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第3 章 基因工程
1.基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外
DNA
重组和转基因
技术，赋予生物以新的遗
传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。基因工程是在DNA
分子
水平上进行设计和
施工的，又叫做
DNA
重组技术
。
2.基因工程的诞生（三个理论和三个技术）：
基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科基础上发展起来的，正是这些学科的基础理论和相
关技术的发展催生了基因工程，具体有三大理论发现和三个技术突破。
（1）理论基础：
①DNA
是遗传物质
；
②DNA
分子的双螺旋结构和半保留复制
；
③遗传密码的通用性和遗传信息传递的方式；
（2）技术基础：
①限制性核酸内切酶的发现与
DNA
的切割
；
②DNA
连接酶的发现与
DNA
片段的连接
；
③基因工程载体的构建与应用
3.理论上的三大发现
⑴发现了遗传物质——DNA
1944 年，艾弗里（O.T.Avery）的肺炎双球菌转化实验
⑵揭示了遗传物质的分子机制：DNA
分子的双螺旋结构和半保留复制
1953 年，沃森（
J.D.Watson
）和克里克（
F.Crick
）的
DNA 双螺旋结构模型、半保留复制图，获1958 年
诺贝尔奖。
⑶确立了遗传信息的传递方式：以密码形式传递
1963 年，美国尼伦伯格（
M.W.Nirenberg
）和马太（
H.Matthaei
）
确立了遗传信息以密码形式传递，破译
了编码氨基酸的遗传密码(3 个核苷酸=1 个密码子=1 个aa)。
（3）技术上的三大突破
⑴世界上第一个重组DNA 实验：实现不同来源
DNA
的体外重组
1972 年斯坦福大学化学家伯格（P.Berg）借助内切酶和连接酶将猴病毒SV40 的DNA 和大肠杆菌λ 噬菌体
的DNA 在试管中连接在了一起，第一次成功地实现了DNA
的体外重组
。
⑵第一个基因克隆实验：重组
DNA
表达实验
，是世界上第一个基因工程实验
1973 年美国斯坦福大学医学院遗传学家科恩（S.Cohen）将体外构建的含有四环素和卡那霉素抗性基因的
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重组质粒导入大肠杆菌，获得了具有双抗性的大肠杆菌转化子，成功完成了第一个基因克隆实验。是基因
工程诞生的标志。
⑶第一个真核基因在原核生物中的表达：第一次实现了异源真核基因在原核生物中的表达
1974 年，科恩（
S.Cohen
）和博耶（
H.Boyer
）
将非洲爪蟾编码核糖体基因的DNA 片断同pSC101 质粒重
组，并导入大肠杆菌细胞，结果表明动物基因已进入大肠杆菌并转录出相应的mRNA 产物，第一次实现了
异源真核基因在原核生物中的表达。
第1 节 DNA 重组技术的基本工具
一、DNA 基因工程的基本工具
1.DNA 基因工程至少需要三种工具：“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）；“分子缝合针”
——DNA
连接酶
；“分子运输车”——基因进入受体细胞的载体。
（1）“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）
①来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。
②功能：能识别双链DNA 分子的某种特定的核苷酸序列，且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的
磷酸二酯键断开，因此具有专一性。
③结果：经限制酶切割产生的DNA 片段末端通常有两种形式：粘性末端和平末端。
思考：下图中的图1 和图2 分别表示的是EcoRⅠ限制酶和SmaⅠ限制酶的作用示意图，从图示可以看出，
EcoRⅠ限制酶识别的碱基序列是GAATTC，切割位点在G 和
A 之间；SmaⅠ限制酶识别的碱基序列是
CCCGGG，切割位点在G 和
C 之间。图1 说明，EcoRⅠ发挥作用是在它识别序列的中心轴线两侧将
DNA
的两条链分别切开，所以产生的是黏性末端，图2 说明SmaⅠ发挥作用是在它识别序列的中心轴线处将
DNA
的两条链分别切开
，所以产生的是平末端。（P71“图3-3”改编）
（2）“分子缝合针”——DNA
连接酶
①)两种DNA 连接酶（E·coliDNA 连接酶和T4DNA 连接酶）的比较：
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a.相同点：都缝合磷酸二酯键。
b.区别：E·coli DNA 连接酶来源于T4噬菌体，只能将双链DNA 片段互补的粘
性末端
之间的磷酸二酯键连
接起来；而T4DNA 连接酶能缝合两种末端，但连接平末端的之间的效率较低。
