或野生型基因校正或置换致病基因的一种治疗方法。 8. 精准医疗：精准医疗是指通过基因组、蛋白质组等组学技术和医学前沿技术，对于 大样本人群与特定疾病类型进行生物标记物的分析与鉴定、验证与应用，从而精确诊断疾病 原因，定位治疗靶点，并对一种疾病的不同状态和过程进行精确分类，最终实现对某种疾病 的特定患者进行个性化精准治疗的目的，提高疾病诊治与预防的效果。 二、简要回答 1. 简述生物技术药物的种类以及生物技术在制药中的应用。 生物技术药物是指以重组技术或蛋白质工程技术生产的蛋白质、多肽、酶、激素、疫苗、 单克隆抗体和细胞因子类药物，包括蛋白或多肽、重组DNA及细胞因子等几大类。 生物技术在制药中的应用主要包括以下几方面：（1）基因工程制药。包括利用基因工程 菌生产肽类、蛋白质和细胞因子等，利用基因工程技术改造传统制药工业，以及利用转基因 动植物生产蛋白质类药物等；（2）细胞工程制药。包括单克隆抗体技术、动物细胞培养及
生物技术概论 核移植技术等：(3)酶工程制药。将酶或细胞、细胞器所具有的催化功能用于药品工业化 生产及检测：(4)发酵工程制药。主要从工艺改进、新药研制和菌种改造三个方面提高发 酵技术的工艺水平。 2.基因诊断的主要内容包括哪些？ DNA诊断的方法有： (I)杂交法，利用DNA或RNA分子的双链之间的互补性，使同位素或荧光标记的探针 与目标分子之间形成杂交分子，通过检测同位素或荧光信号来判断致病基因或其表达情况： (2)PCR技术，一种在体外扩增特异DNA片段的技术，可用来诊断遗传疾病或传染性 疾病： (3)生物芯片技术，将大量的生物分子固定在支持物的表面，与已标记的待测生物样 品中的靶分子杂交，通过检测各个点的杂交信号强度，可同时检测大量的样品： (4)新一代测序技术，近几年发展起来的高通量的DNA测序技术，可用在无创产前检 查和遗传疾病的诊断等方面。 3.简述新一代测序技术的主要特点及其在疾病诊断中的应用。 新一代测序技术的主要特点有： (1)通量高，如llumina公司的NestSeq500系统一次运行可产生120Gb的测序数据： (2)测序成本低，与第一代测序技术比较，新一代测序技术成本大大降低，人类基因 组计划使用第一代测序技术花费了30亿美元，目前测一个人类基因组(30×测序深度)只需 要不到1万元人民币： (3)读长短，NextSeq系统单侧测序只能达到150bp,而使用第一代测序技术的荧光测 序仪可达到800bp左右。 新一代测序技术在疾病诊断中可用于无创产前检验[如检测人类染色体21三体综合征 (唐氏综合征)、18三体综合征（爱德华氏综合征）、13三体综合征（帕陶氏综合征）]、 单基因遗传疾病和肿瘤的检测等。 4.基因治疗包括哪些步骤？ 基因治疗包括以下步骤： (I)目的基因的选择和制备，确定用于治疗的目的基因，并利用PCR等技术制备cDNA 或基因组DNA片段： (2)基因的转运，选择合适的载体如病毒（逆转录病毒、腺相关病毒或腺病毒等）或 非病毒（脂质体等）载体用来将目的基因转运至靶细胞： -2-
生物技术概论 - 2 - 核移植技术等；（3）酶工程制药。将酶或细胞、细胞器所具有的催化功能用于药品工业化 生产及检测；（4）发酵工程制药。主要从工艺改进、新药研制和菌种改造三个方面提高发 酵技术的工艺水平。 2. 基因诊断的主要内容包括哪些？ DNA诊断的方法有： （1）杂交法，利用DNA或RNA分子的双链之间的互补性，使同位素或荧光标记的探针 与目标分子之间形成杂交分子，通过检测同位素或荧光信号来判断致病基因或其表达情况； （2）PCR技术，一种在体外扩增特异DNA片段的技术，可用来诊断遗传疾病或传染性 疾病； （3）生物芯片技术，将大量的生物分子固定在支持物的表面，与已标记的待测生物样 品中的靶分子杂交，通过检测各个点的杂交信号强度，可同时检测大量的样品； （4）新一代测序技术，近几年发展起来的高通量的DNA测序技术，可用在无创产前检 查和遗传疾病的诊断等方面。 3. 