上海交通大学通识教育立项核心课程 VG UNIVE 课程名称：生物技术与人类课程编号：BI906姓名：张涛 班级：F1201502学号：5120159036专业：建筑学 课程小论文 题目编号 7 得分 序号 选题 1 “绿色革命”与农业基因工程 2 “黄金水稻所引发的故事 3 美化环境的基因科学 4 世界首例艾滋病治愈前后观 5 从两性人说起性别的决定 6 DNA巧破悬案 7 从基因到药物的故事 8 耐药菌是如何生产的 9 化解能源危机的微生物 10 奥林匹克竞技场背后的基因高科技 11 姓氏背后的基因科学 12 基因间谍战 13 非典型战争 生物战与基因武器 14 走进生物芯时代 15 人生预报—透过基因看未来 16 基因的伦理 17 转基因是天使还是恶魔
上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称： 生物技术与人类 课程编号： BI906 姓名： 张 涛 班级： F1201502 学号： 5120159036 专业： 建筑学 课程小论文 题目编号 7 得分 序号 选题 1 “绿色革命”与农业基因工程 2 “黄金水稻”所引发的故事 3 美化环境的基因科学 4 世界首例艾滋病治愈前后观 5 从两性人说起性别的决定 6 DNA 巧破悬案 7 从基因到药物的故事 8 耐药菌是如何生产的 9 化解能源危机的微生物 10 奥林匹克竞技场背后的基因高科技 11 姓氏背后的基因科学 12 基因间谍战 13 非典型战争——生物战与基因武器 14 走进生物“芯”时代 15 人生预报——透过基因看未来 16 基因的伦理 17 转基因是天使还是恶魔
从基因到药物的故事 张涛 (上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院建筑系，上海200240) 摘要：随着生物技术的发展，基因工程、发酵工程、细胞工程、酶工程的不断成熟，通过改造基因来得到 特定的产物已经可以实现。紫杉醇、胰岛素的大量生产，使得治疗癌症和糖尿病的费用大大的降低，我们通 过改造基因或者大量表达某种基因，来得到某些细胞产物进行疾病的治疗，从基因到药物，是一个改造基因、 表达基因、用于医疗的过程。 关键词：基因工程基因改造基因表达药物 The Story from Gene to Drug Zhang Tao (Architecture,School of Naval Architecture,Ocean Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China) Abstract:With the development of biotechnology,genetic engineering,fermentation engineering,cell engineering,enzyme engineering continues to mature,through the transformation of genes for specific product already can be achieved.Mass production of taxol,insulin,making the treatment of cancer and diabetes cost greatly reduced,we through the transformation of genes or a large amount of expression of a gene therapy to get some cell product of diseases,from gene to drug,is a transformation of gene,gene expression,used for medical treatment process. Key words:gene engineering gene modification gene expression drug 0引言 当今世界，不断有新的疾病发现，而且各种疾病都有加强对人类侵害的趋势，例如癌症 和糖尿病，都是当今最重要的几种疾病，糖尿病是因为胰岛素的分泌不足引起的，紫杉醇是 治疗癌症的药物，我们都通过基因工程等技术，大量生产胰岛素和紫杉醇，来满足人们医疗 上的需求。