②与DNA 聚合酶作用的异同：DNA 聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二
酯键。DNA 连接酶是连接两个
DNA
片段
的末端，形成磷酸二酯键。
（3） DNA 连接酶——“分子缝合针”
① 作用: 将双链 DNA 片段“缝合” 起来, 恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。
② 种类:
种类
来源
特点
E.coliDNA 连接酶
大肠杆菌
只能“缝合”具有互补粘性末端的双链DNA 片段
T4DNA 连接酶
T4噬菌体
既可以“缝合”双链DNA 片段互补粘性末端，又可“缝合”双
链DNA 片段的平末端。
(4)“分子运输车”——载体
①载体具备的条件：
a.能在受体细胞中复制并稳定保存。
b.具有一至多个限制酶切点，供外源
DNA
片段插入
。
c.具有标记基因，供重组
DNA
的鉴定和选择
。
②最常用的载体是质粒
，它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌染色体之外，并具有自我复制能力的
双链环状 DNA 分子。
③其它载体：噬菌体的衍生物、动植物病毒
2.比较与DNA 有关的六种酶
名称
作用部位
作用底物
作用结果
限制酶
磷酸二酯键
DNA
将DNA 切成两个片段
DNA 连接酶
磷酸二酯键
DNA
片段
将两个DNA
片段
连接为一个DNA 分子
DNA 聚合酶或热
稳定DNA 聚合酶
磷酸二酯键
脱氧核苷酸
将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端
DNA(水解)酶
磷酸二酯键
DNA
将DNA 片段水解为单个脱氧核苷酸
解旋酶
碱基对之间的氢键
DNA
将双链DNA 分子局部解旋为单链，形成两条长链
RNA 聚合酶
磷酸二酯键
核糖核苷酸
将单个核糖核苷酸依次连接到单链末端
二、DNA 的粗提取与鉴定
1. 实验原理:
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（1）提取DNA 的原理：DNA
、
RNA
、
蛋白质和脂质
等在物理和化学性质方面存在差异，可以利用这些差
异，选用适当的物理或化学方法对它们进行提取。例如，利用DNA
不溶于酒精，但某些蛋白质溶于酒精
这一原理，可以初步分离DNA 与蛋白质；DNA 在不同浓度的
NaCl
溶液中溶解度不同
，它能溶于2mol/L
的NaCl 溶液。
（2）鉴定DNA 的原理：在一定温度下，DNA 遇二苯胺试剂会呈现蓝色，因此二苯胺试剂可以作为鉴定
DNA 的试剂。
2. 方法步骤:
（1）称取约30g 洋葱，切碎，然后放入研钵中，倒入10mL 研磨液，充分研磨。
（2）去除滤液中的杂质。方案一：在漏斗中垫上纱布，将洋葱研磨液过滤到烧杯中，在4℃冰箱中放置几
分钟后，再取上清液；方案二：直接将研磨液倒入塑料离心管中，在1500r/min 的转速下离心5min，再取
上清液。
（3）DNA 的析出：方案一：在上清液中加入体积相等的、预冷的酒精溶液(体积分数为95%)，静置2～
3min，溶液中出现的白色丝状物就是粗提取的
DNA
；用玻璃棒沿一个方向搅拌，卷起丝状物，并用滤纸吸
去上面的水分；方案二：将溶液倒入塑料离心管中，在10000r/min 的转速下离心5min，弃上清液，将管底
的沉淀物
( 粗提取的
DNA)
晾干。
（4）DNA 的鉴定：取两支20mL 的试管，各加入2mol/L 的NaCl 溶液5mL。将丝状物或沉淀物溶解于其
中一支试管的NaCl 溶液中，再向两支试管中加入4mL 的二
苯胺
试剂。混合均匀后，将试管置于沸水中加
热5min，待试管冷却后，比较两支试管中溶液颜色的变化。
3.结果分析与评价：观察提取的DNA 的颜色，如果不是白色状物，说明DNA
中的杂质较多
。二苯胺试剂
鉴定呈现蓝色，说明实验基本成功；如果不呈现蓝色，可能原因有所提取的DNA 含量低，或者在实验操
作过程中出现了失误等。
提示:还原糖加斐林试剂后, 置于 55
～
65 ℃
热水中加热; 而 DNA 加二苯胺试剂后, 置于沸水中加
热。
4.DNA 粗提取中的注意事项
（1）本实验不能用哺乳动物成熟的红细胞作实验材料，原因是哺乳动物成熟的红细胞 无细胞核(无
DNA)。可选用鸡血细胞作材料。
（2）加入洗涤剂后，动作要轻缓、柔和，否则容易产生大量的泡沫。加入酒精 和用玻璃棒搅拌时，动作
要轻缓，以免加剧DNA 分子的断裂，导致DNA 分子不能形成絮状沉淀 。
（3）二苯胺试剂要现配现用
，否则会影响鉴定的效果。
（4）提取植物细胞的DNA 时，加入的洗涤剂能溶解细胞膜 ，有利于DNA 的释放；加入食盐(主要成分
是NaCl)的目的是溶解
DNA
。
（5）在DNA 进一步提纯时，选用冷却的
95%
的酒精
的作用是溶解杂质和析出DNA。
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第2 节 基因工程的基本操作程序
