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10.2: 医药和农业中的生物技术

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    不难看出生物技术如何用于医疗目的。 对我们物种基因构成的了解、遗传性疾病的遗传基础以及操纵和修复突变基因的技术的发明为治疗疾病提供了方法。 农业中的生物技术可以增强对疾病、害虫和环境压力的抵抗力，从而提高作物产量和质量。

    遗传诊断和基因疗法

    在进行治疗之前检测可疑遗传缺陷的过程称为通过基因检测进行遗传诊断。 在某些情况下，如果个人家族中存在遗传病，则可能建议家庭成员接受基因检测。 例如，BRCA 基因的突变可能会增加女性患乳腺癌和卵巢癌以及女性和男性患其他一些癌症的可能性。 患有乳腺癌的女性可以接受这些突变筛查。 如果发现其中一种高危突变，她的女性亲属也可能希望接受该特定突变筛查，或者只是对癌症的发生更加警惕。 还为胎儿（或体外受精的胚胎）提供基因检测，以确定患有特定衰弱性疾病的家族中是否存在致病基因。

    概念在行动

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    查看如何提取人类 DNA 用于基因测试等用途。

    基因疗法是一种基因工程技术，有朝一日可能会被用来治愈某些遗传疾病。 最简单的形式是，它涉及在基因组中的随机位置引入一个非突变基因，通过替换因基因突变而在这些个体中可能不存在的蛋白质来治愈疾病。 未突变的基因通常作为病毒（例如腺病毒）传播的载体的一部分引入患病细胞，这种载体可以感染宿主细胞并将外来的 DNA 输送到靶向细胞的基因组中（图\(\PageIndex{1}\)). To date, gene therapies have been primarily experimental procedures in humans. A few of these experimental treatments have been successful, but the methods may be important in the future as the factors limiting its success are resolved.

    一幅插图显示了含有病毒 DNA 的病毒与健康的非突变基因相结合。 病毒进入靶向呼叫，将未突变的基因注入靶细胞核。
    图\(\PageIndex{1}\)：此图显示了使用腺病毒载体的基因疗法治疗疾病所涉及的步骤。 （来源：美国国立卫生研究院对作品的修改）

    疫苗、抗生素和激素的生产

    传统的疫苗接种策略使用弱化或非活性形式的微生物或病毒来刺激免疫系统。 现代技术使用克隆到载体中并在细菌中大量生产的微生物的特定基因来制造大量的特定物质来刺激免疫系统。 然后将该物质用作疫苗。 在某些情况下，例如H1N1流感疫苗，从该病毒中克隆的基因已被用来对抗这种病毒不断变化的菌株。

    抗生素可以杀死细菌，由真菌等微生物自然产生；青霉素可能是最著名的例子。 抗生素是通过培养和操纵真菌细胞大规模产生的。 真菌细胞通常经过基因改造以提高抗生素化合物的产量。

    早在1978年，重组DNA技术就被用于在大肠杆菌中产生大量的人类激素胰岛素。 以前，只能用猪胰岛素治疗糖尿病，由于胰岛素分子的差异，猪胰岛素在许多人中引起过敏反应。 此外，人类生长激素（HGH）用于治疗儿童生长障碍。 HGH 基因是从 cDNA（互补 DNA）文库中克隆出来的，并通过将其克隆到细菌载体中插入到大肠杆菌细胞中。

    转基因动物

    尽管药物中使用的几种重组蛋白在细菌中成功产生，但有些蛋白质需要真核动物宿主才能进行适当的处理。 出于这个原因，基因已被克隆并在绵羊、山羊、鸡和老鼠等动物体内表达。 经过改造以表达重组 DNA 的动物被称为转基因动物（图\(\PageIndex{2}\)）。

    一张照片显示 3 只老鼠在紫外线下。 这三个都有白色的皮毛，在紫外线下看起来是紫色的。 中间的小鼠是非转基因的，没有荧光的。 左边和右边的老鼠是转基因的，它们的眼、耳、鼻和尾巴在紫外线下会发出绿色荧光。
    图\(\PageIndex{2}\)：可以看出，其中两只小鼠是转基因的，因为它们具有使它们在紫外线下发出荧光的基因。 非转基因小鼠没有引起荧光的基因。 （来源：英格丽·摩恩等人）