随着人类基因组测序的完成，许多生物技术公司和制药公司己开始意识到未来在 使用这些信息方面有着巨大的潜力，现一些与遗传病有关的重要基因已被分离和测序，另一些 常见病如乳腺癌，结肠癌，高血压，糖尿病和早老性疾呆等涉及遗传倾向的基因己在染色体遗传 图谱上精确定位.这些为新药的发现和开发提供了可靠的信息资源。 1基因与药物 1.1基因 基因是具有特定生理功能的脱氧核糖核酸序列，通过表达可以使得性状表现出来，也可以遗 传给下一代
从基因到药物的故事 张 涛 （上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院建筑系，上海 200240） 摘 要：随着生物技术的发展，基因工程、发酵工程、细胞工程、酶工程的不断成熟，通过改造基因来得到 特定的产物已经可以实现。紫杉醇、胰岛素的大量生产，使得治疗癌症和糖尿病的费用大大的降低，我们通 过改造基因或者大量表达某种基因，来得到某些细胞产物进行疾病的治疗，从基因到药物，是一个改造基因、 表达基因、用于医疗的过程。 关键词：基因工程 基因改造 基因表达 药物 The Story from Gene to Drug Zhang Tao (Architecture ,School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract:With the development of biotechnology, genetic engineering, fermentation engineering, cell engineering, enzyme engineering continues to mature, through the transformation of genes for specific product already can be achieved. Mass production of taxol, insulin, making the treatment of cancer and diabetes cost greatly reduced, we through the transformation of genes or a large amount of expression of a gene therapy to get some cell product of diseases, from gene to drug, is a transformation of gene, gene expression, used for medical treatment process. Key words:gene engineering gene modification gene expression drug 0 引言 当今世界，不断有新的疾病发现，而且各种疾病都有加强对人类侵害的趋势，例如癌症 和糖尿病，都是当今最重要的几种疾病，糖尿病是因为胰岛素的分泌不足引起的，紫杉醇是 治疗癌症的药物，我们都通过基因工程等技术，大量生产胰岛素和紫杉醇，来满足人们医疗 上的需求。随着人类基因组测序的完成，许多生物技术公司和制药公司已开始意识到未来在 使用这些信息方面有着巨大的潜力,现一些与遗传病有关的重要基因已被分离和测序,另一些 常见病如乳腺癌,结肠癌,高血压,糖尿病和早老性疾呆等涉及遗传倾向的基因已在染色体遗传 图谱上精确定位, 这些为新药的发现和开发提供了可靠的信息资源。 1 基因与药物 1.1 基因 基因是具有特定生理功能的脱氧核糖核酸序列，通过表达可以使得性状表现出来，也可以遗 传给下一代