基因工程的基本操作程序主要包括四个步骤：目的基因的获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受
体细胞、目的基因的检测与鉴定。
一、目的筛选与获取
1.目的基因概念：在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因就是
目的基因。根据不同的需要，目的基因是不同的，它主要是指编码蛋白质的基因,如与生物抗逆性、优良品
质、生产药物、毒物降解和工业用酶等相关的基因。
2.筛选合适的目的基因：
（1）从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选是筛选合适的目的基因较为有效的方法之一。测序
技术的发展，以及遗传序列数据库、序列比对工具等的应用，为科学家找到合适的目的基因提供了更多的
机会和可能。
（2）获取目的基因方法：
①人工合成目的基因。例如，我国首批具有较高抗虫活性的转基因抗虫棉的培育过程中，科学家人工合成
了目的基因。
②常用PCR 特异性地快速扩增目的基因。
③通过构建基因文库来获取目的基因。
（3）利用PCR 获取和扩增目的基因
(1)含义：PCR 是聚合酶链式反应的缩写。它是一项在体外提供参与DNA 复制的各种组分与反应条件，对
目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。该技术由穆里斯等人于1988 年发明。
（2）原理：DNA
半保留复制
。
（3）基本条件：
①场所：在一定的缓冲溶液中进行，其中一般要添加Mg
2 ＋ 。
②DNA 复制的模板：DNA
母链
。
③合成子链的原料：4 种脱氧核苷酸
。
④酶：耐高温的DNA 聚合酶，其作用是催化合成
DNA
子链
。
⑤引物：其作用是使DNA
聚合酶
能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸。
(4)过程：目的基因DNA 受热变性后解为单链，引物与单链相应互补序列结合；然后以单链
DNA
为模板，
在DNA
聚合
酶作用下进行延伸,即将4 种脱氧核甘酸加到引物的3'端，如此重复循环多次。由于延伸后得
到的产物又可以作为下一个循环的模
板
，因而每一次循环后目的基因的量可以增加一倍，即成指数形式扩
增（2 n,其中n 为扩增循环的次数）。每次循环一般可以分为变性、复性和延伸三步：
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①变性：当温度上升到90℃时，双链DNA 解聚为单链。
②复性：当温度下降到50℃左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA 结合。
③延伸：当温度上升到72℃左右时，溶液中的4 种脱氧核苷酸在耐高温的
DNA
聚合酶
的作用下，根据碱
基互补配对原则合成新的DNA 链。
(5)操作：PCR 过程可以在PCR
扩增仪
中自动完成。
(6)鉴定：常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定PCR 的产物。
4.获取目的基因的其他方法：在获得转基因产品的过程中，除通过PCR 获取目的基因外，还可以通过构建
基因文库来获取目的基因。
5.从基因工程的目的来看，基因工程操作中要有“目的基因的筛选与获取”这一步的原因是：有了目的基
因，才能赋予一种生物以另一种生物的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。
（P176“教师教学用书”）
思考：下图为PCR 反应原理示意图，图中①表示引物，该物质是一小段能与
DNA
母链的一段碱基序列互
补配对的短单链核酸；②表示热稳定性聚合酶（
Taq
酶）
；dCTP、dATP、dGTP、dTTP 的中文名称依次
是：三磷酸胞嘧啶脱氧核苷酸、三磷酸腺嘌呤脱氧核苷酸、三磷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸
、
三磷酸胸腺嘧啶脱
氧核苷酸；③表示变性（双链
DNA
解聚为单链）
，发生该过程的条件是温度上升到90℃；④表示复性
（两种引物通过碱基互补配对与两条单链
DNA
结合
，发生该过程的条件是温度下降到
50℃
左右
；⑤表示
延伸（
4 种脱氧核苷酸在耐高温的
DNA
聚合酶的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的
DNA
链）
，发
生该过程的条件是温度上升到
72℃
左右
。（P77“相关信息”P78“图3-5”改编）
二、基因表达载体的构建（核心）
1．基因表达载体构建的目的：让目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时使目的
基因能够表达和发挥作用。
2．基因表达载体的组成：一个基因表达载体应含有目的基因、标记基因、启动子、终止子等。