简述新一代测序技术的主要特点及其在疾病诊断中的应用。 新一代测序技术的主要特点有： （1）通量高，如Illumina公司的NestSeq 500系统一次运行可产生120Gb的测序数据； （2）测序成本低，与第一代测序技术比较，新一代测序技术成本大大降低，人类基因 组计划使用第一代测序技术花费了30亿美元，目前测一个人类基因组（30×测序深度）只需 要不到1万元人民币； （3）读长短，NextSeq系统单侧测序只能达到150bp，而使用第一代测序技术的荧光测 序仪可达到800bp左右。 新一代测序技术在疾病诊断中可用于无创产前检验[如检测人类染色体21三体综合征 （唐氏综合征）、18三体综合征（爱德华氏综合征）、13三体综合征（帕陶氏综合征）]、 单基因遗传疾病和肿瘤的检测等。 4. 基因治疗包括哪些步骤？ 基因治疗包括以下步骤： （1）目的基因的选择和制备，确定用于治疗的目的基因，并利用PCR等技术制备cDNA 或基因组DNA片段； （2）基因的转运，选择合适的载体如病毒（逆转录病毒、腺相关病毒或腺病毒等）或 非病毒（脂质体等）载体用来将目的基因转运至靶细胞；
生物技术概论 (3)靶细胞的选择，根据目的选择合适的细胞接受目的基因： (4)细胞转染，利用物理法、化学法、融合法或病毒法将目的基因导入靶细胞： (5)外源基因的表达及检测，利用杂交或免疫组织化学方法检测外源基因的表达情况。 5.简述人类基因组计划的主要任务和意义。 人类基因组计划(human genome project,,HGP)旨在通过测定人类基因组DNA约3×I0 对核苷酸的序列，探寻所有人类基因并确定它们在染色体上的位置，明确所有基因的结构和 功能，解读人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面认识自我。人类基因组 计划的主要任务是建立四张图谱：遗传图谱、物理图谱、序列图谱和转录图谱。 其主要意义可总结如下： (1)有助于人类认识许多遗传疾病以及癌症等疾病的致病机理，为分子诊断、基因治 疗等新方法提供理论依据： (2)有助于人们对基因的表达调控有更深入的了解： (3)有助于揭示人类进化的历史。 6.人类健康相关的重大研究计划有哪些？ (1)人类基因组计划，旨在测定人类基因组的DNA序列，探寻所有人类基因并确定它 们在染色体上的位置，明确所有基因的结构和功能，解读人类的全部遗传信息： (2)癌症基因组图谱计划，通过收集特定癌症患者的临床信息、肿瘤组织及其相对应 的正常组织样本或血液样本，并进行全面的基因组数据分析和整合分析，以全面、系统地了 解恶性肿瘤的形成、生长、转移等过程的生物学基础，以及与病理机制相关的基因组变化， 促进癌症的早期诊断和加速癌症治疗的发展步伐，以及预防癌症的发生： (3)人类蛋白质组计划，旨在从细胞、组织和器官整体水平发现和确认人类蛋白质的 种类、数量、存在方式、相互作用、修饰状态及亚细胞定位等，进一步全面揭示生命活动的 本质： (4)脑科学计划，旨在绘制出显示脑细胞和复杂神经回路快速相互作用的脑部动态图 像，研究大脑功能和行为的复杂联系，了解大脑对大量信息记录、处理、应用、存储和检索 的过程： (5)精准医疗计划，通过基因组、蛋白质组等组学技术和医学前沿技术，对于大样本 人群与特定疾病类型进行生物标记物的分析与鉴定、验证与应用，从而精确诊断疾病原因， 定位治疗靶点，并对一种疾病的不同状态和过程进行精确分类，最终实现对某种疾病的特定 患者进行个性化精准治疗的目的，提高疾病诊治与预防的效果。 -3-