1.2基因工程技术 基因工程技术是其他工程技术的基础，基因工程技术包括基因测序技术、DNA重组技术、转 基因技术、基因克隆技术、基因诊断和基因治疗。 1.3药物 药物指能影响机体生理、生化和病理过程，可以预防、诊断、治疗疾病和计划生育的化学物 质。 2基因到药物的背景 2.1基因工程技术在药学中的应用的背景 生物技术的研究、开发和应用在医药方面最为活跃。长期以来，困扰着医学界的1个课题是 :一些疾病诊断、预防和治疗中有着重要价值的人体活性多肽（如激素、神经多肽、淋巴因 子和凝血因子等)，由于材料来源困难或技术方法问题无法大量合成，只能勉强沿用传统技 术从动物中提取，但是这样提取出来的药品质量参差不齐且纯度不能满足要求。 2.2基因工程技术在药学中取得的成果 2.2.1通过重组基因提取药物 目前，通过重组基因产生的工程菌己大量高效得合成出许多人体中的活性多肽，如干扰素、 白介素、促红细胞生成素、人生长激素和胰岛素等，基因工程药物为人体战胜多种疑难疾病 提供了有力的武器，也是国际医药工业发展的新的增长点。 2.2.2基因诊断 在采取治疗方法和如何用药之前，要提前确定病因。根据分子生物学理论，一切疾病都是由 于自身基因的病变或外来基因的侵入而导致的，自身基因的病变可导致遗传病、肿瘤和自身 免疫病等，病原体携带外来基因入侵人体则引发各种传染性疾病。无论是器质性还是功能性 疾病无不与基因密切相关。通过基因重组、分子杂交等技术通过基因芯片等工具在DNA水平 上对人类疾病所涉及的缺陷基因、突变基因进行检测，从而对疾病作出诊断
1.2 基因工程技术 基因工程技术是其他工程技术的基础，基因工程技术包括基因测序技术、DNA 重组技术、转 基因技术、基因克隆技术、基因诊断和基因治疗。 1.3 药物 药物指能影响机体生理、生化和病理过程，可以预防、诊断、治疗疾病和计划生育的化学物 质。 2 基因到药物的背景 2.1 基因工程技术在药学中的应用的背景 生物技术的研究、开发和应用在医药方面最为活跃。长期以来，困扰着医学界的 1 个课题是 ：一些疾病诊断、预防和治疗中有着重要价值的人体活性多肽（如激素、神经多肽、淋巴因 子和凝血因子等），由于材料来源困难或技术方法问题无法大量合成，只能勉强沿用传统技 术从动物中提取，但是这样提取出来的药品质量参差不齐且纯度不能满足要求。 2.2 基因工程技术在药学中取得的成果 2.2.1 通过重组基因提取药物 目前，通过重组基因产生的工程菌已大量高效得合成出许多人体中的活性多肽，如干扰素、 白介素、促红细胞生成素、人生长激素和胰岛素等，基因工程药物为人体战胜多种疑难疾病 提供了有力的武器，也是国际医药工业发展的新的增长点。 2.2.2 基因诊断 在采取治疗方法和如何用药之前，要提前确定病因。根据分子生物学理论，一切疾病都是由 于自身基因的病变或外来基因的侵入而导致的，自身基因的病变可导致遗传病、肿瘤和自身 免疫病等，病原体携带外来基因入侵人体则引发各种传染性疾病。无论是器质性还是功能性 疾病无不与基因密切相关。通过基因重组、分子杂交等技术通过基因芯片等工具在 DNA 水平 上对人类疾病所涉及的缺陷基因、突变基因进行检测，从而对疾病作出诊断
3基因到药物的过程 基因到药物的过程其实就是特定基因表达的过程，基因表达的产物要大量、 高纯度。 3.1目的基因的分离和提取 3.1.1从基因文库中获取目的基因（俗称：鸟枪法）：将含有某种生物的许多DNA片段，导入 受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物不同的基因，称为基因文库。当需要某 一片段时，根据目的基因的有关信息，如根据基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色 体上的位置、基因的转录产物mRNA,以及基因的表达产物蛋白质等特性来获取目的基因。 3.1.2化学合成法：己知目的基因的核苷酸序列，可用DNA合成仪直接合成。 