3．基因表达载体的构建过程：首先用一定的限制酶切割载体，使它出现一个切口；然后用同一种限制酶
或能产生相同末端的限制酶切割含有目的基因的DNA 片段；再利用DNA 连接酶将目的基因片段拼接到载
体的切口处，这样就形成了一个重组DNA 分子。
思考：1.下图为基因表达载体模式图，图中①表示启动子，它是一段有特殊序列
结构的DNA 片段，位于基因的上游，紧挨转录的起始位点，它是RNA 聚合酶识
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别和结合的部位，其作用是驱动基因转录出
mRNA
，最终表达出人类所需要的蛋白质。有时为了满足应用
需要，会在载体中人工构建诱导型启动子，当诱导物存在时，可以激活或抑制目的基因的表达。②表示终
止子，位于基因的下游，是一段有特殊序列结构的DNA 短片段，其作用是能够使转录在所需要的地方停
止下来。③表示标记基因，其作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选
出来，如抗生素抗性基因就可以作为这种基因。
思考：2.在基因工程操作中要有“表达载体的构建”这一步，因为单独的目的基因是不能稳定遗传的。而
构建表达载体可以使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时使目的基因能够表达
和发挥作用。（P177“教师教学用书”）基因表达载体的构建会因目的基因的不同、受
体细胞的不同
而有
所差别，不可能是千篇一律的。
归纳：启动子、终止子、起始密码子、终止密码子对比
比较项目
启动子
终止子
起始密码子
终止密码子
本质
DNA 片段
DNA 片段
mRNA 上三个相邻的
碱基
mRNA 上三个相邻
的碱基
位置
目的基因上游
目的基因下游
mRNA 首端
mRNA 尾端
功能
RNA 聚合酶识别和结合的部
位，驱动基因转录出mRNA
使转录在所需要
的地方停下来
翻译的起始信号（编
码氨基酸）
翻译的结束信号
（不编码氨基酸）
三、将目的基因导入受体细胞
1.将目的基因导入植物细胞
（1）花粉管通道法：花粉管通道法有多种操作方式。例如，可以用微量注射器将含目的基因的DNA 溶液
直接注入子房中；可以在植物受粉后的一定时间内，剪去柱头，将DNA 溶液滴加在花柱切面上，使目的
基因借助花粉管通道进入胚囊。
（2）农杆菌转化法：
①转化：转化是指目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。注：此处“转
化”与肺炎链球菌转化实验中的“转化”含义相同，实质都是基因重组。
②农杆菌的特点：农杆菌能在自然条件下侵染双子叶植物和裸子植物，而对大多数单子叶植物没有侵染能
力。农杆菌细胞内含有Ti
质粒
，当它侵染植物细胞后，能将Ti
质粒
上的T-DNA(
可转移的
DNA)
转移到被
侵染的细胞，并且将其整合到该细胞的染色体
DNA
上。
③转化过程：如果将目的基因插入Ti
质粒的
T-DNA
中，通过农杆菌的转化作用，就可以使目的基因进入
植物细胞。
2.将目的基因导入动物细胞：将目的基因导入动物受精卵最常用的一种方法是利用显微注射直接将目的基
因注入动物的受精卵中,这个受精卵将发育成为具有新性状的动物。
3. 将目的基因导入微生物细胞：常以大肠杆菌作为受体细胞，一般先用Ca2
＋ 处理受体细胞，使细胞处于
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一种能吸收周围环境中
DNA
分子
的生理状态，然后再将重组的基因表达载体导入其中。
4.常用的转化方法：
①将目的基因导入植物细胞：采用最多的方法是 农杆菌转化法
和 花粉管通道法
等。
②将目的基因导入动物细胞：最常用的方法是 显微注射技术
。此方法的受体细胞多是 受精卵。
③将目的基因导入微生物细胞：Ca
2+ 处理法
( 感受态细胞法或
CaCl
2 法
)
思考：1.下图为农杆菌转化法示意图，图中①表示T-DNA，②表示构建表达载体的过程，③的名称是含目
的基因的重组
Ti
质粒
，④表示转入农杆菌的过程，⑤表示导入植物细胞的过程，⑥表示将目的基因插入染
色体的
DNA
中
，⑦表示培养再生成植株的过程，该过程中所用的技术是植物组织培养技术。
思考：2.在基因工程操作中要有“目的基因导入受体细胞”这一步，这是因为含有目的基因的表达载体只
有进入受体细胞，并且维持稳定和表达，才能实现一种生物的基因在另一种生物中的转化。（P177“教师
教学用书”）
四、目的基因的检测与鉴定
1.目的：目的基因的检测与鉴定的目的是判断导入受体细胞后的目的基因是否可以稳定维持和表达其遗传
特性。这是基因工程的第四步工作，也是检査基因工程是否做成功的一步。例如：一个抗虫或抗病的目的
基因导入植物细胞后，是否赋予了植物抗虫或抗病特性，需要做抗虫或抗病的接种实验，以确定是否具有
抗性以及抗性的程度。这属于基因工程操作中的第四步——检测和鉴定目的基因是否稳定维持和表达其遗
传特性。
2.方法：