生物技术概论 - 3 - （3）靶细胞的选择，根据目的选择合适的细胞接受目的基因； （4）细胞转染，利用物理法、化学法、融合法或病毒法将目的基因导入靶细胞； （5）外源基因的表达及检测，利用杂交或免疫组织化学方法检测外源基因的表达情况。 5. 简述人类基因组计划的主要任务和意义。 人类基因组计划（human genome project, HGP）旨在通过测定人类基因组DNA约3×10 9 对核苷酸的序列，探寻所有人类基因并确定它们在染色体上的位置，明确所有基因的结构和 功能，解读人类的全部遗传信息，使得人类第一次在分子水平上全面认识自我。人类基因组 计划的主要任务是建立四张图谱：遗传图谱、物理图谱、序列图谱和转录图谱。 其主要意义可总结如下： （1）有助于人类认识许多遗传疾病以及癌症等疾病的致病机理，为分子诊断、基因治 疗等新方法提供理论依据； （2）有助于人们对基因的表达调控有更深入的了解； （3）有助于揭示人类进化的历史。 6. 人类健康相关的重大研究计划有哪些？ （1）人类基因组计划，旨在测定人类基因组的DNA序列，探寻所有人类基因并确定它 们在染色体上的位置，明确所有基因的结构和功能，解读人类的全部遗传信息； （2）癌症基因组图谱计划，通过收集特定癌症患者的临床信息、肿瘤组织及其相对应 的正常组织样本或血液样本，并进行全面的基因组数据分析和整合分析，以全面、系统地了 解恶性肿瘤的形成、生长、转移等过程的生物学基础，以及与病理机制相关的基因组变化， 促进癌症的早期诊断和加速癌症治疗的发展步伐，以及预防癌症的发生； （3）人类蛋白质组计划，旨在从细胞、组织和器官整体水平发现和确认人类蛋白质的 种类、数量、存在方式、相互作用、修饰状态及亚细胞定位等，进一步全面揭示生命活动的 本质； （4）脑科学计划，旨在绘制出显示脑细胞和复杂神经回路快速相互作用的脑部动态图 像，研究大脑功能和行为的复杂联系，了解大脑对大量信息记录、处理、应用、存储和检索 的过程； （5）精准医疗计划，通过基因组、蛋白质组等组学技术和医学前沿技术，对于大样本 人群与特定疾病类型进行生物标记物的分析与鉴定、验证与应用，从而精确诊断疾病原因， 定位治疗靶点，并对一种疾病的不同状态和过程进行精确分类，最终实现对某种疾病的特定 患者进行个性化精准治疗的目的，提高疾病诊治与预防的效果
生物技术概论 三、拓展讨论 1.生物技术在制药业中的应用前景。 [思路提示]可从下面三个方面（可自由扩展）进行讨论： (1)生物技术药物在全球药品销售额中所占比例逐年攀升： (2)生物技术在基因工程制药（基因工程药品开发、利用基因工程技术改造传统的制 药工业和利用转基因动、植物生产蛋白质类药物)、细胞工程制药（单克隆抗体、动物细胞 培养和核移植技术)、酶工程制药（固相酶或固定化细胞技术等）及发酵工程制药（菌株改 造等)几个方面的前景： (3)生物技术在疫苗生产中的应用前景（基因工程亚单位疫苗、抗独特型抗体疫苗、 合成肽疫苗、DNA疫苗、转基因植物疫苗)。 2.基因治疗的前景及可能存在的伦理问题。 [思路提示]可从以下几个方面（可自由扩展）进行讨论： (1)遗传疾病目前主要靠预防，治疗上只能针对症状采取有限的措施以控制疾病的发 展，如苯丙酮尿症的发病机制是苯丙氨酸羟化酶缺陷，使得苯丙氨酸和苯丙酮酸在体内堆积 影响神经系统发育，导致患儿智力低下、惊厥等。如果在患儿发育早期开始着手防治，给婴 儿服用低苯丙氨酸配方奶粉，并在儿童期给患儿低苯丙氨酸饮食，则患儿可正常生长发育。 (2)基因治疗对部分单基因遗传疾病有较好的疗效。如严重复合型免疫缺陷疾病 (SCID)是由于腺苷酸脱氨酶基因(ada)缺陷，造成了体内缺乏腺苷酸脱氨酶，而腺苷酸 脱氨酶是免疫系统完成正常功能所必需的，因此患者不能够抵抗任何微生物的感染，只能在 无菌条件下生活。通过将正常的ada基因整合到病毒的核酸上，然后去感染从SCID患者的体 内分离出T淋巴细胞，将正常的ada基因导入T淋巴细胞，然后将其注入患者体内，可以恢复 ada基因的功能，合成腺苷酸脱氨酶，从而修复患者的免疫功能。 (3)基因治疗的靶细胞可以选择体细胞，也可以选择生殖细胞。目前基因治疗仅选择 体细胞，生殖细胞的基因治疗由于可以造成遗传改变而受到严格限制。假设允许进行生殖细 胞基因治疗，接受治疗的个体及其后代在本质上与转基因动植物有何相同点和不同点。 3.后基因组时代的重大研究计划对人类健康的意义。 [思路提示]可从下面几个方面进行讨论（每个方面可自由扩展）： (1)癌症基因组图谱计划。癌症是影响人类健康的重大疾病，目前大部分癌症缺乏有 效的治疗方法。了解恶性肿瘤的形成、生长、转移等过程的生物学基础，以及与病理机制相 关的基因组变化，促进癌症的早期诊断和加速癌症治疗的发展步伐，将是对人类健康的重要 -4-