3.1.3用PCR技术扩增技术提取。己知目的基因引物的序列，将整个DNA放入合成仪，因为 只有当引物与模板结合后DNA热聚合酶才能行使聚合功能，所以只有引物中间的目的基因被 大量扩增，即被提取出来。 3.2目的基因与载体结合构建重组体 3.2.1质粒DNA的分离纯化：一般含有单个目的基因的DNA片段，即使进入了宿主细胞也不 能进行增殖。通常它需要同适当的能自我复制的DNA分子（例如质粒、噬菌体DNA等）结 合后，才能在通过转化或其他途径导入宿主细胞，像正常质粒或病毒一样增殖和易于检测。 分离质粒载体DNA有许多方法，但其共同步骤是先用溶菌酶处理含有质粒载体的宿主菌培养 物，以除去其细胞壁，然后加入去污剂（例如SDS),使其发生温和的溶菌作用。这样质粒 DNA、多聚核糖体、可溶性蛋白质、tRNA等细胞内的大分子物质便逐步地释放出来，而核染 色体的DNA则仍然附着在细胞的残渣碎片上，经过离心处理，可使其同质粒分开。将离心所 得的含有质粒DNA的上清液，加酚处理除去蛋白。剩下的DNA混合物中，质粒DNA( cccDNA)呈超螺旋状态。为进一步纯化出CccDNA分子，可在含有溴化乙锭(EB)染料和氯 化铯溶液中进行密度梯度离心。EB是一种扁平分子，它能插入双链DNA分子的两个相邻碱 基对之间，从而降低了DNA分子在氯化铯中的密度。又由于CCcDNA同EB的结合能力比开环 DNA和线性DNA低得多，这样在氯化绝密度梯度中便可容易地将CCcDNA同其他两种类型的 DNA分离开来其他载体DNA分高纯化的原理与上述类似。 3.2.2目的基因与载体的连接。外源DNA片段与载体DNA分子的连接，即DNA分子的体外重 组，主要依赖于限制性内切核酸酶及DNA连接酶的作用。在进行连接时，一般需要注意以下 几点：①实验步骤尽可能简单容易：②在连接后，接点序列能被一定的限制酶重新酶切 ，以便回收插入片段：③对转录和转译过程中密码结构的阅读不发生干扰。 3.3重组体导入宿主细胞 3.3.1转化法：以质粒作为克隆载体将目的基因导入宿主细胞。原生质体转化法：除去细胞壁 后加外源DNA,经吸收恢复再生培养，如枯草杆菌。化学转化法：将对数生长期的细菌在0 摄氏度下，用遇冷的氯化钙溶液低渗处理，以使菌体的细胞壁和细胞膜的通透性增加，菌体 膨胀成球形，DNA易于进入细菌的细胞内。电穿孔法：利用高压脉冲电场，在宿主细胞表面 形成暂时性的微孔，质粒DNA可乘隙而入，在脉冲过后，微孔复原。 3.3.2通过接合作用传递质粒DNA:F质粒，除了含有自我复制基因外，还带有一套接合转移 的基因，凡携有F质粒的菌株称F+菌株。 3.3.3通过转染、转导作用传递质粒DNA。转染：病毒DNA及其重组子DNA导入宿主细胞( 或细菌)的过程称转染。转导：以噬菌体为媒介，将外源DNA导入细菌的过程称转导
3 基因到药物的过程 基因到药物的过程其实就是特定基因表达的过程，基因表达的产物要大量、 高纯度。 3.1 目的基因的分离和提取 3.1.1 从基因文库中获取目的基因（俗称：鸟枪法）：将含有某种生物的许多 DNA 片段，导入 受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物不同的基因，称为基因文库。当需要某 一片段时，根据目的基因的有关信息，如根据基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色 体上的位置、基因的转录产物 mRNA，以及基因的表达产物蛋白质等特性来获取目的基因。 3.1.2 化学合成法：已知目的基因的核苷酸序列，可用 DNA 合成仪直接合成。 3.1.3 用 PCR 技术扩增技术提取。已知目的基因引物的序列，将整个 DNA 放入合成仪，因为 只有当引物与模板结合后 DNA 热聚合酶才能行使聚合功能，所以只有引物中间的目的基因被 大量扩增，即被提取出来。 3.2 目的基因与载体结合构建重组体 3.2.1 质粒 DNA 的分离纯化：一般含有单个目的基因的 DNA 片段，即使进入了宿主细胞也不 能进行增殖。