（1）分子生物学水平的检测：通过PCR 等技术检测受体细胞的染色体
DNA
上是否插入了目的基因。利
用PCR 技术检测目的基因是否转录出了mRNA。用相应抗体进行抗原—抗体杂交检测目的基因是否翻译
成蛋白质等。
（2）个体水平的鉴定：除进行分子水平检测外，还需要进行个体生物学水平的鉴定，例如，通过抗虫、
抗病接种实验等判断是否获得了抗性及抗性程度。
五、DNA 片段的扩增及电泳鉴定
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1.实验原理
（1）DNA 片段的扩增：PCR 利用了DNA
的热变性
原理，通过调节温度来控制DNA 双链的解聚与结合。
PCR 仪实质上就是一台能够自动调控温度的仪器。一次PCR 一般要经历30 次循环。
（2）琼脂糖凝胶电泳：DNA 分子具有可解离的基团，在一定的pH 下,这些基团可以带上正电荷或负电荷。
在电场的作用下，这些带电分子会向着与它所带电荷相反的电极移动，这个过程就是电泳。PCR 的产物一
般通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定。在凝胶中DNA 分子的迁移速率与凝胶的浓度、DNA 分子的大小和构象等
有关。凝胶中的DNA 分子通过染色，可以在波长为300nm 的紫外灯下被检测出来。
2.方法步骤
（1）移液：用微量移液
器
按照配方或PCR 试剂盒的说明书，在微量离心管中依次加入各组分。待所有的
组分都加入后，盖严离心管的盖子。
（2）离心：将微量离心管放在离心机上，离心约10s，使反应液集中在管的底部。
（3）反应：将装有反应液的微量离心管放入PCR
仪
中，设置程序进行反应。
（4）根据待分离的DNA 片段的大小，用电泳缓冲液配制琼脂糖溶液，一般配制质量分数为0.8%
～
1.2%
的琼脂糖溶液，并加入适量的核酸染料混匀。
（5）将扩增得到的PCR 产物与凝胶载样缓冲液(内含指示剂)混合，再用微量移液器将混合液缓慢注入凝
胶的加样孔内。
（6）接通电源，根据电泳槽阳极至阴极之间的距离来设定电压，一般为1 ～
5V/cm
。待指示剂前沿迁移接
近凝胶边缘时，停止电泳。
（7）电泳结束后，取出凝胶置于紫外灯下观察和照相。
3.操作提示
（1）为避免外源DNA 等因素的污染，PCR 实验中使用的微量离心管、枪头和蒸馏水等在使用前必须进行
高压灭菌处理。
（2）缓冲液和酶应分装成小份，并在－
20
℃
储存。使用前将所需试剂从冰箱拿出，放在冰块上缓慢融化。
（3）在向微量离心管中添加反应组分时，每吸取一种试剂后，移液器上的枪头都必须更换。
（4）在进行操作时，一定要戴好一次性手套。
4.结果分析与评价
（1）可以通过在紫外灯下直接观察DNA 条带的分布及粗细程度来评价扩增的结果。（P85“问题1”）
（2）如果扩增不成功，可能的原因有：漏加了
PCR
的反应成分，各反应成分的用量不当，
PCR
程序设置
不当等。如果扩增结果不止一条条带，可能的原因有：引物设计不合理，它们与非目的序列有同源性或容
易聚合形成二聚体；退火温度过低；
DNA
聚合酶的质量不好
等。（P85“问题2”）
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第3 节 基因工程的应用
一、基因工程在农牧业方面的应用
基因工程在农牧业方面的应用主要被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面。具体来
说，其在植物方面应用主要有培育转基因抗虫植物、转基因抗病植物、转基因抗除草剂植物以及改良植物
的品质，在动物方面的应用主要有提高动物的生长速率、改善畜产品的品质。
1.转基因抗虫植物
(1)方法：从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中培育出具有抗虫性的作物。
(2)成果：已问世的转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。
2．转基因抗病植物
(1)背景：许多栽培作物由于自身缺少抗病基因，因此用常规育种的方法很难培育出抗病的新品种。
(2)方法：科学家将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物。
(3)成果：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。
3．转基因抗除草剂植物
(1)背景：杂草常常危害农业生产，而大多数除草剂不仅能杀死田间杂草，还会损伤作物，导致作物减产。
(2)方法：将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可以培育出抗除草剂的作物品种。
(3)优点：在喷洒除草剂时，田间杂草会被杀死而作物不会受到损伤。
(4)成果：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。
4.改良植物的品质：利用转基因技术可以提高植物的营养价值、观赏价值等。例如，将必需氨基酸含量多