    几种人类蛋白质在转基因绵羊和山羊的牛奶中表达。 在一个商业例子中，FDA批准了一种血液抗凝蛋白，该蛋白是在转基因山羊的牛奶中产生的，用于人体。 小鼠已被广泛用于表达和研究重组基因和突变的影响。

    转基因植物

    操纵植物的DNA（创造转基因生物或转基因生物）有助于创造理想的特征，例如抗病、除草剂和抗虫性、更好的营养价值和更长的保质期（图\(\PageIndex{3}\)）。 植物是人类最重要的食物来源。 早在现代生物技术实践建立之前，农民就想出了选择具有理想性状的植物品种的方法。

    一张玉米棒的照片，玉米粒的形状和颜色各不相同。
    图\(\PageIndex{3}\)：玉米是一种主要的农作物，用于为各种行业生产产品，通常通过植物生物技术进行改性。 （来源：美国农业部 Keith Weller）

    转基因植物已经从其他物种获得了DNA。 由于转基因植物和其他转基因生物含有独特的基因组合，并且不仅限于实验室，因此政府机构会密切监测转基因植物和其他转基因生物，以确保它们适合人类食用，不会危及其他动植物的生命。 由于外来基因可以传播到环境中的其他物种，特别是在花粉和植物种子中，因此需要进行大量测试以确保生态稳定。 玉米、土豆和西红柿等主食是最早经过基因改造的农作物植物。

    使用 Agrobacterium tumefaciens 转化植物

    在植物中，由 Agrobacterium tumefaciens 细菌引起的肿瘤是通过将DNA从细菌转移到植物中而发生的。 由于植物细胞壁很厚，将DNA人工引入植物细胞比在动物细胞中更具挑战性。 研究人员利用DNA从农杆菌向植物宿主的自然转移将他们选择的DNA片段引入植物宿主。 在自然界中，致病的 A. tumefaciens 有一组质粒，这些质粒含有整合到受感染植物细胞基因组中的基因。 研究人员操纵质粒以携带所需的DNA片段并将其插入植物基因组中。

    有机杀虫剂苏云金芽孢杆菌

    苏云金@@ 芽孢杆菌（Bt）是一种产生蛋白质晶体的细菌，这些晶体对许多以植物为食的昆虫有毒。 吃了Bt毒素的昆虫会在几个小时内停止以植物为食。 毒素在昆虫的肠道中被激活后，几天之内就会死亡。 晶体毒素基因是从细菌中克隆出来并引入植物，因此允许植物产生自己的对抗昆虫的晶体Bt毒素。 Bt 毒素对环境是安全的，对哺乳动物（包括人类）无毒。 因此，它已被批准用作天然杀虫剂，供有机农民使用。 但是，有人担心，昆虫可能对Bt毒素产生抗药性，就像细菌对抗生素产生耐药性一样。

    FlavrSavr 番茄

    第一个投放市场的转基因作物是 1994 年生产的 FlavrSavr 番茄。 分子遗传技术被用来减缓真菌感染引起的软化和腐烂过程，从而延长了转基因番茄的保质期。 额外的基因改造改善了这种番茄的味道。 由于农作物的维护和运输问题，FlavrSavr番茄未能成功留在市场上。

    摘要

    进行基因检测是为了识别致病基因，可用于使尚未出现疾病症状的受影响个人及其亲属受益。 基因疗法——通过将功能基因整合到具有非功能突变基因的个体的基因组中——有可能治愈遗传性疾病。 转基因生物拥有来自不同物种的DNA，通常由分子克隆技术产生。 疫苗、抗生素和激素是通过重组 DNA 技术获得的产品的示例。 转基因动物是为实验目的而创造的，有些用于生产一些人类蛋白质。

    使用感染植物 Agrobacterium tumefaciens 细菌中的质粒将基因插入植物。 为了改善作物植物的特性，已经创建了转基因植物，例如，通过插入细菌毒素的基因来赋予它们抗虫性。

    词汇表

    基因疗法
    该技术用于通过用好基因代替突变基因来治愈可遗传性疾病
    基因检测
    识别个体中可能导致该个体遗传疾病的基因变异