通常它需要同适当的能自我复制的 DNA 分子（例如质粒、噬菌体 DNA 等）结 合后，才能在通过转化或其他途径导入宿主细胞，像正常质粒或病毒一样增殖和易于检测。 分离质粒载体 DNA 有许多方法，但其共同步骤是先用溶菌酶处理含有质粒载体的宿主菌培养 物，以除去其细胞壁，然后加入去污剂（例如 SDS），使其发生温和的溶菌作用。这样质粒 DNA 、多聚核糖体、可溶性蛋白质、tRNA 等细胞内的大分子物质便逐步地释放出来，而核染 色体的 DNA 则仍然附着在细胞的残渣碎片上，经过离心处理，可使其同质粒分开。将离心所 得的含有质粒 DNA 的上清液，加酚处理除去蛋白。剩下的 DNA 混合物中，质粒 DNA （ cccDNA ）呈超螺旋状态。为进一步纯化出 cccDNA 分子，可在含有溴化乙锭（EB）染料和氯 化铯溶液中进行密度梯度离心。EB 是一种扁平分子，它能插入双链 DNA 分子的两个相邻碱 基对之间，从而降低了 DNA 分子在氯化铯中的密度。又由于 cccDNA 同 EB 的结合能力比开环 DNA 和线性 DNA 低得多，这样在氯化绝密度梯度中便可容易地将 cccDNA 同其他两种类型的 DNA 分离开来其他载体 DNA 分高纯化的原理与上述类似。 3.2.2 目的基因与载体的连接。外源 DNA 片段与载体 DNA 分子的连接，即 DNA 分子的体外重 组，主要依赖于限制性内切核酸酶及 DNA 连接酶的作用。在进行连接时，一般需要注意以下 几点：① 实验步骤尽可能简单容易；② 在连接后，接点序列能被一定的限制酶重新酶切 ，以便回收插入片段；③ 对转录和转译过程中密码结构的阅读不发生干扰。 3.3 重组体导入宿主细胞 3.3.1 转化法：以质粒作为克隆载体将目的基因导入宿主细胞。原生质体转化法：除去细胞壁 后加外源 DNA，经吸收恢复再生培养，如枯草杆菌。化学转化法：将对数生长期的细菌在 0 摄氏度下，用遇冷的氯化钙溶液低渗处理，以使菌体的细胞壁和细胞膜的通透性增加，菌体 膨胀成球形，DNA 易于进入细菌的细胞内。电穿孔法：利用高压脉冲电场，在宿主细胞表面 形成暂时性的微孔，质粒 DNA 可乘隙而入，在脉冲过后，微孔复原。 3.3.2 通过接合作用传递质粒 DNA：F 质粒，除了含有自我复制基因外，还带有一套接合转移 的基因，凡携有 F 质粒的菌株称 F＋菌株。 3.3.3 通过转染、转导作用传递质粒 DNA。转染：病毒 DNA 及其重组子 DNA 导入宿主细胞（ 或细菌）的过程称转染。转导：以噬菌体为媒介，将外源 DNA 导入细菌的过程称转导
3.4重组体的筛选、鉴定和分析 3.4.1直接筛选。DNA鉴定：DNA序列分析和同源性分析鉴定，载体筛选：质粒载体的抗性 标记筛选、标记补救筛选等。 3.4.2间接筛选。通过翻译产物、转录产物进行筛选。 3.4.3核酸分子杂交检测法和物理检测法 3.5目的基因的表达 目的基因的表达是最后的结果，基因表达后产生的产物是我们需要的产品。 4基因到药物的特点 4.1高技术 基因到药物的研发时一种知识密集、技术合力高、多学科相互渗透的新兴产业，它涉及诸如 基因的合成、目标蛋白的纯化及工艺放大、产品质量的检测及保证等复杂环节。因此，具有 高素质的专业研制人员，具有较高管理水平、知识水平和先进理念的经营人员，具有前沿特 征的高技术组合构成基因工程药物高技术特征。 4.2长周期 基因到药物从开始研制到最终转化为产品上市要经过很多复杂的环节：实验室研究阶段、中 试生产阶段、临床试验阶段、规模化生产阶段、市场商品化阶段以及监督环节等，各阶段均 须通过严格复杂的药政审批环节。 4.3高投入 正式由于技术含量高，研制周期长、难度大，因而，基因到药物时一种投入相当大的产业， 每一种新产品的研究开发及厂房兴建、设备仪器配置、高级研究人员和管理人员的高薪酬金 以及其它各项费用，还有产品市场开发、广告宣传等等，都需要巨额支出。 4.4高风险 基因到药物的开发孕育着较大的不确定风险，从实验室研究到上市售后监督等一系列步骤显 然是耗费巨大的系统工程，从技术、人力、物力和资金等各方面的调度和投入上都是如此。 而任何一个环节失败都将前功尽弃，有的药物甚至可能会在使用过程出现一些不曾料想的不 良反应需要重新评价。 4.5高收益 基因药物的利润回报率很高，一般新药上市后2-3年即可收回投资。当企业拥有新产品和专 利的时候，可以形成技术垄断优势，一旦新药成功并顺利投放市场将获得暴利