生物技术概论 - 4 - 三、拓展讨论 1. 生物技术在制药业中的应用前景。 [思路提示] 可从下面三个方面（可自由扩展）进行讨论： （1）生物技术药物在全球药品销售额中所占比例逐年攀升； （2）生物技术在基因工程制药（基因工程药品开发、利用基因工程技术改造传统的制 药工业和利用转基因动、植物生产蛋白质类药物）、细胞工程制药（单克隆抗体、动物细胞 培养和核移植技术）、酶工程制药（固相酶或固定化细胞技术等）及发酵工程制药（菌株改 造等）几个方面的前景； （3）生物技术在疫苗生产中的应用前景（基因工程亚单位疫苗、抗独特型抗体疫苗、 合成肽疫苗、DNA疫苗、转基因植物疫苗）。 2. 基因治疗的前景及可能存在的伦理问题。 [思路提示] 可从以下几个方面（可自由扩展）进行讨论： （1）遗传疾病目前主要靠预防，治疗上只能针对症状采取有限的措施以控制疾病的发 展，如苯丙酮尿症的发病机制是苯丙氨酸羟化酶缺陷，使得苯丙氨酸和苯丙酮酸在体内堆积 影响神经系统发育，导致患儿智力低下、惊厥等。如果在患儿发育早期开始着手防治，给婴 儿服用低苯丙氨酸配方奶粉，并在儿童期给患儿低苯丙氨酸饮食，则患儿可正常生长发育。 （2）基因治疗对部分单基因遗传疾病有较好的疗效。如严重复合型免疫缺陷疾病 （SCID）是由于腺苷酸脱氨酶基因（ada）缺陷，造成了体内缺乏腺苷酸脱氨酶，而腺苷酸 脱氨酶是免疫系统完成正常功能所必需的，因此患者不能够抵抗任何微生物的感染，只能在 无菌条件下生活。通过将正常的ada基因整合到病毒的核酸上，然后去感染从SCID患者的体 内分离出T淋巴细胞，将正常的ada基因导入T淋巴细胞，然后将其注入患者体内，可以恢复 ada基因的功能，合成腺苷酸脱氨酶，从而修复患者的免疫功能。 （3）基因治疗的靶细胞可以选择体细胞，也可以选择生殖细胞。目前基因治疗仅选择 体细胞，生殖细胞的基因治疗由于可以造成遗传改变而受到严格限制。假设允许进行生殖细 胞基因治疗，接受治疗的个体及其后代在本质上与转基因动植物有何相同点和不同点。 3. 后基因组时代的重大研究计划对人类健康的意义。 [思路提示]可从下面几个方面进行讨论（每个方面可自由扩展）： （1）癌症基因组图谱计划。癌症是影响人类健康的重大疾病，目前大部分癌症缺乏有 效的治疗方法。了解恶性肿瘤的形成、生长、转移等过程的生物学基础，以及与病理机制相 关的基因组变化，促进癌症的早期诊断和加速癌症治疗的发展步伐，将是对人类健康的重要
生物技术概论 贡献。 (2)蛋白质组计划，从细胞、组织和器官整体水平发现和确认人类蛋白质的种类、数 量、存在方式、相互作用、修饰状态及亚细胞定位等，进一步全面揭示生命活动的本质及疾 病的致病机理，对多种疾病的预防及治疗有重要意义。 (3)脑科学计划，了解人类大脑的工作机理，有利于理解抑郁症和自闭症等精神疾病 的生物学基础，对于该类疾病的预防及治疗有重要意义。 (4)精准医疗计划，根据人类个体基因的差异，有针对性地进行治疗，可以更好地发 挥药物疗效，减少药物副作用，这是我们下一步追求的目标。 (重庆邮电大学解增言) -5-
生物技术概论 - 5 - 贡献。 （2）蛋白质组计划，从细胞、组织和器官整体水平发现和确认人类蛋白质的种类、数 量、存在方式、相互作用、修饰状态及亚细胞定位等，进一步全面揭示生命活动的本质及疾 病的致病机理，对多种疾病的预防及治疗有重要意义。 （3）脑科学计划，了解人类大脑的工作机理，有利于理解抑郁症和自闭症等精神疾病 的生物学基础，对于该类疾病的预防及治疗有重要意义。 （4）精准医疗计划，根据人类个体基因的差异，有针对性地进行治疗，可以更好地发 挥药物疗效，减少药物副作用，这是我们下一步追求的目标。 （重庆邮电大学 解增言）