的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量。我国科学家成功地将与植物花青素代谢相关
的基因导入矮牵牛中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高了它的观赏价值。
5.提高动物的生长速率：
（1）原理及方法：由于外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快，因此科学家将这类基因
导入动物体内，以提高动物的生长速率。
（2）成果：我国科学家将外源生长激素基因导入鲤鱼,在同等养殖条件下，转基因鲤鱼的生长速率比非转
基因鲤鱼提高了42%〜115%。
6．改善畜产品的品质：有些人由于乳糖酶分泌少,不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后会出现腹泻等
不适症状，这称为乳糖不耐受。我国约有1/3 的成年人对乳糖不耐受。为了解决这一问题，科学家将肠乳
糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他营养成分不受
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影响。
思考：从环境保护角度出发，转基因抗虫水稻与普通水稻相比在害虫防治方面的优越性有：减少了化学农
药的使用量，降低了环境污染；降低生产成本。
二、基因工程在医药卫生领域的应用
（1）对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物。这些药物包括细胞因子、抗体、疫
苗和激素等，它们可以用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等。我国
生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物均已投放市
场。
（2）利用基因工程技术，让哺乳动物批量生产药物。科学家将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的
启动子等调控元件重组在一起，通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中，由这个受精卵发育成的转
基因动物在进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁来生产所需要的药物,这称为乳腺生物反应器或乳房生物反应
器。目前，科学家已经在牛、山羊等动物乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和
a-
抗胰蛋白酶
等重要的医药产品。构建乳腺生物反应器的过程为：将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基
因的启动子等调控元件重组在一起，通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中，由此发育成的转基因
动物在进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁来生产所需要的药物,这称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。
（3）基因工程技术还可能使建立移植器官工厂的设想成为现实。目前，科学家正尝试利用基因工程技术
对猪的器官进行改造，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。
三、基因工程在食品工业方面的应用
（1）利用基因工程菌生产食品工业用氨基酸。例如，阿斯巴甜是一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨
酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸就可以通过基因工程实现大规模生产。
（2）利用基因工程菌生产食品工业用酶。例如，奶酪是一种被广泛食用的发酵奶制品。大多数奶酪的生
产需要使用凝乳酶来凝聚固化奶中的蛋白质。科学家将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母
菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。另外，加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品要用
到的脂肪酶等也都可以通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。
（3）利用基因工程菌生产食品工业用维生素。
思考：相比从天然产物中提取的酶，通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产的食品工业用酶的优