3.4 重组体的筛选、鉴定和分析 3.4.1 直接筛选。DNA 鉴定：DNA 序列分析和同源性分析鉴定，载体筛选：质粒载体的抗性 标记筛选、标记补救筛选等。 3.4.2 间接筛选。通过翻译产物、转录产物进行筛选。 3.4.3 核酸分子杂交检测法和物理检测法 3.5 目的基因的表达 目的基因的表达是最后的结果，基因表达后产生的产物是我们需要的产品。 4 基因到药物的特点 4.1 高技术 基因到药物的研发时一种知识密集、技术合力高、多学科相互渗透的新兴产业，它涉及诸如 基因的合成、目标蛋白的纯化及工艺放大、产品质量的检测及保证等复杂环节。因此，具有 高素质的专业研制人员，具有较高管理水平、知识水平和先进理念的经营人员，具有前沿特 征的高技术组合构成基因工程药物高技术特征。 4.2 长周期 基因到药物从开始研制到最终转化为产品上市要经过很多复杂的环节：实验室研究阶段、中 试生产阶段、临床试验阶段、规模化生产阶段、市场商品化阶段以及监督环节等，各阶段均 须通过严格复杂的药政审批环节。 4.3 高投入 正式由于技术含量高，研制周期长、难度大，因而，基因到药物时一种投入相当大的产业， 每一种新产品的研究开发及厂房兴建、设备仪器配置、高级研究人员和管理人员的高薪酬金 以及其它各项费用，还有产品市场开发、广告宣传等等，都需要巨额支出。 4.4 高风险 基因到药物的开发孕育着较大的不确定风险，从实验室研究到上市售后监督等一系列步骤显 然是耗费巨大的系统工程，从技术、人力、物力和资金等各方面的调度和投入上都是如此。 而任何一个环节失败都将前功尽弃，有的药物甚至可能会在使用过程出现一些不曾料想的不 良反应需要重新评价。 4.5 高收益 基因药物的利润回报率很高，一般新药上市后 2-3 年即可收回投资。当企业拥有新产品和专 利的时候，可以形成技术垄断优势，一旦新药成功并顺利投放市场将获得暴利
3展望 基因到药物，虽然会有比较大的风险，前进的过程中也会比较的艰难，但是在面对这人类不 得不克服的疾病和巨大的收益，许多公司还是不断地进行着研究。随着基因药物的发展，我 们将克服更多的疾病，人类基因组测序的工程已经为我们研究基因药物提供了很好的基础， 基因药物肯定会有一个光明的未来。 [参考文献) [1]李拥军.基因工程药物及其产业化发展[J].生产力研究，2003，(3)：185-187. [2]吴乃虎.基因工程原理[M门.背景：科学出版社，2001：44. [3]孙晗笑，陆大祥，刘飞鹏.转基因技术理论与应用[M],郑州：河南医科大学出版社， 2001:162 [4]顾健人，曹雪涛.基因治疗[M].北京：科学出版社，2001：28. [5]李校.基因工程药物的制备原理与应用[M].广州：暨南大学出版社，2000：1
3 展望 基因到药物，虽然会有比较大的风险，前进的过程中也会比较的艰难，但是在面对这人类不 得不克服的疾病和巨大的收益，许多公司还是不断地进行着研究。随着基因药物的发展，我 们将克服更多的疾病，人类基因组测序的工程已经为我们研究基因药物提供了很好的基础， 基因药物肯定会有一个光明的未来。 [参考文献] [1]李拥军.基因工程药物及其产业化发展［J］.生产力研究，2003，（3）：185-187. [2]吴乃虎.基因工程原理［M］.背景：科学出版社，2001:44. [3]孙晗笑，陆大祥，刘飞鹏.转基因技术理论与应用［M］.郑州：河南医科大学出版社， 2001:162. [4]顾健人，曹雪涛.基因治疗［M］.北京：科学出版社，2001:28. [5]李校.基因工程药物的制备原理与应用［M］.广州：暨南大学出版社，2000:1