点是：纯度更高，生产成本显著降低
, 生产效率较高
。
四、其他方面的应用：基因工程使人们更容易培育出具有优良性状的动植物品种，获得很多过去难以得到
的生物制品，甚至还能培育出可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染,
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第2节 蛋白质工程的原理和应用
从基因、蛋白质和性状关系角度，对基因工程的实质可描述为：基因工程是将一种生物的基因转移到另一
种生物体内，让后者产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。基因工程在原则上只能生产自然
界
已存在
的蛋白质。
一、蛋白质工程及其崛起的缘由
1.蛋白质工程的概念:
蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现
有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。目前，蛋白质工程已成为
研究蛋白质结构和功能的重要手段，并将广泛应用于医药和其他工农业生产中。
2. 蛋白质工程崛起的缘由
基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的,它们
的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
实例:
蛋白质缺陷
改造措施
改造后果
玉米中赖氨酸
含量低
赖氨酸合成中两种酶的
氨基酸被替换
叶片和种子中游离的赖氨酸分别
提高5 倍和2 倍
二、蛋白质工程的基本原理
1.蛋白质工程的基本原理：
（1）它可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代的基因工程。
（2）蛋白质工程的基本途径：预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找
到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。下图为蛋白质工程的基
本思路，图中A～E 处应填写的内容依次为：转录、翻译、推测、多肽链、预期功能。
例如：某多肽链的一段氨基酸序列是：…—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—谷氨酸—苯丙氨酸—…。要得
出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列，首先需从遗传密码子表中查出每种氨基酸对应的密码子，然后据此
推出mRNA 序列，再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列。由上述氨基酸序列推出的脱氧核苷酸序
列有多种，这说明上述氨基酸序列中有些氨基酸是由多个密码子编码的。确定目的基因的碱基序列后，就
可以根据人类的需要改造它。得到目的基因的途径有：人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。
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若要对基因改造，常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。天然蛋白质合成的过程是按照
中心法则进行的：基因→表达（转录和翻译）→形成具有特定氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的
蛋白质→行使生物功能：而蛋白质工程却与之相反，它的基本途径是：从预期的蛋白质功能出发→设计预
期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核甘酸序列（基因）或合成新的基因
→获得所需要的蛋白质。
三、蛋白质工程的应用
（1） 医药工业方面:
①速效胰岛素类似物: 改变氨基酸序列, 抑制胰岛素的聚合。
②干扰素:一个半胱氨酸替换为丝氨酸, 延长保存时间。
③单克隆抗体:将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接” 到人的抗体上, 降低诱发免疫反应的强度。
（2）其他工业方面: 用于改进酶的性能或开发新的工业用酶，如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突
变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。
（3）农业方面:
① 科学家尝试改造某些参与调控光合作用的酶, 提高植物光合作用的效率。
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